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Industrial hemp (Cannabis sativa L.) – a high-yielding energy crop

Prade, Thomas (2011). Industrial hemp (Cannabis sativa L.) – a high-yielding energy crop. Diss. (sammanfattning/summary) Alnarp, Sweden : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2011:95
ISBN 978-91-576-7639-9
[Doctoral thesis]

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Abstract

Bioenergy is currently the fastest growing source of renewable energy. Tighter sustainability criteria for the production of vehicle biofuels and an increasing interest in combined heat and power (CHP) production from biomass have led to a demand for high-yielding energy crops with good conversion efficiencies.
Industrial hemp was studied as an energy crop for production of biogas and solid biofuel. Based on field trials, the development of biomass and energy yield, the specific methane yield and elemental composition of the biomass were studied over the growing and senescence period of the crop, i.e. from autumn to the following spring.
The energy yield of hemp for both solid biofuel and biogas production proved similar or superior to that of most energy crops common in northern Europe. The high energy yield of biogas from hemp is based on a high biomass yield per hectare and good specific methane yield with large potential for increases by pretreatment of the biomass. The methane energy yield per hectare is highest in autumn when hemp biomass yield is highest.
The energy yield per hectare of hemp for use as a solid biofuel is highest in autumn when the biomass yield is highest. However, important combustion-related fuel properties, such as moisture, alkali, chlorine and ash content and ash melting temperature, are significantly improved when industrial hemp is harvested in spring instead of in autumn. Major fuel properties of hemp are not significantly influenced by annual cultivation conditions, latitude or choice of cultivar.
Net energy yields per hectare and energy output-to-input ratios of hemp are above-average in most applications, and are highest for use of hemp as solid biofuel. Use of hemp as a biogas substrate suffers from higher energy inputs and lower conversion efficiencies, but produces a high-quality vehicle fuel.
Advantages over other energy crops are also found outside the energy balance, e.g. low pesticide requirements, good weed competition and suitability as break crop in cereal-oriented crop rotations. Improvements in hemp biomass and energy yields may strengthen its competitive position against maize and sugar beet for biogas production and against perennial energy crops for solid biofuel production.

Authors/Creators:Prade, Thomas
Title:Industrial hemp (Cannabis sativa L.) – a high-yielding energy crop
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Bioenergi är för närvarande den snabbast växande källan för förnybar energi. Strängare hållbarhetskriterier för produktion av fordonsbränslen och ett ökat intresse för kraftvärmeproduktion baserad på biomassa har skapat efterfrågan på högavkastande energigrödor med god omvandlingseffektivitet.
Denna avhandling presenterar studier av industrihampa som energigröda för produktion av biogas och fastbränsle. I fältförsök har utvecklingen av biomassa- och energiavkastning, specifikt metanutbyte och biomassans bränsleegenskaper undersökts under tillväxten och den efterföljande vissningsfasens förlopp, dvs. från höst till följande vår.
Hampans energiavkastning för både biogas- och fastbränsleproduktion är lika hög som eller överlägsen de flesta andra vanliga energigrödor i Nordeuropa. Den höga energiavkastningen för hampa i form av biogas beror på en kombination av hög biomassaavkastning och högt specifikt metanutbyte. Det finns dessutom en stor potential att höja det specifika metanutbytet med hjälp av olika förbehandlings¬metoder, t.ex. ångexplosion. Energiavkastningen per hektar i form av metan är högst om hampan skördas under hösten, dvs. när biomassaavkastningen är högst.
Energiavkastningen för hampa som fastbränsle är också högst under hösten. Denna skördetidpunkt är dock ogynnsam för viktiga bränsleegenskaper, t ex halt av alkalimetaller, klor och aska samt asksmälttemperatur. Om hampan får stå kvar på fältet över vintern och skördas först under våren, så förbättras dessa bränsleegenskaper betydligt. De viktigaste bränsleegenskaper påverkas däremot inte av årsmån, stora skillnader i latitud eller val av hampasort.
Nettoenergiavkastningen per hektar för hampa är bra för användning som biogassubstrat eller fastbränsle. Dessutom har hampa relativ hög energikvot mellan utbyte och insats (output/input-förhållande). Hampa kan därför anses vara en energigröda som är bättre än genomsnittet.
En jämförelse av olika energisystem baserade på hampa visade att användning av hampa som fastbränsle gav högst nettoenergiavkastning och energikvot (output/input). System baserade på hampa för produktion av biogas krävde högre energiinsatser och gav lägre omvandlingseffektivitet, men gav å andra sidan fordonsbränsle, dvs. en energibärare av högre kvalitet.
Utöver gynnsam energibalans har hampa andra fördelar, t.ex. lågt pesticidbehov bl.a. genom en mycket god förmåga att konkurrera med ogräs. Hampa är en lämplig avbrottsgröda i spannmålsintensiva växtföljder. Den stora potentialen att öka hampans biomassa- och energiavkastning kan i framtiden stärka dess konkurrenskraft mot majs och sockerbetor för biogasproduktion och mot perenna grödor för produktion av fastbränsle.

