Aplicații ale energiei regenerabile în agricultură I

Alimentele pentru oameni sunt produse doar prin agricultură. Focusul agriculturii durabile este pe necesitatea de a folosi instrumente și tehnici care să crească producția alimentară fără a compromite resursele sau serviciile ecosistemice [1].

Cerințele energetice pentru încălzire, răcire, tracțiune și alte funcții energetice ale fermei pot fi satisfăcute cu o varietate de tehnologii. Zonele rurale pot produce energie regenerabilă folosind surse geotermale, bioenergie, solare, eoliene și alte surse de energie. Fermierii pot folosi simultan o varietate de tehnologii. În alte circumstanțe, producția de energie regenerabilă a fermei poate fi injectată în rețelele de gaz sau electricitate. Atât la nivel de fermă, cât și în întregul sector agricol, există o gamă largă de opțiuni și potențial pentru producția și distribuția de energie regenerabilă [2].

Majoritatea echipamentelor agricole sunt alimentate de combustibili fosili, care produc gaze cu efect de seră și accelerează schimbările climatice prin eliberarea lor în atmosferă. Promovând utilizarea surselor de energie regenerabilă precum cea solară, eoliană, bioenergie, hidroenergie și geotermală, astfel de probleme de sustenabilitatea mediului pot fi reduse [3, 4]. Numeroasele instalații de dimensiuni mici și medii existente prezint[ noi oportunități de cooperare în producția, vânzarea și distribuția energiei regenerabile. Acestea înlocuiesc combustibilii fosili, promovează creșterea economică în zonele rurale și contribuie la securitatea energetică [2].

Energia regenerabilă pentru agricultură

Aprovizionarea cu energie a sistemelor agricole a fost întotdeauna un aspect crucial al dezvoltării agricole și este esențială pentru garantarea securității alimentare. Pentru multe sarcini în agricultură, inclusiv semănatul, irigarea, recoltarea și pregătirea solului, este necesară energia electrică și mecanică. În plus, sursele de energie fiabile și reglementate sunt necesare pentru pomparea și distribuția apei prin sistemele de irigații [4, 5].

Tehnologia agricolă se schimbă și se dezvoltă rapid. Aceste progrese duc la îmbunătățirea utilajelor și echipamentelor agricole, a facilitățile agricole și clădirilor pentru culturi și animale de fermă [6]. Noile și modernele aplicații ale tehnologiei agricole cresc și mai mult consumul de energie. Pe măsură ce producția agricolă se modernizează, sunt necesare alternative la sursele de energie din combustibili fosili pentru a asigura că sistemele alimentare sunt construite pe baze sigure, ecologic durabile și rezistente. Înlocuirea combustibililor fosili în agricultură cu soluții de energie curate cu emisii reduse de carbon este crucială pentru abordarea nevoilor energetice ale sistemelor alimentare atât în țările dezvoltate, cât și în cele în curs de dezvoltare [7, 8].

Costurile energetice sunt unul dintre cei mai importanți factori care influențează prețurile produselor agricole [9]. Creșterea costurilor energetice ridică direct prețurile combustibililor și ale electricității, precum și costurile indirecte ale hranei, îngrășămintelor și transportului. Practicile de economisire a energiei și utilizarea energiei regenerabile sunt cruciale pentru reducerea costurilor de producție agricolă și asigurarea continuității producției locale [10]. Fermierii pot produce propria lor energie și pot deveni mai autonomi prin utilizarea energiei regenerabile [11].

Deși utilizarea tehnologiilor de energie regenerabilă în agricultură datează din antichitate, adoptarea pe scară largă cu infrastructură tehnologică a avut loc doar în ultimul secol. Energia regenerabilă este folosită în agricultură nu doar pentru generarea electricității, ci și în multe alte direcții, atât direct, cât și indirect [3, 10]. Tabelul de mai jos conține date despre utilizarea surselor de energie regenerabilă în agricultură, iar secțiunile care urmează oferă o descriere detaliată a aplicării tehnologiilor de energie regenerabilă în agricultură.

