Zemědělství je proti ostatním odvětvím národního hospodářství, mimo odvětví těžby paliv a výroby energie, značně odlišné. Všechna odvětví energii především spotřebovávají. Zemědělství je na jedné straně rovněž spotřebitelem energií, na druhé zajišťuje transformaci sluneční i dodatkové energie na biologickou hmotu, která poskytuje energii k výživě lidí pro zajištění jejich činností, nebo ve formě krmiv k výživě hospodářských zvířat.
V současné době je v naší zemi nadprodukce potravin. Zemědělství může a je schopno vyrábět na přibližně 500 tisících hektarů průmyslové a energetické plodiny.
Mimo přímé spotřeby energie v zemědělských výrobních procesech ve formě paliv, elektrické energie, tepla, ale i lidské práce využívá zemědělství nepřímé formy energie, která vytváří vazby zemědělství na ostatní výrobní odvětví, např. energetiku, vodní hospodářství, stavebnictví, chemický a strojírenský průmysl. Na druhé straně se vytváří úzká vnitřní vazba na potravinářský průmysl, který dále zhodnocuje suroviny zemědělské výroby. Další úzkou vazbou je obhospodařování krajiny společně s lesním hospodářstvím.
Podle údajů Ministerstva průmyslu a obchodu ČR se pohybuje spotřeba zemědělství kolem
50 000 TJ ročně.
Největší podíl na spotřebě energie tvoří motorová paliva, především motorová nafta. Naše šetření a expertní odhady roční spotřeby nafty v zemědělství se pohybují kolem 0,5 mil. tun, (cca 565 283 000 l). Tato spotřeba představuje asi 20 % roční spotřeby motorové nafty v ČR.
Ve VÚZT jsme se věnovali náhradě fosilních paliv a využití alternativních zdrojů energie již během první (1975) a druhé (1980) ropné krize, tj. v letech 1975 - 1990. Tato snaha pak v 90. letech vyústila realizací Oleoprogramu (výroba motorových paliv na bázi řepky) a programu Bioetanol (užití bioetanolu do motorových paliv).
Neméně významné jsou i výzkumné projekty řešící aplikace spalování biomasy (sláma, dřevní hmota) a technologické systémy pro výrobu bioplynu na zemědělských farmách (kejda, chlévská mrva) realizované Výzkumným ústavem zemědělské techniky se zemědělskými podniky a výrobci technologií koncem 80. let a v 90. letech minulého století.
Budoucnost zemědělské energetiky
Obecně předpokládáme v příštích dvaceti letech růst podílu ušlechtilých forem energie v energetické bilanci. Přechodně může dojít ke zvýšení spotřeby uhlí, ale jen v nejbližších letech. U mobilních procesů bude zachován trend současného vybavení mobilními energetickými prostředky s postupnou razantnější inovací strojně traktorového parku, samojízdných sklízecích strojů a nákladních automobilů.
Mobilní procesy
Alternativní motorová paliva
Zatím jsou nejdůležitější složkou motorových paliv uhlovodíky. Na obr. 1 je pravděpodobný průběh ukončení těžby ropy v následujících 40 letech a předpokládaný vývoj spotřeby kapalných paliv z jiných zdrojů. V oficiálních odhadech se počítá s využitím alternativních motorových paliv na bázi rostlinných olejů a alkoholů (obnovitelné zdroje), synteticky připravených paliv z uhlí a dehtů, ropných písků, ropných plynů a zemního plynu.
Ceny ropných výrobků a motorových paliv stále stoupají - v roce 2000 na hranici 30 Kč . l-1, v roce 2001 můžeme čekat stabilní ceny přes 30 Kč . l-1 pro pohonné hmoty s výhledem dalšího růstu v následujících letech. Alternativní paliva za těchto okolností mohou být během několika let konkurenceschopná v porovnání s ropnými palivy.
Porovnání vlastností klasických a alternativních motorových paliv
Vlastnosti alternativních paliv ze zemědělské produkce jsou velmi podobné v porovnání s ostatními motorovými palivy ropného původu. Ropná paliva mají jiné složení. Fyzikální a chemické vlastnosti rostlinných olejů a jejich esterů jsou však velmi podobné motorové naftě a fyzikální a chemické vlastnosti alkoholů a jejich éterů jsou velmi podobné automobilním benzinům, viz. obr.2. Použití čistých rostlinných olejů a alkoholů si vyžaduje speciální úpravu motorů. Užití esterů a éterů jako přídavků v palivových směsích úpravy nevyžaduje.
Zřejmě už v období, kolem roku 2010 lze očekávat uplatnění hybridních mobilních energetických prostředků (MEP) kde pohonným agregátem bude kombinace spalovací motor a elektromotor.
Další etapou vývoje bude využití palivových článků u MEP. To znamená zcela elektrický pohon. Tato technologie se zatím používá v kosmických aplikacích, ale zlevnění výroby a užití je předmětem intenzivního výzkumu.
Palivový článek může být využit jak pro pohon vozidel, tak i jako stacionární zdroj energie a tepla. Předpokládá se, že během období řádově deseti let budou zdroje energie s palivovými články menších výkonů pro lokální využití komerčně dostupné v cenách konkurujících stávajícím plynovým kogeneračním jednotkám.
