Emise skleníkových plynů: Faktory ovlivňující a strategie pro snížení

Globální oteplování přímo souvisí se zvyšujícími se emisemi skleníkových plynů, které brání vyzařování tepla ze země zpět do atmosféry a způsobují ohřívání zemského povrchu. Mezi nejvýznamnější skleníkové plyny patří vodní pára, oxid uhličitý (CO2), methan (CH4) a oxid dusný (N2O). Účinnost skleníkových plynů ve smyslu globálního oteplování se hodnotí ukazatelem GWP (Global Warming Potential).

GWP je poměr tepla zachyceného jednotkou hmoty plynu ve srovnání s jednotkou hmoty CO2 během daného období (typicky 100 let) - jeho hodnota určuje, kolikanásobně daný plyn přispívá ke skleníkovému efektu více než oxid uhličitý [1]. Z hlediska oteplování atmosféry se různé skleníkové plyny od sebe liší svým účinkem - některé jsou výrazně „silnější“ než jiné. Aby bylo možné je mezi sebou porovnávat, používá se přepočet na CO2eq. Ten říká, jaké množství CO2 by mělo stejný (ekvivalentní) účinek z hlediska skleníkového efektu jako určité množství jiného skleníkového plynu za nějakou standardizovanou dobu (typicky 100 let).

Vzorec pro výpočet CO2eq je množství skleníkového plynu × GWP100 koeficient (global warming potential, tedy potenciál globálního oteplování v horizontu 100 let). Například GWP100 koeficient pro metan má hodnotu 28 (IPCC AR5 WGI, kapitola 8, str. 714), což je možné s určitým zjednodušením chápat tak, že metan je 28× silnější skleníkový plyn než oxid uhličitý, resp. 1 tuna tohoto plynu má podobný účinek jako 28 tun CO2.

Zdroje emisí skleníkových plynů

Systémy výroby mléka mají dopad na životní prostředí emisemi skleníkových plynů, včetně oxidu uhličitého, metanu, oxidu dusného a oxidů dusíku, čpavku, sirovodíku a těkavých organických sloučenin. Kromě emisí skleníkových plynů se uvolňují pevné částice, včetně hrubého prachu a jemných částic. Mezi hlavní zdroje plynných emisí v provozech s chovem mléčného skotu patří krmení, ustájení zvířat, sběr, zpracování a skladování hnoje a jeho aplikace na půdu.

Na rozdíl od jiných sektorů, kde většina emisí skleníkových plynů připadá na oxid uhličitý (jako například v průmyslu), vznikají v zemědělství převážně jiné skleníkové plyny. Při přepočtu na CO2eq mají největší podíl emise metanu (42 %) a emise oxidu dusného (42 %). Emise metanu (CH4) vznikají v zemědělství převážně při procesu enterické fermentace (91 % emisí metanu), tedy během trávení přežvýkavců (krávy, kozy, ovce). V komplikovaném žaludku přežvýkavců, složeném ze čtyř propojených částí, žijí bakterie, které kvašením (fermentací) pomáhají rozkládat potravu na jednodušší látky. Množství vyprodukovaného metanu závisí hlavně na počtu zvířat.

Čtěte také: Vše o emisních normách

Dalším zdrojem metanu v zemědělství je také hnůj vznikající z odpadu vyprodukovaného chovanými zvířaty. V tomto případě vzniká metan činností bakterií, které rozkládají organickou hmotu bez přístupu kyslíku. Hlavním zdrojem emisí oxidu dusného (N2O) jsou zemědělské půdy, respektive způsob jejich obhospodařování. Množství emisí závisí například na množství a formě dodávaných hnojiv nebo na způsobu orby (zda a jak se půda oře). Látky (organické i syntetické), které se dostávají do půdy, jsou rozkládány bakteriemi. Organickou hmotu a složitější látky přeměňují na jednodušší sloučeniny využitelné pro rostliny - jedním z produktů těchto procesů je však i oxid dusný.

