Η Bioenergy From Willow μπορεί να βοηθήσει τη Σουηδία να γίνει ανεξάρτητη από τα ορυκτά καύσιμα

Η σουηδική κυβέρνηση αποφάσισε ότι η Σουηδία θα είναι ένα από τα πρώτα έθνη πρόνοιας χωρίς απολιθώματα στον κόσμο. Μέχρι το 2045, δεν πρόκειται να εκπέμπονται καθαρές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου (GHG) στην ατμόσφαιρα και, έως το 2030, ο στόλος των οχημάτων θα είναι ανεξάρτητος από τα ορυκτά καύσιμα.

Η βιοενέργεια θεωρείται κρίσιμη για την επίτευξη αυτών των στόχων. Επί του παρόντος παρέχει περίπου. Το 23% της συνολικής ζήτησης πρωτογενούς ενέργειας, η βιοενέργεια αποτελεί ήδη σημαντικό μέρος του σουηδικού ενεργειακού μείγματος. Πολυετείς λιγνοκυτταρινικές καλλιέργειες, όπως η ιτιά (Salix spp.), θεωρούνται ελκυστικές επιλογές, καθώς η παραγωγή τους απαιτεί λιγότερη ενέργεια και έχει μικρότερο αρνητικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο σε σύγκριση με την παραγωγή ετήσιων καλλιεργειών όπως τα ζαχαρότευτλα, η ελαιοκράμβη και το σιτάρι.

Τα είδη ιτιάς χαρακτηρίζονται από γρήγορη ανάπτυξη, μεγάλο δυναμικό παραγωγής βιομάζας, περιορισμένα προβλήματα παρασίτων, υψηλή γενετική ποικιλότητα, σύντομους κύκλους αναπαραγωγής και υψηλή ικανότητα βλάστησης, δηλαδή ικανότητα παραγωγής νέων βλαστών από το ίδιο κούτσουρο μετά τη συγκομιδή. Η ιτιά καλλιεργείται εμπορικά για βιοενέργεια στη Σουηδία από τη δεκαετία του 1990. Ενώ η καλλιεργούμενη έκταση είναι μικρή, περίπου. 10.000 εκτάρια, η Σουηδία βρίσκεται στην πρώτη γραμμή των εμπορικών φυτειών ιτιάς για βιοενέργεια. Οι φυτείες διαχειρίζονται συνήθως ως πρεμνοφυτείες βραχείας περιστροφής, δηλαδή πολλαπλές συγκομιδές και αναγέννηση από το ίδιο κολόβωμα. Μέχρι στιγμής, η παραγωγή ιτιάς παρείχε στερεά καύσιμα για την παραγωγή θερμότητας και ενέργειας, αλλά μπορεί στο μέλλον να παρέχει επίσης πρώτη ύλη για την παραγωγή υγρών και αερίων καυσίμων.

Έχουν γίνει αρκετές ενεργειακές αναλύσεις συστημάτων παραγωγής σουηδικής ιτιάς για βιοενέργεια, αλλά λίγες μελέτες έχουν διερευνήσει πώς τα διαφορετικά επίπεδα λίπανσης με ορυκτό άζωτο (Ν) επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση.

Μελετάται η παραγωγή ιτιάς με τρία διαφορετικά επίπεδα γονιμοποίησης Ν

Σε αυτή τη μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Renewable and Sustainable Energy Reviews , ερευνητές από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers της Σουηδίας, το Σουηδικό Πανεπιστήμιο Γεωργικών Επιστημών και το Henriksson Salix AB παρέχουν μια λεπτομερή και ενημερωμένη ενεργειακή ανάλυση της παραγωγής ιτιάς για βιοενέργεια στη Σουηδία.

Η μελέτη αξιολογεί τη μέση ετήσια καθαρή ενεργειακή απόδοση και την αναλογία μεταξύ της ακαθάριστης ενεργειακής απόδοσης και της συνολικής εισροής πρωτογενούς ενέργειας, για καλά διαχειριζόμενα τρέχοντα εμπορικά συστήματα παραγωγής σουηδικής ιτιάς με τρία διαφορετικά επίπεδα λίπανσης με ορυκτό Ν:χωρίς λίπανση Ν (Ν -μηδέν), ένα μεσαίο επίπεδο γονιμοποίησης N (N-medium) και ένα υψηλό επίπεδο γονιμοποίησης N (N-high).

Η μελέτη διαπιστώνει ότι οι μέσες ετήσιες καθαρές αποδόσεις ενέργειας είναι 175, 133 και 86 GJ εκτάρια το χρόνο και οι ενεργειακές αναλογίες είναι 19, 32 και 47, για N-high, N-medium και N-zero, αντίστοιχα. Δηλαδή, για κάθε μονάδα εισροής πρωτογενούς ενέργειας, τα συστήματα ιτιάς αποδίδουν μεταξύ 19 και 47 μονάδες πρωτογενούς ενέργειας με τη μορφή βιομάζας.

