Energetické využití v zemědělství

V mnoha zemích je zemědělství nejdůležitějším hospodářským odvětvím. Pro zemědělskou výrobu byla vždy zapotřebí energie. Zemědělství široce využívá lidskou, zvířecí a mechanickou energii [1]. Modernizace mnoha zemědělských výrobních činností zvyšuje spotřebu mechanické energie. Zemědělský sektor, stejně jako ostatní sektory, se stal závislým na energetických zdrojích, jako je ropa a elektřina, v důsledku změn v zemědělském sektoru [2].

Energetická účinnost je nutná k udržení zemědělské výroby kvůli ekonomickým úsporám, zachování fosilních zdrojů a snížení znečištění ovzduší. Kromě toho, protože zemědělská půda je omezená, jediným způsobem, jak mohou výrobci zvýšit celkovou produkci, je použít více vstupů. Vzhledem k tomu, že se zemědělský sektor spoléhá na energii při nasycení rostoucí populace, stejně jako dopad spotřeby energie na životní prostředí a lidské zdraví, stejně jako omezené přírodní zdroje, je zásadní prozkoumat využití energie a energetickou účinnost v zemědělském sektoru [ 2, 3].

Spotřeba energie v zemědělství

Prostřednictvím procesu fotosyntézy přeměňuje zemědělství sluneční energii na energii potravin pro lidi a krmivo pro zvířata. Jednoduché zemědělské postupy, jako je rozhazování semen po zemi a přijímání skromných výnosů, které následovaly, představovaly primitivní zemědělství. V dnešní době moderní (intenzivní) zemědělské postupy, při kterých se používají různé metody k získání vysokých výnosů z půdy, z velké části nahradily primitivní zemědělství [4]. V důsledku zavádění moderních zemědělských výrobních procesů došlo k odklonu od lidské či zvířecí síly, která je hojně využívána v zemědělských výrobních procesech a přešlo se na používání mechanické energie využívající paliva [5].

Energie byla vždy zásadní pro zemědělskou výrobu a rozvoj venkova. Od malých ekologických farem až po velké průmyslové farmy spotřebovává zemědělství velké množství energie [6]. Dnes je využití energie v procesech rostlinné a živočišné výroby v zemědělském sektoru kategorizováno do dvou skupin: přímé a nepřímé [7].

Přímé využití energie v zemědělství: Fráze „přímá energie využívaná v zemědělství“ se vztahuje na energii používanou přímo v zemědělských operacích, jako je sklizeň, zavlažování, sušení, skladování, vytápění skleníků a marketing, stejně jako v infrastruktuře, zemědělských strojích, traktorech a nákladních aut [7]. V živočišné výrobě se elektřina, biomasa, uhlí a zemní plyn využívají k činnostem, jako je příprava a rozvoz krmiva, čištění hnoje, dojení, osvětlení, vytápění, větrání a chlazení v zemědělských objektech, jako jsou stáje [8 ].

Nepřímá spotřeba energie v zemědělství: Fráze „nepřímá energie využívaná v zemědělství“ označuje energii používanou při výrobě minerálních hnojiv a chemických pesticidů, insekticidů, herbicidů a dalších zemědělských chemikálií, jakož i chemické látky používané při jejich zpracování [7]. Nepřímá energie, jak už název napovídá, není využívána přímo na farmě. Tyto energetické vstupy se obvykle nacházejí v průmyslovém sektoru [8].

Dnešní zemědělství často využívá intenzivní zemědělský systém kvůli rostoucí populaci a vysoké poptávce po potravinách. Vzhledem k rychlému střídání plodin na poli a vysokému využití vstupů vyžaduje intenzivní zemědělství, aby zemědělec investoval značné finanční zdroje a znalosti do hospodaření s půdou a plodinami [5]. Jak ukazuje obrázek 1, moderní zemědělství vyžaduje použití energie ve všech fázích výroby, včetně využití energie v zemědělských strojích, vodním hospodářství, zavlažování, setí a sklizni. Energie se využívá ve fázích zemědělské výroby, jako je zemědělství, výroba hnojiv, doprava a zpracování. Zemědělství zahrnuje pěstování plodin a sklizeň, stejně jako péči o dobytek a porážku. Doprava je proces přepravy zemědělských produktů do další fáze výroby jakýmkoli způsobem dopravy. Potraviny, které nelze ihned po opuštění farmy zkonzumovat, je nutné zpracovat. Spotřeba energie po sklizni zahrnuje energii použitou na zpracování potravin, skladování a dopravu na trhy. Kromě toho se v zemědělství využívá mnoho energetických vstupů, jako jsou minerální hnojiva a chemické pesticidy [9-11].