Nepřímé emise: Dusíkaté sloučeniny se z půdy uvolňují do ovzduší nebo pronikají do povrchových či podzemních vod (vyplavování). Zdrojem emisí oxidu dusného je také hnůj - N2O se uvolňuje při nitrifikačních a denitrifikačních procesech. Mezi faktory, které množství těchto emisí ovlivňují, patří např. forma hnoje (např. v tekuté kejdě vzniká více emisí než v sušší mrvě). Hnůj je rovněž zdrojem nepřímých emisí oxidu dusného: dusík se z hnoje uvolňuje např. ve formě amoniaku, který se v plynném nebo kapalném skupenství dostává do půdy nebo povrchových vod.

Emise CO2 představují 16 % celkových emisí ze zemědělství. Malé množství těchto emisí vzniká při vápnění půd a při aplikaci močoviny, výrazně větší podíl na emisích CO2 v zemědělství má spalování fosilních paliv. Vápnění slouží ke snižování kyselosti zemědělských půd - používá se vápenec nebo dolomit, oba se však postupně rozkládají (mimo jiné) na vodu a oxid uhličitý. Močovina se aplikuje na pole jako průmyslově vyráběné dusíkaté hnojivo. V půdě se však rozkládá na amoniak a oxid uhličitý.

Faktory ovlivňující emise skleníkových plynů

Udržitelnost je komplexní problém ovlivněný různými faktory, které jsou všechny vzájemně propojeny, včetně využívání půdy i vody, spotřeby energie a emisí do ovzduší. Další proměnné v živočišné výrobě souvisí s ustájením, vlastnostmi podlah, četností čištění, hospodařením s hnojem a kejdou a anaerobní skladování např. v bioplynové stanici. Ale je třeba vše vyhodnotit např. metaanalýzou, aby se určil objem emisí a našly se možnosti jejich zmírnění. Ke zlepšení udržitelnosti produkce mléka je zavést program s udržitelnými praktikami.

Na využívání půdy mají vliv různé faktory včetně populačního růstu, vládních programů a strukturálních změn v mlékárenském průmyslu. Určení klesající půdní základny pro produkci plodin je klíčovou složkou udržitelnosti. Využití pastvin k produkci potravinových zvířat snižuje konkurenci se systémy lidské výživy na bázi obilí v případě, že půda využívaná k pastvě není vhodná pro pěstování obilnin. Efektivní systémy chovu založené na pastvinách se často vyznačují vysokou dojivostí na jednotku půdy, zatímco uzavřené stáje se tradičně vyznačují vysokou dojivostí na krávu.

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Přemístěním krav z uzavřených systémů ustájení do systémů založených na pastvě by se pravděpodobně snížila závislost mléčných farem na ropné energii spojené s aspekty, které se netýkají dojení. Moderní mléčné farmy využívají elektrické a ropné zdroje energie pro vozidla, čerpadla, motory, dojící jednotky a chlazení, osvětlení a ochlazování. Téměř 50 % energie spotřebované na mléčných farmách se spotřebuje na chlazení mléka, elektrické ohřívače vody a vývěvy a zbytek se používá v ustájovacím prostoru včetně osvětlení, krmných zařízení, ventilace a manipulace s hnojem.

Velké moderní farmy s volným stáním spotřebují méně elektrické energie na krávu díky vyšší účinnosti systémů chlazení mléka a rekuperaci tepla. Dlouhé denní osvětlení a složité systémy manipulace s hnojem ve velkých mléčných farmách však spotřebují více energie. Obavy z rostoucích nákladů na neobnovitelné zdroje energie vedou ke zvyšující se poptávce po alternativních zdrojích energie. Anaerobní fermentace kejdy v bioplynových stanicích je běžná metoda, která vytváří těkavé organické kyseliny, které jsou metabolizovány na metan a oxid uhličitý.

Snižování emisí skleníkových plynů

Živočišná výroba představuje téměř jednu třetinu vodní stopy lidské činnosti a 98 % této vodní stopy tvoří voda potřebná k výrobě krmiva. Zvýšení efektivity produkce mléka a krmných dávek s vyšším podílem píce by snížilo vodní stopu. Kromě toho výběr inovativních krmných surovin a sestavování dávek na základě znalosti vodní stopy jsou zásadní pro zlepšení udržitelnosti produkce mléka. S růstem populace a rostoucí poptávkou po nefarmářském využívání vody, je nutné zajistit využívání vody, zejména v sušších oblastech.

