Aplicații ale energiei regenerabile în agricultură II — Modulul 6

Hrana umană este produsă numai prin agricultură. Agricultura durabilă se concentrează pe necesitatea de a utiliza instrumente și tehnici care să sporească producția de alimente fără a compromite resursele de mediu sau serviciile ecosistemice [1].

Cerințele de energie 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 de energie geotermală, bioenergie, energie solară, energie eoliană și energie solară. Fermierii pot utiliza simultan o varietate de tehnologii. În alte circumstanțe, producția de energie regenerabilă a fermei poate fi injectată în rețelele de gaz sau de electricitate. Atât la nivelul fermei, cât și la nivelul întregului sector agricol, există o gamă largă de opțiuni și de potențial pentru producția și distribuția de energie regenerabilă [2].

Majoritatea echipamentelor agricole funcționează cu combustibili fosili, care produc gaze cu efect de seră și grăbesc schimbările climatice prin eliberarea de gaze cu efect de seră în atmosferă. Prin promovarea utilizării surselor de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară, eoliană, bioenergia, energia hidroelectrică și energia geotermală, astfel de probleme legate de durabilitatea mediului pot fi reduse [3, 4]. Numeroase instalații mici și mijlocii prezintă noi oportunități de cooperare în domeniul producției, vânzării și distribuției de energie regenerabilă. Acestea înlocuiesc combustibilii fosili, promovează creșterea economică în zonele rurale și contribuie la securitatea energetică [2].

Utilizarea energiei eoliene în agricultură

Vântul este un tip de energie solară care este recepționată indirect. Acest tip de energie este alimentat în mod constant de soare și este produs de încălzirea suprafeței pământului de către soare. Încălzirea diferită a suprafeței Pământului provoacă variații ale temperaturii, umidității și presiunii aerului, iar această variație a presiunii determină mișcarea aerului. Caracteristicile vântului variază în timp și spațiu din cauza diferențelor geografice și a încălzirii neomogene a suprafeței terestre [5, 6].

Energia eoliană este în prezent una dintre cele mai importante surse de energie regenerabilă, cu cea mai rapidă dezvoltare în ceea ce privește tehnologia și utilizarea și cu o economie care este competitivă cu sursele de energie convenționale. Energia eoliană este procesul de obținere a energiei mecanice sau electrice prin intermediul turbinelor, prin utilizarea energiei cinetice a aerului deja prezent. Energia eoliană este prietenoasă cu mediul, poate asigura securitatea energetică și reprezintă o alternativă viabilă la energia tradițională bazată pe combustibili fosili [7, 8].

Aplicațiile energiei eoliene în agricultură pot fi împărțite în două categorii. Acestea sunt:

- Domenii de aplicații mecanice (cum ar fi extracția apei și măcinarea) și

- Domenii de aplicații electrice (aplicații în afara rețelei și aplicații conectate la rețea) [9].

Energia eoliană este utilizată pentru a crea energie mecanică de la turbine eoliene, energie electrică de la turbine eoliene sau să scoată apă din fântâni cu ajutorul pompelor eoliene [10]. Se știe că utilizarea energiei eoliene în zonele rurale a început cu morile de vânt. Morile de vânt au fost folosite pentru a extrage apă din fântâni și pentru a măcina cereale încă din Evul Mediu. Energia eoliană este transformată în energie mecanică de către o turbină, care face ca două plăci să se rotească ritmic și ca produsele dintre aceste două plăci să fie măcinate. Morile de vânt au sprijinit mult timp activitățile agricole [11, 12].

Pompele sunt mașini care transformă energia potențială a lichidului în energie cinetică. Pompele acționate de vânt folosesc doar energia eoliană pentru a trage apa. Energia cinetică a fluxului de vânt este convertită în energie mecanică de către arborele turbinei eoliene și este utilizată pentru pomparea apei în zonele agricole și pentru extragerea apei din fântâni, după cum se arată în Figura 1. Cu ajutorul dispozitivului la care este conectată, pistonul pompei instalate pe sursă se mișcă în sus și în jos și evacuează apa în zona dorită de la suprafață. Apa preluată de la sursă este transferată prin furtunuri cu ajutorul diferenței de presiune. Deoarece energia eoliană este o sursă intermitentă, aceasta este utilizată împreună cu sistemele de stocare pentru a satisface cererea de apă în mod continuu [13-15]. Pentru ca sistemul să funcționeze este necesar puțin vânt. În condiții de vânt slab, o pompă eoliană poate extrage în medie 10-15 tone de apă. Utilizatorii pot furniza pompe de diferite dimensiuni în funcție de cerințele lor. Capacitatea variază în funcție de dimensiunea rotorului la care este conectată pompa [16].

Figura 1: Pompă de apă alimentată cu energie eoliană [15].

