Energy efficiency of the improved technology of miscanthus giganteus cultivation for biomass production
Abstract
The use of alternative energy sources is currently a highly relevant issue for Ukraine. Taking into account significant areas of marginal lands and available energy crops, it is quite possible to increase energy independence of territorial communities of our country. Improvement of the technology of energy crops cultivation, including miscanthus giganteus, as one of the highly productive energy crops, is important. This will make it possible to obtain a stable yield of biomass (energy-intensive raw material for biofuels) with energy-efficient cultivation technology, and increase the energy productivity of plant biomass production. This article focuses on the study of these issues. The aim of the research was to determine the yield, the energy efficiency of the improved technology of miscanthus giganteus cultivation and biomass energy productivity. Methods. The experiment was conducted during the period of 2018–2022 in the central part of the Forest-Steppe of Ukraine. Generally accepted and special research methods were used. The experimental variants combined: variant 1 (control) – conventional technology of miscanthus giganteus cultivation; variant 2 – the improved technology of miscanthus giganteus cultivation. The conventional technology combined: basic and spring tillage, planting with rhizomes and plant care. The improvement of this technology, besides the above measures, included: planting the crop according to the most optimal scheme, growing the crop together with lupine in the row spacing and foliar treatment with a mycorrhizal preparation (Mycofriend) in spring. Results. According to the research results, it was found that the yield of dry biomass will be significantly higher in the variants of the improved technology of miscanthus giganteus cultivation (20.7 t/ha) compared to the conventional one (11.8 t/ha). In addition, the annual increase in biomass yield was determined – from the first to the third year of vegetation in both variants of the experiment, but with a significant predominance in the second variant. The coefficient of energy efficiency of growing miscanthus giganteus for biofuel in the second variant (Кее = 4.5) was established, which is 1.1 points higher than in the first variant (Кее = 3.4). It was determined that, on average, over the research years, the highest energy productivity of miscanthus biomass at the level of 82.5 GJ/ha is formed by joint cultivation with lupine and the use of Mycofriend for fertilization of energy plants (the improved technology of crop cultivation). Conclusions. In order to increase the yield and energy productivity of miscanthus giganteus biomass, it is recommended to use the improved technology of crop cultivation. It includes: basic and spring tillage, planting with rhizomes according to the most optimal scheme (70 × 70 cm), growing miscanthus together with lupine and foliar treatment with mycorrhizal preparation (Mycofriend) in spring fertilisation. In comparison with the conventional cultivation technology, an increase in dry biomass yield (up to 20.7 t/ha), an increase in energy efficiency (Кее = 4.5) and energy productivity of plantations (up to 82.5 GJ/ha) were observed.
References
2. Mofijur M, Rasul M. G., Hyde J., Bhuyia M. M. K. Role of biofuels on IC engines emission reduction. Energy Procedia. 2015. Vol. 75: 886–892. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.07.211
3. Гелетуха Г. Г., Желєзна Т. А., Трибой О. В., Баштовий А. І. Аналіз критеріїв сталого розвитку біоенергетики. Пром. Теплотехника. 2016. т. 38. № 6. С. 47–55.
4. Калініченко О. В. Енергетична оцінка виробництва продукції рослинництва. Управління стратегіями випереджаючого інноваційного розвитку: монографія / за ред. к. е. н., доцента Н. С. Ілляшенко. Суми: Триторія. 2020. С. 381–388.
5. Енергоефективність та енергозбереження: економічний, техніко-технологічний та екологічний аспекти : колективна монографія / Кол. авторів; за заг. ред. П. М. Макаренка, О. В. Калініченка, В. І. Аранчій. Полтава: ПП “Астрая”, 2019. 603 с.
6. Kalinichenko А., Kalinichenko О., Kulyk М. (2017). Assessment of available potential of agro-biomass and energy crops phytomass for biofuel production in Ukraine: Odnawialne źródła energii: teoria i praktyka. Monograph / pod red. I. Pietkun-Greber, P. Ratusznego, Uniwersytet Opolski: Opole, Kijów, Tom ІІ: 163–179. DOI: http://dspace.pdaa.edu.ua:8080/handle/123456789/343
7. Кулик О. Способи стимулювання використання альтернативних джерел енергії за законодавством України та Європейського Союзу. Підприємництво, господарство і право. 2018. Вип. 4. С. 86–90.
