Managementul energetic în producția agricolă

În timp ce cererea globală de energie continuă să crească, resursele mondiale de energie fosilă se epuizează rapid. Drept urmare, unul dintre cele mai importante obiective a devenit utilizarea eficientă a energiei. În conformitate cu acest obiectiv, este esențial să se implementeze un sistem de management al energiei prin organizarea unui program energetic cu cea mai mare eficiență posibilă. Acest sistem include activități care vizează îmbunătățirea continuă a performanței energetice, cum ar fi eficiența energetică, studiile de audit energetic și activitățile care necesită un studiu detaliat [1].

Având în vedere dependența sectorului agricol de sectorul energetic, precum și costurile în creștere și consecințele negative ale utilizării combustibililor fosili, managementul energiei în acest sector este crucial. Fermierii își pot crește veniturile și pot avea un impact pozitiv asupra mediului printr-o mai bună înțelegere a consumului de energie în fermă și aplicând cele mai bune practici pentru gestionarea energiei în fermă [2, 3].

Probleme legate de utilizarea energiei în agricultură

Pe măsură ce populația lumii continuă să crească într-un ritm alarmant, cererea pentru o agricultură modernă și capacitatea de a hrăni un număr mare de oameni crește zilnic. Odată cu creșterea consumului de alimente, necesarul de energie al sectorului agricol crește și el [4].

Energia este un element vital în producția agricolă. Pe lângă puterea umană și animală, sectorul agricol folosește energie în clădiri (iluminat, răcire/încălzire), operațiuni agricole (unelte și mașini pentru pregătirea terenului, irigare, semănat, fertilizare, recoltare și transport) și activități comerciale (transport, construcții și operarea facilităților). Energia este necesară în industria agricolă pentru a pompa apă pentru irigare, pentru a opera mașini agricole în diverse operațiuni agricole în timpul fazei de creștere, cum ar fi semănatul, plivitul, fertilizarea, stropirea și recoltarea, pentru a transporta recoltele, pentru a răci și usca sau procesa produsele [5].

Cantitatea de energie utilizată în producția agricolă variază semnificativ în funcție de nivelul de dezvoltare, tipul de activitate, practicile de producție utilizate, locația zonei de producție și factorii de mediu precum solul și clima [6]. Din cauza facilităților inadecvate, accesului limitat la tehnologiile moderne și a unei mari dependențe de munca manuală, țările în curs de dezvoltare se confruntă frecvent cu restricții energetice mai severe. Pe de altă parte, țările dezvoltate încearcă să optimizeze utilizarea energiei, să reducă emisiile și să includă opțiuni de energie regenerabilă. Pentru a atinge alternative de energie regenerabilă fiabile și acceptabile din punct de vedere ecologic, sectorul energetic trebuie să treacă printr-o tranziție completă care include utilizarea surselor de energie regenerabilă. Infrastructura rurală slabă, utilizarea limitată a biomasei, dependența mare de combustibilii fosili, dependența de energie pentru irigare și accesul limitat la energie modernă sunt câteva dintre principalele tipuri de probleme și provocări energetice în agricultură [5].

Utilizarea energiei în agricultură este crucială pentru modernizarea practicilor agricole și creșterea productivității [7]. Creșterea productivității agricole care poate fi realizată prin utilizarea producției moderne de energie nu poate fi realizată din cauza utilizării insuficiente a energiei electrice și mecanice în agricultură [8].

Toată producția agricolă trebuie să fie sustenabilă din punct de vedere economic pentru a asigura securitatea alimentară pe termen lung. Fiind unul dintre cele mai importante inputuri agricole, energia este esențială pentru a asigura securitatea alimentară. Eforturile de susținere a rolului esențial al energiei trebuie să fie coordonate cu eforturile de reducere a foamei, avansarea dezvoltării rurale și îmbunătățirea securității alimentare. Aceste eforturi nu ar trebui privite ca un scop în sine, ci mai degrabă ca o componentă importantă a unui proiect mai amplu. Necesarul și producția de alimente sunt frecvent împiedicate de calitatea scăzută și cantitățile limitate de energie disponibilă [9, 10].

Deoarece agricultura are, de asemenea, un impact negativ asupra schimbărilor climatice, preocupările legate de aceasta au crescut interesul pentru eficiența energetică și utilizarea energiei în agricultură. Majoritatea energiei utilizate în activitățile agricole provine din combustibili fosili, care sunt utilizați în aproape toate activitățile. Acest lucru este rezultatul diferitelor tipuri de echipamente agricole folosite, emisiilor de metan legate de creșterea animalelor, emisiilor de gaze cu efect de seră legate de ferme și multe altele [11, 12].

Importanța problemei energetice este subliniată de necesitatea de a utiliza eficient resursele naturale limitate, de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră, de a reduce costurile energetice și de a crește competitivitatea sectorului agroalimentar [13]. Este crucial să se găsească alternative sustenabile și regenerabile pentru fiecare dintre acești factori, chiar dacă există mulți factori direcți și indirecți de energie care determină cât de multă energie este consumată în total în agricultură [14].

