Dodatková Energie v Přírodě: Zdroje a Využití

Ekosystémy jsou otevřené, protože do nich stále přichází energie a dochází k vzájemné výměně hmoty a energie. Ekosystém má definovanou potravní strukturu a druhovou rozmanitost.

Sluneční Záření jako Hlavní Zdroj Energie

Prvním vstupem a zdrojem energie je sluneční záření. Sluneční záření dopadající na povrch Země má určité spektrální složení dýlek 280 až 3 000 nm s maximem kolem 470 nm. Množství energie dopadající na horní hranici zemské atmosféry se nazývá solární (sluneční) konstanta.

Sluneční záření dopadající na povrch Země dopadá průměrně jenom 0,65 kJ.m^-2s^-1 (tj. 0,65 kW.m^-2), tj. dvoumiliardtina dopadajícího záření. Zhruba 45 % slunečního záření má rozsah mezi 380 a 750 nm, což je fotosynteticky aktivní záření (FAR). Ultrafialové záření (kratší než 380 nm) je pohlceno v ionosféře a ozonosféře. Infračervené záření (delší než 750 nm) je absorbováno párou, oxidem uhličitým, kapičkami vody v mracích a prachem.

Fotosynteticky Aktivní Záření (FAR)

Do ekosystémů dopadá přímé i nepřímé (tj. odrazu) slunečního záření. Zelený list absorbuje energii FAR (mezi 380 a 740 nm vlnové délky), ale její množství závisí na úhlu dopadajících paprsků a na povaze povrchu listu. Absorbovaná energie je v listech přeměněna na teplo, s výjimkou části vázané fotosyntézou, která je klíčová pro další potravní řetězce. Záření také prochází listem (transmise).

Působení záření závisí na vlnové délce. Záření kratší než 380 nm má morfogenní účinky a působí často destruktivně. Rostliny využívají FAR pro procesy fotosyntézy, tvorbu orgánů a klíčení.

Čtěte také: Jak Funguje Dodatková Energie Ekosystému

Energetická Bilance Ekosystému

Energetická bilance se dá vyjádřit bilanční rovnicí, která platí v zásadě i pro celý ekosystém. Bude-li kladný, tj. QN > 0, porost se ohřívá, bude-li záporný, tj. QN < 0, porost se ochlazuje. V noci je záporný.

QN je čistý příjem (tok) energie v porostu. QI je iradiace (ozářenost) v infračervené oblasti. QE je výdej ohřevného (pocitového) tepla, tj. záření pohlcené půdou. QH je latentní tok tepla, tj. výdej tepla na výpar vody. QG je záření pohlcené půdou a QF je energie využitá pro fotosyntézu.

Využití Sluneční Energie Rostlinami

Rostliny používají jen malou část slunečního záření (0,5 %) pro fotosyntézu, což je proces přeměny slunečního záření na potenciální energii organické hmoty. Pro stanovení slunečního záření je nutné znát spalné teplo sušiny.

Rostliny využívají FAR k tvorbě chemických vazeb a enzymů. Množství energie, které rostliny využívají, se liší. Například, slunobytné rostliny (heliosciofyty) a stínobytné rostliny (sciofyty) mají různé nároky na světlo. Využití FAR je relativně velmi malé a pohybuje se mezi 1,5 % pro tropický deštný prales až po 0,04 % u porostů polopouští. V optimálních podmínkách lze dosáhnout i vyšších hodnot. Měření slunečního záření se provádí jako suma FAR za vegetační období nebo za rok.

Energie v Zemědělství

V zemědělství se energie využívá v různých formách, včetně přímé (sluneční záření) a nepřímé (práce strojů, výroba hnojiv). Zemědělství využívá nepřímou formu energie pro dopravu, závlahy a zemědělskou výstavbu, včetně výroby stavebních materiálů. Transformace energie v rostlinné výrobě zahrnuje přeměnu slunečního záření na potenciální energii organické hmoty, která se ukládá do rostlinných zbytků a kořenové biomasy. Nevratné ztráty energie zvyšují entropii prostředí. Pro výpočet se používá spalné teplo měřené na kalorimetrech.

