Aplikace obnovitelné energie v zemědělství – 2

Lidská strava se vyrábí pouze zemědělstvím. Udržitelné zemědělství se zaměřuje na potřebu používat nástroje a techniky, které zvyšují produkci potravin, aniž by byly ohroženy zdroje životního prostředí nebo ekosystémové služby [1].

Energetické požadavky na vytápění, chlazení, trakci a další energetické funkce farmy lze splnit pomocí různých technologií. Venkovské oblasti mohou produkovat obnovitelnou energii pomocí geotermálních, bioenergetických, solárních, větrných a solárních zdrojů energie. Zemědělci mohou využívat různé technologie současně. Za jiných okolností může být produkce obnovitelné energie farmy zavedena do plynových nebo elektrických sítí. Jak na úrovni farem, tak napříč celým zemědělským sektorem existuje široká škála možností a potenciálu pro výrobu a distribuci obnovitelné energie [2] .

Většina zemědělské techniky je poháněna fosilními palivy, která produkují skleníkové plyny a urychlují změnu klimatu jejich vypouštěním do atmosféry. Podporou využívání obnovitelných zdrojů energie, jako je sluneční, větrná, bioenergie, vodní energie a geotermální energie, lze tyto problémy udržitelnosti životního prostředí omezit [3, 4]. Nové možnosti spolupráce při výrobě, prodeji a distribuci obnovitelné energie představují četná malá a střední zařízení. Nahrazují fosilní paliva, podporují hospodářský růst ve venkovských oblastech a přispívají k energetické bezpečnosti [2].

Využití větrné energie v zemědělství

Vítr je druh energie, která je přijímána nepřímo. Tento druh energie je sluncem neustále doplňován a vzniká slunečním ohřevem zemského povrchu. Rozdílné zahřívání zemského povrchu způsobuje změny teploty, vlhkosti a tlaku vzduchu a tyto změny tlaku způsobují pohyb vzduchu. Charakteristiky větru se mění v čase a prostoru v důsledku geografických rozdílů a nehomogenního ohřevu zemského povrchu [5, 6].

Větrná energie je nyní jedním z nejdůležitějších obnovitelných zdrojů energie s nejrychlejším rozvojem technologie a využití a ekonomikou, která je konkurenceschopná konvenčním zdrojům energie. Větrná energie je proces získávání mechanické nebo elektrické energie prostřednictvím turbín využitím kinetické energie již přítomného vzduchu. Větrná energie je šetrná k životnímu prostředí, může zajistit energetickou bezpečnost a je životaschopnou alternativou k tradiční energii založené na fosilních palivech [7, 8].

Aplikace větrné energie v zemědělství lze rozdělit do dvou kategorií. Tyto jsou:

• Oblasti mechanického použití (jako je odsávání vody a mletí) a

• Oblasti použití elektro (aplikace mimo síť a aplikace připojené k síti) [9].

Větrná energie se využívá k vytvoření mechanické energie z větrných turbín, elektřiny z větrných turbín nebo vody ze studní pomocí větrných čerpadel [10]. Je známo, že využívání větrné energie ve venkovských oblastech začalo s větrnými mlýny. Větrné mlýny sloužily k čerpání vody ze studní a mletí obilí již od středověku. Energie větru je turbínou přeměněna na mechanickou energii, která způsobí, že dvě desky se rytmicky otáčí a produkty mezi těmito dvěma deskami se melou. Větrné mlýny dlouhodobě podporují zemědělské aktivity [11, 12].