Nexusul energie-agricultură va necesita, fără îndoială, eforturi semnificative pentru a avansa. Aspectele tehnologice, de mediu și sociale trebuie să fie dezvoltate și evaluate în continuare [9]. Reducerea costurilor inputurilor și a încărcării rețelei prin utilizarea tehnicilor eficiente de management al energiei și utilizarea energiei regenerabile în agricultură vor ajuta la abordarea problemelor legate de securitatea alimentară [5].

Managementul energetic

Termenul "management energetic" se referă la procesele de măsurare, monitorizare, planificare și implementare, procese utilizate pentru a asigura cea mai bună folosire posibilă atât a resurselor, cât și a energiei produse. Procesul sistematic de management energetic maximizează economiile de energie, în timp ce îmbunătățește continuu performanța energetică [15, 16].

Managementul energetic implică utilizarea și aplicarea tehnologiei în planificarea și operarea atât a producției, cât și a consumului de energie pentru a asigura o aprovizionare și o utilizare optimă a energiei. Obiectivele principale ale managementului energetic sunt conservarea resurselor, economisirea bugetului și prevenirea schimbărilor climatice, precum și asigurarea accesului ușor și continuu la energie pentru toți [17].

Eficiența energetică și utilizarea optimă sunt critice pentru atingerea creșterii durabile, la fel ca multe alte aspecte, cum ar fi reglementarea investițiilor și adoptarea tehnologiilor adecvate. Reducerea costurilor și a risipei energetice fără a afecta producția sau calitatea, realizate cu un impact minim asupra mediului, reprezintă un factor de bază pentru dezvoltarea durabilă în managementul energetic. Aceasta include reducerea consumului de energie prin implementarea tehnicilor eficiente din punct de vedere energetic, precum și determinarea tipului adecvat de energie și a tarifelor energetice corespunzătoare pentru unitatea relevantă, cum ar fi o centrală electrică, o fabrică, o clădire sau fermă agricolă [17, 18].

Auditul energetic este o activitate esențială în managementul energetic. Este o tehnică sistematică care are ca scop echilibrarea totală a intrărilor de energie cu utilizarea totală a energiei, precum și identificarea tuturor fluxurilor de energie și justificarea utilizării energiei pe baza funcțiilor sale specifice. Scopul final este de a crește eficiența energetică, ceea ce va reduce costurile energetice pe termen lung, conducând la o dezvoltare economică mai sustenabilă. În plus, creșterea eficienței energetice ar asigura securitatea energetică, precum și protecția mediului [17, 19].

Energia este unul dintre cele mai importante inputuri agricole. De la procesele agricole până la executarea diverselor operațiuni economice, energia este o componentă esențială pentru satisfacerea nevoilor fundamentale ale oamenilor. Pentru a hrăni populația în creștere a lumii și pentru a satisface alte obiective sociale și economice, producția agricolă, procesarea și distribuția necesită o cantitate considerabilă de energie. Deoarece randamentele culturilor și aprovizionarea cu alimente sunt inextricabil legate de energie, controlul consumului de energie în agricultură este esențial [11, 20].

Pentru a atinge obiectivele agriculturii durabile, este crucial să se adopte și să se mențină un echilibru între economie și cererea de energie. Națiunile mai puțin dezvoltate ale lumii încearcă să găsească modalități de a satisface cerințele crescânde pentru alimente, apă curată și surse alternative de energie, în timp ce combat schimbările climatice [21]. Datorită creșterii rapide a populației, dezvoltării economice și tehnologice, urbanizării și schimbărilor climatice, consumul de energie crește rapid. Această creștere a consumului de energie este de așteptat să ducă la creșterea prețurilor electricității, ceea ce ar avea un impact direct asupra sectorului agricol din cauza cererii mari de energie pentru diverse activități agricole. Prețurile alimentelor vor crește ca urmare a costurilor ridicate ale inputurilor necesare pentru a produce alimente din agricultură, conducând la foamete și sărăcie și punând în pericol securitatea alimentară, în special în țările în curs de dezvoltare. Strategiile îmbunătățite de management al energiei pot ajuta la abordarea intensificării utilizării energiei și a costurilor ridicate ale inputurilor în agricultură [5, 22].

Agricultura necesită energie pentru a-și desfășura activitățile, dar poate fi utilizată și pentru a produce energie, ceea ce face ca managementul energiei să fie o problemă crucială, având în vedere importanța strategică a sectorului agricol. Drept urmare, optimizarea consumului, producției și eficienței fac parte din managementul energiei în industria agricolă [23].

Obiectivele principale ale managementului energiei în producția agricolă sunt următoarele [11]:

• Asigurarea și menținerea unei aprovizionări și utilizări optime a energiei pe tot parcursul ciclului de viață al produsului,

• Reducerea costurilor și a risipei de energie menținând în același timp producția și calitatea,

• Minimizarea impactului asupra mediului.

