Альтернативні джерела енергії

Розділ 1. Аналітичний огляд літератури та обґрунтування теми

1.1 Альтернативні джерела енергії

Швидкий розвиток промисловості призводить до все більшого забруднення навколишнього середовища. Забрудненню піддається повітря, вода та ґрунт. Відбувається деградація ґрунту. Дуже небезпечним для людей та тварин є забруднення тяжкими металами, токсинами як: олово (Pb), кадмій (Сd), цинк (Zn), мідь (Cu), хром (Cr). В Україні є території екологічного лиха, на яких природне середовище забруднене різними елементами. Забруднення ґрунту там є різним. На забруднених територіях неможливе вирощування культур, призначених до безпосереднього вжитку, і обмежене вирощування пасовищних культур. Ці території потребують рекультивації. В цьому може допомогти вирощування рослин на промислові або енергетичні цілі. Цей спосіб рекультивації призведе до систематичного зниження рівня забруднення території і обмеження вживання продуктів, які з них походять [23].

Іншою загрозою зі сторони промисловості, головним чином паливно-енергетичної, є викидання в атмосферу великої кількості СО_2. Ця промисловість використовує паливо (газ, нафту, вугілля кам'яне і буре, торф), спалювання яких порушує натуральний обіг і баланс СО₂. Наслідком цього є поглиблення парникового ефекту. В масштабі світу головним абсорбентом СО₂ є рослини [14]. Запровадження до вирощування нових рослин, які інтенсивно зв'язують вуглекислий газ і утворюють високий врожай біомаси, який можна було б використати на енергетичні цілі, дозволило б значно зменшити емісію СО₂. До відтворюваних джерел відносяться чотири групи рослин [9]:

деревні рослини швидкої ротації (тополя, верба, евкаліпт);

швидкоростучі, багаторічні трав'яні рослини (Miscanthus spp., Arundo spp., Spartina spp.);

багаторічні дводольні рослини (Cynaria spp.);

однорічні рослини (Sorgum spp.).

Досконалим аргументом впровадження до вирощування рослин на енергетичні та промислові цілі є загосподарювання виключених з використання сільськогосподарських ґрунтів. На таких ґрунтах можна висадити ліс, а також вирощувати вище названі рослини. Такі рослини повинні відрізнятись низькими вимогами до ґрунтів, живлення і добрив. Також від них вимагається утворення високого врожаю, який можна було б використовувати у промисловості. Вирощування рослин такого роду могла б становити додаткове джерело доходів для селян.

Однією з рослин, яка могла би становити сировину для промисловості є Miscanthus sinensis форми “Giganteus”. Звернув він увагу науковців, які шукають нових, відновних джерел енергії з погляду на можливість усестороннього його використання, а також великий врожай і невеликі вимоги. Швидкі зміни глобального клімату, а також обмеження кількості опалювальної сировини, використання якої має свою межу, а ціни будуть зростати, стимулюють в останні роки пошук нових джерел енергії, так званих СО₂-нейтральних джерел [22]. З цією метою беруться під увагу сонце, вітер, енергія води, а також спалювання біомаси [23]. Згідно експертам, які працюють над зниженням впливу на середовище викопних палив, а також обмеженням емісії газів, що призводять до парникового ефекту, вуглекислий газ, що звільняється під час спалювання біомаси, не перевищує кількості раніше заабсорбованої рослинами під час фотосинтезу і тому не буде сприяти парниковому ефекту (утворюється замкнутий обіг) [14]. Прийнята в 1997 році „Біла книга” Європейського союзу передбачає зростання частки відновлювальних джерел енергії до 12% в 2010 році. Тим часом в Україні цей рівень є низьким. Але в затвердженій Верховною радою України у 1996 р. Національній енергетичній програмі України на період до 2010 р. передбачено покриття 10% потреб народного господарства в енергії за рахунок нетрадиційних відновлювальних та інших джерел енергії. В 2000р. актуальність цього пункту Програми була підтверджена в Рекомендаціях парламентських слухань відносно енергетичної політики України. Якщо орієнтуватись на досвід країн ЄС (де доля біомаси складає 60% всіх відновлювальних джерел енергії), біомаса може покривати біля 6% потреб народного господарства України в енергії [27].

Біомаса в енергетиці може бути використана безпосередньо через спалювання, або як паливо, після попередньої переробки на дизельне паливо, етанол або газ. Передбачається, що за 10-15 років настане зміна двигунів внутрішнього згорання на водневі палива. Як паливо буде використовуватись головним чином етанол, з якого буде отримуватись водень [14]. З вище описаних причин, розпочато в останні роки дослідження над продукуванням біомаси не призначеної на споживання. Великі надії покладаються на нові рослини, які дозволять використовувати їх цілу біомасу, а не тільки як є у випадку ріпаку, тільки насіння, чи так само зерна злакових культур [32].

Джерелом енергетичної сировини сільськогосподарського походження можуть бути культури, призначені на інші цілі, як продукт побічний, наприклад, солома, або рослини спеціально для цього призначені (однорічні або багаторічні). Важливо, щоб рослини, які вирощуються на енергетичні цілі, характеризувались би високим вмістом лігніну і целюлози, а також як найвищою продукцією біомаси. Рослинами з високим вмістом лігніну і целюлози, які утворюють пагони відповідної якості, є тополя і верба, солома та трави [3]. Найбільш перспективними, з погляду на продукцію біомаси, в помірному кліматі Європи є верба (Salix sp.) і тополя (Populus sp.), а також рослини типу С₄: багаторічні трави, наприклад, міскантус (Miscanthus sp.), амарант (Amaranthus sp.), мальва пенсільванська, а також просо (Рanicum virgatum).