Čerpadla jsou stroje, které přeměňují potenciální energii kapaliny na energii kinetickou. Čerpadla poháněná větrem využívají pouze větrnou energii k čerpání vody. Kinetická energie proudění větru se přeměňuje na mechanickou energii hřídelí větrné turbíny a využívá se k čerpání vody v zemědělských oblastech a čerpání vody ze studní, jak je znázorněno na obrázku 1. Pomocí zařízení, které je k čerpadlu připojeno, se píst čerpadla instalovaného na zdroji pohybuje nahoru a dolů a vypouští vodu do požadované oblasti na povrchu. Voda odebraná ze zdroje je odváděna hadicemi pomocí tlakového rozdílu. Vzhledem k tomu, že větrná energie je přerušovaný zdroj, používá se ve spojení s akumulačními systémy pro nepřetržité uspokojování poptávky po vodě [13-15]. Aby systém fungoval, je zapotřebí malé množství větru. Při slabém větru může větrné čerpadlo čerpat v průměru 10-15 tun vody. Uživatelé mohou dodávat čerpadla různých velikostí na základě svých požadavků. Výkon se liší podle velikosti rotoru, ke kterému je čerpadlo připojeno [16].

Větrná energie je důležitá při výrobě elektřiny a podíl elektřiny vyrobené pomocí tohoto zdroje energie neustále roste [17]. Větrné turbíny jsou primárními součástmi větrných elektráren. Přestože je výroba větrné energie relativně novou technologií, logika zpracování je totožná s logikou starších větrných mlýnů. Větrná turbína se skládá z několika součástí, včetně generátoru, věže, elektrického zařízení, převodovek, listu vrtule a těla (rotoru). Při rotačním pohybu hřídele rotoru se kinetická energie větru přeměňuje v rotoru na mechanickou energii a přenáší se na generátor v tělese. Energie generovaná generátorem se ukládá do baterií nebo se přímo přenáší do přijímačů elektřiny [6, 10].

Větrné turbíny lze používat s připojením k elektrické síti i bez něj. Větrné turbíny připojené k síti se obvykle používají pro aplikace s vysokým výkonem [18, 19] .

Větrná energie je neznečišťující zdroj energie bez paliva. Větrné mlýny instalované v každé farmě nebo sídelní jednotce v zemědělských oblastech výrazně snižují náklady na výrobu energie a takové systémy instalované v oblastech daleko od přenosových vedení jsou hospodárné ve všech směrech. Pokud jsou tyto soustavy napojeny na elektrickou distribuční síť, lze získat další příjmy prodejem části vyrobené elektřiny. Nejvýznamnější výhodou větrných turbín je, že nezabírají mnoho místa, což umožňuje jejich instalaci v zemědělských oblastech [19, 20].

Využití vodní energie v zemědělství

Vzhledem k tomu, že voda je nezbytná pro naše přežití od počátku věků, lidstvo vždy zakládalo životní prostory v blízkosti vodních ploch. Využívá vodu nejen pro každodenní potřeby, ale také pro dopravu, lov a dokonce i pro výrobu energie. Řeky poskytly první jednoduchý způsob dopravy. Jedním z prvních příkladů vodní dopravy je proudění pořezaných/sbíraných stromů a větví přes vodu. Tato metoda, která je dodnes hojně využívána v lesnických činnostech, vyústila také ve vývoj vorů nebo lodí, prvního způsobu dopravy. To také napomohlo růstu komerčních aktivit [21].

V zemědělství se energie tekoucí vody využívá mechanicky nebo elektricky. Po staletí byla síla vody využívána k výrobě mechanické energie. Mechanická síla umožňuje každodenní činnosti, jako je zemědělské zpracování. Proces mletí obilí, který je základním kamenem zemědělské výroby s vodními mlýny používanými dodnes, je jednou z důležitých aplikací mechanické síly vody v zemědělství [22]. Vodní mlýn je mechanická konstrukce, která využívá vodní kolo nebo turbínu. Tento systém funguje nasměrováním vody z řeky nebo rybníka do vodního kola kanálem nebo potrubím. V závislosti na průtoku vody mohou být vodní kola horizontální nebo vertikální. Horizontální vodní kola jsou jednodušší, ale ke správné funkci vyžadují vysokou rychlost vody [23] .