Čtěte také: Vliv Energie na Přírodu

Energetická účinnost se vyjadřuje jako podíl získané energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům. Ukazatele se uvádějí v GJ.ha^-1. Například, energetické vstupy do rostlinné výroby zahrnují hnojiva (od 6,6 do 21,8 % z celkových vstupů) a osiva (9,9 %).

Energetická návratnost (GJ) je pro cukrovku 0,19, vojtěšku 0,12, pšenici 0,24 a brambory 0,43.

Energie v Živočišné Výrobě

Živočišná výroba využívá energii obsaženou v živočišných produktech. Zvířata transformují energii krmiv a část energie se degraduje ve formě tepla. Část organické hmoty se vrací do půdy ve formě organických hnojiv. Tok energie do živočišné výroby je energie krmiv, která se stanoví bilančními pokusy na hospodářských zvířatech.

Stravitelná energie se získá odečtením energie výkalů od energie krmiva. Metabolizovatelná energie se získá odečtením energie moči a plynů. Čistá energie se vypočítá násobením metabolizovatelné energie koeficientem 0,81. Koncentrace energie v krmivech závisí na obsahu stravitelných živin.

Energetická náročnost živočišné výroby je vyšší kvůli energetickým vkladům do ustájovacích prostor a strojního vybavení. Energetické ukazatele se uvádějí v GJ.ks^-1. Například, energetická náročnost 1 kg hovězího masa v sušině je 1,058 GJ.

Čtěte také: Udržitelná Budoucnost

Půda a Energetická Bilance

Půda hraje klíčovou roli v toku a transformaci energie v ekosystému. Půda, hydrosféra a litosféra se podílí na tvorbě půdy. Proměnlivost organické hmoty půdy je klíčová pro její funkci. Je důležité dodávat organickou hmotu do půdy, protože podporuje tvorbu humusu. Bilance dusíku (N) v půdě se stanoví kvantifikací výstupu N z půdy a vkladu N do půdy. Rozdíl mezi vstupy a výstupy N ukazuje na změny v množství organické hmoty v půdě.

Rekultivace a Dodatková Energie

V krajině narušené povrchovou těžbou je většina funkcí utlumena. Prováděné rekultivace by měly směřovat k jejich obnovení. Ekologická sukcese je proces osídlování výsypek živými organismy. Dodatková energie vkládaná do ekosystému (např. lidská práce) urychluje vývoj nebo stabilizuje žádaný stav.

Přirozená sukcese je využitelná jako rovnocenná forma obnovy devastované krajiny po povrchové těžbě a přispívá k větší ekologické stabilitě posttěžební krajiny.

Biomasa jako Zdroj Energie

Využití biomasy je líčeno jako obnovitelné a environmentálně příznivé, ale závisí na konkrétních případech a realizaci. Energetické využití odpadní biomasy může být velmi efektivní a ekologicky přínosné. Záměrné pěstování biomasy pro energetické účely zahrnuje produkci pevné biomasy pro spalování, biopaliv a bioplynu.

Nejefektivnější způsob využití energie biomasy je přímé spalování pro vytápění. Peletování je proces, při kterém se organická hmota rozmělní a stlačí do pelet. Biomasa má menší měrnou hmotnost než uhlí a obsahuje velké množství těkavých hořlavých složek.

Bioplyn a Biometan

Bioplyn vzniká anaerobní fermentací organické hmoty a obsahuje metan a oxid uhličitý. Plyn se spaluje v kogenerační jednotce. Bioplynové stanice jsou schopny akumulovat maximálně několikahodinovou produkci plynu. Vyšším stupněm zušlechťování bioplynu je úprava na biometan, který má totožné vlastnosti jako zemní plyn.