Tabelul 1: Utilizarea surselor de energie regenerabilă în agricultură [12].

Utilizarea energiei solare în agricultură

Energia solară reprezintă cea mai mare parte a resurselor energetice ale lumii. Doar o cantitate mică din energia solară ajunge la suprafața Pământului. Cu toate acestea, cantitatea modestă de energie solară care ajunge la suprafața Pământului într-o singură oră depășește totalul energiei produse de toate celelalte surse accesibile, inclusiv hidroelectrice, nucleare și combustibili fosili [6].

Tehnologiile de energie solară generează fie energie electrică, fie termică. Panourile fotovoltaice, care sunt în mod tipic alcătuite din celule solare compuse din straturi de siliciu care produc curent electric continuu, pot transforma radiația solară în electricitate. Atunci când este necesar, invertoarele pot converti această energie în curent alternativ pentru utilizarea ei de către aparate electrice comerciale, care sunt în mod tipic alimentate de la rețeaua electrică [5].

Tehnologia panourilor solare, folosită pentru a genera electricitate din energia solară, este relativ nouă. Cu toate acestea, este sectorul cu cea mai rapidă creștere din lume. Persoanele care locuiesc în zone îndepărtate sau care necesită independență de rețeaua electrică sunt deosebit de interesate de aceste instalații. Atunci când este întuneric, electricitatea produsă prin utilizarea luminii zilei pentru producerea electricității necesare într-o casă este, de asemenea, folosită prin stocarea ei în baterii cu unități de stocare [13]. Odată cu creșterea zilnică a prețurilor energiei electrice de la rețea și scăderea prețurilor datorată avansării tehnologice în sistemele fotovoltaice, generarea de electricitate pe baza radiației solare devine tot mai atrăgătoare. Panourile fotovoltaice sunt rentabile pentru a furniza electricitate în locații îndepărtate precum ferme, livezi și alte zone cu activități agricole. În aplicații precum gardul electric, iluminatul câmpului sau casei și pompele de apă pentru adăparea animalelor sau irigarea agricolă, sistemele fotovoltaice pot fi semnificativ mai puțin costisitoare de instalat decât liniile de alimentare de la rețea [3]. Figura 1 prezintă aplicațiile panourilor solare pentru a fi utilizate în agricultură.

Depozitele frigorifice sunt camere speciale izolate fără schimb de aer cu exteriorul, construite pentru a prelungi durata de raft a alimentelor, a reduce pierderile și a prelungi durata de stocare menținând calitatea produselor. Consumul de energie în depozitele frigorifice este ridicat, iar această energie poate fi furnizată prin instalarea de panouri fotovoltaice pe acoperișul depozitului. Energia solară este una dintre cele mai bune soluții pentru funcționarea micilor depozite frigorifice în zonele rurale. Sursa de energie solară poate, de asemenea, să contribuie la reducerea costurilor de operare ale sistemului de depozitare frigorifică [14, 15].

Cea mai proeminentă aplicație recentă a panourilor solare este în sistemele de irigații. Pentru irigații sunt necesare sisteme de pompare. Acest lucru se realizează prin utilizarea sistemelor de pompare electrice. Așa cum este prezentat în Figura 2, sistemele de pompare alimentate de panouri fotovoltaice satisfac o gamă largă de necesități de apă, de la irigații pentru culturi la adăparea animalelor și utilizarea domestică [3]. Panourile solare, conductele de transmisie și bateriile sunt tot ceea ce este necesar pentru a utiliza energia solară în irigații. Producătorii de irigații agricole își propun să irige suprafețe mari prin transmiterea apei sub presiune. Irigarea prin picurare, irigarea prin microaspersiune, irigarea prin aspersiune și irigarea la suprafață pot beneficia toate de energia solară. Irigarea se realizează prin transferul energiei colectate în panoul solar către alte părți prin intermediul unei baterii [10]. Tehnologia de irigații alimentată de energie solară câștigă popularitate în întreaga lume, iar multe țările dezvoltă politici pentru a promova soluțiile de energie regenerabilă, inclusiv energia solară. Irigația solară oferă o soluție pentru frecventele penurii de energie care perturbă aprovizionarea necesară pentru extragerea și distribuția apei de irigații în sectorul agricol [5]. Multe dintre aceste sisteme au și avantajul suplimentar de a stoca apa pentru utilizare atunci când soarele nu strălucește, ceea ce reduce cheltuielile în general, crește simplitatea, elimină necesitatea bateriilor și crește eficiența sistemului [3].

