Uporaba obnovljivih virov energije v kmetijstvu – 2

Hrana za ljudi se proizvaja le s kmetijstvom. Trajnostno kmetijstvo se osredotoča na nujnost uporabe orodij in tehnik, ki povečujejo proizvodnjo hrane brez ogrožanja okoljskih virov ali ekosistemskih storitev [1].

Energetske potrebe ogrevanja, hlajenja, vleke in druge energetske funkcije kmetije je mogoče zadovoljiti z različnimi tehnologijami. Podeželska območja lahko proizvajajo obnovljivo energijo z uporabo geotermalnih, bioenergetskih, sončnih in vetrnih virov energije. Kmetje lahko hkrati uporabljajo različne tehnologije. V drugih okoliščinah se lahko energija iz obnovljivih virov, ki se proizvede na kmetiji, vključi v plinsko ali električno omrežje. Na ravni kmetij in v celotnem kmetijskem sektorju obstajajo številne možnosti in potenciali za proizvodnjo in distribucijo energije iz obnovljivih virov [2].

Večino kmetijske opreme poganjajo fosilna goriva, ki proizvajajo toplogredne pline in z izpusti v ozračje pospešujejo podnebne spremembe. S spodbujanjem uporabe obnovljivih virov energije, kot so sončna, vetrna, bioenergija, hidroenergija in geotermalna energija, se lahko takšne posledice za okoljsko trajnost zmanjšajo [3, 4]. Nove priložnosti za sodelovanje pri proizvodnji, prodaji in distribuciji energije iz obnovljivih virov ponuja številna mala in srednje velika oprema. Nadomešča fosilna goriva, spodbuja gospodarsko rast na podeželju in prispeva k energetski varnosti [2].

Uporaba vetrne energije v kmetijstvu

Veter je vrsta sončne energije, ki se pridobiva posredno. To vrsto energije nenehno dopolnjuje sonce. Neprestano nastaja, ko sonce segreva zemeljsko površino. Neenakomerno segrevanje zemeljskega površja povzroča razlike v temperaturi, vlažnosti in tlaku zraka. Te razlike v tlaku povzročajo gibanje zraka. Lastnosti vetra se spreminjajo v času in prostoru zaradi geografskih razlik in nehomogenega segrevanja zemeljskega površja [5, 6].

Vetrna energija je danes eden najpomembnejših obnovljivih virov energije. Področje vetrne energije izkuša najhitrejši razvoj tehnologije in uporabe, prav tako pa ima ekonomski profil, ki je konkurenčen konvencionalnim virom energije. Vetrna energija je postopek pridobivanja mehanske ali električne energije s pomočjo turbin, ki izkoriščajo kinetično energijo zraka. Vetrna energija je okolju prijazna, zagotavlja energetsko varnost in je primerna alternativa tradicionalni energiji, ki temelji na fosilnih gorivih [7, 8].

Uporabo vetrne energije v kmetijstvu lahko razdelimo v dve kategoriji. To sta:

• Področja mehanske uporabe (črpanje vode in mletje) in

• področja uporabe električne energije (uporaba zunaj omrežja (off-grid) in uporaba v omrežju (grid-connected)) [9].

Vetrna energija se uporablja za pridobivanje mehanske ali električne energije iz vetrnih turbin ali vode iz vodnjakov s pomočjo vetrnih črpalk [10]. Uporaba vetrne energije na podeželju se je začela z mlini na veter. Mlini na veter se že od srednjega veka uporabljajo za črpanje vode iz vodnjakov in mletje žita. Turbina pretvori vetrno energijo v mehansko, kar povzroči ritmično vrtenje dveh plošč in mletje izdelkov med tema dvema ploščama. Mlini na veter že dolgo omogočajo različne kmetijske dejavnosti [11, 12].

Črpalke so stroji, ki pretvorijo potencialno energijo tekočine (liquid potential energy) v kinetično energijo. Črpalke na vetrni pogon uporabljajo vetrno energijo le za črpanje vode. Gred vetrne turbine pretvori kinetično energijo vetrnega toka v mehansko energijo, ki se uporablja za črpanje vode na kmetijskih območjih in črpanje vode iz vodnjakov, kot je prikazano v Figure 1. Bat črpalke, nameščene na viru, se s pomočjo naprave, na katero je priključen, premika navzgor in navzdol. S tem odvaja vodo na želeno območje na površini. Voda iz vira se s zaradi tlačne razlike odvaja po ceveh. Ker je vetrna energija nestalen vir (intermittent source), se za zadovoljevanje neprekinjenih potreb po vodi uporablja skupaj s sistemi za shranjevanje [13-15]. Sistem za delovanje potrebuje le majhno količino vetra. Ob vetriču lahko vetrna črpalka črpa povprečno 10–15 ton vode. Uporabniki lahko glede na svoje potrebe dobavijo črpalke različnih velikosti. Zmogljivost je odvisna od velikosti rotorja, na katerega je črpalka priključena [16].

