Energetické hospodářství v zemědělské výrobě

Zatímco globální poptávka po energii stále roste, světové fosilní zdroje energie se rychle vyčerpávají. V důsledku toho se jedním z nejdůležitějších cílů stalo efektivní využití energie. V souladu s tímto cílem je zásadní zavést systém energetického managementu organizováním energetického programu s nejvyšší možnou účinností. Tento systém zahrnuje činnosti, jejichž cílem je neustálé zlepšování energetické náročnosti, jako je energetická účinnost, studie energetického auditu a činnosti vyžadující komplexní studii [1].

Vzhledem k závislosti zemědělského sektoru na energetickém sektoru, stejně jako rostoucím nákladům a negativním důsledkům využívání fosilních paliv je hospodaření s energií v tomto sektoru zásadní. Zemědělci mohou zvýšit výdělky a zároveň mít dobrý vliv na životní prostředí tím, že lépe porozumí spotřebě energie na farmě a uplatňují osvědčené postupy pro hospodaření s energií na farmách [2, 3].

Problémy se zemědělským energetickým využitím

Vzhledem k tomu, že světová populace stále roste alarmujícím tempem, poptávka po moderním zemědělství a schopnosti uživit obrovské množství lidí každým dnem roste. S rostoucí spotřebou potravin rostou rovněž energetické nároky zemědělského sektoru [4].

Energie je životně důležitým prvkem ve výrobě v zemědělství. Kromě lidské a zvířecí energie využívá zemědělský sektor energii v budovách (osvětlení, chlazení/topení), zemědělských provozech (nářadí a stroje pro přípravu půdy, zavlažování, setí, hnojení, sklizeň a dopravu) a komerčních činnostech, výstavbě a provozu zařízení). Energie je potřebná v zemědělském průmyslu k čerpání vody pro zavlažování; provozovat zemědělské stroje pro různé zemědělské operace během fáze růstu, jako je setí, plení, hnojení, postřiky a sklizeň; přepravovat plodiny; chladit a sušit nebo zpracovávat produkty [5].

Množství energie použité v zemědělské výrobě se výrazně liší v závislosti na úrovni rozvoje, typu činnosti, používaných výrobních postupech, umístění výrobní oblasti a environmentálních faktorech, jako je půda a klima [6]. Kvůli nedostatečným zařízením, omezenému přístupu k současným technologiím a větší závislosti na manuální práci se rozvojové země často potýkají se závažnějšími energetickými omezeními. Rozvinuté země se na druhou stranu snaží optimalizovat spotřebu energie, minimalizovat emise a začleňovat možnosti obnovitelné energie. K dosažení spolehlivých a ekologicky přijatelných alternativ obnovitelné energie musí energetický sektor projít důkladnou transformací, která zahrnuje využívání obnovitelných zdrojů energie. Špatná venkovská infrastruktura, omezené využití biomasy, velká závislost na fosilních palivech, závislost na energii pro zavlažování a omezený přístup k moderní energii jsou některé z klíčových typů energetických problémů a výzev v zemědělství [5].

Spotřeba energie v zemědělství je zásadní pro modernizaci zemědělských postupů a zvyšování produktivity [7]. Zvýšení produktivity zemědělství, kterého lze dosáhnout využitím moderní výroby energie, nelze realizovat kvůli nedostatečnému využívání elektrické a mechanické energie v zemědělství [8].

Veškerá zemědělská výroba musí být ekonomicky udržitelná, aby byla zajištěna dlouhodobá potravinová bezpečnost. Energie jako jeden z nejdůležitějších zemědělských vstupů má zásadní význam pro zajištění potravinové bezpečnosti. Úsilí na podporu klíčové úlohy energetiky by mělo být koordinováno s úsilím o snížení hladu, rozvoj venkova a zlepšení potravinové bezpečnosti. Toto úsilí by nemělo být vnímáno jako cíl sám o sobě, ale spíše jako důležitá součást většího projektu. Dodávka a výroba potravin jsou často omezovány nízkou kvalitou a omezeným množstvím dostupné energie [9, 10].

Vzhledem k tomu, že zemědělství má také negativní dopad na změnu klimatu, obavy z něj zvýšily zájem o energetickou účinnost a využití v zemědělství. Většina energie využívané v zemědělských činnostech pochází z fosilních paliv, která se využívají téměř ve všech. Je to důsledek různých typů používaných zemědělských zařízení, emisí metanu souvisejících s hospodářskými zvířaty, emisí skleníkových plynů souvisejících s farmami a dalších [11, 12].

