Примена обновљиве енергије у пољопривреди – 2

Људска храна се производи само кроз пољопривреду. Фокус одрживе пољопривреде је на потреби употребе алата и техника које повећавају производњу хране без угрожавања еколошких ресурса или услуга екосистема [1] .

Енергетски захтеви за грејање, хлађење, вучу и друге енергетске функције фарме могу се испунити различитим технологијама. Рурална подручја могу произвести обновљиву енергију користећи геотермалну, биоенергију, соларну, ветар и соларне изворе енергије. Пољопривредници могу истовремено да користе различите технологије. У другим околностима, производња обновљиве енергије на фарми може се убризгати у гасну или електричну мрежу. И на нивоу фарме и у целом пољопривредном сектору, постоји широк спектар опција и потенцијала за производњу и дистрибуцију обновљиве енергије [2] .

Већину пољопривредне опреме покрећу фосилна горива, која производе гасове стаклене баште и убрзавају климатске промене испуштајући их у атмосферу. Промовисањем коришћења обновљивих извора енергије као што су соларна енергија, ветар, биоенергија, хидроенергија и геотермална енергија, таква питања одрживости животне средине могу се смањити [3, 4] . Нове могућности сарадње у производњи, продаји и дистрибуцији обновљиве енергије представљају бројне мале и средње инсталације. Оне замењују фосилна горива, промовишу економски раст у руралним областима и доприносе енергетској безбедности [2] .

Коришћење енергије ветра у пољопривреди

Ветар је врста сунчеве енергије која се прима индиректно. Ова врста енергије се стално допуњује сунцем и производи се сунчевим загревањем земљине површине. Различито загревање земљине површине изазива варијације у температури, влажности и притиску ваздуха, а ова варијација притиска изазива кретање ваздуха. Карактеристике ветра варирају у времену и простору због географских разлика и нехомогеног загревања земљине површине [5, 6] .

Енергија ветра је данас један од најважнијих обновљивих извора енергије, са најбржим развојем технологије и коришћења, и економијом која је конкурентна конвенционалним изворима енергије. Енергија ветра је процес добијања механичке или електричне енергије преко турбина коришћењем кинетичке енергије ваздуха који је већ присутан. Енергија ветра је еколошки прихватљива, може да обезбеди енергетску сигурност и одржива је алтернатива традиционалној енергији заснованој на фосилним горивима [7, 8] .

Примене енергије ветра у пољопривреди могу се поделити у две категорије:

• Области механичке примене (као што су екстракција воде и млевење), и

• Области примене електричне енергије (апликације ван мреже и апликације повезане са мрежом) [9] .

Енергија ветра се користи за стварање механичке енергије из ветротурбина, електричне енергије из ветротурбина или воде из бунара помоћу ветропумпи [10] . Познато је да је коришћење енергије ветра у руралним подручјима почело са ветрењачама. Ветрењаче су коришћене за извлачење воде из бунара и млевење жита још од средњег века. Енергија ветра се претвара у механичку помоћу турбине, што узрокује да се две плоче ритмично ротирају и производи између ове две плоче се мељу. Ветрењаче су дуго подржавале пољопривредне активности [11, 12] .

Пумпе су машине које претварају потенцијалну енергију течности у кинетичку енергију. Пумпе на ветар користе само енергију ветра да црпе воду. Кинетичка енергија струјања ветра се преко осовине на ветротурбини претвара у механичку енергију и користи за пумпање воде у пољопривредним површинама и извлачење воде из бунара, као што је приказано на слици 1 . Уз помоћ уређаја на који је прикључен, клип пумпе инсталиране на изворишту се помера горе-доле и испушта воду до жељене површине на површини. Вода узета из извора се преноси преко црева користећи разлику притиска. Пошто је енергија ветра повремени извор, користи се заједно са системима за складиштење да би се задовољила потреба за водом у континуитету [13-15] . За функционисање система потребна је мала количина ветра. При слабом ветру, ветропумпа може да повуче у просеку 10-15 тона воде. Корисницима се могу испоручити пумпе различитих величина на основу захтева. Капацитет варира у зависности од величине ротора на који је пумпа повезана [16] .