Рослини С₃ (наприклад, верба і тополя) мають більшу потребу у воді при продукуванні тієї самої кількості біомаси, ніж рослини С₄. Річна кількість води, яка транспірується вербою і тополею, є на 40-100мм води більша, ніж у міскантуса. В багатьох регіонах чинником, який буде обмежувати вирощування верби та тополі, стане їх велика потреба у воді [23]. Врожаї, які отримуються з них в помірному кліматі Європи, можуть досягати 10-12 т сухої маси на рік. Натомість, рослини типу С₄, як міскантус і однорічні трави, показують відносно більшу здатність утворювати врожай біомаси [16].

Серед багаторічних трав типу С₄ з родини Miscanthus порівнювались багато генотипів: M. sacchariflorus, M. giganteus, M. Sinensis, M. sinensis hybrids. Досліди показали, що M .giganteus i M. sinensis дають найвищий урожай біомаси. З одного гектара в помірному кліматі можна отримати 25-35т сухої маси за рік і ще більше на зрошуваному полі в південних регіонах Європи [9].

Додатковою перевагою трави яка називається Miscanthus giganteus є її вимоги до удобрення: азоту менше в порівнянні з іншими однорічними і багаторічними травами [6]. Тривалість життя плантації також є привабливою і складає біля 20 років, а тривалість комерційного вирощування біля 15 років. Біомаса може збиратись щорічно. Вона трактується, насамперед, як відновлюване джерело енергії. З огляду на високий вміст целюлози і лігніну, він становить також цінну сировину для продукції будівельних матеріалів, в целюлозно-паперовій промисловості і в сільському господарстві [20].

1.2 Нетрадиційні поновлювані енергоджерела України

Серйозною перешкодою розвиткові українського суспільства тепер є несприятлива ситуація з енергією. Саме рівень забезпечення енергією (енергоресурсами) загрожує подальшому нарощуванню обсягів виробництва додаткової вартості і прогресу цивілізації. Це зв'язано з переважно екстенсивним розвитком паливно-енергетичного комплексу, що наближає настання «енергетичного голоду», тому що вимагає безперервного нарощування обсягів використання традиційних паливно-енергетичних ресурсів, запаси яких близькі до виснаження. Інша погроза -- глобальна екологічна катастрофа, зв'язана з викидами в навколишнє середовище шкідливих інгредієнтів, насамперед парникових газів, що загрожує зникненням усього живого на Землі. Багато учених вважають, що необоротна глобальна екологічна катастрофа вже почалася і розвивається з прискоренням.

Результати системних досліджень, виконаних за замовленням Програми розвитку ООН (ПРООН), свідчать: щоб зупинити ці руйнівні тенденції (або хоча б призупинити їхній розвиток), необхідно змінити пріоритети розвитку паливно-енергетичного комплексу (ПЕК). Насамперед варто відмовитися від екстенсивної моделі його розвитку, тобто забезпечити повномасштабне підвищення енергоефективності. (В Україні це називають енергозбереженням, але це не зовсім точно.) Однак винятково заходами енергозбереження вирішити проблему енергозабезпечення неможливо: досвід індустріально розвитих країн свідчить, що ці міри лише сповільнюють підвищення потужностей ПЕК.

Яке ж повинна бути стратегія розвитку ПЕК? Відповідь дають результати тих же системних досліджень, замовлених ПРООН. Якщо коротко, то це широкомасштабне впровадження техніки і технологій використання нових (нетрадиційних) і поновлюваних джерел енергії (НПДЕ). Адже ресурси НПДЕ невичерпні; технології використання НПДЕ екологічно чисті; техніка і технології використання багатьох видів НПДЕ уже відпрацьовані настільки, що енергооб'єкти на їхній базі можуть бути не тільки промисловими, але і комерційними, тобто конкурувати з об'єктами традиційної енергетики, отже, можуть поступово них витісняти.

За свідченням Світової енергетичної конференції (ради), розвіданих запасів енергоносіїв для забезпечення потреб в енергії вистачить на такий час: нафти -- на 25-30 років; природного газу -- 50-60 років; вугілля -- 500---600 років; урану для АЕС на повільних (теплових) нейтронах -- 20-30 років; плутонію для АЕС на швидких нейтронах -- 1000--3000 років.

Самі економічні й екологічно чисті первинні енергоносії -- нафта і природний газ -- є дефіцитними в Україні; їх споживають прискореними темпами, тому орієнтувати перспективу розвитку ПЕК України на їхній основі не можна. Використання плутонію для української економіки фінансово неможливо, і оскільки ці технології небезпечніше, ніж технології використання енергії теплових нейтронів, то, на перший погляд напрошується висновок, що Україні доцільніше розвивати енергетикові на вугіллі й урані, запасів якого в Україні більш ніж на 100 років. Але Чорнобиль показав, що експлуатація АЕС небезпечна й економічно нерентабельна. Це, утім, не може бути основою для негайної зупинки всіх діючих АЕС. З погляду стратегії довгострокового розвитку ПЕК серйозні заперечення викликає і пріоритетне будівництво ТЕС (на вугіллі): витрати, зв'язані насамперед із забрудненням навколишнього середовища, можуть багаторазово перевищити доход від виробництва електроенергії. До того ж Україні не вистачає інвестиційних засобів на розвиток вугільної промисловості і на модернізацію вугільних ТЕС для того, щоб вони відповідали вимогам по охороні навколишнього середовища. Різке і неухильне зменшення обсягів видобутку газу в Росії, її політична нестабільність і усе більша недовіра до України не дозволяють розраховувати на широке застосування ПГУ і ГТУ.

Реалії життя змушують Україну орієнтуватися на широкомасштабне використання НПДЕ. Загалом, робота в цьому напрямку в Україні почате. Розроблено і реалізується ряд мір, що передбачають упровадження техніки і технологій використання НПДЕ, їхнє використання передбачене біля державних програм.