Důležitost energetické problematiky podtrhuje potřeba efektivně využívat vzácné přírodní zdroje, snižovat emise skleníkových plynů, snižovat náklady na energii a zvyšovat konkurenceschopnost zemědělsko-potravinářského sektoru [13]. Je zásadní najít udržitelné a obnovitelné alternativy pro každý z těchto faktorů, i když existuje mnoho přímých a nepřímých energetických faktorů, které ovlivňují celkovou spotřebu energie v zemědělství [14].

Spojení energetiky a zemědělství bude nepochybně vyžadovat značné úsilí, abychom se posunuli vpřed. Technologické, environmentální a sociální aspekty by měly být dále rozvíjeny a hodnoceny [9]. Snížení vstupních nákladů a zatížení sítě pomocí účinných technik energetického managementu a obnovitelných zdrojů energie v zemědělství pomůže řešit problémy se zabezpečením potravin [5].

Energetický management

Pojem „energetický management“ označuje procesy měření, monitorování, plánování a implementace používané k zajištění co nejlepšího využití jak používaných energetických zdrojů, tak i vyrobené energie. Systematický proces energetického managementu maximalizuje úspory energie a zároveň neustále zlepšuje energetickou náročnost [15, 16].

Energetický management je využití a aplikace technologií při plánování a provozu výroby i spotřeby energie k zajištění optimální dodávky a využití energie. Primárními cíli hospodaření s energií jsou zachování zdrojů, rozpočtové úspory a prevence změny klimatu, stejně jako zajištění snadného a nepřetržitého přístupu k energii pro všechny [17].

Energetická účinnost a optimální využití jsou rozhodující pro dosažení udržitelného růstu, stejně jako mnoho dalších aspektů, jako je regulace investic a přijetí vhodných technologií. Snižování nákladů na energii a odpadu bez dopadu na výrobu nebo kvalitu a s malým dopadem na životní prostředí je základním faktorem udržitelného rozvoje v hospodaření s energií. Energetický management zahrnuje snižování spotřeby energie implementací energeticky účinných technik, stejně jako stanovení správného typu energie a energetického tarifu pro příslušnou jednotku, jako je elektrárna, výrobní závod, budova nebo zemědělské postupy [17, 18 ] .

Energetické audity jsou klíčovou činností v energetickém hospodářství. Je to systematická technika, jejímž cílem je vyrovnat celkové energetické vstupy proti celkové spotřebě energie, stejně jako identifikovat všechny energetické toky a zdůvodnit spotřebu energie na základě jejích specifických funkcí. Konečným cílem je zvýšit energetickou účinnost, což z dlouhodobého hlediska sníží výdaje na energii, což povede k udržitelnějšímu hospodářskému rozvoji. Kromě toho by zvýšená energetická účinnost zajistila energetickou bezpečnost i ochranu životního prostředí [17, 19].

Energetické hospodářství v zemědělské výrobě

Energie je jedním z nejdůležitějších zemědělských vstupů. Energie je klíčovou složkou pro uspokojení základních lidských potřeb, od zemědělských procesů až po provádění různých ekonomických operací. K nasycení rostoucí světové populace a uspokojení dalších sociálních a ekonomických cílů vyžaduje zemědělská výroba, zpracování a distribuce značné množství energie. Protože výnosy plodin a zásobování potravinami jsou neoddělitelně spjaty s energií, kontrola spotřeby energie v zemědělství je kritická [11, 20].

Aby bylo dosaženo cílů udržitelného zemědělství, je zásadní přijmout a udržovat rovnováhu mezi ekonomikou a poptávkou po energii. Méně rozvinuté země světa se pokoušejí najít způsoby, jak uspokojit rostoucí požadavky na jídlo, čistou vodu a alternativní zdroje energie a zároveň bojovat proti změně klimatu [21]. V důsledku rychlého nárůstu populace, ekonomického a technologického rozvoje, urbanizace a klimatických změn spotřeba energie rychle roste. Očekává se, že toto zvýšení spotřeby energie zvýší ceny elektřiny, což by mělo přímý dopad na zemědělský sektor kvůli vysoké energetické náročnosti různých zemědělských činností. Ceny potravin porostou v důsledku vysokých vstupních nákladů nutných k produkci potravin ze zemědělství, což vede k hladu a chudobě a ohrožuje potravinovou bezpečnost, zejména v rozvojových zemích. Zlepšené strategie hospodaření s energií mohou pomoci řešit intenzifikaci spotřeby energie a vysoké vstupní náklady v zemědělství [5, 22].