Υψηλότερη λίπανση N σημαίνει υψηλότερη παραγωγικότητα, αλλά χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση 

Οι υψηλότερες καθαρές ενεργειακές αποδόσεις και οι αναλογίες ενέργειας αντιστοιχούν σε καλύτερες επιδόσεις από ενεργειακή άποψη. Το N-high έχει την υψηλότερη καθαρή ενεργειακή απόδοση αλλά τη χαμηλότερη αναλογία ενέργειας, ενώ το N-zero έχει την υψηλότερη αναλογία ενέργειας αλλά τη χαμηλότερη καθαρή ενεργειακή απόδοση. Με άλλα λόγια, το N-high, που αντιστοιχεί στην εντατική παραγωγή, είναι το πιο παραγωγικό αλλά λιγότερο ενεργειακά αποδοτικό σύστημα παραγωγής, ενώ το N-zero, που αντιστοιχεί στην εκτεταμένη παραγωγή, είναι το λιγότερο παραγωγικό αλλά πιο ενεργειακά αποδοτικό σύστημα παραγωγής. Οι συνολικές εισροές πρωτογενούς ενέργειας αντιστοιχούν σε περίπου. 2, 3 και 5% των ακαθάριστων ενεργειακών αποδόσεων για N-zero, N-medium και N-high, αντίστοιχα.

Η λίπανση με N (παραγωγή και εφαρμογή) κυριαρχεί στη συνολική εισροή πρωτογενούς ενέργειας για N-high (67%) και N-medium (42%), με την παραγωγή να αντιπροσωπεύει το 99% των συνολικών εισροών ενέργειας που σχετίζονται με τη λίπανση N και στις δύο περιπτώσεις. Η δεύτερη μεγαλύτερη εισροή πρωτογενούς ενέργειας για N-high και N-medium, και η μεγαλύτερη για N-zero, είναι οι μεταφορές. Σε όλες τις περιπτώσεις, η μεταφορά των ροκανιδιών ξύλου στον τόπο μετατροπής βιοενέργειας κυριαρχεί στην εισροή ενέργειας που σχετίζεται με τη μεταφορά, ακολουθούμενη από την επιστροφή του άδειου φορτηγού θρυμματισμού ξύλου από τον τόπο μετατροπής βιοενέργειας στη φυτεία ιτιάς και τη μεταφορά μηχανών σε η φυτεία. Ενώ τα συστήματα παραγωγής που μελετήθηκαν εξαρτώνται από τη χρήση πολλών μηχανών και συσκευών, η ενσωματωμένη τους ενέργεια συνεισφέρει <4% της συνολικής εισροής πρωτογενούς ενέργειας και στις τρεις περιπτώσεις.

Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι υπάρχει αντιστάθμιση μεταξύ της επίτευξης υψηλής καθαρής ενεργειακής απόδοσης και της επίτευξης υψηλής αναλογίας ενέργειας, καθώς η λίπανση με Ν αυξάνει την ανάπτυξη της βιομάζας, αλλά επίσης συμβάλλει σημαντικά στην αύξηση των συνολικών εισροών πρωτογενούς ενέργειας. Οι ακαθάριστες αποδόσεις ενέργειας είναι περισσότερες από 100 και 50% υψηλότερες για το N-high και το N-medium, αντίστοιχα, από το N-zero, ενώ οι συνολικές εισροές πρωτογενούς ενέργειας είναι πάνω από 5 και 2 φορές μεγαλύτερες για N-high και N- μεσαίο, αντίστοιχα, παρά για Ν-μηδέν.

Γενικά συμπεράσματα σχετικά με την υπεροχή οποιασδήποτε συγκεκριμένης περίπτωσης ή επιπέδου γονιμοποίησης δεν υποστηρίζονται από αυτή τη μελέτη. Εάν η γη είναι ο περιοριστικός πόρος, τότε μια υψηλή καθαρή ενεργειακή απόδοση μπορεί να θεωρηθεί πιο σημαντική από μια υψηλή αναλογία ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση, το σύστημα N-high θα ήταν η πιο ελκυστική επιλογή (αγνοώντας άλλες πιθανές επιπτώσεις, όπως ο ευτροφισμός λόγω διαρροής N). Αντίθετα, ένα σύστημα χαμηλών εισροών με υψηλότερο λόγο ενέργειας (Ν-μηδέν) μπορεί να φαίνεται προτιμότερο εάν η πρόσβαση στην ενέργεια είναι πιο περιορισμένη από την πρόσβαση στη γη.