Державними програмами передбачене використання наступних НПДЕ: енергії вітру (будівництво ЄЕС); гідроенергії (переважно шляхом будівництва маленьких і міні-ГЕС); енергії сонячного випромінювання; геотермальної енергії, тобто глибинного тепла Землі; тепла навколишнього середовища, тобто поверхневих шарів Землі, ґрунтових вод, води, озер, рік, морів за допомогою теплових насосів; вторинного тепла промислового виробництва; біомаси, біогазу, вугільно-метанових пальних, твердих побутових і промислових відходів і деяких інших альтернативних видів палива.

Але через незадовільне фінансування практична реалізація цих державних програм дуже незначна. Це стосується навіть вітроенергетики, що має більш-менш стабільне фінансування: у середньому задачі НЕП (і Комплексної програми будівництва БЭС) виконуються на 3%. Що стосується інших НПДЕ, то темпи і масштаби їхнього впровадження ще менше, тому і техніка, і технології НПДЕ поки маловідомі масовому споживачеві й істотно не впливають на економію паливно-енергетичних ресурсів.

Варто звернути увагу яке можливості України в рішенні проблеми фінансового забезпечення розвитку і впровадження техніки і технологій використання НПДЕ. В першу чергу це створення консолідованого фонду розвитку і упровадження всіх НПДЕ, з виділенням на конкурсній основі засіб на нові розробки, будівництво пілотних об'єктів і субсидії для спорудження енергооб'єктів, що будуть використовувати НПДЕ для енергопостачання фермерів, сільських підприємств, муніципальних громад. Інший напрямок -- залучення іноземних інвестицій, значні можливості для чого відкриються у випадку налагодження торгівлі квотами на парникові гази.

Тим часом Мінпаливенерго, з огляду на реальні досягнення, тобто практична відсутність внеску НПДЕ в економію ТЭР, самоусунулося від керівництва розвитком і впровадженням НПДЕ, залишивши це на відкуп «аматорам», не несущої ніякої відповідальності за розвиток ПЕК. Від цього страждають інтереси держави, оскільки лише компетентне керування з єдиного центра розвитком і впровадженням НПДЕ принесе бажані результати, адже ресурси НПДЕ в Україні досить великі. По оцінках ІЕК НАН України, ресурси енергії вітри технічно доступні для освоєння на континентальній частині нашої території, приблизно в 200 разів перевищують нинішні обсяги генерування електроенергії в Україні.

Світова енергетична рада (конференція) відзначає, що самі використання НПДЕ, як засобу підвищення рівня децентралізації електропостачання, забезпечить найбільший економічний ефект і буде сприяти прискоренню розвитку і упровадження відповідної техніки і технологій. З урахуванням сказаного очевидна неправильність здійснюваної в Україні концепції розвитку вітроенергетики тільки шляхом будівництва промислових ВЕС. Дійсно, промислові ВЕС потужністю більш 50 Мвт можуть виступати як комерційні і паралельно як засіб зменшення перетікання струму на регіональному або субрегіональному рівні. Вітроенергетичні об'єкти меншої потужності (до 20 кВт і менше), підключені до мережі, також будуть сприяти зменшенню втрат електроенергії на будь-якому локальному рівні (район, місто, селище, село, хутір, ферма).

Перспективним напрямком розвитку вітроенергетики в Україні може бути його інтеграція з гідроенергетикою, наприклад, у формі загального використання інфраструктури ГЕС або створення вітро-гідроакумулюючих електростанцій, що зможуть поставляти мережа електроенергією за графіком.

В Україні поступово розвертаються роботи з розвитку маленької гідроенергетики. Це потенціал, що в Україні оцінюють по-різному. Є думка, що він у три-чотири рази перевищує потенціал каскаду ГЕС на Дніпру, тобто маленька гідроенергетика може забезпечити генерування близько 30-40 млрд. Квт*г/рік. З урахуванням можливості гідроенергетики підтримувати графік навантаження енергосистеми, а також кращих економічних показників, цей напрямок удосконалювання ПЕК України надзвичайно актуально і перспективно.

В Україні є в наявності близько 63000 маленьких рік, сумарною довжиною до 13600 км. Якщо з потенційної можливості водних ресурсів України використовувати навіть 20% їхній, і ті щорічні виготовлення електроенергії може замінити десятки атомних реакторів типу Чорнобильської АЕС. До того ж система маленьких ГЕС не викликає негативних наслідків на екологічну ситуацію. Впровадження нетрадиційної технології маленьких ГЕС, не потребуючого створення величезних водоймищ.

Україна має великі ресурси для створення об'єктів геотермальної енергетики. Зокрема, значні геотермальні енергоресурси є в Криму, Закарпатській, Чернігівській, Сумській, Полтавській, Харківській, Львівській, Херсонській, Івано-Франківській областях. За винятком невеликих експериментальних геотермальних об'єктів теплопостачання, цей напрямок практично не розвивається. Повільно йде розробка і впровадження теплонасосної техніки, хоча в цій сфері є підприємства, що можуть неї робити і вже частково роблять (АТ «Рефма», Мелітополь).

Що стосується сонячних фотоелектричних установок і станцій, то в цьому напрямку, завдяки «діяльності» колишнього Мінмашпрому, узагалі спостерігається регрес, хоча Україна мала все необхідне для його розвитку. І сьогодні наукова діяльність у цій сфері дозволяє сподіватися на успіх.

На наш погляд, необхідно звернути увагу на біо- і геліоенергетику. Щорічно земна поверхня поглинає 5,2-10²³ Дж сонячної енергії. Усі створені людиною енергосистеми світу роблять незначну частину цієї енергії. Першість по засвоєнню і нагромадженню енергії Сонця по праву належить рослинам. У складі біомаси суші рослини складають 2400 млрд. тонн, тоді як загальна маса усіх тварин і мікроорганізмів - 23 млрд. тонн.