Енергија ветра је важна у производњи електричне енергије, а удео електричне енергије произведене коришћењем овог извора енергије се стално повећава [17] . Ветротурбине су примарне компоненте ветроелектрана. Иако је производња енергије ветра релативно нова технологија, логика обраде је идентична оној код старијих ветрењача. Ветротурбина се састоји од неколико компоненти, укључујући генератор, торањ, електричну опрему, мењаче, лопатицу и тело (ротор) пропелера и основу. Ротационим кретањем осовине ротора кинетичка енергија ветра се претвара у механичку енергију у ротору и преноси на генератор у телу. Енергија коју генерише генератор се складишти у батеријама или директно преноси на пријемнике електричне енергије [6, 10] .

Ветротурбине се могу користити и са и без прикључка на електричну мрежу. Ветротурбине повезане на мрежу се обично користе за апликације велике снаге. „Off-grid“ турбине се углавном користе за мање захтеве [18, 19] .

Енергија ветра је незагађујући извор енергије без употребе горива. Ветрењаче постављене на свакој фарми или насељу у пољопривредним подручјима значајно смањују трошкове производње енергије, а такви системи инсталирани у подручјима удаљеним од далековода су економични у сваком погледу. Уколико се ови системи прикључе на електродистрибутивну мрежу, додатни приход се може остварити продајом дела произведене електричне енергије изнад потрошње уз успостављање потребног законског основа. Најзначајнија предност ветротурбина је што не заузимају много простора због своје мале пројекције, што им омогућава да се инсталирају у пољопривредним површинама [19, 20] .

Коришћење хидроенергије у пољопривреди

Пошто је вода била неопходна за наш опстанак од почетка времена, човечанство је одувек стварало животне просторе у близини водених површина. Вода је коришћена не само за дневне потребе, већ и за транспорт, лов, па чак и за производњу енергије. Реке су обезбедиле први једноставан начин транспорта. Један од првих примера водног транспорта је ток посеченог/сакупљеног дрвећа и грања преко воде. Ова метода, која се још увек широко користи у шумарству, резултирала је и развојем сплавова или чамаца, првог вида транспорта. Ово је такође помогло расту комерцијалних активности [21] .

У пољопривреди се енергија текуће воде користи механички или електрички. Вековима се снага воде користила за стварање механичке снаге. Механичка снага омогућава свакодневне активности као што је пољопривредна прерада. Процес млевења житарица, који је камен темељац пољопривредне производње са воденим млиновима који се и данас користе, једна је од важних примена механичке снаге воде у пољопривреди [22] . Водени млин је механичка конструкција која користи водени точак или турбину. Овај систем функционише усмеравањем воде из реке или рибњака до воденог точка преко канала или цеви. У зависности од протока воде, водени точкови могу бити хоризонтални или вертикални. Хоризонтални водени точкови су једноставнији, али им је потребна велика брзина воде да би правилно функционисали [23] .

Најшире коришћени обновљиви извор енергије је хидроенергија јер има неколико предности у односу на друге изворе, укључујући високу густину енергије, ниску цену и поузданост [24] . Две главне врсте хидроелектрана су оне које се налазе у резервоарима и оне које се налазе дуж река. Хидроелектране речног типа користе речну струју за окретање турбина, које затим производе електричну енергију. Брана се користи за прикупљање и складиштење великих количина воде у хидроелектранама са резервоарима [25] .

Хидроелектране су величине од веома малих до веома великих. Микро или мале хидроелектране речног типа, обично у опсегу kW, користе се за производњу електричне енергије у руралним подручјима у многим земљама. Као што је илустровано на слици 2 , ови системи раде на једноставном принципу: вода из потока или река тече кроз турбину, која ротира и окреће генератор, који производи електричну енергију. Да би се постигла поуздана производња енергије, кључно је разумети локалне водне ресурсе и дизајнирати систем у складу са тим [26, 27] .