Zemědělství potřebuje energii k výkonu svých činností, ale lze ji také využít k výrobě energie, což činí hospodaření s energií klíčovou otázkou vzhledem ke strategickému významu zemědělského sektoru. V důsledku toho je optimalizace spotřeby, výroby a účinnosti součástí energetického managementu v zemědělství [23].

Níže jsou uvedeny primární cíle hospodaření s energií v zemědělské výrobě [11]:

• Zajištění a udržení optimální dodávky a využití energie po celou dobu životního cyklu produktu,

• Snížení nákladů na energii/plýtvání při zachování výroby a kvality,

• Minimalizace dopadu na životní prostředí.

Zemědělci jsou nuceni snižovat náklady prostřednictvím energetické účinnosti a využívání obnovitelných zdrojů energie rostoucími náklady na energii v zemědělském sektoru. Obecně platí, že vyšší vstupní náklady související s energií zvyšují celkové náklady na výrobu zemědělského zboží, což snižuje příjem farmy [24] . Obrázek 1 ukazuje energetickou pyramidu pro zemědělské aplikace. Tato pyramida je rozhodovacím nástrojem, který lze použít v různých oblastech souvisejících s energií, včetně zemědělství. Jak se postupuje od činností energetického hodnocení k projektům alternativní nebo obnovitelné energie, náklady a složitost tohoto nástroje rostou [11].

Obrázek 1 : Pyramida energetického managementu pro zemědělské činnosti [24]

Energetická pyramida začíná energetickým hodnocením na farmě. Před provedením konkrétních opatření vám energetický posudek umožní posoudit vaši spotřebu a potřeby energie. Spotřebu energie na farmě lze kontrolovat pomocí systémů monitorování energie, nastavení cílů a energetických auditů. Monitorování energie se provádí pravidelným zaznamenáváním údajů o energetické náročnosti od jednoho dílu do všech dílů. Po monitorování je nutné data analyzovat a provést energetický audit. Energetický audit zahrnuje činnosti k určení opatření, která lze přijmout k dosažení vyšší účinnosti s menší spotřebou energie v systému využívajícím energii [11]. Vzhledem k nedostatku pracovních sil je energie nejspolehlivějším zdrojem pro zemědělskou výrobu a analýza energie potřebná pro každý proces je důležitým nástrojem [22].

Poté musí být zavedeny jednoduché postupy zachování, následované postupy energetické účinnosti. Energetická účinnost je často zaměňována s úsporou energie. Úspora energie je praxe spotřebovávat méně energie změnou vlastního chování nebo návyků. Na farmě se například šetří energie zhasínáním nepotřebných světel. Energetická účinnost znamená použití méně energie ke splnění stejného úkolu. Energetická účinnost je prokázána výměnou klasických žárovek na farmě za LED žárovky. Úspora energie se týká omezení využití, zatímco energetická účinnost se týká efektivnějšího využívání energie [25, 26]. Úspory a zlepšení efektivity mají samy o sobě řadu výhod. Pro každou plodinu a ekologii musí být identifikovány příležitosti ke zvýšení zemědělské produktivity zaváděním inovativních technik a postupů. Ekologické zemědělství, lepší hospodaření s půdou a vodou, integrovaná ochrana proti škůdcům a hnojení plodin jsou jen některé ze strategií a postupů, které mohou pomoci zemědělskému sektoru při pohybu směrem k vyšší energetické účinnosti a udržitelnosti [27].

Posledním krokem je investovat do obnovitelné energie a využívat ji. Zatímco opatření v oblasti energetické účinnosti jsou často nejrychlejším a nejlevnějším způsobem, jak snížit náklady na energii na farmách, je také důležité zvážit systémy výroby energie z obnovitelných zdrojů pro výrobu energie pro mnoho zemědělských činností. Využití obnovitelných zdrojů energie v zemědělských činnostech povede ke zlepšení využití energie, potravinové bezpečnosti a změně životního prostředí, což vše přispěje k cílům ekologického zemědělství [5] .