Ще знаходячись на «корені», зелена біомаса приносить величезну користь. Рослини нормалізують хімічний склад повітря, регулюють просування атмосферної і ґрунтової вологи, сприяють збагаченню ґрунту і перешкоджають її ерозії. Уже давно виявлений прямий зв'язок кількості опадів у регіонах з кількістю рослин, особливо дерев. Над позбавленими зелені ділянками суші дощі майже не випадають. І навпаки, найбільша кількість опадів спостерігається над великими лісами, особливо, якщо ці ліси розташовані в горах. Жителі півдня і Сходові України вже давно б'ють тривогу з приводу збільшення площі осушених степів і зародження пустель унаслідок вітрової ерозії.

Думаємо, для того щоб збільшити площа і якість лісових насаджень, їх треба більше використовувати, у тому числі для енергетики. Адже збільшилася кількість і селекційна якість пшениці після того, як люди навчилися неї використовувати. Так само буде і з лісами. Треба тільки, щоб цією серйозною справою займалися дійсні хазяї своєї землі, а не прагнучі швидко розбагатіти комерсанти. Звичайно радять використовувати швидкоростучі види рослин (бамбук, верба, тополя), але сушити і перевозити таку біомасу - одні збитки. Проте, уже є позитивний досвід уживання як паливо вербових лозин. В усному народному фольклорі верба оспівана як найбільш погане паливо. Дані таблиці про вартість одного кВт

Для опалення житла, нагрівання води, виготовлення електроенергії сьогодні застосовують піролізні казани. У таких казанах спалювання біомаси відбувається в 3 етапи й у 3 окремих зонах казана. На 1 -м етапі паливо сушиться і перетворюється в газ, 2-й етап - спалювання газу у форсунках з подачею підігрітого вторинного повітря, 3-й етап - допалювання продуктів горіння в теплоізольованій камері.

Генератори на біомасі для безпосереднього обігріву приміщень уже продаються в Україні.

Тепер ідеальною культурою для цих цілей є міскантус. Рослина з його чотириметровим стеблом і мітлоподібним пухнатим суцвіттям без насіння є красивою енергетичною сировиною, тому що містить велика кількість целюлози 64-71%. При вирощуванні міскантуса кількість З2, що поглинається їм у процесі росту адекватно кількості З2, виділюваного при спалюванні. Тобто в даному випадку ми маємо замкнутий цикл вуглецю. Крім того, при вирощуванні міскантуса ми маємо позитивний енергетичний баланс у порівнянні з іншими культурами (верба, коноплі), позитивний баланс по гумусі, тому що після 4 років вирощування міскантус накопичує 15-20т. підземної біомаси, що еквівалентна 7,2-9,2т, вуглецю на гектарі.

У той же час, на вирощування міскантуса направляється значно менше роботи, чим на обробку кукурудзи або сої.

Розвиток біоенергетичних технологій зменшить залежність України від імпортованих енергоносіїв, підвищить її енергетичну безпеку за рахунок організації енергопостачання на базі місцевих поновлюваних ресурсів, створить значна кількість нових робочих місць (переважно в сільських районах), внесе великий вклад у поліпшення екологічної ситуації.

У затвердженою Верховною Радою України в 1996 р. Національній енергетичній програмі України на період до 2010 р. передбачене покриття 10% потреб народного господарства в енергії за рахунок нетрадиційних поновлюваних і інших джерел енергії. У 2000 р. актуальність цього пункту Програми була підтверджена в Рекомендаціях парламентських слухань відносно "Енергетичної політики України". Якщо орієнтуватися на досвід країн ЄС (де частка біомаси складає 60% усіх ВДЕ), біомаса може покривати близько 6% потреб народного господарства України в енергії.

Для України з її великим потенціалом сільськогосподарських земель дуже перспективним є організація спеціальних енергетичних плантацій швидкого обороту (верба, тополя, міскантус і ін.). Залучення біомаси, спеціально вирощеної на землях, що зараз не використовуються (землі, що піддалися радіоактивному забрудненню - 15Ки/км (555 кбк/м)) або використовуються неефективно в Україні, приведе до підвищення частки біомаси в енергетичному балансі країни до 20-25%.

Виходячи з вищевикладеного, пропонуємо загальний проект по вирощуванню міскантуса гігантеусу в умовах Полісся України на землях, що піддалися радіоактивному забрудненню. Це важливо тому, що в зоні радіоактивного забруднення обмежене вирощування продовольчих культур, тому їсти можливість замінити їхніми культурами енергетичними.

Необхідно вивчити особливості нагромадження радіонуклідів міскантусом, фізіологічні процеси в рослині в умовах високого і низького рівня забруднення ґрунту радіонуклідами, визначити оптимальні агроекологічні умови вирощування міскантуса для мінімізації коефіцієнта переходу радіонуклідів із ґрунту в рослину, а також визначити енергетичну й економічну ефективність вирощування міскантуса на дерено-підзолистих ґрунтах Полісся України.

За свідченням Світової енергетичної конференції (ради), розвіданих запасів енергоносіїв для забезпечення потреб в енергії вистачить на такий час: нафти -- на 25-30 років; природного газу -- 50-60 років; вугілля -- 500--600 років; урану для АЕС на повільних (теплових) нейтронах -- 20-30 років; плутонію для АЕС на швидких нейтронах -- 1000--3000 років.

Самі економічні й екологічно чисті первинні енергоносії -- нафта і природний газ -- є дефіцитними в Україні; їх споживають прискореними темпами, тому орієнтувати перспективу розвитку ПЕК України на їхній основі не можна. Використання плутонію для української економіки фінансово неможливо, і оскільки ці технології небезпечніше, ніж технології використання енергії теплових нейтронів, то, на перший погляд, напрошується висновок, що Україні доцільніше розвивати енергетикові на куті й урані, запасів якого в Україні більш ніж на 100 років.

Але Чорнобиль показав, що експлуатація АЕС небезпечна й економічно нерентабельна. Це, утім, не може бути основою для негайної зупинки всіх діючих АЕС.

