Energetická účinnost v odvětví zemědělství

Zatímco celosvětová poptávka po energii roste, světové fosilní zdroje energie se rychle vyčerpávají. Skleníkové plyny uvolňované do atmosféry v důsledku výroby a spotřeby energie hrají významnou roli při degradaci ekosystému. Pro ekonomiku je zásadní, aby se rozvíjela udržitelným způsobem, pokud dokáže získávat energii, kterou potřebuje, na konzistentním a spolehlivém základě a zároveň je nákladově efektivní a šetrná k životnímu prostředí. Kromě toho je důležité využívat energii efektivně, aby byly splněny energetické potřeby. V tomto ohledu hraje energetická účinnost klíčovou roli, protože ovlivňuje mnoho procesů od produkce zdrojů až po spotřebu zdrojů [1, 2].

Energetická účinnost je proces hledání způsobů, jak spotřebovat méně energie při zachování stejné úrovně výroby a služeb [3]. Energetická účinnost je nejčistším a nejlevnějším „prvním palivem“ pro uspokojení naší rostoucí poptávky po energii. Energetická účinnost je zásadní pro energetickou bezpečnost a řízení zdrojů. Znamená to vyšší produktivitu a zaměstnanost. Znamená to boj proti změně klimatu. Jde o pomoc pro rozvoj venkova. Energetická účinnost je jednou z oblastí, se kterou je třeba zacházet opatrně, a to z důvodu její přímé souvislosti s udržitelností hospodářského růstu a cílů sociálního rozvoje, stejně jako kritické role, kterou hraje při snižování emisí skleníkových plynů [4, 5].

Energetická účinnost

Schopnost konat práci je definována jako energie. Energetická účinnost je definována jako snižování spotřeby energie na jednotku nebo množství produktu bez snížení životní úrovně nebo kvality služeb v budovách, jakož i kvality a kvantity produkce v průmyslových podnicích a zemědělství [3]. Energetická účinnost se v širším kontextu týká všech opatření zvyšujících účinnost, jako je prevence energetických ztrát v systémech využívajících plyn, páru, teplo, světlo, vzduch a elektřinu, obnova a využití různých odpadů nebo snížení energetické náročnosti bez snížení produkce prostřednictvím pokročilé technologie, účinnější zdroje energie, pokročilé procesy a rekuperace energie. Energetická účinnost je klíčovou součástí politik mnoha rozvinutých zemí [6, 7].

Studie energetické účinnosti jsou prováděny s cílem zlepšit nebo, pokud je to možné, zcela eliminovat zbytečné využívání energie identifikací bodů nepotřebné spotřeby energie. Energetická účinnost neznamená snižování nebo omezování poptávky po energii; spíše se to týká snížení množství energie spotřebované na výrobek spíše než míry spotřeby energie [7].

Další kritickou složkou energetické účinnosti je měření nebo výpočet. Bylo vyvinuto mnoho metod měření energetické účinnosti. Ve své nejzákladnější podobě lze energetickou účinnost vypočítat porovnáním výstupu výroby s množstvím energie použité ve výrobním procesu. Například množství energie potřebné k výrobě jednotky produktu lze použít k určení, zda je energie využívána efektivně. Na základě výpočtů lze energetickou účinnost interpretovat nalezením hodnoty mezi 0 % a 100 % [2].

Energetická účinnost v Zemědělství

Energetické vstupy se používají v zemědělství v každé fázi procesu, včetně tvorby a aplikace chemikálií, provozu různých částí zařízení, jako jsou traktory, trakaře, kultivátory atd., vytápění skleníků, budov a stájí pro zvířata a poskytování vody. Energetická účinnost je pro zemědělce zásadním problémem, který nelze ignorovat. Energie, klíčový vstup ve výrobě, se efektivně využívá na nízké úrovni, vyžaduje méně vstupů od zemědělců a zvyšuje zisk realizovaný ve výrobě [8].