O altă utilizare pentru panourile fotovoltaice este de a alimenta ventilatoare electrice pentru circulația aerului. Fermele moderne de animale pot crește producția prin dublarea sau triplarea acesteia prin găzduirea animalelor în structuri închise. Sistemele fotovoltaice pot furniza electricitate pentru ventilatoarele utilizate pentru circularea aerului în aceste sisteme.

Colectoarele solare sunt un alt tip de aplicație a energiei solare. Aceste sisteme dirijează căldura către o locație centrală. În multe părți ale lumii, sunt utilizate sobe de gătit alimentate de căldura generată [17]. Sistemele care funcționează la o temperatură specifică alcătuiesc sistemele de seră. Prin urmare, controlul temperaturii este factorul cel mai important ce trebuie luat în considerare. Este una dintre regiunile în care sunt utilizate sistemele de energie solară. Când vine vorba de reglarea în mod frecvent a temperaturii, se evidențiază două abordări. Tehnica inițială folosește colectoare solare. Generarea de energie solară este o altă strategie. Sistemul de energie solară generează mai întâi electricitate, care este apoi folosită pentru a încălzi apa, încălzind sera. În aceste sisteme, sunt folosite panouri solare, baterii și invertoare [18,19].

Energia solară nu este folosită doar pentru a genera electricitate în sectorul agricol. A doua cea mai comună utilizare a energiei solare este pentru a genera căldură pentru diverse procese agricole [13]. Aplicațiile în care se utilizează căldură solară includ sistemele de uscare. Există diverse tipuri de uscătoare solare disponibile pentru uscarea produselor agricole. Uscătoarele active și pasive pot fi utilizate în funcție de schema de încălzire. În uscătoarele solare active sunt folosite mijloace externe pentru transferul căldurii solare, cum ar fi pompele și ventilatoarele, pentru a transfera energia solară de la colectorul solar la paturile de uscare ale produsului, în timp ce în uscătoarele pasive căldura circulă în mod natural prin presiunea vântului, flotabilitate sau o combinație a acestora [20].

Sistemele solare de apă caldă sunt disponibile de mult timp. Aceste sisteme includ un colector construit din materiale care absorb eficient căldura de la soare. Apa rece este trimisă prin colector, unde este încălzită și returnată în rezervor. Apa mai rece este colectată de la baza rezervorului și returnată la colectorul solar în timp ce apa caldă urcă în partea de sus a rezervorului. Apa caldă solară poate ajuta la reducerea cantității de energie consumată pentru a încălzi apa în case [8].

Utilizarea energiei geotermale în agricultură

Energia geotermală este energia termică care este transportată la suprafață de ap a fierbinte, abur și gaze care pot conține dizolvate mai multe minerale, săruri diferite și gaze decât apele subterane și apele de suprafață învecinate și care se află deasupra temperaturii medii atmosferice regionale. Energia geotermală este creată de căldură și presiune care s-au acumulat la diferite adâncimi ale crustei pământului. În cea mai mare parte a timpului, această energie provine fie din puțuri forate special în acest scop, fie din apă care ajunge la suprafață prin zone slabe create de fisuri și fracturi care se întind d in adâncime până la suprafața pământului [2 1 ].