Kapalná Biopaliva

Kapalná biopaliva, jako bioethanol a bionafta, se přidávají do benzínu a nafty. Bioethanol vzniká kvasnou fermentací cukrů z cukrové třtiny, cukrovky, obilnin a brambor. Bionafta se vyrábí esterifikací rostlinných olejů. Biopaliva první generace konkurují potravinám.

Účinnost Využití Biomasy

Účinnost fotosyntézy je 34,2 %, ale celková teoretická účinnost po odečtení respiračních ztrát činí asi 4 %. Z jednoho hektaru lze získat cca 10 tun suché biomasy ročně, což představuje cca 100 - 200 GJ. Nejlepší využití získané energie biomasy představuje prosté spálení co nejblíže místa vzniku a využití nízkopotenciálového tepla.

Energetická Náročnost Zpracování Biomasy

Moderní kotle na dřevo jsou schopny reálně využít kolem 85 % energie. Peletovací linka má spotřebu až 150 kWh elektřiny na tunu pelet. Na dopravu pelet se spotřebuje cca 15 ml nafty na tunokilometr. U bioplynové stanice je dodáno do sítě 23 % elektřiny a k dispozici je rovněž cca 30 % tepla. Cena cíleně pěstované biomasy se pohybuje kolem 120 Kč/GJ.

Obnovitelná Energetická Infrastruktura pro Evropu

Země EU se dohodly na novém rámci politiky v oblasti klimatu a energetiky do roku 2030, včetně cílů a politických záměrů pro celou Unii týkajících se emisí skleníkových plynů, obnovitelné energie, energetické účinnosti a propojení elektrických sítí.

Jako jednu z hlavních priorit představila Komise rámcovou strategii k vytvoření odolné energetické unie s pomocí progresivní politiky v oblasti změny klimatu. Tato strategie má pomoci Evropské unii dosáhnout jejích cílů a záměrů pro rok 2030 a poskytnout evropským spotřebitelům přístup k bezpečné, udržitelné, konkurenceschopné a cenově dostupné energii a umožnit jim těžit z pokračující zásadní transformace evropského energetického systému.

Aby bylo dosaženo cílů a záměrů pro rok 2030, je nezbytné modernizovat evropská zařízení pro přenos a skladování energie. Zastaralé a špatně propojené infrastruktury představují hlavní omezení evropského hospodářství. Aby pomohla uskutečnit tuto významnou skokovou změnu v oblasti přenosu energie, přijala EU v roce 2013 nové nařízení o transevropských energetických sítích (EU) č. 347/2013. To poskytuje komplexní rámec EU pro plánování a realizaci energetické infrastruktury. Stanoví devět prioritních koridorů strategické infrastruktury v oblasti elektřiny, zemního plynu a ropy a tři prioritní tematické oblasti pro celou EU, a to elektrické dálnice, inteligentní sítě a sítě pro přepravu oxidu uhličitého, za účelem optimalizace rozvoje sítí na celoevropské úrovni do roku 2020 a v dalším období.

Výzvy v Oblasti Infrastruktury

Úkol propojit energetickou infrastrukturu Evropy a přizpůsobit ji novým potřebám se týká všech odvětví a všech druhů zařízení pro přenos energie.

Elektrorozvodné Sítě a Ukládání Elektrické Energie

Elektrorozvodné sítě bude potřeba zdokonalit a zmodernizovat, aby uspokojovaly rostoucí poptávku. Sítě je rovněž nutno rozšířit a zdokonalit, aby se podpořila integrace trhu a zachovala stávající úroveň zabezpečení systémů, ale zejména aby bylo možno zajistit přenos a vyvážené využívání elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů, u které se očekává, že se její množství mezi lety 2007 a 2020 více než zdvojnásobí.

Současně je nezbytné, aby sítě byly také inteligentnější.