Δεδομένου ότι οι συνολικές εισροές πρωτογενούς ενέργειας αντιστοιχούν σε ένα μικρό μόνο ποσοστό των ακαθάριστων ενεργειακών αποδόσεων και η ποσότητα της αρόσιμης γης είναι περιορισμένη, μπορεί να θεωρηθεί πιο σημαντικό να προσπαθήσουμε για την επίτευξη υψηλών καθαρών ενεργειακών αποδόσεων παρά υψηλών αναλογιών ενέργειας. Τα μέσα πολιτικής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κατευθύνουν την παραγωγή προς την επιθυμητή κατεύθυνση.

Το αποτέλεσμα ενεργειακών αναλύσεων, όπως αυτή, μπορεί να ενημερώσει τις συμμετοχικές διαδικασίες που εμπλέκουν τους ιδιοκτήτες γης, τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και άλλους ενδιαφερόμενους φορείς στην περαιτέρω ανάπτυξη και επαναπροσδιορισμό στόχων και σχεδίων για την παραγωγή βιομάζας σε ένα ευρύτερο πλαίσιο διαχείρισης τοπίου.

Μπορούν να επιτευχθούν ουσιαστικές βελτιώσεις στην ενεργειακή απόδοση 

Οι αποδόσεις ιτιάς και οι εισροές ενέργειας που σχετίζονται με τη λίπανση με Ν και τη μεταφορά βιομάζας προσδιορίστηκαν ως σημαντικοί καθοριστικοί παράγοντες της ενεργειακής απόδοσης. Οι τρέχουσες εξελίξεις στον τομέα των μεταφορών υποδηλώνουν ότι είναι δυνατές σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση της χρήσης καυσίμου. Επιπλέον, οι βελτιώσεις στον υλικοτεχνικό σχεδιασμό και τα πρότυπα οδήγησης μπορούν επίσης να συμβάλουν στη μείωση των εισροών ενέργειας που σχετίζονται με τις μεταφορές.

Η ενεργειακή απόδοση μπορεί επίσης να βελτιωθεί με τη χρήση κλώνων ιτιάς υψηλής απόδοσης, οι οποίοι είναι καλύτερα προσαρμοσμένοι στο τοπικό κλίμα και ανταποκρίνονται περισσότερο στη γονιμοποίηση. Η ιτιά εκτρέφεται στη Σουηδία από τα τέλη της δεκαετίας του 1970 και τα σουηδικά προγράμματα αναπαραγωγής φυτών έχουν ήδη συμβάλει στην αύξηση της μέσης απόδοσης κατά περίπου 50% σε σύγκριση με τις προηγούμενες ποικιλίες και είναι δυνατές περαιτέρω βελτιώσεις.

Η απόδοση μπορεί επίσης να βελτιωθεί με τη μείωση της χρήσης ενέργειας στην παραγωγή αμμωνίας, η οποία ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με την τεχνολογία της διαδικασίας και την ενεργειακή πρώτη ύλη. Η επόμενη γενιά μονάδων αμμωνίας βασίζονται είτε σε πυρηνική αντίδραση υψηλής θερμοκρασίας είτε σε σύνθεση αμμωνίας στερεάς κατάστασης, τα οποία τροφοδοτούνται πλήρως από ηλεκτρική ενέργεια και ως εκ τούτου μπορούν να γίνουν ουδέτερα ως προς τον άνθρακα. Η παραγωγή αμμωνίας με χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας προσφέρει επίσης ενδιαφέρουσες ευκαιρίες για το μέλλον.

Μέθοδος αξιολόγησης 

Αυτή η μελέτη βασίζεται σε μια λεπτομερή και ενδελεχή ανασκόπηση των λειτουργιών διαχείρισης και της χρήσης ενέργειας στα συστήματα παραγωγής σουηδικής ιτιάς. Τα όρια του συστήματος περιλαμβάνουν την πρωτογενή παραγωγή ενεργειακών φορέων και εισροών υλικών, λειτουργίες διαχείρισης πεδίου και μεταφορά θρυμμάτων ξύλου στον τόπο μετατροπής βιοενέργειας. Περιλαμβάνεται επίσης η ενέργεια που ενσωματώνεται σε γεωργικά μηχανήματα και εργαλεία (άροτρα, σβάρνες κ.λπ.). Στην αξιολόγηση χρησιμοποιούνται κυρίως εμπειρικά δεδομένα, που συλλέγονται από ένα ευρύ φάσμα δημοσιευμένων πηγών καθώς και από ειδικούς.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ενεργειακή ανάλυση της παραγωγής ιτιάς για βιοενέργεια στη Σουηδία, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Renewable and Sustainable Energy Reviews .  Η εργασία διεξήχθη από τη Maria Nordborg και τον Göran Berndes από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers, Σουηδία, τους Ιωάννη Δημητρίου, Blas Mola-Yudego και Håkan Rosenqvist από το Σουηδικό Πανεπιστήμιο Γεωργικών Επιστημών και την Annika Henriksson από το Henriksson Salix AB, Σουηδία

.