Costurile în creștere ale energiei în sectorul agricol forțează fermierii să reducă costurile prin creșterea eficienței energetice și utilizarea surselor de energie regenerabilă. În general, costurile mai mari ale inputurilor legate de energie cresc costul total al producerii bunurilor agricole, ceea ce scade venitul fermierilor [24]. Figura 1 prezintă o piramidă energetică pentru aplicații agricole. Această piramidă este un instrument de luare a deciziilor care poate fi utilizat într-o varietate de contexte legate de energie, inclusiv în agricultură. Pe măsură ce se trece de la activitățile de evaluare a energiei la proiectele de energie alternativă sau regenerabilă, costul și complexitatea acestui instrument cresc [11].

Figura 1: Piramida managementului energetic pentru activitățile agricole [24]

Piramida energetică începe cu o evaluare energetică în ferma agricolă. Înainte de a implementa măsuri concrete, evaluarea energetică permite evaluarea consumului și nevoilor de energie. Consumul de energie în fermă poate fi controlat folosind sisteme de monitorizare a energiei, stabilirea de obiective și sisteme de audit energetic. Monitorizarea energiei se realizează prin înregistrarea regulată a datelor privind performanța energetică de la o parte a sistemului la toate părțile. După monitorizare, datele trebuie analizate și efectuat un audit energetic. Auditul energetic include activități pentru determinarea măsurilor ce pot fi luate pentru a atinge o eficiență mai mare cu mai puțină energie în sistemul de utilizare a energiei. Datorită lipsei de forță de muncă, energia este resursa cea mai fiabilă pentru producția agricolă, iar analizarea energiei necesare pentru fiecare proces reprezintă un instrument important.

În continuare, trebuie implementate practici simple de conservare, urmate de practici de eficiență energetică. Eficiența energetică este adesea confundată cu conservarea energiei. Conservarea energiei presupune utilizarea scăzută de energie prin schimbarea comportamentului sau obiceiurilor. Într-o fermă, de exemplu, energia este economisită prin stingerea luminilor inutile. Eficiența energetică înseamnă folosirea unei cantități mai mici de energie pentru a realiza aceeași sarcină. Eficiența energetică este demonstrată prin înlocuirea becurilor incandescente cu becuri LED în fermă. Preocuparea conservării energiei este limitarea utilizării, în timp ce preocuparea eficienței energetice este utilizarea mai eficientă a energiei [25, 26]. Economisirile și îmbunătățirile de eficiență au numeroase avantaje în sine. Oportunitățile de creștere a productivității agricole prin implementarea unor tehnici și practici inovatoare trebuie identificate pentru fiecare cultură și ecologie. Agricultura organică, o mai bună gestionare a solului și a apei, gestionarea integrată a dăunătorilor și fertilizarea culturilor sunt doar câteva dintre strategiile și practicile care pot ajuta sectorul agricol să avanseze către o mai mare eficiență energetică și durabilitate [27].

Ultimul pas este investirea în energie regenerabilă și folosirea acesteia. În timp ce măsurile de eficiență energetică sunt adesea cea mai rapidă și ieftină modalitate de a reduce costurile energetice ale fermei, este de asemenea crucial să se ia în considerare sistemele de generare a energiei regenerabile pentru a produce energie pentru multe dintre activitățile agricole. Utilizarea surselor de energie regenerabilă în activitățile agricole va duce la o utilizare îmbunătățită a energiei, la securitate alimentară și la schimbări în mediul înconjurător, toate acestea fiind beneficii pentru obiectivele ecologice ale agriculturii [5].

Monitorizarea performanței energiei utilizate în activitățile agricole prin adoptarea unui sistem de gestionare a energiei în sectorul agricol poate promova o eficiență mai mare și o utilizare mai bună a capacității, reducerea risipei de resurse și a poluării, precum și costuri mai scăzute de operare și întreținere. Ca rezultat, prețurile energiei și ale produselor pot fi reduse în timp ce crește valoarea, conducând la o creștere economică stabilă. O creștere economică neîntreruptă combinată cu conservarea mediului asigură baza pentru dezvoltarea sigură și durabilă a societății umane [3,17].

Bibliografie

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

2. Barragán-Ocaña, A., Merritt, H., González-Pacheco, M.A. 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., Abdullah, A.J.I.B.R. 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., Azlina, A. 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. Swaminathan, C., 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., Silecchia, M. Energy Use in U.S. Agriculture: An Overview 2020, Institute for Energy and the Environment, : Vermont Law School.

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

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

17. Islam, M.M., Hasanuzzaman, M. 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., Olszewski, P.J.J.o.c.p. Energy audits in industrial processes. 2017. 142: p. 3437-3453.

20. Devasenapathy, P., Senthilkumar, G., Shanmugam, P.J.I.J.o.A. 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. 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.