З погляду стратегії довгострокового розвитку ПЕК серйозні заперечення викликає і пріоритетне будівництво ТЕС (на вугіллі): витрати, зв'язані насамперед із забрудненням навколишнього середовища, можуть багаторазово перевищити доход від виробництва електроенергії. До того ж Україні не вистачає інвестиційних засобів на розвиток вугільної промисловості і на модернізацію вугільних ТЕС для того, щоб вони відповідали вимогам по охороні навколишнього середовища.

Різке і неухильне зменшення обсягів видобутку газу в Росії, її політична нестабільність і усе більша недовіра до України не дозволяють розраховувати на широке застосування ПГУ і ГТУ.

Реалії життя змушують Україну орієнтуватися на широкомасштабне використання НПДЕ. У загальному робота в цьому напрямку в Україні почате. Розроблено і реалізується ряд мір, що передбачають упровадження техніки і технологій використання НПДЕ, їхнє використання передбачене біля державних програм.

Але цього недостатньо. Можливості НПДЕ конкурувати з об'єктами традиційної енергетики, їхню рентабельність можна продемонструвати на прикладі динаміки зміни собівартості (тарифів) електроенергії, генерованої на ВЕС: на початку експлуатації його вартість вище, ніж на об'єктах традиційної енергетики, але через якийсь час вона значно зменшиться.

2. Ботанічна характеристика і походження міскантусу

Натуральними місцями походження рослин з родини Miscаnthus є терени Японії, Південних Курил, Манджурії, Кореї, Тайланду, Полінезії і Східного узбережжя США [19]. Росте він дико і вирощується для опалення на теренах майже цілої Південно-Східної Азії і Центральних США. Цей рід об'єднує понад двадцять різних морфологічних видів.

Особливо швидким ростом і високою якістю характеризується М.sinensis. В натуральному середовищі ці рослини доростають до 6м висоти, діаметр стебел досягає навіть 6см, а вегетація може тривати 30 років [10].

До початку п'ятого століття міскантус застосовувався тільки в Китаї, як протиерозійна рослина. До Європи найправдоподібніше потрапив в XVI столітті, але трактувався тільки як оздобна рослина, зважаючи на утворення великих купин [16].

В 1935 році датський вчений Ансель Ольсен завіз до Європи японський клон, який став вихідним пунктом для селекції рослин, які використовуються на даний час. З огляду на великий врожай, Карл Фостер дав цій рослині назву Miscanthus sinensis “Giganteus” [27]. З наукової сторони почали займатись цією рослиною в 1983 році на Станції селекції рослин в Данії. З того часу проводяться інтенсивні дослідницькі праці в багатьох країнах Європи: Німеччині, Великобританії, Італії, Франції, Іспанії, Польші.

Лінде-Лаурсен в 1993 році довів, що Miscanthus sinensis “Gigаnteus” є триплоїдом. У більшості верхівкових клітин коренів 2n=3х=57 або 58. Для роду Miscanthus основна кількість хромосом складає х=19. Клон, привезений Ольсеном, повстав найправдоподініше через схрещення M. sinensis - диплоїда (2n=2х=38) і аллеотрипоїда М.Saccharrflorus (2n=4х=76). Тому не може розмножуватись генеретивно (має стерильний пилок) [7]. Під впливом результатів подальших дослідів змінено його назву на Miscanthus x Giganteus.

Miscanthus належить до відділу покритонасінних (Angispermal), класу однодольні (Monocatyledoneae), ряду (Glumifloreae), родини злакові (Gramineae), роду Miscanthus (Anderse), вид - Miscanthus giganteus Greef i Deu [5].

В Европі цілковита площа вирощування міскантуса в 1995-1996 рр. становила біля 170га, в 1998 році була ще малою, а найбільша площа була в Швеції (300га). В 1993 році встановлено Європейську Сітку в 10 країнах і вирощування проводилось вже у 18 місцях [31]. З 1994 року започатковуються великі міжнародні проекти, наприклад в Німеччині, де проводиться фірмою Vaba Oel AG [10].

Miscanthus giganteus є багаторічною трав'янистою рослиною з добре розбудованою кореневою системою. Маса коренів перед появою сходів складає біля 15- 25т сухої маси з гектара. Корені сягають до 2,5 метрів вглиб землі. Така коренева система сприяє дуже доброму використанню елементів живлення і води [32]. Стебло є дуже міцним, з волосками або без них, з добре видимими вузлами. Забарвлення однорідне. З огляду на великий вміст в стеблі лігніну і целюлози, відзначається він великою витривалістю до механічних ушкоджень. В європейських умовах рослини досягають від 200 до 350см висоти. В перший рік вегетації рослини досягають 200см, на другий рік - 350см, а в наступні - 400-450см [4]. Листові пластинки довгі, сплюснуті і ланцетовидні (у небагатьох видів овальні), без поперечних жилок, довжина 60-100см і ширина 0,8-3,2см. Ростуть поодиноко з вузлів, майже по всій довжині стебла. Забарвлені вони однорідно, яскраво- або темно-зеленого кольору. По середині листка проходить товстий головний нерв. На рослині листя утримується дуже довго, навіть на протязі зими. Суцвіттям є волоть, або колосовидна волоть, слабо розвинута, яка також довго залишається на рослині. Велика кількість генотипів не квітне або не утворює насіння 16. Якщо внаслідок холодного клімату Східної Європи рослини не входять в стан спокою, то цвітуть вони між вереснем і листопадом 30.

Згідно з даними досліджень, проведених на Тайвані, рослини Miscanthus мають можливість адаптування і показують різну реакцію на умови середовища. Вчені помітили, що поверхня листків клонів, які походять з гірських районів з субтропічним кліматом, в більшій мірі, покрита воском і має меншу кількість продихів на верхній частині листка, ніж у тих, що походять з низин з тропічним кліматом. Клони з гірських районів мають також меншу пропускну здатність продихів і іншу будову епідермісу, що запобігає надмірній втраті тепла під час транспірації 1.

