Production and economic aspects of cultivation of perennial plants for energy purposes
No Thumbnail Available
Date
2013
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Abstract
Description
Main objective to take up the research on cultivation of perennial plants for energy purposes was the fragmentation and differentiation of the previously presented results of research and evaluation, as well as social, economic and political issues concerning the development of this direction of agricultural production.
The aim of this study was to determine the effectiveness of biomass production from selected perennial plants species in aspect of realization of production, economic, and energy goals. The differentiation of production, economic and energy efficiency were also compared according to the plant species and used production technology.
Field experiments were carried out in the years of 2008–2011 on the experimental plantations established in year 2003 and 2004. Rootstocks of plants at the start of experiment began their 6th or 7th year of vegetation. Experiments were located on soils of 8th, 4th and 5th of the complex agricultural suitability. The study covered 9 varieties/clones of willow, 7 clones of miscanthus and virginia mallow. Also, an assessment of the quality of biomass was performed and economic and energy efficiency of their cultivation and harvesting were determined.
Average yield of willow harvested annually in the years 2008–2011, ranged from 14.5 t DM?ha-1 on 4th soil complex to 17.7 t DM?ha-1 on 8th soil complex. Whereas, in three years cycle harvest, the yields on soil of the same quality were higher by 34–47% and has reached 23.6 t DM?ha-1 on 8th soil complex and 25.9 t DM?ha-1 on 5th soil complex. Average dry matter yields of Miscanthus clones in the years of 2008–2011 ranged from 21.1 t?ha-1 on 8th soil complex to 21.6 t?ha-1 on 4th soil complex. Average for the period, regardless of the location of the plantation, miscanthus dry matter yield did not differ significantly and ranged from 20.0 t?ha-1 in 2010 to 21.3 t?ha-1 in 2011. Virginia mallow dry matter yield depended mainly on plants density and for 20 thous. pcs?ha-1 it was almost two times higher than for density of 10 thous. pcs?ha-1. In the case of a lower plants density, average yield in the study did not differ significantly depending on soil quality, and amounted to 8.9 t DM?ha-1?on 8th soil complex and 8.2 t DM?ha-1 on 4th soil complex. On the other hand, for 20 thous. pcs?ha-1 plants density, higher dry matter yield (18.5 t DM?ha-1) was observed on the 5th soil complex. Yielding of examined plants species was more dependent on the weather conditions than the quality of the soil. However, with the improvement of the place quality, a smiller variance of yielding in years was observed, which may reduce production risks.
Humidity of willow biomass depending on harvest cycle ranged from 48 to 51%. On the other hand, humidity of virginia mallow (13%) and miscanthus (13%) biomass was significantly lower than the humidity of willow biomass and depended on the time of harvest. Willow biomass contained the highest amount of coal (44.5%), while in biomass of miscanthus and virginia mallow, its content was about 42–43%. Also the nitrogen content in the willow biomass acquired from annual shoots was significantly higher than in the biomass of miscanthus and virginia mallow. Because of high content of cadmium and nitrogen, willow biomass did not meet the stringent quality standards set out in the German standard DIN 51731 for wood pellet, which may limit its use for this purpose. Macronutrient content in biomass examined plants species was slightly differentiated depending on the soil quality and the variety/clone.
The highest financial expenditure for the establishment of plantations was required in the case of miscanthus (13–17 thous. zł?ha-1) and willows cultivated in each year harvest cycle (11–15 thous. zł?ha-1) which depended mainly on price and the amount of seedlings. Whereas, the lowest costs are necessary for the establishment of a plantation of virginia mallow, which ranged depending on the used technology from 5 to 9 thous. zł?ha-1. Cultivation of the examined plants species by using variants of technology production included in the analysis was economically effective. The lowest efficiency, regardless of the used technology, was characteristic for the cultivation of Virginia mallow and willow harvested each year. However, the highest value of the evaluated indicators was found with the cultivation of willow harvested every three years with the use of fully mechanized technology. Profitability of miscanthus cultivation was also high and, depending on the used technology, amounted from 157 to 169%. Net present value of plantations (NPV) and internal rate of return (IRR) were significantly varied both between species of plants, as well as of production technology, and directly related to the area of the plantation. The highest value of NPV and IRR indicators, regardless of the size of the plantation, was characteristic for the cultivation of willow harvested in the three-year cycle and with the use of fully mechanized technology. The lowest value of the discounted cash surplus and profitability of capital were generated in cultivation of virginia mallow. Simulated increase of yield and biomass prices mostly affected the profit increase per unit area (ha) and per t DM, and the amount of the discounted cash surplus (NPV).Reduction of production costs is a more effective way of reducing financial expenditures per unit of energy (GJ) contained in the yield, and also an increase in profitability and return of investment (IRR). Among all the analyzed scenarios, the most effective way to improve the economic efficiency of biomass production is to reduce costs.