Zemědělství zahrnuje používání strojů. Tyto stroje běží na zdroje energie, jako je benzín, nafta a topný olej. Vytápění i těžba vody využívají elektřinu. Pro výrobu agrochemikálií, zemědělské techniky a konstrukcí zemědělství nepřímo využívá také energii. Anorganická dusíkatá hnojiva se vyrábějí za použití značného množství zemního plynu [9].

Různé technologie a zdroje mohou být použity v zemědělských činnostech ke zlepšení energetické účinnosti, zlepšení finanční situace, snížení spotřeby energie a snížení dopadů na životní prostředí. Opatření v oblasti energetické účinnosti, jsou-li správně implementována, mohou zemědělským výrobcům pomoci šetřit energii při zachování produktivity. Účinné politiky, jako je školení a pobídky v oblasti energetické účinnosti, mohou zemědělcům pomoci zlepšit jejich činnost [10] .

Různé technologie a zdroje mohou být použity v zemědělských činnostech ke zlepšení energetické účinnosti, zlepšení ekonomických podmínek, snížení spotřeby energie a snížení dopadů na životní prostředí. V různých částech zemědělského sektoru jsou vyžadovány různé přístupy k hospodaření s energií. Farmy se liší nejen velikostí a finančními možnostmi. Farmy se liší podle geografie a klimatu. Oba tyto fyzikální parametry ovlivňují energetické potřeby farmáře. Studené podnebí například vyžaduje větší spotřebu energie na vytápění, zatímco teplejší klima vyžaduje větší spotřebu energie na klimatizaci a řízení klimatu [11, 12].

Zvyšování energetické účinnosti v zemědělství představuje několik problémů. Rozdíly v geografii, klimatu a struktuře průmyslu, stejně jako nedostatek informací a přístupu ke kapitálu potřebnému k implementaci zvýšení efektivity, to vše jsou překážky. Federální programy zaměřené na odstranění těchto překážek sehrály důležitou roli při řízení trhu směrem k účinnějšímu vybavení a postupům [8].

Aplikace pro energetickou účinnost v zemědělství

Snížení nákladů na energii v zemědělských produktech, stejně jako v jiných odvětvích, je zásadní. Zemědělská vozidla, skleníky, sušárny, budovy, zavlažovací systémy a zemědělské vybavení jsou součástí každodenních operací zemědělských plodin a hospodářských zvířat a mohou mít za následek vysoké náklady na energii [13]. Díky efektivnímu využívání energie je možné snížit náklady na energii bez ztráty kvality nebo účinnosti produktu. Účinné využívání energie v zemědělských činnostech lze zajistit řadou politik a postupů. Efektivnosti v zemědělských podnicích lze dosáhnout úsporami energie i efektivním využíváním přírodních zdrojů [14, 15].

Je důležité mít informace o spotřebě energie. Energetickým auditem se rozumí celá studie sestávající ze sběru informací, měření, vyhodnocování a vykazování pro zvýšení energetické účinnosti. Energetický audit zahrnuje také měření všech energetických toků a využití v rámci podniku s cílem zahrnout celkovou energetickou bilanci, která bude sloužit jako základ pro plány a aplikace energetické účinnosti [16].

Před zvažováním opatření na zvýšení energetické účinnosti v zemědělství je nutné pochopit, kde a jak dochází ke ztrátám energie a také příčiny těchto ztrát. Spotřeba energie v zemědělství zahrnuje přímou i nepřímou spotřebu energie spojenou se všemi typy vstupů používaných k výrobě zemědělských produktů. Určení a zaznamenávání energetických vstupů podniku, stejně jako vypracování nezbytných energetických plánů, jsou zásadní pro energetickou účinnost. Tato čísla jsou založena na průměrné produkci nebo nejlepších odhadech. V důsledku toho jsou identifikována místa s vysokou spotřebou energie a jsou naplánovány vhodné aplikace [17, 18].

Stávající systémy musí být pravidelně udržovány. Například kontrola světel, cívek a ventilátorů, výměna těsnění a údržba kotlů může zlepšit výkon zařízení a snížit potřebu dodatečné práce a nákladů [17, 19].

Následují příklady postupů zemědělské energetické účinnosti.