Agrivoltaika: Spojení Zemědělství a Solární Energie

Lze na poli vybudovat fotovoltaickou elektrárnu a zároveň zachovat plnohodnotnou zemědělskou produkci? Podle rakouského hlavního města ano. Spojení výroby obnovitelné energie a pěstování zemědělských plodin od roku 2019 testují ve Vídni.

Využití zemědělských ploch pro pěstování plodin a současně i výrobu obnovitelné energie, zkráceně agrovoltaiku, testuje vídeňský energetický podnik Wien Energie ve spolupráci s přírodně-technickou univerzitou BOKU Wien od roku 2019. V rámci testu vyrostlo před dvěma lety na jednom z polí na severovýchodním předměstí Vídně kolem 400 vertikálních oboustranných fotovoltaických panelů, které tvoří největší agrovoltaickou elektrárnu svého druhu v Rakousku.

Takzvané bifaciální moduly postavené v řadách vedle sebe přeměňují sluneční světlo na elektřinu z přední i zadní strany. V roce 2021 po výstavbě panelů zaseli zemědělci nejprve vojtěšku pro zlepšení kvality půdy. V loňském roce následovaly různé druhy obilovin (pšenice, špalda a ječmen) a sója, letos pokus pokračuje podle principu střídání plodin.

Rakouské hlavní město si již dříve stanovilo za cíl dosáhnout do roku 2040 uhlíkové neutrality a sází při tom na zvyšující se produkci solární energie. Městský energetický podnik Wien Energie nyní provozuje kolem 400 fotovoltaických elektráren s výkonem 116 megawattů, do konce roku má přibýt dalších 60 zařízení. Cílem Wien Energie je dosáhnout do roku 2030 celkového výkonu 1 000 megawattů výkonu z obnovitelných zdrojů.

„Samotné fotovoltaické systémy na střechách nebudou v budoucnu stačit k pokrytí poptávky po elektřině z obnovitelných zdrojů. Aby bylo možné využít veškerý potenciál, je nutné zvolit vhodný fotovoltaický systém v závislosti na okolnostech. Agrární fotovoltaika v kombinaci s digitalizovaným zemědělstvím nabízí zemědělcům nové možnosti v jejich hospodaření, včetně dodatečného příjmu a velkého technologického pokroku. Zelenou energii lze například využít přímo pro výrobu potravin, což znamená další snížení emisí CO2. Kombinované využití pozemku zvýšilo díky výnosům z elektřiny jeho celkovou ekonomickou efektivnost.

Vertikální panely podle Wien Energie produkují stejné množství proudu jako tradiční panely směřované jižním směrem. Díky orientaci na východ a západ ale vyrábí nejvíce energie v době nejvyšší poptávky.

Skladování Energie a Vodíkové Hospodářství

Díky cenovým výkyvům na trhu ropných produktů, omezeným zásobám fosilních paliv, globálnímu oteplování a lokálnímu znečištění, geopolitickým tlakům a růstu spotřeby energie se důležitějšími než kdy dříve v historii stávají obnovitelné zdroje energie a efektivnější využívání fosilních paliv.

Využívání obnovitelných zdrojů energie se jeví jako perspektivní varianta, která však má minimálně dvě velké úskalí: (i) kapitálové náklady, (ii) proměnlivý výkon při výrobě elektrické energie. U větrné a solární energie se množství produkované energie mění s ročním obdobím, měsícem, dnem, hodinou, atd.

K překonání problému proměnlivosti výkonu je kromě přesunu spotřeby možno vyráběnou energii uskladnit. Elektrická energie může být uskladněna pouze tehdy, jestliže je převedena na jiné formy energie, jako jsou chemická energie akumulátoru, kinetická energie setrvačníku, elektrostatická energie superkapacitoru atd.

Vodík se pro roli úložiště energie hodí výborně, protože je to jedno z nejúčinnějších, nejčistších a nejlehčích paliv, ale na druhou stranu se v přírodě volně nevyskytuje a musí být vyroben z primárních zdrojů energie.