Zemědělství, které zahrnuje pěstování plodin a chov zvířat, je jednou z energeticky nejnáročnějších fází potravinového řetězce a představuje zhruba jednu třetinu celkové energie spotřebované v řetězci výroby potravin [3]. Operace zpracování půdy, první fáze produkce plodin, se obvykle provádějí pomocí energeticky nejnáročnějších operací [13].

Sušení a skladování plodin je také hlavním krokem ve využití paliva. Na každý hektar sklizené/sušené plodiny spotřebuje vysokoteplotní sušička 55 litrů topného oleje. Ke snížení vlhkosti z 20 % na 15 % je potřeba přibližně šest litrů paliva (nafty) na každou tunu sušené plodiny [14].

V dnešní době většina zavlažovacích systémů spotřebovává velké množství energie. Spotřeba energie zavlažovacího systému je primárně vnímána jako technická výzva s cílem zlepšit výkon [15]. Většina farem využívá k čerpání vody studny a zdroje podzemní vody, i když některé mají přístup k veřejným zdrojům vody. Většina čerpadel využívá elektřinu, ale vzdálená místa mohou mít také naftová nebo propanová čerpadla [16, 17].

Energie spotřebovaná při chovech hospodářských je relativně nízká ve srovnání s rostlinnými operacemi, a to jak jako procento z celkových provozních výdajů, tak z hlediska celkové spotřeby energie. Živočišné podniky přímo spotřebovávají energii na ventilační systémy, chlazení, osvětlení, vytápění, zavlažování, motory a nakládání s odpadem, zatímco rostlinné podniky energii využívají k setí, sklizni, zavlažování a sušení [16].

Energie tvoří značnou část provozních nákladů většiny plodin, zvláště když se berou v úvahu nepřímé energetické výdaje na hnojiva, protože výroba hnojiv je extrémně energeticky náročná a vyžaduje velké množství zemního plynu. Výdaje na energii a hnojiva tvoří více než polovinu celkových provozních nákladů u některých plodin, jako je oves, kukuřice, pšenice a ječmen. Poměr přímé a nepřímé spotřeby energie se liší podle plodiny [16, 18]. Podrobné informace o využití energie v zemědělství jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1 : Spotřeba energie v zemědělské výrobě [19]

Využití energie v zemědělství Evropské unie

V roce 2020 činila přímá spotřeba energie Evropské unie 886 milionů tun ropného ekvivalentu, včetně přímého využití ropy, elektřiny, zemního plynu, obnovitelných zdrojů a pevných fosilních paliv. Zemědělství a lesnictví spotřebovalo v roce 2020 3,2 % celkové přímé spotřeby energie v EU [20]. Jak je uvedeno v tabulce 2, Nizozemsko mělo nejvyšší podíl na své celkové přímé spotřebě energie v zemědělství a lesnictví; podíl 9,0 % ukazuje na významnost skleníkové produkce zahradnických rostlin, ovoce a zeleniny. Významné procento mělo také Lotyšsko (5,4 %) a Polsko (5,5 %) [20].

Tabulka 2 : Přímá spotřeba energie v Evropské unii [20]

V EU tvořily v roce 2020 ropa a ropné produkty většinu (56,0 %) celkové přímé spotřeby energie v zemědělství a lesnictví s výjimkou biopaliv. To byl podstatně větší podíl než celá ekonomika (35,0 %) [20]. Jak je znázorněno na obrázku 2, ropa a ropné produkty byly nejčastěji používanými typy paliv v zemědělství a lesnictví v EU. Vyskytly se však některé významné odchylky. V Nizozemsku tvořila přímá spotřeba energie z ropy a ropných produktů v roce 2020 pouze 10,6 % celkové přímé spotřeby v zemědělství a lesnictví, přičemž většina (53,5 %) připadala na zemní plyn a jedna čtvrtina elektřina (24,3 %). V Řecku představovala elektřina téměř tři čtvrtiny (74,0 %) celkové přímé spotřeby energie v zemědělství a lesnictví. Obnovitelné zdroje energie a biopaliva se podílely na celkové spotřebě přímé energie ve Švédsku a Rakousku asi jednou třetinou (37,1 %, resp. 31,1 %) [20, 21].

Vzhledem k tomu, že se země liší velikostí, není možné přímo mezi nimi porovnávat celkovou spotřebu energie. Aby bylo možné porovnávat trendy napříč národy, je nutné určit společného jmenovatele. Ukazatel a jmenovatel by v ideálním případě měly silně korelovat. Využitelná zemědělská plocha je společným jmenovatelem pro hodnocení agroenvironmentálních parametrů napříč státy (UAA). Jak ukazuje obrázek 3, průměrná přímá spotřeba energie v zemědělství a lesnictví v EU byla v roce 2020 173 kilogramů ropného ekvivalentu na hektar [20].