8. Röder M., Mohr A., & Yan Liu. Sustainable bioenergy solutions to enable development in low- and middleincome countries beyond technology and energy access. Biomass and Bioenergy. 2020. Vol. 143. doi: 10.1016/j. biombioe.2020.105876
9. Гелетуха Г. Г., Желєзна Т. А., Дроздова О. І. Аналіз механізмів стимулювання розвитку «зеленої» електроенергетики Європейському Союзі. Пром. Теплотехніка. 2011. т. 33. № 5. С. 35.
10. Атлас енергетичного потенціалу відновлюваних джерел енергії України / за ред. С. О. Кудрі. Київ: Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2020, 82 с.
11. Страпчук С. Виробництво та використання біоенергетичних ресурсів у сільському господарстві України на засадах сталості. Економіка природокористування і сталий розвиток. 2021. № 9 (28). С. 80–87. DOI: 10.37100/2616-7689.2021.9(28).11
12. Bai Y., Luo L., van der Voet E. Life cycle assessment of switchgrass-derived ethanol as transport fuel. J. Life Cycle Assess. 2010. Vol. 15: 468‒477. DOI: 10.1007/s11367-010-0177-2
13. Гументик М. Я., Бондар В. С. Економічна й енергетична ефективність вирощування біоенергетичних культур на біопаливо. Біоенергетика. 2018. № 1. С. 16–19. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Bioen_2018_1_5
14. Antonina Kalinichenko and Valerii Havrysh. Environmentally friendly fuel usage: economic margin of feasibility. Ecol Chem Eng S. 2019. 26 (2): 241–254, DOI: 10.1515/eces-2019-0030
15. Енергетичні культури : сортимент, біологія, екологія, агротехнологія: колективна монографія / за ред. док. с.-г. наук., проф. М. І. Кулика. Полтава: “Астрая”, 2023. 220 с.
16. Kulyk M. I., Kurylo V. L., Kalіnichenko О. V., Galytska M. А. Plant energy resources: agroecological, economic and energy aspects: Monograf / Edited by authors. Poltava: Astraya. 2019. 119 р.
17. Галицька, Марина Анатоліївна. Агроекологічна оцінка колообігу карбону на посівах енергетичних культур в умовах лісостепу України : автореф. дис. ... канд. с.-г. наук : 03.00.16; Дніпров. держ. аграр.-екон. ун-т. Дніпро, 2021. 24 с.
18. Дековець В. О., Кулик М. І. Екологічні особливості та агрозаходи вирощування біомаси міскантусу гігантського для забезпечення енергоефективності сільських територій. Енергоефективність і енергонезалежність сільських територій: передумови формування та функціонування : колективна монографія / за ред. Т. О. Чайки, І. О. Яснолоб, О. О. Горба. Полтава : Видавництво ПП «Астрая», 2020. С. 102–115.
19. Aguilera E., Lassaletta Luis, Gattinger Andreas, Gimeno Benjamín S. Managing soil carbon for climate change mitigation and adaptation in Mediterranean cropping systems. A meta-analysis. Agriculture, Ecosystems & Environment. 2013. Vol. 168 (15): 25–36. https://doi.org/10.1016/j.agee.2013.02.003
20. Рожков А. О., Пузік В. К., Каленська С. М. та ін. Дослідна справа в агрономії: навч. посіб.: у 2 кн. Кн. 1. Теоретичні аспекти дослідної справи ; за ред. А. О. Рожкова. Харків: Майдан, 2016. 316 с.
21. Методичні рекомендації з оптимізації технології вирощування міскантусу в різних грунтово-кліматичних зонах України / Рахметов Д. Б. та ін. Видавничий центр «Колос»: ДВНЗ «Херсонський державний аграрний університет», 2017. 22 с.
22. Kulyk М. І., Rakhmetov D. B,. Kurylo V. L. Methodology of conducting field and laboratory researches with switchgrass (Panicum virgatum L.). Poltava, 2017. 24 p. URI: http://dspace.pdaa.edu.ua:8080/handle/123456789/7586
23. А. с. 93177. Методичні засади оцінки енергетичної ефективності вирощування енергетичних культур в умовах Лісостепу України / О. В. Калінченко, М. І. Кулик. № 93177; заявл. 13.08.2019; опубл. 18.10.2019, Бюл. № 31.
24. Рожков А. О., Пузік В. К., Каленська С. М. та ін. Дослідна справа в агрономії: навч. посіб. [Research work in agronomy: a study guide]: у 2 кн. – Кн. 2. Статистична обробка результатів досліджень; за ред. А. О. Рожкова. Харків: Майдан, 2016. 352 с.