Nejrozšířenějším obnovitelným zdrojem energie je vodní energie, protože má několik výhod oproti jiným zdrojům, včetně vysoké hustoty energie, nízkých nákladů a spolehlivosti [24]. Dva hlavní typy vodních elektráren jsou ty, které jsou umístěny v nádržích a ty, které se nacházejí podél řek. Vodní elektrárny říčního typu využívají proud řeky k otáčení turbín, které pak vyrábějí elektřinu. Přehrada slouží ke shromažďování a skladování velkého množství vody ve vodních elektrárnách s nádrží [25].

Velikost vodních elektráren se pohybuje od velmi malých po velmi velké. Mikroelektrárny nebo malé vodní elektrárny říčního typu, typicky v rozsahu kW, se používají k výrobě elektřiny ve venkovských oblastech v mnoha zemích. Jak je znázorněno na obrázku 2, tyto systémy fungují na jednoduchém principu: voda z potoků nebo řek protéká turbínou, která otáčí a roztáčí generátor, který vyrábí elektřinu. Pro dosažení spolehlivé výroby energie je zásadní porozumět místním vodním zdrojům a podle toho navrhnout systém [26, 27].

Využívání malých vodních elektráren roste kvůli tomu, jak dobře mohou být začleněny do zemědělského dodavatelského řetězce. Energie produkovaná proudy v zavlažovacích kanálech představuje významnou nevyužitou příležitost s rozvojem těchto systémů. Zavlažovací kanál se tímto způsobem používá ke společnému provozu pro efektivní zavlažovací službu a výrobu energie [28].

Vodní elektrárny vyrábějí elektřinu, která se používá pro osvětlení, vytápění skleníků, zpracování a skladování zemědělských produktů a čerpání vody v zemědělských oblastech. Přehrady jsou také využívány pro chov ryb a přímé zavlažování [29].

Využití bioenergie v zemědělství

Dnes jsou k dispozici dva druhy energie z biomasy: tradiční a současná. Moderní zdroje energie z biomasy, známé také jako biopaliva, zahrnují bionaftu, etanol a bioplyn vyrobený z energetických plodin, energetických lesů a odpadních materiálů. Tradiční energie z biomasy je popisována jako prosté spalování dřeva a živočišných odpadů [20]. Biomasa se na farmách využívá buď přímo pro výrobu elektřiny a tepla, nebo nepřímo jako palivo v kapalné, pevné nebo plynné formě. Více než 30 % energie používané v domácnostech po celém světě na vytápění, vaření a osvětlení pochází z biomasy [30].

S rychlými technologickými inovacemi a rostoucí automatizací se zvyšuje používání paliv na bázi ropy v zemědělských výrobních činnostech, jako je obdělávání půdy, hnojení, postřiky, sklizeň a doprava na trh. To zvyšuje výrobní náklady zemědělských podniků kvůli spotřebě paliva a způsobuje ekologické problémy ve venkovských oblastech. V zemědělských činnostech je zásadní používat biopaliva místo ropných paliv [31].

Bioenergie ze zemědělských a lesnických činností je pro farmy zásadní pro výrobu vlastní energie. Je také zásadní pro boj proti změně klimatu a zajištění bezpečnosti dodávek energie [25, 32].

Předchozí části poskytují podrobné informace o bioenergii a jejích zemědělských aplikacích.

Využití hybridních energetických systémů v zemědělství

Hybridní energetické systémy jsou energetické systémy, které využívají více zdrojů energie. Hybridní energetický systém vyrábí energii kombinací obnovitelných a fosilních zdrojů [33]. Obrázek 3 ukazuje příklad hybridního systému výroby energie. Hybridní energetický systém je plánován se zaměřením spíše na trh než na technologii: prioritou je vybrat nejúčinnější a nejspolehlivější energetické systémy, které splňují potřeby uživatelů [34].