Omezovat produkci emisí v zemědělství lze různými cestami; je možné redukovat spotřebu živočišných produktů, zefektivnit výrobu, ekologicky hospodařit s půdou, omezit používání umělých hnojiv, hledat alternativní zdroje energie a paliv. V chovech skotu se nejčastěji lze setkat se strategiemi založenými na úpravě výživy, podávání inhibitorů metanu nebo genetické selekci s cílem snížit tvorbu metanu.

Mezi doporučené strategie pro snižování emisí skleníkových plynů, především metanu, patří inhibitory metanu přidávané do krmiv. Zkoumalo se například podávání rostlinných olejů, tříslovin, vyšší zastoupení koncentrovaných krmiv, nebo využití dusičnanů jako „pohlcovačů“ vodíkových elektronů (Beauchemin et al., 2020). Vyšší míra zařazení olejů však negativně ovlivňuje příjem krmiva, funkci bachoru a užitkovost zvířat, konkrétně složky mléka (Cobellis et al., 2016). Zvýšení podílu koncentrovaných krmiv s sebou nese vysoké náklady a představuje poměrně vysoké riziko narušení bachorových funkcí (Agle et al., 2010). Třísloviny mohou mít negativní vliv na stravitelnost živin. V případě dusičnanů mohou jejich zavedení do praxe bránit obavy o zdraví zvířat, ačkoli autoři jiných studií žádný vliv na zdraví nezaznamenali (např. Olijhoek et al., 2016).

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Inhibitor metanu, který má v současné době největší potenciál, je 3-nitrooxypropanol (3-NOP), který inhibuje enzym zodpovědný za tvorbu tohoto plynu v trávicím traktu dojnic (Pitta et al., 2022). Tato látka dokáže zajistit pokles denních emisí metanu o 28 až 32 % a nemá žádný vliv na příjem sušiny ani produkci (Hristov et al., 2022). Kvůli své chemické struktuře a rozpustnosti je však pravděpodobně doba trvání účinku 3-NOP v bachoru poměrně krátká (Hristov et Melgar, 2020). Tricarico et al. (2022) proto navrhli další zkoumání jeho účinnosti v průběhu času a v závislosti na podílu neutrálně detergentní vlákniny v krmné dávce. Aktuálně je 3-NOP schválen Evropským úřadem pro bezpečnost potravin (EFSA, 2021) a pod názvem Bovaer® má povolení k prodeji ve více než 45 zemích včetně EU.

Genetická selekce krav s nízkou produkcí metanu je jednou z dalších metod k zajištění snížení emisí skleníkových plynů. Na rozdíl od dietních strategií má genetika výhodu v tom, že její účinky jsou aditivní a trvalé. Intenzita metanu (množství metanu vyprodukovaného na jednotku vyrobeného mléka) je slibnou vlastností (fenotypem), která by mohla být zahrnuta do selekčního indexu (Kandel et al., 2018). Výsledky nizozemské studie naznačily, že přidáním produkce metanu jako selekčního kritéria lze snížit intenzitu jeho emisí o 24 % do roku 2050 (de Haas et al., 2021), což naznačuje, že rovněž pomocí nástrojů genetiky je možné významně přispět k dosažení cíle stanoveného EU, kterým je dosažení klimatické neutrality.

Emise skleníkových plynů z čistíren odpadních vod

Lenka Smetanová, Josef K. Skleníkové plyny - methan a oxid dusný - jsou v čistírnách odpadních vod produkovány i v provzdušňovaných technologických uzlech. Aerace vede k jejich rychlému stripování z vody a transportu do atmosféry. Měřili jsme produkci skleníkových plynů v malé domovní ČOV s přerušovanou aerací a zjistili jsme, že denní produkce oxidu uhličitého odpovídá stovkám gramů, produkce oxidu dusného desítkám gramů N2O/m2/den a produkce methanu jednotkám gramů CH4/m2/den. Oxid dusný vzniká i při nitrifikaci. Z hlediska ochrany ovzduší je zřejmé, že podíl plynných emisí z ČOV bude nutno dále sledovat.