Vetrna energija je pomembna pri proizvodnji električne energije. Delež električne energije, proizvedene s tem virom energije, se vztrajno povečuje [17]. Vetrne turbine so glavni sestavni deli vetrnih elektrarn. Čeprav je proizvodnja vetrne energije razmeroma nova tehnologija, je splošna logika enaka kot pri mlinih na veter. Vetrno turbino sestavlja več sestavnih delov, kot so generator, stolp, električna oprema, menjalniki, propelerska lopatica ali krak, in telo (rotor). Vse to stoji na temeljih, ki so prav tako del vetrne turbine. Z vrtenjem rotorske gredi se kinetična energija vetra v rotorju pretvori v mehansko energijo in se prenese na generator. Energija, ki jo proizvede generator, se hrani v baterijah ali neposredno prenaša do sprejemnikov električne energije (electricity receivers) [6, 10].

Vetrne turbine se lahko uporabljajo posamično ali skupaj z električnim omrežjem. Vetrne turbine v omrežju se običajno uporabljajo za dela, za katera so potrebni sistemi z visoko napetostjo. Tribune zunaj omrežja se običajno uporabljajo za manj zahtevne storitve [18, 19].

Vetrna energija je vir energije, ki ne onesnažuje okolja in ne potrebuje goriva. Mlini na veter, nameščeni na vsaki kmetiji ali naseljih na kmetijskih območjih, znatno zmanjšajo stroške proizvodnje energije. Takšni sistemi, nameščeni na območjih, oddaljenih od daljnovodov, so gospodarni v vseh pogledih. Če so ti sistemi priključeni na distribucijska omrežja, je mogoče s prodajo presežka proizvedene električne energije in pravno podlago pridobiti dodatne dohodke. Najpomembnejša prednost vetrnih turbin je, da ne zavzemajo veliko prostora, zato jih je mogoče namestiti na kmetijskih območjih [19, 20].

Uporaba hidroenergije v kmetijstvu

Ker je voda bistvenega pomena za naše preživetje, se je prebivalstvo vedno naseljevalo v bližini vodnih teles. Ljudje niso uporabljali vode le za vsakodnevne potrebe, temveč tudi za prevoz, lov in celo za pridobivanje energije. Prvo preprosto prevozno sredstvo so bile reke. Eden prvih primerov vodnega prometa je pretok posekanih ali podrtih dreves in vej po vodi. Ta metoda, ki se še vedno pogosto uporablja v gozdarstvu, je omogočila razvoj splavov in čolnov, prvega prevoznega sredstva. To je pripomoglo tudi k rasti komercialnih dejavnosti [21].

V kmetijstvu se energija tekoče vode uporablja mehansko ali električno. Moč vode se že stoletja uporablja za pridobivanje mehanske energije. Mehanska energija omogoča dejavnosti, kot na primer kmetijska predelava. Postopek mletja zrnja, temelj kmetijske proizvodnje z vodnimi mlini, ki se uporabljajo še danes, je ena od pomembnih načinov uporabe mehanske energije vode v kmetijstvu [22]. Vodni mlin je mehanska naprava z vodnim kolesom ali turbino. Ta sistem deluje tako, da se voda iz reke ali ribnika prek kanala ali cevi usmeri v vodno kolo. Vodna kolesa so lahko vodoravna ali navpična, odvisno od pretoka vode. Vodoravna vodna kolesa so preprostejša, vendar je za njihovo pravilno delovanje potrebna hitra voda [23].

Najbolj razširjen obnovljiv vir energije je vodna energija, saj ima v primerjavi z drugimi viri več prednosti, kot so visoka gostota energije, nizki stroški in zanesljivost [24]. Dve glavni vrsti hidroelektrarn sta hidroelektrarne z rezervoarji in hidroelektrarne ob rekah. Rečne hidroelektrarne za vrtenje turbin uporabljajo rečni tok, kar proizvaja električno energijo. V hidroelektrarnah z rezervoarji se jez uporablja za zbiranje in shranjevanje velikih količin vode [25].

Hidroelektrarne so različnih velikosti, od zelo majhnih do zelo velikih. Rečne mikro- ali male hidroelektrarne, običajno v obsegu kW, se v številnih državah uporabljajo za proizvodnjo električne energije na podeželju. Kot prikazano na Figure 2, ti sistemi delujejo po preprostem načelu: voda iz potokov ali rek teče skozi turbino, ki se vrti. Z vrtenjem obrača generator, ta pa proizvaja električno energijo. Za zanesljivo proizvodnjo energije je treba poznati lokalne vodne vire in jim sistem prilagoditi [26, 27].