2.1 Кліматичні вимоги міскантусу гігантеусу

Кліматичні умови територій походження міскантусу пристосували його до умов високої температури і інтенсивності сонячного опромінення. В нашому кліматі ріст рослин типу С₄ є обмежений низькими температурами. В Європі Miscanthus розпочинає ріст у квітні, коли температура ґрунту досягає 10-12?С, а закінчується під впливом приморозків в листопаді. Температура потрібна для початку у розвитку листя і коливається між +5 і +10?С, залежно від генотипу [13]. Але це є одна з небагатьох рослин з механізмом фотосинтезу С₄, яку можна вирощувати в умовах клімату Центральної та Східної Європи [1].

Хоча оптимальна температура для процесу фотосинтезу складає у міскантусу +28-32?С, проте в умовах клімату Східної Європи сума добових температур є достатньою для досягнення високих врожаїв біомаси [20]. В наших кліматичних умовах рослини Miscanthus giganteus піддаються впливу низьких від`ємних температур. Вони найбільше ускладнюють закладання і утримання плантації. У рослин типу С₄ вразливість від холоду є вищою при світлі, ніж в темноті. В таких умовах настає фотоінгібіція. Рослина абсорбує більше світла, ніж потрібно до виснаження процесу фотосинтезу. Це може призвести до ушкодження у фотосинтезі ІІ, а в наслідок, до зменшення темпу вбирання вуглекислого газу. В умовах Європи висока концентрація сонячного опромінення з'являється однак рідко [1].

Найвища вразливість рослин виявляється під час першої зими після посадки. Доходить навіть до вимерзання 90% рослин. Це пояснюється наявністю холодних зим без снігового покриву. Помічено ріст толеранції рослин до низьких температур під час зими, коли одразу по посадці наступав спад температури нижче 0?С [11].

Одразу після мульчування соломою зернових або соломою міскантусу, зростає рівень перезимівлі рослин з 79% до 92%. Весняні приморозки також призводять до втрат, але є не такими суворими з огляду на високу регенераційну здатність рослин. В літературі не зазначаються проблеми із зимуванням рослин в наступні роки. Після другого року вирощування, рослини переносять температури нижче -20?С, навіть без снігового покриву [8, 12].

Під час вегетації міскантус гігантеус потребує біля 700мм опадів. Його вимоги до води набагато перевищують середньорічні опади в Україні. Такі великі вимоги до води, не дивлячись на мале вживання води на продукування 1кг сухої маси (біля 250л), спричинені великим врожаєм біомаси, який отримується з одиниці поверхні [21].

Також спосіб розмноження має вплив на перезимівлю в перший рік. Рослини, розмножені поділом кореневищ, зимували краще, ніж розмножені з культур in vitro. Серед них краще перезимовували рослини великі (більше 5 бруньок), ніж малі (менше 5 бруньок) [8]. Кожна дія, яка призводить до покращення росту рослин в рік закладки плантації, підвищує рівень виживання. Головними чинниками є контроль забур'яненості, який в поєднанні зі зрошенням і азотно-фосфорним удобренням може покращити ріст рослин в рік закладання плантації [4]. Іншим чинником, який покращує ріст, є мала глибина посадки кореневищ. Помічено кращий ріст рослин, коли кореневища були посаджені на 2 і 6см, ніж на 10см [7].

Досліджено також рівень ушкодження і здатність до регенерації після впливу на рослини М. giganteus морозом. Ці досліди показали, що етап сходів був вразливий вже при температурі -2?С. Занотовано 40% ушкоджених рослин. Етап другого і четвертого листка не був вразливим на температуру до -4?С включно. При застосуванні -8⁰С зареєстровано 83% ушкоджених рослин, які були на етапі другого листка, які на 90% були здатні до регенерації, і 75% ушкоджених рослин, які були на етапі четвертого листка зі значно меншою здатністю до регенерації і складала 20%. У рослин, які не показали жодних видимих ушкоджень одразу після появи морозу, спостерігалось зниження темпу росту до 45 днів після його застосування. Головним чином загальмувався елонгаційний ріст стебла. Перші обстеження перезимівлі показали, що існує залежність між пошкодженнями, спричиненими пізніми морозами, та толеранцією до морозів в наступній зимі. При зниженні температури нижче 0⁰С одразу після посадки, з`являється підвищена кількість до морозу під час зими [8].

2.2 Розмноження міскантусу гігантеусу

М. х giganteus не утворює насіння, бо є триплоїдом і має стерильний пилок. Тому його розмножують вегетативним шляхом [17]. Відомі 3 способи вегетативного розмноження:

саджанцями, отриманими з культур in vitro;

поділом кореневищ;

укоріненням міжвузлів.

2.2.1 Розмноження саджанцями з культур in vitrо

Вихідним матеріалом для отримання цього типу саджанців є недозрілі суцвіття, з яких беруть експлантати і викладають на відповідну поживну речовину. Найчастіше це є поживне середовище Марамиче і Скуча або Джонса. Регенерація рослин проходить через соматичний ембріогенез.

Ріст калюсу і регенерація рослин є кращими на рідкому поживному середовищі. Встановлено, що протягом п'яти місяців з одного суцвіття можна отримати 1830 рослин [10]. Окрім суцвіть відбираються експлантати з листя, а також верхівкових меристем стебел і коріння. Однак, результати, отримані під час регенерації рослин з тих експлантатів, не були такими добрими, як отримані з недозрілих суцвіть [25].