Cultivation of the examined plants species was characterized by a favorable relationship of energy production and the expenditures on its production. Cultivation of willow harvested in three years cycle proved to be the least energy consuming and the most efficient. The least favorable values of these parameters was found with the cultivation of virginia mallow and willow harvested in each year.
Among examined plants species, the cultivation of willow harvested three years cycle was the most favorable in terms of production, economic and energy effects, while the cultivation of virginia mallow and willow harvested in each year were the least effective.
Improvement of the efficiency of biomass production on agricultural lands can be achieved mainly by increasing the scale of production (the size of the plantation) and the level of work mechanization, and by reducing production costs.
Główną przesłanką decydującą o podjęciu badań nad uprawą roślin wieloletnich na cele energetyczne stanowiła fragmentaryczność i zróżnicowanie dotychczas prezentowanych wyników badań i ocen oraz dylematy o charakterze społecznym, ekonomicznym i politycznym dotyczące rozwoju tego kierunku produkcji rolniczej. Celem pracy było określenie efektywności produkcji biomasy wybranych gatunków roślin wieloletnich w aspekcie realizacji celów produkcyjnych, ekonomicznych i energetycznych. Porównano również zróżnicowanie efektywności produkcyjnej, ekonomicznej i energetycznej w zależności od gatunku uprawianej rośliny i stosowanej technologii produkcji. Badania polowe prowadzono w latach 2008–2011 na plantacjach doświadczalnych założonych w 2003 i 2004 roku. Karpy roślin w momencie rozpoczęcia badań wchodziły w 6–7 rok wegetacji. Doświadczenia były zlokalizowane na glebach 8, 4 i 5 kompleksu przydatności rolniczej. Badaniami zostało objęte 9 odmian/klonów wierzby, 7 klonów miskanta i ślazowiec pensylwański. Wykonano ocenę jakości biomasy oraz określono efektywność ekonomiczną i energetyczną uprawy i pozyskiwania biomasy ww. gatunków roślin. Wierzba zbierana w cyklu corocznym w latach 2008–2011 plonowała średnio od 14,5 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 4 do 17,7 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 8. Natomiast zbierana co trzy lata dała na glebie tej samej jakości plony wyższe o 34–47% i wynosiły one 23,6 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 8 oraz 25,9 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 5. Plony suchej masy badanych klonów miskanta w latach 2008–2011 wynosiły średnio od 21,1 t?ha-1 na glebie kompleksu 8 do 21,6 t?ha-1 na glebie kompleksu 4. Plony suchej masy klonów miskanta, średnio w latach badań, nie różniły się istotnie i wahały się od 20,0 t?ha-1 w 2010 r. do 21,3 t?ha-1 w 2011 r. Plon suchej masy ślazowca pensylwańskiego zależał głównie od obsady roślin i przy zagęszczeniu 20 tys. roślin?ha-1 był niemal dwukrotnie wyższy niż przy gęstości 10 tys. roślin?ha-1. Plon średnio w latach badań przy niższej obsadzie roślin nie różnił się istotnie w zależności od jakości gleby i wynosił 8,9 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 8 oraz 8,2 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 4. Natomiast przy obsadzie 20 tys. roślin?ha-1 wyższe plony suchej masy (18,5 t s.m. ?ha-1) uzyskano na glebie kompleksu 5. Plonowanie badanych gatunków roślin w większym stopniu było uzależnione od przebiegu warunków pogodowych niż jakości gleby. Niemniej jednak wraz z poprawą jakości stanowiska zaobserwowano mniejszą zmienność plonowania tych roślin w latach, co może się przekładać na ograniczenie ryzyka