Monitorování výkonu energie používané v zemědělských činnostech prostřednictvím přijetí systému hospodaření s energií v zemědělském sektoru může podpořit vyšší účinnost a využití kapacity, snížit plýtvání zdroji a znečištění a snížit náklady na provoz a údržbu. V důsledku toho lze snížit ceny energií a produktů a zároveň zvýšit tvorbu hodnoty, což vede ke stabilnímu hospodářskému růstu. Nepřerušovaný ekonomický růst spojený s ochranou životního prostředí poskytuje základ pro bezpečný a udržitelný rozvoj lidské společnosti [3, 17].

Literatura

1. L., B., W.C. Capehart, and W.J. Turner, Introduction to Energy Management, in Guide to Energy Management. 2020, River Publishers: New York.

2. Barragán-Ocaña, A., H. Merritt, and M.A. González-Pacheco, Energy Management in Agriculture, in Handbook of Energy Management in Agriculture, A. Rakshit, et al., Editors. 2023, Springer Nature Singapore: Singapore. p. 1-17.

3. Bhattacharyya, P., et al., Energy management for climate-smart agriculture. 2020: p. 73-84.

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

5. Majeed, Y., et al., Renewable energy as an alternative source for energy management in agriculture. Energy Reports, 2023. 10: p. 344-359.

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

7. Pimentel, D., Handbook of Energy Utilization In Agriculture. 2017: CRC Press, Taylor & Francis eBooks.

8. Bekhet, H. and A. Azlina, Energy Use in Agriculture Sector: Input-Output Analysis. Vol. 3. 2010.

9. FAO, The Energy and Agriculture Nexus. Environment and Natural Resources Working Paper No. 4, 2000.

10. Bogdanski, A., Integrated food–energy systems for climate-smart agriculture. Agriculture Food Security, 2012. 1(1): p. 1-10.

11. C, S., et al., Energy Auditing in Crop Production. 2020. p. 137-188.

12. Lynch, J., et al., Agriculture's Contribution to Climate Change and Role in Mitigation Is Distinct From Predominantly Fossil CO2-Emitting Sectors. 2021. 4.

13. DIAKOSAVVAS, D., Joint Working Party on Agriculture and the Environment, Improving Energy Efficiency in the Agro-Food Chain COM/TAD/CA/ENV/EPOC(2016)19/FINAL, 2017.

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

15. Doty, S. and W.C. Turner, Energy management handbook. 2004: Crc Press.

16. Özbakır, P., Enerji Yönetimi, in Fen Bilimleri Enstitüsü. 2006, Yıldız Teknik Üniversitesi: İstanbul.

17. Islam, M.M. and M. Hasanuzzaman, Chapter 1 - Introduction to energy and sustainable development, in Energy for Sustainable Development, M.D. Hasanuzzaman and N.A. Rahim, Editors. 2020, Academic Press. p. 1-18.

18. Thollander, P., et al., 13 - Energy management, in Introduction to Industrial Energy Efficiency, P. Thollander, et al., Editors. 2020, Academic Press. p. 239-257.

19. Kluczek, A. and P.J.J.o.c.p. Olszewski, Energy audits in industrial processes. 2017. 142: p. 3437-3453.

20. Devasenapathy, P., G. Senthilkumar, and P.J.I.J.o.A. Shanmugam, Energy management in crop production. 2009. 54(1): p. 80-90.

21. Hercher-Pasteur, J., et al., Energetic assessment of the agricultural production system. A review. Agronomy for Sustainable Development, 2020. 40(4): p. 29.

22. Chel, K., Renewable energy for sustainable agriculture. Agronomy for Sustainable Development, Springer Verlag/EDP Sciences/INRA, 10.1051/agro/2010029.hal00930477 2011. 31(1): p. 91-118.

23. FAO, Chapter 2: Energy for Agriculture, in The Energy and Agriculture Nexus, Environment and Natural Resources Working Paper No. 4, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2000: Rome.

24. Ohio, E. Farm Energy Management. [18.05.2023]; Available from: https://energizeohio.osu.edu/farm-energy-management.

25. Croucher, M.J.E.P., Potential problems and limitations of energy conservation and energy efficiency. 2011. 39(10): p. 5795-5799.

26. Hepbaşlı, A., Sanayide Enerji Yönetim Programının Temelleri. Klima, 2000. 106: p. 63-75.

27. Vijayakumar, S., et al., Efficient Management of Energy in Agriculture, in Handbook of Energy Management in Agriculture, A. Rakshit, et al., Editors. 2023, Springer Nature Singapore: Singapore. p. 1-28.