Vytápění: V závislosti na činnosti může mít vytápění významný dopad na zemědělský podnik a poskytuje významnou příležitost k úsporám energie. Množství energie použité na vytápění je zvláště vysoké při produkci skleníků [20] . Regulace teploty je nezbytná pro snížení množství energie použité pro tento účel. Termostaty by měly být instalovány v oblastech, kde na ně nebude působit chlad ani sluneční záření. Kotle a potrubí by měly být pravidelně servisovány. Mělo by se zabránit tepelným ztrátám v budovách, stodolách a skladovacích konstrukcích [17].

Zemědělská vozidla: Spotřeba motorové nafty u strojů představuje významnou část přímé energie v zemědělství, zejména v zemědělství a v krmivech pro intenzivní chov hospodářských zvířat. V důsledku toho pečlivá údržba a používání zemědělských vozidel výrazně zlepší energetickou účinnost. Pro hospodaření s energií je zásadní snížit množství paliva používaného při zpracování půdy a dalších polních aplikacích. To vyžaduje optimalizaci využití traktorů a nářadí/strojů v polních aplikacích. Polní operace, jako je rozmetání hnojiv a setí, lze kombinovat, aby se snížil počet přejezdů pole [13]. Je důležité vyměnit filtry, vyměnit olej, nahustit pneumatiky, upravit vyvážení, vypočítat požadavek na výkon a určit nejlepší provozní podmínky pro vozidla používaná v terénu. Měl by být monitorován tlak v pneumatikách a spotřeba paliva. Nadměrná hmotnost ve vozidlech by se měla snížit, aby se snížila spotřeba paliva. Je také nutné porozumět jízdním vlastnostem vozidla, aby se maximalizovala efektivita spotřeby paliva [17, 21]. Pokud má farma palivové nádrže, měly by být udržovány v chladu a pravidelně kontrolovány na těsnost, aby se snížilo odpařování paliva. Další aplikace je pro ohřívače. Vyhřívání bloku motoru v zemědělských vozidlech zajišťuje, že je vaše vozidlo připraveno nastartovat za chladného počasí, ale nemusí jet celou noc. Instalace časovače do těchto motorových bloků vám umožní začít zahřívat motor několik hodin předem. Použití ohřívačů pro udržení dobrého chodu motoru v zimě je levnější než použití paliva k zahřátí motoru. Vozidla na volnoběh mohou spotřebovat až 20 % celkové spotřeby paliva, takže stroje by měly být vypnuty, když se nepoužívají [13, 14].

Osvětlení: Hospodářské budovy, skleníky, drůbežárny a chlévy vyžadují osvětlení. Systémy přirozeného osvětlení nespotřebovávají žádnou energii k zajištění osvětlení. Pro přirozené osvětlení se používají průhledné panely, které mohou mít podobu světelných trubic [16]. V oblastech, kde je přirozené světlo nedostatečné, se používají další světelné zdroje. Tradiční světelné zdroje jsou neefektivní a vytvářejí velké množství sálavého tepla. V důsledku toho by měly být upřednostňovány LED žárovky pro energeticky účinné osvětlení, protože spotřebují méně energie a vydrží déle než klasické žárovky, aniž by snížily produktivitu. LED žárovky lze kromě skleníků použít ve stodolách, drůbežárnách, hospodářských budovách [22]. Kromě toho systém automatického řízení osvětlení zajišťuje, že se světla zapínají pouze v případě potřeby, čímž se dosahuje nejúčinnější úrovně osvětlení s co nejmenším počtem světel [17].