Figura 3: Utilizarea în cascada a centralei geotermale [23].

Energia geotermală este frecvent folosită în agricultură pentru a produce electricitate, dar este și o sursă semnificativă pentru încălzirea serelor, bălților de pește, culturilor și cerealelor care trebuie uscate. În timp ce multe dintre utilizările frecvente ale energiei geotermale sunt comparabile cu cele ale altor surse de energie regenerabilă, energia geotermală este mai fiabilă și mai accesibilă deoarece este constantă. Energia geotermală oferă potențialul economic și tehnologic de a permite în viitor realizarea a numeroase produse agricole cu valoare adăugată [22,23]. Un exemplu de utilizare în cascadă a centralelor geotermale într-o fermă este prezentat în Figura 3.

Energia geotermală este cea mai folosită în agricultură la nivel mondial, în special pentru încălzirea serelor. În ceea ce privește operațiunile și întreținerea, sursa de energie geotermală este cea mai potrivită pentru aplicațiile de încălzire a serelor datorită adâncimii reduse și temperaturii scăzute. Acest lucru reduce costul săpăturii și pomparea fluidului [24]. Sistemele de încălzire a serelor alimentate cu energie geotermală sunt evaluate alături de echipamentele utilizate pentru transportul fluidului geotermal de la zona de extracție la zona de utilizare. Termenii tehnici pentru aceste sisteme includ sisteme de încălzire combinate, sisteme de încălzire a aerului folosind ventilatoare și schimbătoare de căldură și sisteme de încălzire amplasate în sol, pe suprafața solului sau pe mese de creștere. Sistemul de încălzire a solului sau a subsolului este cel mai popular sistem de încălzire în aplicațiile de energie geotermală. Cea mai bună soluție este să se sprijine acest sistem cu unul de încălzire a aerului ambiant alimentat la aceeași sursă. Sistemul de încălzire a solului este format din conducte de încălzire îngropate la diferite adâncimi și intervale și prin care circulă fluidul cald. Conductele de încălzire din plastic sunt acum utilizate pe scară largă [25]. Utilizarea resurselor geotermale în locul energiei convenționale economisește aproximativ 80% din costurile de combustibil și 5-8% din costurile totale de exploatare. Alte beneficii ale încălzirii geotermale pentru sere includ aer și apă mai curate, igienă îmbunătățită, o forță de muncă stabilă și capacitatea de a beneficia de scutiri fiscale [23].

Bălțile și iazurile piscicole folosesc, de asemenea, energia geotermală. Aceste facilități necesită o energie semnificativă pentru încălzire. În această utilizare, energia geotermală este utilizată frecvent pentru a încălzi apa în rezervoare, bazine și canale. Pentru a obține temperaturile necesare pentru creșterea peștilor, apa caldă geotermală este utilizată pentru a încălzi apa dulce în schimbătoare de căldură sau este combinată cu apa dulce. Această utilizare a resurselor geotermale este sugerată ca remediu pentru acvacultură în zonele mai reci sau în situații în care încălzirea convențională poate să nu fie economică [26, 27].

În întreaga lume, căldura geotermală este folosită pentru a usca o gamă largă de produse agricole. Energia geotermală este folosită pentru a usca produsele în medii curate și igienice. Temperatura energiei geotermale înainte de uscare și valorile de temperatură necesare pentru aplicația de uscare sunt criterii importante. Căldura pentru uscare poate fi obținută din puțurile geotermale sub formă de apă caldă sau abur, sau din căldura reziduală a unei centrale geotermale [23].

Bibliografie

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. Hans Hartung, L.P., The benefits and risks of solar-powered irrigation - a global overview, Food and Agriculture Organization of the United Nations and Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit. 2018.