produkcyjnego. Biomasa wierzby zawierała więcej węgla (44,5%) niż biomasa miskanta i ślazowca pensylwańskiego (42–43%). Zawartość azotu w biomasie wierzby pozyskanej z pędów jednorocznych była znacznie wyższa niż w biomasie miskanta i ślazowca pensylwańskiego. Ze względu na znaczną zawartość azotu i kadmu biomasa wierzby pozyskiwanej co roku nie spełniała rygorystycznych norm jakościowych zawartych w niemieckiej normie DIN 51731 dla peletu drzewnego, co może ograniczać jej wykorzystanie do tego celu. Zawartość makroskładników w biomasie badanych gatunków roślin w niewielkim stopniu była różnicowana w zależności od jakości gleby i odmiany/klonu. Najwyższe nakłady finansowe poniesiono na założenie plantacji miskanta (13–17 tys. zł·ha-1) i wierzby uprawianej i zbieranej co roku (11–15 tys. zł·ha-1), co uwarunkowane było głównie ilością wysadzanych sadzonek na powierzchni 1 ha i ich ceną. Natomiast najniższe koszty poniesiono na założenie plantacji ślazowca pensylwańskiego; wahały się one w zależności od stosowanej technologii produkcji od 5 do 9 tys. zł·ha-1. Uprawa porównywanych gatunków roślin przy zastosowaniu uwzględnionych w analizie wariantów technologii produkcji była efektywna ekonomicznie. Najniższą efektywnością, niezależnie od stosowanej technologii, charakteryzowała się uprawa ślazowca pensylwańskiego i wierzby zbieranej corocznie. Natomiast najwyższą wartością ocenianych wskaźników cechowała się uprawa wierzby zbieranej w cyklu trzyletnim i technologii produkcji w pełni zmechanizowanej. Opłacalność uprawy klonów miskanta była również wysoka i w zależności od stosowanej technologii wynosiła 157–169%. Wartość bieżąca netto plantacji (NPV) i wewnętrzna stopa zwrotu z inwestycji (IRR) była w znacznym stopniu zróżnicowana zarówno pomiędzy badanymi gatunkami roślin, jak i technologią produkcji oraz bezpośrednio związana z powierzchnią plantacji. Najwyższą wartością wskaźników NPV i IRR, niezależnie od wielkości plantacji, cechowała się uprawa wierzby w cyklu trzyletnim i technologii produkcji w pełni zmechanizowanej. Najniższą wartość zdyskontowanych nadwyżek pieniężnych i rentowność kapitału generowała natomiast uprawa ślazowca pensylwańskiego. Symulowany wzrost plonów i cen biomasy w największym stopniu wpływał na zwiększenie zysku z jednostki powierzchni (ha) i w przeliczeniu na 1 t s.m., a także wysokość zdyskontowanych nadwyżek finansowych (NPV). Natomiast zmniejszenie kosztów produkcji jest skuteczniejszym sposobem obniżania nakładów finansowych na jednostkę energii (GJ) zawartą w plonie, zwiększania opłacalności produkcji i rentowności inwestycji (IRR). Spośród wszystkich analizowanych scenariuszy najbardziej skutecznym sposobem poprawy efektywności ekonomicznej produkcji biomasy jest ograniczanie kosztów. Uprawa badanych roślin charakteryzowała się korzystnymi relacjami wielkości produkcji energii do nakładów poniesionych na jej wytworzenie. Najmniej energochłonna i najbardziej efektywna okazała się uprawa wierzby zbieranej w cyklu trzyletnim. Natomiast najmniej korzystnymi wartościami tych parametrów charakteryzowała się uprawa ślazowca pensylwańskiego i wierzby zbieranej w cyklu corocznym. Spośród badanych gatunków roślin najkorzystniejszymi efektami produkcyjnymi, ekonomicznymi i energetycznymi cechowała się uprawa wierzby zbieranej co trzy lata, a najmniej efektywna była uprawa ślazowca pensylwańskiego i wierzby zbieranej w cyklu corocznym. Poprawę efektywności produkcji biomasy na użytkach rolnych można osiągnąć głównie poprzez zwiększenie skali produkcji (wielkości plantacji) i stopnia zmechanizowania prac oraz obniżenie kosztów produkcji.