Koncept vodíkového hospodářství (energetický systém založený na rozsáhlém využití vodíku jako úložiště energie a dopravního média), se objevil v první polovině 70. let.

Ve světě existuje množství hybridních systémů s kombinací fotovoltaika/elektrolyzér/úložiště vodíku/palivový článek. Tyto systémy mohou být připojeny do energetické sítě, nebo pracovat v nezávislých ostrovních systémech. V těchto systémech bývá často používán akumulátor jako krátkodobé úložiště energie, nebo bioplyn jako druhé palivo pro palivový článek.

Velký technologický pokrok byl v posledních dvou desetiletích uskutečněn v oblasti PEM (Polymer Electrolyte Membrane) elektrolyzérů, které jsou nyní komerčně k dispozici při tlacích vodíku vhodných k dalšímu skladování.

Funkce PEM elektrolyzéru je ukázána na obr. 3. Voda je přiváděna k anodě, kde se elektrolyticky rozloží na kyslík, protony, a elektrony. Atomy kyslíku se na povrchu elektrody spojují v plynný O2, zatímco protony prostupují přes membránu. Elektrony, pro které je membrána nepropustná, procházejí vnějším obvodem. Na katodě se protony spojují s elektrony a vyvíjí se plynný vodík.

Palivový článek je jeden z moderních elektrochemických zdrojů proudu, který umožňuje přímou konverzi energie chemické na elektrickou. Výhodou palivového článku je skutečnost, že elektrody nevstupují do chemické reakce, tudíž nedochází provozem článku ke strukturálním změnám elektrod a článek má teoreticky nekonečnou životnost. Aktivní látky jsou k elektrodám přiváděny z vnějšku a doba činnosti závisí pouze na přivádění reaktantů.

Schematické znázornění PEM palivového článku je uvedeno na Obr. 4. Při reakci palivového článku je palivo (vodík a kyslík, resp. vzduch) dodáváno k elektrodám, vytváří se elektrická energie, teplo a voda jako reakční produkt.

Zatímco elektrolýza je klíčem k funkčnosti celého systému, efektivní uchovávání vodíku je klíčem k praktické implementaci. Chceme-li dosáhnout jak technického tak obchodního úspěchu, je nutné, aby způsob skladování vodíku kombinoval náklady, životnost, montáž a další faktory v takové míře, která je přijatelná pro danou aplikaci.

Termoregulační Panely

Termoregulační panely přispívají ke snížení spotřeby energie při vytápění domu a tím omezují emise skleníkových plynů. Kromě toho zlepšují vnitřní klima, neboť dokáží optimalizovat teplotu vzduchu v interiéru.

Termoregulační panely pracují na principu fázové přeměny (PCM) směsi parafínu a polymeru s nízkou teplotou tání (asi 22 °C). Při překročení této teploty začne parafín měnit skupenství z pevného na kapalné a přitom pohlcuje velké množství tepelné energie. Při poklesu teploty parafín mění své skupenství na pevné a odevzdává přitom naakumulované teplo zpět do okolního prostředí.

Termoregulační panely jsou vhodné zejména pro stavby „s nízkou setrvačností“, například dřevěné a ocelové budovy či stavby s hliníkovými rámy, protože dokáže snížit teplotu v interiéru až o 7 °C.

Příkladem praktické aplikace termoregulačních panelů je jejich využití v nízkoenergetických nebo energeticky pasivních rodinných domech. Zdrojem tepla je zde například tepelné čerpadlo s rekuperací tepla z odpadního vzduchu a solární kolektor.

tags: #dodatková #energie #v #prírode #zdroje

Oblíbené příspěvky:

• Jaderný odpad a jeho zpracování
• Milota Zdirad Polák – básník a obrozenec
• Pracovní listy s ekologickou tématikou pro MŠ
• Originální DIY projekty z odpadu
• Problém znečištění vody v tropech