Obsah skript | Časopis BIOM, články a sborníky | Domovská stránka     

Přednáška VIII.

Energetické hodnocení zemědělské výroby

1. Energetické hodnocení výrobních procesů v rostlinné výrobě

Zemědělství je jako jiné výrobní činnosti procesem energetické transformace surovin a účelové změny vlastností surovin. Od ostatních odvětví se zemědělství liší tím, že výrazně transformuje energii slunečního záření a akumuluje ji v konečné produkci.

Při fotosyntéze je převáděn oxid uhličitý ze vzduchu na sacharidy za účasti vody a využití sluneční energie:

2,83 MJ + 6 CO₂ + 12 H₂O => C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂

Kyslík obsažený v sacharidu pochází z CO₂. Voda je štěpena fotolýzou. CO₂ je redukován na sacharid vodíkem uvolňovaným při fotolýze.

Při fotosyntéze se mění energie světelná v chemickou. Z viditelného světla je při fotosyntéze akční spektrum v červené a modré oblasti. Vlnové délky zeleného světla nejsou při fotosyntéze využívány. Aktivními pigmenty jsou při fotosyntéze chlorofyly.

Budeme-li předpokládat teoretickou účinnost fotosyntézy 7,5%, může činit v našich podmínkách maximální teoretická produkce sušiny biomasy včetně kořenového systému 120-130 t.ha^-1, prakticky se však produkuje z 1 ha 10-35 t sušiny, a z ní se ve formě hlavního a vedlejšího produktu využívá 4-24 t.ha^-1.

V energetickém obsahu rostlinné produkce je akumulováno cca 98% energie slunečního záření, energetické vklady do řízeného technologického procesu činí zbylá 2% (hnojiva, paliva, stroje, lidská práce).

Účelem energetického hodnocení je odhalovat existující reservy a optimalizovat energetické vklady do výrobního procesu.

1.1. Energetické výrobní vstupy (spotřeba energií) tvoří soubor všech energií spotřebovávaných ve výrobním procesu a přicházejících s určitou účinností do konečného výrobku.

Členění energetických výrobních vstupů:

1.2. Energetické výstupy (produkce energie) z rostlinné výroby tvoří soubor vyprodukované biomasy a nevratných energetických ztrát. Z vyprodukované biomasy připadá část na užitnou produkci (hlavní a vedlejší), část na rostlinné zbytky a kořenovou biomasu. Podstatná část nesklizené biomasy se vrací do výrobního cyklu ve formě energie akumulované v půdě. Nevratné ztráty zvyšují entropii vnějšího prostředí.

Členění energetických výstupů:

Nejuniverzálnější metodou výpočtu energetického obsahu rostlinné produkce je stanovení bruttoenergie (spalného tepla) jednotky sušiny produkce. Bruttoenergie však nevyjadřuje užitnou hodnotu produkce, která je dána především její stravitelností jako potraviny nebo jako krmiva. Pro hodnocení užitné energie byl zvolen přepočet ze škrobových jednotek:

1 ŠJ = 9,868 MJ netto energie

Škrobová jednotka vyjadřuje tukotvorný účinek krmiva. (Má-li 100 kg sena tukotvorný účinek jako 33 kg čistého škrobu, má obsah 33 škrobových jednotek).

Hodnota bruttoenergie 1 t sušiny rostlin je poměrně stálá a kolísá v závislosti na obsahu tuků a cukrů. (Spalné teplo 1 t celulosy je 17,58 GJ)

Energetický obsah 1 t sušiny biomasy v GJ

1.3. Energetická bilance srovnává vstupy energií do výrobního procesu s energetickými výstupy:

E₀ + E₁ = E₂ + E₃ + E₄

Při provozním energetickém hodnocení může být využita neúplná bilance zahrnující pouze provozně zjistitelné výrobní vstupy a výstupy a vypočítán energetický zisk:

E_Z = E₂ - E₁

Při energetickém hodnocení používáme zpravidla GJ = 10⁹J a složené jednotky GJ.ha^-1 nebo GJ.t^-1.

GJ.t^-1 = MJ.kg^-1

Energie živé lidské práce (E₁₁) se vypočítává z celkové spotřeby pracovních hodin lidské práce násobené energetickým ekvivalentem ve výši 25,65 MJ.h^-1 (nepřihlíží se k obtížnosti práce). Tento koeficient zahrnuje jak přímou vynakládanou energii tak i energii na reprodukci živé pracovní síly.

Fosilní energie (E₁₁₂)

Spotřeba fosilní energie se vypočítá vynásobením spotřeby příslušným energetickým ekvivalentem.

Energetické ekvivalenty:

* Měrné palivo je palivo o smluveném spalném teple, které umožňuje vzájemný přepočet jednotlivých pevných, kapalných i plynných paliv, při srovnávání účinnosti nějakého zařízení (např. elektrárny). Jeho spalné teplo je stanoveno dle kvalitního černého uhlí (antracitu). Nověji se používá také "měrná ropa" (toe - ton of oil equivalent), jejíž spalné teplo se rovná 41 GJ/t .

Normativy přímé spotřeby energie (motorová nafta) na vybrané pracovní operace (MJ.ha^-1)

Jiné energetické zdroje (E₁₁₃):

Pro výpočet se uvažují pouze dodatečné energetické vklady.

Energie ve strojích (E₁₂₁):

Vyjadřuje průměrnou spotřebu energie na výrobu strojů a zařízení včetně energie na opravy a náhradní díly. Předpokládá se, že energie se po dobu životnosti stroje vkládá do výrobního procesu podle času provozu stroje spotřebovaného na danou operaci. (Celková energetická hodnota stroje vypočítaná vynásobením jeho hmotnosti a příslušného normativu se vydělí celkovým počtem provozních hodin životnosti stroje.)

Nepřímé energetické vklady ve strojích a zařízeních:

Energie výrobků chemického průmyslu: (E₁₂₂):

Energie organických hnojiv (E₁₂₃) byla stanovena podle obsahu čistých živin:

S ohledem na víceletou působnost organických hnojiv je účelné zatěžovat jejich energetickým obsahem všechny plodiny v osevním postupu.

Energie osiv (E124):

Přibližný výpočet může být proveden podle vzorce:

kde je C_O = nákupní cena osiva

C_P = nákupní cena plodiny

E₂ (ŠJ) = energetický obsah jednotky produkce přepočtený z obsahu škrobových jednotek

n = výsevní norma

Energetické hodnocení se provádí zpravidla pro srovnání různých variant zemědělských technologických postupů a odhalování možných úspor přímé i nepřímé energie.

Energetické hodnocení výrobního procesu u jednotlivých plodin má poskytnout celkový pohled na energetickou náročnost a energetický efekt pěstované plodiny. To je důležité např. pro výběr vhodných energetických rostlin.

1.4. Výpočet energetické účinnosti výrobních procesů v rostlinné výrobě

Celková energetická účinnost:

Z praktických důvodů energetickou účinnost rozčleňujeme na účinnost slunečního záření a technologickou účinnost:

kde účinnost slunečního záření je:

a vzhledem k tomu, že E₀ >> E₁:

a technologická účinnost:

Pro praktické účely stačí vypočítat U_t. Dále je možno vyčíslit t.zv. energetický koeficient:

tedy poměr získané efektivní energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům.

Dále se vypočítává měrná spotřeba energie na 1 vyprodukovaný GJ, a to bruttoenergie a nettoenergie.

Energetická bilance u vybraných plodin v řepařské oblasti (GJ.ha^-1)