Główną przesłanką decydującą o podjęciu badań nad uprawą roślin wieloletnich na cele energetyczne stanowiła fragmentaryczność i zróżnicowanie dotychczas prezentowanych wyników badań i ocen oraz dylematy o charakterze społecznym, ekonomicznym i politycznym dotyczące rozwoju tego kierunku produkcji rolniczej. Celem pracy było określenie efektywności produkcji biomasy wybranych gatunków roślin wieloletnich w aspekcie realizacji celów produkcyjnych, ekonomicznych i energetycznych. Porównano również zróżnicowanie efektywności produkcyjnej, ekonomicznej i energetycznej w zależności od gatunku uprawianej rośliny i stosowanej technologii produkcji. Badania polowe prowadzono w latach 2008–2011 na plantacjach doświadczalnych założonych w 2003 i 2004 roku. Karpy roślin w momencie rozpoczęcia badań wchodziły w 6–7 rok wegetacji. Doświadczenia były zlokalizowane na glebach 8, 4 i 5 kompleksu przydatności rolniczej. Badaniami zostało objęte 9 odmian/klonów wierzby, 7 klonów miskanta i ślazowiec pensylwański. Wykonano ocenę jakości biomasy oraz określono efektywność ekonomiczną i energetyczną uprawy i pozyskiwania biomasy ww. gatunków roślin. Wierzba zbierana w cyklu corocznym w latach 2008–2011 plonowała średnio od 14,5 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 4 do 17,7 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 8. Natomiast zbierana co trzy lata dała na glebie tej samej jakości plony wyższe o 34–47% i wynosiły one 23,6 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 8 oraz 25,9 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 5. Plony suchej masy badanych klonów miskanta w latach 2008–2011 wynosiły średnio od 21,1 t?ha-1 na glebie kompleksu 8 do 21,6 t?ha-1 na glebie kompleksu 4. Plony suchej masy klonów miskanta, średnio w latach badań, nie różniły się istotnie i wahały się od 20,0 t?ha-1 w 2010 r. do 21,3 t?ha-1 w 2011 r. Plon suchej masy ślazowca pensylwańskiego zależał głównie od obsady roślin i przy zagęszczeniu 20 tys. roślin?ha-1 był niemal dwukrotnie wyższy niż przy gęstości 10 tys. roślin?ha-1. Plon średnio w latach badań przy niższej obsadzie roślin nie różnił się istotnie w zależności od jakości gleby i wynosił 8,9 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 8 oraz 8,2 t s.m.?ha-1 na glebie kompleksu 4. Natomiast przy obsadzie 20 tys. roślin?ha-1 wyższe plony suchej masy (18,5 t s.m. ?ha-1) uzyskano na glebie kompleksu 5. Plonowanie badanych gatunków roślin w większym stopniu było uzależnione od przebiegu warunków pogodowych niż jakości gleby. Niemniej jednak wraz z poprawą jakości stanowiska zaobserwowano mniejszą zmienność plonowania tych roślin w latach, co może się przekładać na ograniczenie ryzyka produkcyjnego. Biomasa wierzby zawierała więcej węgla (44,5%) niż biomasa miskanta i ślazowca pensylwańskiego (42–43%). Zawartość azotu w biomasie wierzby pozyskanej z pędów jednorocznych była znacznie wyższa niż w biomasie miskanta i ślazowca pensylwańskiego. Ze względu na znaczną zawartość azotu i kadmu biomasa wierzby pozyskiwanej co roku nie spełniała rygorystycznych norm jakościowych zawartych w niemieckiej normie DIN 51731 dla peletu drzewnego, co może ograniczać jej wykorzystanie do tego celu. Zawartość makroskładników w biomasie badanych gatunków roślin w niewielkim stopniu była różnicowana