German

Bioenergie ist die zurzeit am schnellsten wachsende Quelle, die zur Produktion erneuerbarer Energien beiträgt. Strengere Nachhaltigkeitskriterien für die Produktion von Treibstoffen und ein wachsendes Interesse an Kraftwärme-kopplung (KWK) aus Biomasse haben zu einer erhöhten Nachfrage an ertragreichen und effizient zu Energieträgern umwandelbaren Energiepflanzen geführt.
In der vorliegenden Studie wurde die Eignung von Industriehanf als Energiepflanze zur Produktion von Biogas bzw. Festbrennstoff untersucht. In Feldversuchen wurden Biomasse- und Energieerträge über den Zeitraum von Wachstum und den nachfolgenden Verwelkungsprozess (d.h. vom Herbst bis zum folgenden Frühjahr) untersucht und in Zusammenhang mit dem spezifischen Methanertrag bzw. der Zusammensetzung der Biomasse gestellt.
Die Energieerträge von Hanf zur Verwendung als Biogassubstrat bzw. als Festbrennstoff erwiesen sich als ähnlich hoch oder höher im Vergleich zu den Erträgen der meisten in Nordeuropa üblichen Energiepflanzen. Der hohe Biogas-energieertrag von Hanf beruht auf der sehr hohen Biomasseproduktion per Hektar und einem guten spezifischen Methanertrag. Es besteht außerdem ein großes Potenzial zur Steigerung des Methanertrages mit Hilfe geeigneter Vorbehandlungsmethoden. Soll Hanf als Biogassubstrat verwendet werden, ist Ernte im Herbst zum Zeitpunkt der höchsten Biomasseerträge vorteilhaft.
Der höchste Energieertrag von Hanf als Festbrennstoff wird ebenfalls im Herbst erreicht. Zu diesem Zeitpunkt sind jedoch wichtige verbrennungs-relevante Stoffeigenschaften wie zum Beispiel der Gehalt an Alkalimetallen, Chlor und Asche als auch die Ascheschmelztemperatur unvorteilhaft. Wird der Hanf über den Winter im Feld belassen und erst im Frühjahr geerntet, verbessern sich diese Brennstoffeigenschaften deutlich. Die wichtigsten Brennstoffeigenschaften von Hanf sind unabhängig von Variationen der Wachstumsbedingungen, Breitengrad und Cultivar.
Hanf erzielt gute Nettoenergieerträge per Hektar in den meisten Anwendungen. Weiterhin ist das Verhältnis von erzielter zu eingesetzter Energiemenge (Output/Input-Verhältnis) vergleichsweise hoch in den meisten untersuchten Anwendungen. Hanf ist daher eine überdurchschnittliche Energiepflanze. Als Festbrennstoff hat Hanf die höchsten Nettoenergieerträge und Output/Input-Verhältnisse. Als Biogassubstrat leidet Hanf unter höheren Energieeinsätzen und niedrigerer Umwandlungseffizienz, liefert jedoch Fahrzeugtreibstoff, einen sehr hochwertigen Energieträger.
Über eine günstige Energiebilanz hinaus hat Hanf andere Vorteile, zum Beispiel einen niedrigen Pestizidbedarf, gute Unkrautbekämpfungs-eigenschaften und gute Vorfruchtseigenschaften (als break crop) in Getreide-intensiven Fruchtwechseln. Das große Potenzial für zukünftige Steigerungen der Biomasse- und Energieerträge von Hanf kann dessen Konkurrenzfähigkeit gegenüber Mais und Zuckerrüben zur Produktion von Biogas und gegenüber mehrjährigen Pflanzen zur Produktion von Festbrennstoff weiter verstärken.

Series/Journal:Acta Universitatis agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :2011
Volume:2011:95
Number of Pages:93
Papers/manuscripts:
NumberReferences
IPrade T, Svensson, S-E, Andersson A, Mattsson, JE (2011). Biomass and energy yield of hemp grown for biogas and solid fuel. Biomass & Bioenergy 35(7), 3040-3049.
IIKreuger E, Prade T, Escobar F, Svensson S-E, Englund J-E, Björnsson, L (2011). Anaerobic digestion of industrial hemp – Effect of harvest time on methane energy yield per hectare. Biomass & Bioenergy 35(2), 893-900.
IIIIII Prade T, Finell M, Svensson S-E, Mattsson JE. Fuel properties of industrial hemp (Cannabis sativa L.) at different harvest dates. Submitted to Fuel.
IVIV Prade T, Svensson S-E, Mattsson JE. Energy balances for biogas and solid fuel production from industrial hemp. Submitted to Biomass & Bioenergy.
Place of Publication:Alnarp, Sweden
Publisher:Dept. of Agrosystems, Swedish University of Agricultural Sciences
Associated Programs and Other Stakeholders:SLU/LTJ - Partnership Alnarp
ISBN for printed version:978-91-576-7639-9
ISSN:1652-6880
Language:English
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:E Economics, development, and rural sociology > E21 Agro-industry
F Plant production > F04 Fertilizing
H Protection of plants and stored products > H60 Weeds and weed control
J Handling, transport, storage and protection of agricultural products > J10 Handling, transport, storage and protection of agricultural products
P Natural resources > P05 Energy resources management
P Natural resources > P06 Renewable energy resources
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Agricultural Science
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 405 Other Agricultural Sciences > Renewable Bioenergy Research
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 405 Other Agricultural Sciences > Environmental Sciences related to Agriculture and Land-use
Agrovoc terms:hemp, cannabis sativa, biogas, fuel crops, energy balance, energy exchange, plant fibres, yields
Keywords:bioenergy, fibre hemp, feedstock, solid biofuel, biogas, substrate, biomass yield, energy yield, energy balance, production, bioenergi, fiberhampa, råvara, fastbränsle, substrat, avkastning, biomassa, energi, energibalans, produktion, Bioenergie, Faserhanf, Rohmaterial, Festbrennstoff, Biomasse, Energie, Energiebilanz
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-249
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-249
ID Code:8415
Department:(LTJ, LTV) > Agrosystems (until 121231)
External funders:FORMAS and Federation of Swedish farmers
Deposited By: Thomas Prade
Deposited On:09 Nov 2011 13:06
Metadata Last Modified:02 Dec 2014 10:47

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