Energia eoliană este importantă în generarea de energie electrică, iar proporția de energie electrică generată cu ajutorul acestei surse de energie este în continuă creștere [17]. Turbinele eoliene sunt componentele principale ale centralelor eoliene. Deși generarea de energie eoliană este o tehnologie relativ nouă, logica de procesare este identică cu cea a morilor de vânt mai vechi. O turbină eoliană este alcătuită din mai multe componente, inclusiv un generator, un turn, un echipament electric, cutii de viteze, o pală, un corp de elice (rotor) și o fundație. Prin mișcarea de rotație a arborelui rotorului, energia cinetică a vântului este transformată în energie mecanică în rotor și transferată generatorului din corp. Energia generată este stocată în baterii sau transmisă direct către consumatorii de energie electrică [6, 10].

Turbinele eoliene pot fi utilizate atât cu, cât și fără o conexiune la rețeaua electrică. Turbinele eoliene conectate la rețea sunt utilizate de obicei pentru aplicații de mare putere. Turbinele fără rețea sunt utilizate în principal pentru cerințe minore [18, 19].

Energia eoliană este o sursă de energie nepoluantă și fără combustibil. Morile de vânt instalate în fiecare fermă sau unitate de locuit din zonele agricole reduc semnificativ costurile de producție a energiei, iar astfel de sisteme instalate în zone îndepărtate de liniile de transport sunt economice din toate punctele de vedere. În cazul în care aceste sisteme sunt conectate la rețeaua de distribuție a energiei electrice, se pot obține venituri suplimentare prin vânzarea părții de energie electrică produsă în plus față de consum, prin stabilirea temeiului legal necesar. Cel mai semnificativ avantaj al turbinelor eoliene este că nu ocupă mult spațiu datorită proiecției lor mici, ceea ce permite instalarea în zonele agricole [19, 20].

Utilizarea energiei hidroelectrice în agricultură

Deoarece apa a fost esențială pentru supraviețuirea noastră încă de la începutul timpului, omenirea a creat întotdeauna spații de locuit în apropierea corpurilor de apă. Omul a folosit apa nu numai pentru nevoile zilnice, ci și pentru transport, vânătoare și chiar pentru producerea de energie. Râurile au oferit primul mod simplu de transport. Unul dintre primele exemple de transport pe apă este fluxul de copaci și crengi tăiate/colectate peste apă. Această metodă, care este încă utilizată pe scară largă în activitățile forestiere, a dus și la dezvoltarea plutei sau a bărcilor, primul mod de transport. Acest lucru a contribuit, de asemenea, la dezvoltarea activităților comerciale [21].

Figura 2: Centrală hidroelectrică la scară mică [26].

În agricultură, energia apei curgătoare este utilizată în mod mecanic sau electric. Timp de secole, puterea apei a fost folosită pentru a genera energie mecanică. Puterea mecanică permite desfășurarea activităților zilnice, cum ar fi prelucrarea agricolă. Procesul de măcinare a cerealelor, care este piatra de temelie a producției agricole, cu mori de apă folosite și astăzi, este una dintre aplicațiile importante ale puterii mecanice a apei în agricultură [22]. O moară de apă este o structură mecanică care utilizează o roată de apă sau o turbină. Acest sistem funcționează prin direcționarea apei dintr-un râu sau iaz către o roată de apă prin intermediul unui canal sau al unei conducte. În funcție de debitul de apă, roțile de apă pot fi orizontale sau verticale. Roțile de apă orizontale sunt mai simple, dar necesită o viteză mare a apei pentru a funcționa corect [23].

Cea mai utilizată sursă de energie regenerabilă este energia hidroelectrică, deoarece are mai multe avantaje față de alte surse, inclusiv o densitate energetică ridicată, costuri reduse și fiabilitate [24]. Cele două tipuri principale de centrale hidroelectrice sunt cele care sunt amplasate în rezervoare și cele care sunt amplasate de-a lungul râurilor. Centralele hidroelectrice de tip fluvial utilizează curentul râului pentru a roti turbinele, care apoi generează electricitate. În centralele hidroelectrice cu rezervoare se folosește un baraj pentru a aduna și stoca cantități mari de apă [25].

Centralele hidroelectrice au dimensiuni care variază de la foarte mici la foarte mari. Microcentralele hidroelectrice de tip râu sau centralele hidroelectrice mici, de obicei de ordinul kW, sunt utilizate pentru a genera energie electrică în zonele rurale din multe țări. După cum este ilustrat în Figura 2, aceste sisteme funcționează pe baza unui principiu simplu: apa din râuri sau fluvii trece printr-o turbină, care se rotește și învârte un generator, care generează electricitate. Pentru a obține o producție fiabilă de energie, este esențial să se înțeleagă capacitatea resurselor locale de apă și să se proiecteze sistemul în consecință [26, 27].

Utilizarea centralelor hidroelectrice de mici dimensiuni este în creștere datorită modului în care acestea pot fi încorporate în lanțul de aprovizionare agricol. Energia produsă de fluxurile de curent din canalele de irigații reprezintă o oportunitate semnificativă neexploatată odată cu dezvoltarea acestor sisteme. Canalul de irigații este utilizat în acest mod pentru a funcționa împreună pentru un serviciu de irigații eficient și pentru producția de energie [28].