Število malih hidroelektrarn narašča, saj jih je preprosto vključiti v že obstoječo kmetijsko dobavno verigo. Energija, ki jo proizvajajo tokovi v namakalnih kanalih, predstavlja veliko neizkoriščeno priložnost za razvoj teh sistemov. Namakalni kanal tako deluje za učinkovito namakanje in proizvodnjo energije [28].

Hidroelektrarne proizvajajo električno energijo, ki se uporablja za razsvetljavo, ogrevanje rastlinjakov, predelavo, skladiščenje kmetijskih proizvodov in črpanje vode na kmetijskih območjih. Jezovi se uporabljajo tudi za ribogojstvo in neposredno namakanje [29].

Uporaba bioenergije v kmetijstvu

Danes sta na voljo dve vrsti energije biomase: tradicionalna in sodobna. Sodobni viri energije biomase, imenovane tudi biogorivo, so biodizel, etanol in bioplin. Proizvajajo jih energetske rastline, energetski gozdovi in odpadki. Tradicionalna energija biomase je v osnovi zgorevanje lesa in živalskih odpadkov [20]. Biomasa se na kmetijah uporablja neposredno za proizvodnjo elektrike in toplote ali posredno kot tekoče, trdno ali plinasto gorivo. Več kot 30 % energije, ki jo gospodinjstva po vsem svetu porabijo za ogrevanje, kuhanje in razsvetljavo, je pridobljene iz biomase [30].

S hitrim razvojem tehnologije in vse večjo avtomatizacijo se pri dejavnostih kmetijske proizvodnje, kot so obdelava tal, gnojenje, škropljenje, žetev in prevoz pridelka, uporablja vse več naftnih goriv. To povečuje proizvodne stroške kmetijskih podjetij, na podeželju pa povzroča okoljske težave. V kmetijskih dejavnostih je treba namesto naftnih goriv nujno uporabljati biogoriva [31].

Bioenergija iz kmetijskih in gozdarskih dejavnosti je nujno potrebna za kmetije, ki si želijo proizvajati lastno energijo. Prav tako je ključnega pomena za boj proti podnebnim spremembam in zagotavljanje zanesljive oskrbe z energijo [25, 32].

V prejšnjih razdelkih so navedene podrobne informacije o bioenergiji in uporabi bioenergije v kmetijstvu.

Uporaba hibridnih energetskih sistemov v kmetijstvu

Hibridni energetski sistemi so energetski sistemi, ki uporabljajo več virov energije. Hibridni energetski sistem proizvaja energijo tako, da združi obnovljive in fosilne vire [33]. Figure 3 prikazuje primer hibridnega sistema za proizvodnjo energije. Hibridni energetski sistem se načrtuje z osredotočenostjo na trg in ne na tehnologijo. Glavna naloga je izbrati najučinkovitejše in najzanesljivejše energetske sisteme, ki bodo zadovoljili potrebe uporabnikov [34].

Majhen hibridni sistem združuje več prednosti enega samega sistema. Hibridni sistemi so sistemi, ki uporabljajo več kot en vir energije in tako dosežejo najboljšo učinkovitost. So idealni sistemi za kraje s poletnimi in zimskimi potrebami po neprekinjenem napajanju ali za kraje, kjer je treba podpreti obstoječi sistem za napajanje z obnovljivimi viri energije. Hibridni energetski sistemi lahko izkoristijo prednosti obstoječe energetske infrastrukture, hkrati pa dodajo komponente, ki pomagajo zmanjšati stroške in vplive na okolje ter preprečiti okvare sistema [36]. Majhen hibridni sistem združuje več prednosti enega samega sistema. Hibridni sistemi so sistemi, ki uporabljajo več kot en vir energije in tako dosežejo najboljšo učinkovitost. So idealni sistemi za kraje s poletnimi in zimskimi potrebami po neprekinjenem napajanju ali za kraje, kjer je treba podpreti obstoječi sistem za napajanje z obnovljivimi viri energije. Hibridni energetski sistemi lahko izkoristijo prednosti obstoječe energetske infrastrukture, hkrati pa dodajo komponente, ki pomagajo zmanjšati stroške in vplive na okolje ter preprečiti okvare sistema [37].

Hibridni energetski sistemi so alternativni vir energije za kmetijstvo. Ti sistemi združujejo enega ali več obnovljivih virov energije s skladiščenjem, včasih pa lahko izkoriščajo tudi neobnovljiv vir energije. Manjše različice teh sistemov, kot je mikro vetrna turbina z nekaj sončnimi celicami, se lahko uporabljajo za napajanje podeželskih območij v državah z nizkimi in srednjimi dohodki. Bolj raznoliki viri energije lahko pomagajo premagati tudi nekatere izzive, ki jih predstavljajo tradicionalni sistemi napajanja z obnovljivimi viri energije [38].

Viri in 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. 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/.