Větrání: Větrání představuje odhadem 14 % celkových účtů za energii v průmyslu. Identifikace a implementace vylepšení ventilačního systému může snížit spotřebu energie až o 20 %. Účinné větrání je zásadní pro každou farmu, ale tyto ventilátory mohou spotřebovat hodně energie, zejména v horkém počasí. Pokud je to možné, používejte okna a dveře, které umožňují přirozené větrání. V důsledku toho jsou ventilátory vypnuty nebo běží méně často. Výměna neefektivních větracích ventilátorů za účinnější větrací ventilátory snižuje spotřebu energie a šetří peníze. Bez řádné údržby může být účinnost ventilačních systémů snížena až o 60 %, což má za následek zvýšené provozní náklady a riziko poruchy [17]. Z tohoto důvodu je důležité udržovat lopatky a mřížky ventilátoru čisté. Proudění vzduchu brání látkám, jako je prach, vlákna a další, ulpívat na povrchu. Invertorové motory ventilátorů mohou také těžit z pohonů s proměnnou frekvencí ke zlepšení účinnosti, snížení spotřeby energie a prodloužení životnosti motoru [14, 15].

Zavlažování : Každý zavlažovací systém využívá elektřinu. Systémy pro napájení zvířat a zavlažování mohou být vyrobeny tak, aby spotřebovávaly méně energie. Podle počtu zvířat na farmě je třeba správně izolovat napáječky pro zvířata a odpovídající velikost. Pro závlahu plodin je rozhodující výběr vhodných čerpadel, nízkotlaká závlaha, kapková závlaha a optimalizace distribučního systému. Nízkotlaké trysky pro zavlažování plodin snižují nároky na čerpání bez snížení průtoku vody. Tyto systémy vydrží déle a dodávají vodu levněji. Aplikace postřikovačů v nízké výšce a přesné aplikace v nízké výšce jsou dvě z nejúčinnějších zavlažovacích technik. Tyto procesy spotřebují méně vody a vynakládají méně energie. Je důležité si uvědomit používání nízkoenergetických nebo bezenergetických napáječek pro zvířata, které spotřebují méně energie, udržují vodu čerstvou a zabraňují zamrzání. Elektrická čerpadla nabízejí vyšší spolehlivost, nižší provozní náklady a lepší účinnost při výměně dieselových zavlažovacích čerpadel. Nevýhodou těchto čerpadel je potenciální potřeba třífázového elektrického napájení pro velké motory. K tomuto účelu lze použít rotační fázové měniče, které převádějí jednofázový výkon na třífázový. Zavlažovací systémy mohou být efektivnější s pomocí chytrých senzorů. Mohou měřit vlhkost půdy a určit, kdy zalévat plodiny. Mohou také odhalit nedostatek živin v půdě a určit, kdy hnojit [13, 23].

Sušení: V některých případech sušení plodiny spotřebuje více energie než její pěstování. Pro zajištění suchosti produktu by měl být použit vlhkoměr. Pokud je požadováno mechanické sušení, lze použít přirozený vzduch nebo nízkoteplotní sušící systém [13].

Zlepšení energetické účinnosti na farmě obvykle vyžaduje méně investic než instalace nových systémů výroby energie. Inovace energetické účinnosti v zemědělství musí být vyvinuty a zaváděny do praxe. Rozvoj a implementace integrovaných opatření energetické účinnosti je rovněž rozhodující pro udržitelnost výnosu. Energetická účinnost na farmě a v celém dodavatelském řetězci pomůže zmírnit dopady rostoucích energetických nákladů na teplo, elektřinu, plyn a kapalná paliva [13, 17].

Směrnice Evropské unie o energetické účinnosti

V rámci balíčku „Fit for 55“ EU uzavřela interinstitucionální jednání o vylepšeném právním rámci pro energetickou účinnost a předložila revidovanou směrnici o energetické účinnosti, která byla oficiálně přijata 24. července 2023 [24].

Revidovaná směrnice stanoví cíl snížení konečné spotřeby energie do roku 2030 o 11,7 % pro členské státy EU. Kromě toho si státy EU stanovily za cíl zvýšit průměrnou roční míru úspor energie ze současných 0,8 % na 1,49 % v letech 2024 až 2030. V tomto rámci si klade za cíl zvýšit úspory energie v klíčových odvětvích, jako je stavebnictví, průmysl, zemědělství, a doprava [24]. Zavedením řady opatření na pomoc při prosazování postupů energetické účinnosti tato směrnice odráží vysokou prioritu, kterou EU přikládá energetické účinnosti [24].