Не дивлячись на те, що цей метод є дуже продуктивним, має дві вади. Одна з них це висока вартість, яка робить вирощування М. х giganteus нерентабельним. В 1993 році вартість закладки 1га плантації складала 4600 екю, при умові, що на 1м² висаджується одна рослина [20]. В 1992 році в Німеччині 1 рослина коштувала 0,8 марки, в перерахунку на 1га це складає 8000 марок (біля 4000 екю) [10]. Висока вартість саджанців, отриманих з культур in vitro, спричинена необхідністю поміщення в початковий період, в тепличні умови. Термін цей може складати три місяці, під час якого рослини гартуються [7]. В 1994 році Йоргенсен провів дослід, в якому жодна рослина не перенесла першої зими [8]. Друга вада рослин, які розмножуються методом культур in vitro, є низький процент перенесення першої зими. Часто плантації, при використанні рослин, розмножених таким методом, випадають в такому рівні, що подальше вирощування стає неможливим [20].

2.2.2 Розмноження саджанцями, отриманими через поділ кореневищ

В 1990 році на дослідній станції в Данії зауважили, що при спробі усунути плантацію М. х giganteus із застосуванням активних машин, отримано зворотну дію і швидке відростання рослин. Це дало ідею нового методу закладання плантацій.

Розмноження поділом кореневищ можна виконувати кількома способами. Найчастіше в якості маточників використовуються трьохрічні плантації міскантусу, які ще не розрослись дуже сильно [28].

Одним із способів отримання саджанців є подрібнення надземних і підземних решток після збору за допомогою ротаційної машини, викопування фрагментів рослин копачкою для квіткових цибулин або машиною для збору картоплі 14]. Можна також виорювати цілі купини, а потім ділити їх на фрагменти довжиною біля 10см. При такій довжині кореневищ найкращі результати отримано при посадці їх масою 0,1-0,2кг на 1м² 16.

Дуже важливим у цій методиці є недопущення пересушування зібраного матеріалу - максимальне скорочення часу зберігання саджанців. Основною перевагою саджанців, отриманих цим способом, є їх вища витривалість при низьких температурах під час першої зими, а також швидкий розвиток на початку росту 1.

Було виконано поділ маточних рослин за допомогою культиватора з активними робочими частинами в трьох термінах: 21 квітня, при висоті сходів від 0 до 0,5см; 28 квітня, коли сходи були від 5 до7см; 16 травня, коли рослини досягли 30см. Третій термін виявився найменш придатним для цієї мети з огляду на слабший ріст рослин. Після поділу кореневища вибирались, вантажились і транспортувались на нове місце, де були розкладені в кількості 0,1 і 0,2кг на м². Потім одразу їх приорювали на глибину 15-20см. Накінець поле було валоване, щоб забезпечити добрий контакт між ґрунтом і кореневищами.

Найкращими виявились кореневища довжиною, що найменше 10см [2]. Також Джонс показав у своєму експерименті, що рослини, які виросли з малих кореневищ (менше 10г свіжої маси), показали зредуковану швидкість росту в порівнянні з рослинами, які виросли з кореневищ масою 25-40г [13].

Головною проблемою цього методу є висихання кореневищ під час транспортування і розкладання на полі. Щоб отримати добрі результати, не можна цього допускати, тому всю операцію треба проводити як найшвидше. Вартість закладання 1га плантації цим методом, при ступені розмноження 15, в 1993р. складала біля 900 екю, що становило 20% вартості закладання плантації з використанням саджанців з культур in vitro [19].

В Німеччині дослідницькі праці над цим методом почались раніше. В 1989 році вартість однієї рослини, отриманої цим методом, складала 1,5 марки, а в 1993 р. зменшилась до 0,5 марки. До зменшення вартості призвело впровадження до вирощування більш продуктивних машин. Передбачається подальше зниження вартості отримання саджанців по мірі технічного розвитку і удосконалення вирощування [30]. Також Харві пише, що розмноження поділом кореневищ є дешевшим, ніж використання саджанців з культур in vitro [10].

2.2.3 Розмноження саджанцями з укорінених міжвузлів

В 1997 році на кафедрі фізіології рослин Аграрного університету було зроблено дослід, в якому укорінювались міжвузля рослин. Найкращі саджанці отримано з найстарших міжвузлів. Саджанців не вдалося отримати з вузлів 7-го порядку (рахуючи від низу рослини) і молодших. Отримані таким чином рослини не перезимували, з причини дуже короткого часу, потрібного на пристосування до спокою [24].

3. Технологія вирощування міскантусу гігантеусу

Miscanthus x giganteus, як рослина типу С₄, ощадливо використовує воду. На продукування 1кг сухої маси потребує 250-300кг води. Це вимагає біля 700мм опадів на рік. Це пов'язано з високим врожаєм біомаси. Однак, зрошення плантації дає позитивні результати. В грецьких умовах додаткові опади 700мм в порівнянні з додатковими опадами розміром 300мм, дали ріст врожаю сухої маси на 34%. Беале і Лонг застосували на другий рік вирощування додатково 133мм опадів при природних опадах біля 650мм, які становлять 85% норми, щоб утримати вологість ґрунту на відповідному рівні і не допустити до її пересушення, що пов`язане з уповільненням процесів акумуляції сухої маси. В Південно-Східній Англії, де річні опади складають 1200мм і ґрунт не пересихає, отримано добрі результати [2].

З фотосинтезом типу С₄ пов`язаний великий ріст врожаю при зростанні температури і інтенсивності опромінення. Оптимальна температура для росту М. х giganteus складає +28-30⁰С. Незважаючи на це, суми добових температур для Центральної Європи є достатньою для отримання високих врожаїв сухої маси [1]. Досліди показали, що М. х giganteus здатний досягнути високої продуктивності в температурних умовах Англії (середньодобова температура в найтепліших місцях є 15⁰С). Вимоги міскантуса до якості ґрунту не є великими. З огляду на свою розбудовану кореневу систему, рослина може вирощуватись на середньозв'язаних ґрунтах, утворених з пісків та низьким рівнем ґрунтових вод. Ґрунти з відрегульованим водним режимом і більшим вмістом гумусу дають врожаї на 20-30 % більші [4]. За Нальборчиком плантація може бути закладена на ґрунтах, які не придатні для інших сільськогосподарських культур [22].