Centralele hidroelectrice generează energie electrică care este utilizată pentru iluminat, încălzirea serelor, prelucrarea și depozitarea produselor agricole și pomparea apei în zonele agricole. Barajele sunt, de asemenea, utilizate pentru piscicultură și irigații directe [29].

Utilizarea energiei bioenergetice în agricultură

Există două tipuri de energie din biomasă disponibile în prezent: tradițională și contemporană. Sursele moderne de energie din biomasă, cunoscute și sub numele de biocombustibili, includ biodieselul, etanolul și biogazul produse din culturi energetice, păduri energetice și deșeuri. Energia din biomasa tradițională este descrisă ca fiind simpla ardere a lemnului și a deșeurilor de origine animală [20]. Biomasa este utilizată în ferme fie direct pentru energie electrică și termică, fie indirect ca și combustibil sub formă lichidă, solidă sau gazoasă. Mai mult de 30% din energia utilizată în gospodăriile din întreaga lume pentru încălzire, gătit și iluminat provine din biomasă [30].

Odată cu inovarea tehnologică rapidă și automatizarea în creștere, s-a intensificat și utilizarea combustibililor pe bază de petrol în activitățile de producție agricolă, cum ar fi cultivarea solului, fertilizarea, pulverizarea, recoltarea și transportul către piață. Acest lucru crește costurile de producție ale întreprinderilor agricole din cauza consumului de combustibil și cauzează probleme de mediu în zonele rurale. Este esențial să se utilizeze în activitățile agricole biocombustibili în locul combustibililor din petrol [31].

Bioenergia provenită din activitățile agricole și forestiere este esențială pentru ca fermele să își genereze propria energie. De asemenea, este esențială pentru combaterea schimbărilor climatice și pentru asigurarea securității aprovizionării cu energie [25, 32].

Secțiunile anterioare oferă informații detaliate despre bioenergie și aplicațiile sale agricole.

Utilizarea sistemelor hibride în agricultură

Sistemele energetice hibride sunt sisteme energetice care utilizează mai multe surse de energie. Un sistem energetic hibrid generează energie prin combinarea surselor regenerabile și a celor fosile [33]. Figura 3 prezintă un exemplu de sistem hibrid de generare a energiei electrice. Un sistem energetic hibrid este planificat cu un accent pe piață mai degrabă decât pe tehnologie: prioritatea este de a selecta cele mai eficiente și mai fiabile sisteme energetice pentru a satisface nevoile utilizatorilor [34].

Un sistem hibrid de mici dimensiuni combină mai multe avantaje ale unui singur sistem. Sistemele hibride sunt cele care utilizează mai mult de o sursă de energie pentru a obține cele mai bune performanțe. Este un sistem ideal pentru locurile cu un necesar de energie ce trebuie menținut constant vara și iarna sau în care sistemul de energie regenerabilă existent trebuie să fie sprijinit. Sistemele energetice hibride pot profita de infrastructura energetică existentă, adăugând în același timp componente care să contribuie la reducerea costurilor, a impactului asupra mediului și a defecțiunilor sistemului [36]. Un sistem hibrid de mici dimensiuni combină mai multe avantaje ale unui singur sistem. Sistemele hibride sunt cele care utilizează mai mult de o sursă de energie pentru a obține cele mai bune performanțe. Este un sistem ideal pentru locurile cu un necesar de energie vara și iarna care nu trebuie întrerupt sau în care sistemul de energie regenerabilă existent trebuie să fie susținut. Sistemele energetice hibride pot profita de infrastructura energetică existentă, adăugând în același timp componente care să contribuie la reducerea costurilor, a impactului asupra mediului și a defecțiunilor sistemului [37].

Figura 3: Exemplu de sistem hibrid de producere a energiei electrice [35].

Sistemele energetice hibride oferă o sursă alternativă de energie pentru agricultură. Aceste sisteme combină una sau mai multe surse de energie regenerabilă cu un sistem de stocare și, uneori, pot include o sursă de energie neregenerabilă. Versiunile micro ale acestor sisteme, cum ar fi o microturbină eoliană cu câteva panouri solare, pot fi utilizate pentru a alimenta zonele rurale din țările cu venituri mici și medii. De asemenea, acestea pot contribui la depășirea unora dintre provocările asociate sistemelor tradiționale de energie regenerabilă prin diversificarea sursei de energie [38].

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. 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., Çınar, A. 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., Özkan, G., Korkmaz, Ş. 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. Bates, L., Khennas, S.H., Sastrawinata, N. 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., Buckeridge, J.S. 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., Chourasiya, S., Palwalia, D. 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. İncitaş. Yenilenebilir Enerjide Hibrit Dönemi. 2023 [15.06.2023]; Available from: https://www.incitas.com.tr/bilgi-merkezi/blog/yenilenebilir-enerjide-hibrit-donemi.

38. 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/.