Malý hybridní systém kombinuje několik výhod z jednoho systému. Hybridní systémy jsou systémy, které k dosažení nejlepšího výkonu využívají více než jeden zdroj energie. Je to ideální systém pro místa s letní a zimní potřebou energie, která by neměla být přerušena, nebo kde by měl být podporován stávající systém obnovitelných zdrojů energie. Hybridní energetické systémy mohou využívat stávající energetickou infrastrukturu a zároveň přidávat komponenty, které pomáhají snižovat náklady, dopady na životní prostředí a systémové poruchy [36].

Hybridní energetické systémy poskytují alternativní zdroj energie pro zemědělství. Tyto systémy kombinují jeden nebo více obnovitelných zdrojů energie se skladováním a mohou občas zahrnovat neobnovitelný zdroj energie. Mikroverze těchto systémů, jako je mikro větrná turbína s několika solárními panely, lze použít k napájení venkovských oblastí v zemích s nízkými a středními příjmy. Mohou také pomoci překonat některé problémy spojené s tradičními systémy obnovitelné energie diverzifikací zdroje energie [37] .

Literatura

1. UNDP, Sustainable Agriculture, in The International Guidebook of Environmental Finance Tools, United Nations Development Programme (UNDP). 2012, United Nations

2. EIP-AGRI, Agricultural European Innovation Partnership (EIP-AGRI) Focus Group Enhancing production and use of renewable energy on the farm. 2019: Belgium.

3. 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.

4. Atılgan Türkmen, B., Renewable Energy Applications for Sustainable Agricultural Systems. International Journal of Innovative Approaches in Agricultural Research, 2020. 4(4): p. 497-504.

5. YEGM. Renewable Energy Sources. 2013 [12.05.2023]; Available from: http://www.eie.gov.tr/english/index-e.html.

6. Breeze, P., Chapter 11 - Wind Power, in Power Generation Technologies (Third Edition), P. Breeze, Editor. 2019, Newnes. p. 251-273.

7. Nurbay, N. and A. Çınar, Rüzgar türbinlerinin çeşitleri ve birbirleriyle karşılaştırılması. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, 2005: p. 19-21.

8. Türkmen, B.A., Orta ve Küçük Ölçekli Rüzgar Türbinlerinin Yaşam Döngüsü Boyutunda Sürdürülebilirliği: Literatür Taraması. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 2022. 13(3): p. 393-404.

9. Mahmoud, M., et al., Chapter 3.3 - Applications of wind energy, in Renewable Energy - Volume 1 : Solar, Wind, and Hydropower, A.G. Olabi, Editor. 2023, Academic Press. p. 331-345.

10. Bhatia, S.C., 8 - Wind energy, in Advanced Renewable Energy Systems, S.C. Bhatia, Editor. 2014, Woodhead Publishing India. p. 184-222.

11. Olabi, A.G., et al., Wind Energy Contribution to the Sustainable Development Goals: Case Study on London Array. 2023. 15(5): p. 4641.

12. Acosta-Silva, Y.d.J., et al., Applications of solar and wind renewable energy in agriculture: A review. 2019. 102(2): p. 127-140.

13. Taşkın, O. and A. Vardar, Tarımsal Üretimde Bazı Yenilenebilir Enerji Kaynakları Kullanımı. Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 2016. 30(1): p. 179-184.

14. Karishma, C., Farming the wind and wind power agriculture. Just Agriculture, 2021. 1(7).

15. Aermotorwindmill. How a Windmill Pumps Water?, Genuine Aermotor Windmills. 2004 [08.08.2023]; Available from: https://aermotorwindmill.com/pages/how-a-windmill-works.

16. Soyut Windmill. Rüzgar Su Pompası Nedir? 2023 [08.07.2023]; Available from: http://www.soyutwindmill.com/ruzgar-su-pompasi/nasil-calisir/.

17. TÜBA, Rüzgâr Enerjisi Teknolojileri Raporu, Türkiye Bilimler Akademisi,, İ. Dinçer, Editor. 2019: Ankara.

18. Gürbüz, İ.B., G. Özkan, and Ş. Korkmaz, Rüzgar Enerji Santrallerinin Kırsala Olan Sosyo-Ekonomik Etkileri ve Sosyal Kabulü. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, Ejosat 2021, 2021. 1: p. 223-231.