Literatura

1. FAO, Energy, agriculture and climate change towards energy-smart agriculture, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2016.

2. Kavaz, İ., Sürdürülebilirlik Politikaları Çerçevesinde Enerji Verimliliği, SİYASET, EKONOMİ VE TOPLUM ARAŞTIRMALARI VAKFI (SETA). 2019: İstanbul.

3. EnVer. Enerji Verimliliği Nedir? 2023 [12.08.2023]; Available from: https://www.enver.org.tr/enerji-verimliligi.

4. IEA, Energy Efficiency, International Energy Agency, Editor. 2023, Energy Information Administration: Paris.

5. Liu, J., et al., Energy Efficiency, Energy Conservation and Determinants in the Agricultural Sector in Emerging Economies. 2021. 11(8): p. 773.

6. YILDIZ, A., S. AKGÜL, and S. GÜVERCİN, Sanayide Enerji Verimliliği ve Uygulamaları. Journal of Advanced Technology Sciences, 2017. 7(1).

7. ETKB, Enerji Verimliliği Eğitim Kitabı, E.v.T.K.B.E.V.v.Ç.D. Başkanlığı, Editor. 2023: Ankara.

8. Levine, A., Energy Efficiency in Agriculture: A Review of the Role of the Federal Government and State and Private Entities An Alliance to Save Energy White Paper. Alliance to Save Energy 2012.

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

10. AgrEE, Energy Saving Measures in Agriculture – Overview on the Basis of the National Reports. Agriculture and Energy Efficiency (AGREE). Project Deliverable 2.3. 2013.

11. Wang, W., et al., Overcoming Barriers to Agriculture Green Technology Diffusion through Stakeholders in China: A Social Network Analysis. Int J Environ Res Public Health, 2020. 17(19).

12. Pereira, F., N.S. Caetano, and C. Felgueiras, Increasing energy efficiency with a smart farm—An economic evaluation. Energy Reports, 2022. 8: p. 454-461.

13. Stephen Herbert, M.H., Carrie Chickering-Sears, Sarah Weis, Jacqui Carlevale, Katie Campbell-Nelson, Fact Sheet: Energy Conservation and Efficiency. University of Massachusetts Amherst, Center for Agriculture, Food, and the Environment, Extension Crops, Dairy, Livestock, Equine, 2021.

14. Susser, J. Energy Efficiency Opportunities in Agriculture. Advanced Energy 2018 [14.08.2023]; Available from: https://www.advancedenergy.org/2018/09/14/energyefficiencyagriculture/.

15. Beyaz, A., et al., Tarımsal Üretimde Enerji Verimliliğinin Planlanması ve Sağlanması, in 8. Enerji Verimliliği Forumu ve Fuarı 2017: Türkiye.

16. Can, O., Kullanici Tarafi Enerji Verimliliği ve Yönetimi Hizmetleri: Hasat 2 Projesi İP-4 Raporu. 2023.

17. Carbon Trust, Energy efficiency in agriculture: Sector guide. 2019: UK.

18. Snow, S., C. Clerc, and N. Horrocks, Energy audits and eco-feedback: Exploring the barriers and facilitators of agricultural energy efficiency improvements on Australian farms. Energy Research & Social Science, 2021. 80: p. 102225.

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

20. Iddio, E., et al., Energy efficient operation and modeling for greenhouses: A literature review. 2020. 117: p. 109480.

21. Mutlu, N., Tarımsal Üretim İçin Entegre Kaynak Verimliliği. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, Ejosat 2021, 2020. 20: p. 293-298, DOI: 10.31590/ejosat.782364.

22. Singh, D., et al., LEDs for energy efficient greenhouse lighting. 2015. 49: p. 139-147.

23. Iliev, I., et al., Energy Efficiency and Energy Management Handbook. Bulgaria Energy Efficiency for Competitive Industry Financing Facility (BEECIFF): Project Preparation, Capacity Building and Implementation Support, ed. I.K. Iliev. 2012.

24. EU, Energy Efficiency Directive, D.-G.f. Energy, Editor. 2023: Brussels.