w zależności od jakości gleby i odmiany/klonu. Najwyższe nakłady finansowe poniesiono na założenie plantacji miskanta (13–17 tys. zł·ha-1) i wierzby uprawianej i zbieranej co roku (11–15 tys. zł·ha-1), co uwarunkowane było głównie ilością wysadzanych sadzonek na powierzchni 1 ha i ich ceną. Natomiast najniższe koszty poniesiono na założenie plantacji ślazowca pensylwańskiego; wahały się one w zależności od stosowanej technologii produkcji od 5 do 9 tys. zł·ha-1. Uprawa porównywanych gatunków roślin przy zastosowaniu uwzględnionych w analizie wariantów technologii produkcji była efektywna ekonomicznie. Najniższą efektywnością, niezależnie od stosowanej technologii, charakteryzowała się uprawa ślazowca pensylwańskiego i wierzby zbieranej corocznie. Natomiast najwyższą wartością ocenianych wskaźników cechowała się uprawa wierzby zbieranej w cyklu trzyletnim i technologii produkcji w pełni zmechanizowanej. Opłacalność uprawy klonów miskanta była również wysoka i w zależności od stosowanej technologii wynosiła 157–169%. Wartość bieżąca netto plantacji (NPV) i wewnętrzna stopa zwrotu z inwestycji (IRR) była w znacznym stopniu zróżnicowana zarówno pomiędzy badanymi gatunkami roślin, jak i technologią produkcji oraz bezpośrednio związana z powierzchnią plantacji. Najwyższą wartością wskaźników NPV i IRR, niezależnie od wielkości plantacji, cechowała się uprawa wierzby w cyklu trzyletnim i technologii produkcji w pełni zmechanizowanej. Najniższą wartość zdyskontowanych nadwyżek pieniężnych i rentowność kapitału generowała natomiast uprawa ślazowca pensylwańskiego. Symulowany wzrost plonów i cen biomasy w największym stopniu wpływał na zwiększenie zysku z jednostki powierzchni (ha) i w przeliczeniu na 1 t s.m., a także wysokość zdyskontowanych nadwyżek finansowych (NPV). Natomiast zmniejszenie kosztów produkcji jest skuteczniejszym sposobem obniżania nakładów finansowych na jednostkę energii (GJ) zawartą w plonie, zwiększania opłacalności produkcji i rentowności inwestycji (IRR). Spośród wszystkich analizowanych scenariuszy najbardziej skutecznym sposobem poprawy efektywności ekonomicznej produkcji biomasy jest ograniczanie kosztów. Uprawa badanych roślin charakteryzowała się korzystnymi relacjami wielkości produkcji energii do nakładów poniesionych na jej wytworzenie. Najmniej energochłonna i najbardziej efektywna okazała się uprawa wierzby zbieranej w cyklu trzyletnim. Natomiast najmniej korzystnymi wartościami tych parametrów charakteryzowała się uprawa ślazowca pensylwańskiego i wierzby zbieranej w cyklu corocznym. Spośród badanych gatunków roślin najkorzystniejszymi efektami produkcyjnymi, ekonomicznymi i energetycznymi cechowała się uprawa wierzby zbieranej co trzy lata, a najmniej efektywna była uprawa ślazowca pensylwańskiego i wierzby zbieranej w cyklu corocznym. Poprawę efektywności produkcji biomasy na użytkach rolnych można osiągnąć głównie poprzez zwiększenie skali produkcji (wielkości plantacji) i stopnia zmechanizowania prac oraz obniżenie kosztów produkcji.
Keywords
biomass, willow, miscanthus, virginia mallow, yielding, economic efficiency, energy efficiency, biomasa, wierzba krzewiasta, miskant, ślazowiec pensylwański, plonowanie, efektywność ekonomiczna, efektywność energetyczna
Citation
Monografie i Rozprawy Naukowe, 35, ss. 94