Ґрунти не повинні бути кислими, рН 6,5, особливо впродовж перших двох років вирощування з рівнем ґрунтових вод нижче 1м [10].

M. x giganteus може бути використаний комерційно кілька років. З огляду на багаторічність вирощування, треба звернути увагу на старанне приготування ґрунту перед посадкою рослин. Восени необхідна поглиблена оранка, під яку застосовують велику дозу органічних добрив. У випадку низького рН ґрунту (нижче 5,5), належить провести вапнування. Весною, перед посадкою, необхідно провести боротьбу з бур'янами (з огляду на пізній термін посадки) механічним або хімічним методом [26].

Перед посадкою ґрунт необхідно розрихлити на кілька сантиметрів [6].

Механізація процесу посадки значно знижує витрати на вирощування [7]. Саджанці, отримані з мікророзмноження, можна садити, використовуючи саджарку для розсади. Саджанці, отримані з поділу кореневища - картоплесаджаркою. Процес розмноження поділом купин коштує біля 350 євро/га, а в невдовзі його вдасться змінити до 200 євро/га [16].

Саджанці з кореневищ приорюють на глибину 15-20см. Після посадки треба застосувати валування гладким валом і в разі необхідності - зрошення. Найкращі результати отримано при посадці кореневищ масою 0,1-0,2 кг/м² і довжиною біля 10см [6]. Проводилось дослідження, яке порівнює здатність перезимовування кореневищ різної маси. Використовували різоми довжиною 4,8 і 12см. В найбільшій кількості перезимували найбільші кореневища. Мінімальна рекомендована глибина посадки біля 15см (з огляду на можливість промерзання). Невеликі кореневища (менше 10см), посаджені дуже глибоко, можуть не подолати відстань, необхідну для випускання нових стебел на поверхню ґрунту [15].

Проводилось дослідження, яке визначало вплив величини різомів, які висаджуються, та терміну закладання плантації (весняний, зимовий) на поновне відростання рослин. Відбулось майже 100% поновне відростання рослин з великих кореневищ (довжина різом біля 10-15см).

Менші саджанці дали гірші результати. В цьому досліді саджанці, висаджені весною на глибину 10см, показали майже дворазово вищий рівень поновного відростання, ніж висаджені восени на глибину 15см. Саджанці з більших кореневищ мали значно більшу кількість стебел і значно швидший ріст. Найчастіше застосовують густоту посадки: 1 рослина на 1м², або 10000 рослин на гектар, в інших дослідах добрі результати отримані при густоті 4 рослини на 1м² [28]. Пропонована густота відповідає відстані між рядами 1м і відстані між рослинами в рядах 0,5м. З огляду на швидкий ріст, утворення рослинною великих купин, більшість дослідників схиляються до висаджування 1 рослини на 1м²[16].

Термін посадки є порівняно пізнім і припадає, з огляду на можливість ушкодження рослин пізніми приморозками, перша половина травня - кінець квітня, або середина травня [2].

Вимоги до удобрення у Miscanthus x giganteus є відносно малими. Азоту він потребує менше, ніж інші трави: одно - і багаторічні [6].

Високий рівень ефективності використання азоту є головним чином результатом переміщення його до стебел весною і до різомів під кінець вегетації. В дослідах Крістіана показано, що 38% з внесених в 60 кг/га NH₄ і NO₃, було поглинуто рослинами, з яких більше половини знайшли в різомах [2]. Більша частина азоту, знайденого в рослинах, походила з мінералізації поживних речовин в ґрунті, а не з удобрення. Ці досліди показали причину малої потреби рослин в азоті.

З врожаєм 20т сухої маси на 1га, міскантус виносить біля 60кг N, 16кг P₂O₅, 80кг K₂O, при невисокому рівні удобрення [6]. В дослідах з удобренням азоту стверджено позитивний його вплив на продукування біомаси при кількості азоту до 90кг/га. Коли застосовували більші дози, продуктивність не зростала, а навіть зменшувалась. Загальні потреби в поживних речовинах: азоті (N), фосфорі (Р), кальцію (Са), складає відповідно: біля 2-5; 0,3-1,1; 0,8-1,0кг/т сухої маси [18]. Пропоновані дози добрив і терміни їх застосування є наступні [30]:

азот 60-90кг N\га весною після появи сходів;

фосфор 30-40кг P₂O₅\га;

калій 120-150кг K₂o\га;

магній 20-25кг MgO\га ранньою весною або восени.

З огляду на багаторічний характер плантації, можна використовувати органічне добриво. Максимальна доза 30м³\га, що відповідає 180кг азоту, 75кг фосфору, 150кг калію і 30кг магнію. Ця доза практично може замінити мінеральні добрива [11].

В перший та другий роки необхідно проводити боротьбу з бур янами механічним способом, використовуючи для цієї мети традиційні машини для міжрядного обробітку або, у випадку сильного забур'янення, хімічним способом. Середня вартість річної боротьби з бур'янами на площі 1га складає 10 фунтів і є в 10 разів нижчою від вартості боротьби з бур'янами на плантації верби та тополі. В наступні роки боротьба з бур'янами не є необхідною з огляду на інтенсивний ріст рослин, а також сильне затінення ґрунту [29]. В європейських умовах міскантус показує велику стійкість до хвороб і шкідників. І тому не потрібно проводити заходи з хімічної охорони площ, що зменшує затрати і запобігає забрудненню середовища. Не має відомостей про хвороби, які значно зменшували продуктивність рослин.

Але не можна виключити те, що по мірі розповсюдження рослини, певні хвороби і шкідники не можуть спричиняти певну шкоду рослинам [25].