Velká produkce ovoce, zeleniny a rostlin ve sklenících v Nizozemsku pomáhá vysvětlit podstatně vyšší průměrnou spotřebu přímé energie na hektar UAA v roce 2020 než v jiných evropských zemích. Mezi lety 2000 a 2020 klesla zjevná spotřeba energie na hektar UAA nejdramatičtěji v Řecku (-64,2 %), ale nejvýrazněji vzrostla v Maďarsku (+ 54,2 %) [20].

Literatura

1. Ozkan, B., H. Akcaoz, and C. Fert, Energy input–output analysis in Turkish agriculture. Renewable Energy, 2004. 29(1): p. 39-51.

2. Bekhet, H.A. and A.J.I.B.R. Abdullah, Energy use in agriculture sector: input-output analysis. 2010. 3(3): p. 111.

3. Fabio Monforti-Ferrario, J.-F.D., Irene Pinedo Pascua, Vincenzo Motola, Manjola Banja, Nicoale Scarlat, Hrvoje Medarac, Luca Castellazzi, Nicola Labanca, Paolo Bertoldi, David Pennington, Malgorzata Goralczyk, Erwin M. Schau, Erwan Saouter, Serenella Sala and G.T. Bruno Notarnicola, Pietro Renzulli, Energy use in the EU food sector: State of play and opportunities for improvement, European Commission EUR 27247 EN – Joint Research Centre – Institute for Energy and Transport and Institute for Environment and Sustainability, a.M.-F.a.I.P. Pascua, Editor. 2015: Luxembourg: Publications Office of the European Union.

4. Finan, T., 8. Intensive Agriculture. Portuguese agriculture in transition, 2019: p. 141.

5. Sial, A., et al., Intensive Farming: It's Effect on the Environment. 2021. 12: p. 37480-37487.

6. Raser, G. and M. Silecchia, Energy Use in U.S. Agriculture: An Overview 2020, Institute for Energy and the Environment, : Vermont Law School.

7. Schnepf, R. Energy Use in Agriculture: Background and Issues. 2004.

8. Beyaz, A., et al., Tarımsal Üretimde Enerji Verimliliğinin Planlanması ve Sağlanması. 2017.

9. FAO, Chapter 2: Energy for Agriculture, The Food and Agriculture Organization (FAO) in The ninth session of the United Nations Commission on Sustainable Development (CSD-9), G. Best, Editor. 2011.

10. Rokicki, T., et al., Changes in Energy Consumption in Agriculture in the EU Countries. 2021. 14(6): p. 1570.

11. Silecchia, G.R.a.M. Energy Use In U.S. Agriculture: An Overview. 2020 [28.07.2023]; Available from: https://farmandenergyinitiative.org/wp-content/uploads/2020/08/Energy-Use-in-Agriculture.pdf.

12. Olivier Dubois, A.F., Ana Kojakovic, and M.P. Irini Maltsoglou, and Luis Rincon, , Energy Access Food and Agriculture, in International Bank for Reconstruction and Development / THE WORLD BANK, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2017: Washington.

13. Forgó, Z., et al., Energy Consumption Evaluation of Active Tillage Machines Using Dynamic Modelling. 2021. 11(14): p. 6240.

14. Caslin, B. and D. Forristal, Energy Use On Tillage Farms, Energy Fact Sheet No: 1 – August 2016. 2016.

15. Daudin, K., et al., Energy consumption of irrigation systems: a functional perspective. 2020.

16. Hicks, S., Energy for growing and harvesting crops is a large component of farm operating costs, The U.S. Energy Information Administration (EIA) in Today in Energy. 2014.

17. Kalinichenko, A. and O. Kostenko, Alternative Ways of Energy Supply in Rural Areas. Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej Zarządzanie, 2019. 35: p. 52-68.

18. IFA and UNEP, Industry as a partner for sustainable development, Fertilizer Industry. The International Fertilizer Industry Association and United Nations Environment Programme, 2002.

19. Schnepf, R., Energy Use in Agriculture: Background and Issues. CRS Report for Congress, 2004.

20. EUROSTAT, Agri-environmental indicator - energy use. 2022.

21. Zhu, N., et al., Energy-sustainable agriculture in the European Union member states: Overall productivity growth and structural efficiency. Socio-Economic Planning Sciences, 2023: p. 101520.