19. Bıçakçı, E., C. Balabanlı, and E. Acar, Tarım ve Mera Alanlarında Rüzgâr ve Güneş Enerji Sistemleri Kurulması Hakkında Değerlendirmeler. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2023. 13(1): p. 700-712.

20. Karaca, C., Türkiye’de Sürdürülebilir Tarım Politikaları: Tarım Sektöründe Atıl ve Yenilenebilir Enerji Kaynakların Değerlendirilmesi. Tarım Ekonomisi Dergisi, 2013. 19(1): p. 1-19.

21. Shiji, C., S. Dhakal, and C. Ou, Greening small hydropower: A brief review. Energy Strategy Reviews, 2021. 36: p. 100676.

22. Angelakis, A.N., et al., Sustainable and Regenerative Development of Water Mills as an Example of Agricultural Technologies for Small Farms. 2022. 14(10): p. 1621.

23. Liz Bates, S.H., Smail Khennas, Nararya Sastrawinata, Expanding Energy Access in Developing Countries, The Role of Mechanical Power, ed. T.U.N.D.P. (UNDP). 2009, UK: Practical Action Publishing Ltd.

24. IRENA, Hydropower, in Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series. 2022, International Renewable Energy Agency: Germany.

25. Atılgan Türkmen, B., Renewable Energy Applications for Sustainable Agricultural Systems. International Journal of Innovative Approaches in Agricultural Research, 2020. 4(4): p. 497 - 504.

26. EERE. Types of Hydropower Plants, US Department of Energy, Energy Efficiency & Renewable Energy, Water Power Technologies Office. 2023 [28.06.2023]; Available from: https://www.energy.gov/eere/water/types-hydropower-plants.

27. Singal, S.K., et al., Chapter 1 - Introduction to small hydropower, in Small Hydropower, S.K. Singal, et al., Editors. 2023, Elsevier. p. 1-14.

28. Cengiz, K., Sulama kanalları üzerine inşa edilen hidroelektrik santrallerin işletilmesi üzerine bir çalışma. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, Ejosat 2021, 2020(19): p. 138-144.

29. Clement, O., et al., Renewable Energy Usage for Agricultural Practices: A review. 2018 International Conference of The Nigerian Institution of Agricultural Engineers, Lagos, Nigeria. 2018.

30. Saleem, M., Possibility of utilizing agriculture biomass as a renewable and sustainable future energy source. Heliyon, 2022. 8(2): p. e08905.

31. ALMA, H., TÜBA Biyokütle Enerjisi Raporu, in TÜBA Enerji Çalışma Grubu. 2022.

32. TOB, İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ VE TARIM DEĞERLENDİRME RAPORU, T.R.G.M. T.C. Tarım ve Orman Bakanlığı, Tarımsal Çevre ve Doğal Kaynakları Koruma Daire Başkanlığı, Editor. 2021.

33. Ding, J.J. and J.S. Buckeridge, Design considerations for a sustainable hybrid energy system. IPENZ Transactions, 2000. 27(1).

34. Manwell, J., Hybrid energy systems. Encyclopedia of energy, 2004. 3(1): p. 215-229.

35. Agarwal, S., S. Chourasiya, and D. Palwalia. Hybrid Energy Management System design with Renewable Energy Sources (Fuel Cells, PV Cells and Wind Energy): A Review. in APGRES 2017. 2018. Malaysia.

36. Zohuri, B., Hybrid Renewable Energy Systems, in Hybrid Energy Systems, Driving Reliable Renewable Sources of Energy Storage, B. Zohuri, Editor. 2018, Springer. p. 1-38.

37. Buddila, W. The Future of Rural Energy Is Hybrid Renewable Systems. 2021 [12.08.2023]; Available from: https://www.engineeringforchange.org/news/future-rural-energy-hybrid-renewable-systems/.