Употреба малих хидроелектрана расте због тога што се добро могу уградити у пољопривредни ланац снабдевања. Енергија произведена тренутним токовима у каналима за наводњавање представља значајну неискоришћену прилику са развојем ових система. Канал за наводњавање се на овај начин користи за ефикасну услугу наводњавања и производњу енергије [28] .

Хидроелектране производе електричну енергију која се користи за осветљење, грејање пластеника, прераду и складиштење пољопривредних производа и пумпање воде у пољопривредним површинама. Бране се такође користе за узгој рибе и директно наводњавање [29] .

Коришћење биоенергије у пољопривреди

Данас постоје две врсте енергије из биомасе: традиционална и савремена. Савремени извори енергије биомасе, такође познати као биогорива, укључују биодизел, етанол и биогас произведен од енергетских усева, енергетских шума и отпадних материјала. Традиционална енергија биомасе се описује као једноставно сагоревање дрвета и животињског отпада [20] . Биомаса се користи на фармама или директно за електричну енергију и топлоту или индиректно као гориво у течном, чврстом или гасовитом облику. Више од 30% енергије која се користи у домаћинствима широм света за грејање, кување и осветљење се добија из биомасе [30] .

Уз брзу технолошку иновацију и растућу аутоматизацију, употреба горива на бази нафте у активностима пољопривредне производње као што су обрада земљишта, ђубрење, прскање, жетва и транспорт на тржиште се повећава. Ово повећава трошкове производње пољопривредних предузећа због потрошње горива и узрокује еколошке проблеме у руралним подручјима. Кључно је користити биогорива уместо нафтних горива у пољопривредним активностима [31] .

Биоенергија из пољопривредних и шумарских активности је критична за фарме за производњу сопствене енергије. Такође је критична за борбу против климатских промена и обезбеђивање сигурности снабдевања енергијом [25, 32] .

Претходни одељци пружају детаљне информације о биоенергији и њеној примени у пољопривреди.

Употреба хибридних енергетских система у пољопривреди

Хибридни енергетски системи су енергетски системи који користе више извора енергије. Хибридни енергетски систем генерише енергију комбиновањем обновљивих и фосилних извора [33] . Слика 3 показује пример хибридног система за производњу електричне енергије. Хибридни енергетски систем је планиран са фокусом на тржиште, а не са фокусом на технологију: приоритет је одабир најефикаснијих и најпоузданијих енергетских система који ће задовољити потребе корисника [34] .

Мали хибридни систем комбинује неколико предности из једног система. Хибридни системи су они који користе више од једног извора енергије за постизање најбољих перформанси. То је идеалан систем за места са летњом и зимском потребом за енергијом која не би требало да се прекида, или где треба подржати постојећи систем обновљиве енергије. Хибридни енергетски системи могу да искористе постојећу енергетску инфраструктуру, а истовремено додају компоненте које помажу у смањењу трошкова, утицаја на животну средину и кварова система [36] . Мали хибридни систем комбинује неколико предности из једног система. Хибридни системи су они који користе више од једног извора енергије за постизање најбољих перформанси. То је идеалан систем за места са летњом и зимском потребом за енергијом која не би требало да се прекида, или где треба подржати постојећи систем обновљиве енергије. Хибридни енергетски системи могу да искористе постојећу енергетску инфраструктуру док такође додају компоненте које помажу у смањењу трошкова, утицаја на животну средину и кварова система [37] .

Хибридни енергетски системи обезбеђују алтернативни извор енергије за пољопривреду. Ови системи комбинују један или више обновљивих извора енергије са складиштем и понекад могу укључивати необновљиви извор енергије. Микро верзије ових система, као што је микро ветротурбина са неколико соларних панела, могу се користити за напајање руралних подручја у земљама са ниским и средњим приходима. Они такође могу помоћи да се превазиђу неки од изазова повезаних са традиционалним системима обновљивих извора енергије диверзификацијом извора енергије [38] .

Референце

1. 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/.