Palivový článek je zařízení k přímé přeměně chemické energie paliva na energii elektrickou se současným uvolňováním energie tepelné. Jako paliva se budou využívat zemní plyn (i bioplyn), kapalná paliva (i z biomasy) a uhlí (i biomasa). Jde o kvalitativně odlišný způsob výroby elektrické energie. Účinnost přeměny energie paliva na elektrickou je v palivovém článku vyšší než 50 %, protože není limitována účinností Carnotova tepelného cyklu.
Palivový článek je zdrojem stejnosměrného proudu, teoretické maximální napětí jednoho článku se pohybuje podle typu článku v rozmezí cca 0,9 - 1,2 V, teoretická elektrická účinnost článku je cca 80%. Teoretických hodnot napětí a elektrické účinnosti však nemůže být dosaženo v důsledku nevratných ztrát, které jsou však konvertovány na využitelné teplo. Palivové články dosahují dle použitého elektrolytu a paliva za provozu reálné elektrické účinnosti v rozsahu 40 – 70 % a napětí na jeden článek 0,6 - 0,7 V.
Pro praktické použití s dodávkou elektrické energie o vyšším využitelném napětí se proto palivové články řadí do baterií o stovkách až tisících článků, stejnosměrný proud je následně konvertován střídačem na proud střídavý.
Elektrická účinnost palivových článků (poměr elektrického výkonu k výkonu přiváděnému v palivu) je ovlivněna především plošnou proudovou hustotou tj. množstvím elektrického proudu generovaným na jednotkové ploše elektrod. Při vyšší proudové hustotě je účinnost nižší a naopak. Palivové články s vyšší proudovou hustotou a tedy s menší velikostí a hmotností jsou především využity při mobilních aplikacích, naopak ve stacionárních zdrojích energie jsou použity palivové články s nižší proudovou hustotou ale vyšší elektrickou účinností.
Stacionární procesy
Do roku 2010 lze očekávat výraznější růst spotřeby elektrické energie v celkové bilanci všech odvětví, ale zejména v zemědělství. Měrná energetická náročnost výrobních procesů bude sice klesat, ale podíl energie na osvětlení, elektrické ohřevy a elektrické pohony v linkách staveb pro živočišnou výrobu relativně stoupne. Plné computerizované řízení procesů krmení, odklízení výkalů, větrání a samotného procesu chovu bude samozřejmostí. Vzhledem k postupnému nárůstu cen dováženého zemního plynu a dotěžování zásob našeho hnědého uhlí není vyloučeno užití elektrické energie pro vytápění stájových objektů ve spojení se systémy pro zpětné získávání tepla z odvětrávaného odpadního vzduchu.
Další možností užití elektrické energie je kombinace mikrovlnného a odporového sušení zemědělských produktů.
Bohatěji se budou využívat i obnovitelné zdroje energie. Sluneční energie pro ohřev sušícího vzduchu a teplé užitkové vody. Častěji se setkáme s tepelnými čerpadly využívajícími energii prostředí pro vytápění objektů, ohřev vody a sušení produktů. Ve vhodně umístěných lokalitách se budou stavět větrné a malé vodní elektrárny. Vzhledem k ekologizaci farem se bude stále častěji využívat bioplyn, jak v klasických kogeneračních soustrojích tak i v palivových článcích. Nejdůležitějším obnovitelným zdrojem bude biomasa. Technologické využití biomasy má dva směry, buď přímé spalování, nebo nepřímá konverze na plynné, nebo kapalné palivo.
Přeměna může být uskutečněna termochemickou, nebo biochemickou konverzí. Termochemicky lze získat širokou škálu produktů (středně výhřevné plyny, syntetický plyn, metanol, etanol, pyrolýzní olej atd.). Biochemickou konverzí se připravují alkoholy, étery, estery a bioplyn.
Při výrobě bioplynu vyrobíme nejen energeticky výhodný metan, ale vzhledem k neúplné přeměně substrátu získáme ze zbylé části uhlíku v tuhém zbytku ještě kvalitní hnojivo s obsahem huminových kyselin.
Biomasa bude v zemědělství a na venkově v příštích deseti letech využita zejména následujícím způsobem. Štěpka z rychlerostoucích dřevin a sláma energetických plodin budou zdrojem pro výrobu tepla, případně kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla. MEŘO a ETBE z rostlinných olejů a bioetanolu pak budou využity jako složky motorových paliv.
Budoucnost elektroenergetiky je založena na velkých tepelných a jaderných elektrárnách, které budou vytvářet základní výkon elektrizační soustavy. Ve špičkách a v případě potřeby budou využity malé kogenerační zdroje o výkonech řádově 1 až 10 MWe a mikrozdroje velikosti 1 - 100 kWe. Ty pak budou využívat kogenerační soustrojí i palivové články.
Tyto malé elektrárny mohou pro svůj provoz využívat jak uhlí, tak biomasu.
Je velice pravděpodobné, že zemědělství se stane během 20 let do značné míry soběstačné v zásobování energií, zejména pak elektrickou, jak pro pohon MEP, tak pro stacionární procesy. Některé venkovské regiony mohou být rovněž díky zemědělství do značné míry energeticky nezávislé (centrální výtopny a teplárny na biomasu, společné komunální a zemědělské zpracování odpadů ve spalovnách, nebo bioplynových stanicích, výroba elektrické energie z biomasy pomocí palivových článků).
Ing. Jaroslav Kára, CSc.