6. Ghulam Hasnain, T., Muhammad, A., Umar Sohaib, H. Solar Technology in Agriculture, in Technology in Agriculture, A. Fiaz and S. Muhammad, Editors. 2021, IntechOpen: Rijeka. p. Ch. 20.

7. IRENA and FAO, Renewable energy for agri-food systems – Towards the Sustainable Development Goals and the Paris agreement. https://doi.org/10.4060/cb7433en. 2021: Abu Dhabi and Rome.

8. Flores G, E.D.N., Hoffmann D, Renewable energy in agriculture: A farmer’s guide to technology and feasibility NSW Farmers, First edition. 2015.

9. FAO, Handbook on Agricultural Cost of Production Statistics Guidelines for Data Collection, Compilation and Dissemination, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2016.

10. AgroWell. Use of Renewable Energy Resources in Agriculture. 2022 30.03.2023]; Available from: https://agrowell.com.tr/use-of-renewable-energy-resources-in-agriculture/.

11. Stephen Herbert, M.H., Chickering-Sears, C., Weis, S., Carlevale, J., Campbell-Nelson, K. Renewable Energy Production on Farms. Center for Agriculture, Food, and the Environment, UMass Extension Crops, Dairy, Livestock and Equine Program, 2016.

12. Öztürk, H.H. Tarımda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı. 2006 20.03.2023]; Available from: http://www.emo.org.tr/ekler/85e48a43c7f63ac_ek.pdf.

13. R. Sims, A.F., Puri, M., Bracco, S. Opportunities for Agri-Food Chains to Become Energy-Smart, Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), PAEGC Founding Partners. 2015.

14. Mandal, D., Mondal, S. Solar PV powered on-farm cold storage design software HimSaurya for improving storage quality and reducing wastage of perishable agricultural produce. International Journal of Applied Sciences and Engineering Research, 2017. 6: p. 11-23.

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

16. Chilundo, R., Mahanjane, U., Neves, D. Design and Performance of Photovoltaic Water Pumping Systems: Comprehensive Review towards a Renewable Strategy for Mozambique. Journal of Power and Energy Engineering, 2018. 06: p. 32-63.

17. Troya, Tarımsal Üretimde Yenilenebilir Enerji Kullanımı. Troya Çevre Derneği, 2015.

18. Wang, T., et al., Integration of solar technology to modern greenhouse in China: Current status, challenges and prospect. Renewable Sustainable Energy Reviews, 2017. 70: p. 1178-1188.

19. Gorjian, S., et al., A review on opportunities for implementation of solar energy technologies in agricultural greenhouses. Journal of Cleaner Production, 2021. 285: p. 124807.

20. Gorjian, S., et al., The advent of modern solar-powered electric agricultural machinery: A solution for sustainable farm operations. Journal of Cleaner Production, 2021. 292: p. 126030.

21. EİGM. Jeotermal Enerji, Enerji İşleri Genel Müdürlüğü. 2022 23.03.2023]; Available from: https://enerji.gov.tr/eigm-yenilenebilir-enerji-kaynaklar-jeotermal.

22. Islam, M.T., et al., Trends and prospects of geothermal energy as an alternative source of power: A comprehensive review. 2022: p. e11836.

23. Nguyen, M.V., et al., Uses of geothermal energy in food and agriculture – Opportunities for developing countries. Rome, FAO. 2015.

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

25. Kendirli, B., Cakmak, B. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Sera Isıtmasında Kullanımı. Ankara Üniversitesi Çevre Bilimleri Dergisi, 2010: p. 095-103.

26. Ragnarsson, Á., Geothermal Energy in Aquaculture, Short Course VI on Utilization of Low- and Medium-Enthalpy Geothermal Resources and Financial Aspects of Utilizatio, Santa Tecla, El Salvador. 2014.

27. Boyd, T.L., Lund, J.W. Geothermal heating of greenhouses and aquaculture facilities. in 2006 ASAE Annual Meeting. 2006. American Society of Agricultural and Biological Engineers.