Čistírny odpadních vod jsme zvyklí hodnotit především z hlediska vypouštění vyčištěných odpadních vod, tedy emisí znečišťujících látek do vodního prostředí, a sledována a bilancována je i produkce kalů. Emise plynných látek jsou uvažovány hlavně v souvislosti s kalovým hospodářstvím, ale plyny jsou produkovány také přímo v odpadních vodách a ve všech biologických procesech, které v systémech čištění odpadních vod probíhají.

Odpadní vody jsou celosvětově pátý největší antropogenní zdroj emisí CH4 a šestý největší přispěvatel v produkci emisí N2O. V roce 2000 byl podíl emisí CH4 z odpadních vod 9 % celkových emisí methanu a podíl emisí N2O 3 % celosvětových emisí oxidu dusného. Indie, Čína, Spojené státy a Indonésie společně produkují 49 % emisí methanu z odpadních vod a 50 % emisí N2O z komunálních odpadních vod.

Dále se budeme zabývat hlavně emisemi vznikajícími při vlastním biologickém čištění odpadních vod, což jsou tzv. přímé emise. Čištění komunálních odpadních vod je založeno na intenzifikaci biologických procesů, které jsou řízeny tak, aby primárně docházelo k odstranění organického znečištění a nutrientů. Oxid uhličitý vzniká při anaerobních i aerobních podmínkách. Během procesů čištění odpadních vod je znečištění (charakterizované jako BSK) buď inkorporováno do biomasy, nebo přeměněno na energii pro biosyntézu bakterií spojenou s produkcí CO2 (popř. dalších produktů). Část biomasy je dále přeměněna na CO2 a CH4 přes endogenní respiraci [3]. Při aerobních procesech je CO2 produkován při degradaci organických látek do jisté míry i při primárním čištění. Produkce oxidu uhličitého při čištění tedy závisí především na množství a koncentraci čištěné odpadní vody.

Oxid dusný je jako skleníkový plyn téměř 300x účinnější než oxid uhličitý, proto se pozornost výzkumu v této oblasti v poslední době zaměřuje především na procesy, kde je N2O produkován. To jsou v čistírnách odpadních zejména denitrifikace a nitrifikace. Obecně je denitrifikace vícekroková anoxická redukce dusičnanu na plynný dusík heterotrofními mikroorganismy. Téměř vždy při tom vzniká také N2O. Při nitrifikaci dochází k aerobní oxidaci amoniaku na dusičnan přes dusitan.

Provozním parametrem, který má pravděpodobně kritický vliv na produkci a emise oxidu dusného, je koncentrace rozpuštěného kyslíku [6]. Koncentrace rozpuštěného kyslíku je při biologickém čištění cíleně řízena tak, aby bylo dosaženo co nejlepší účinnosti odstranění znečištění v odpadní vodě při přijatelných nákladech. Nedostatečný přísun rozpuštěného kyslíku při nitrifikaci může způsobit nekompletní nitrifikaci - v těchto podmínkách autotrofní bakterie oxidující amoniak redukují dusitan na oxid dusný (místo na dusičnan) [7]. Heterotrofní denitrifikace naopak vyžaduje anoxické podmínky. Přítomnost kyslíku může inhibovat denitrifikační enzymy, které se podílejí na přeměně oxidu dusného na plynný dusík [9].

Methan produkují methanogenní Archaea při fermentaci komplexních organických látek za anaerobních nebo i jen anoxických podmínek. Methan tedy vzniká v ČOV především v místech, kde je vysoká koncentrace organického uhlíku (CHSK, BSK) a nízká koncentrace kyslíku. Rozpuštěný methan je však přítomen v každé části ČOV a emise tohoto plynu tedy mohou vznikat v každém technologickém stupni [10]. Značný podíl methanu již do ČOV vstupuje kanalizačním systémem [11], jelikož rozpuštěný methan se vyskytuje v každé surové odpadní vodě [12].

Na rozdíl od přirozených sladkovodních, mořských nebo půdních prostředí jsou emise plynů z čistíren odpadních vod výrazně zvýšeny v důsledku intenzivní aerace, tj. stripovány z média přiváděným vzduchem. Oxid dusný je relativně dobře rozpustný ve vodě, pokud se aktivně nestripuje, může se akumulovat v poměrně velkém množství v kapalné fázi. Měření N2O v plynné fázi na reálných ČOV ukázalo, že emise jsou řádově 2-3x vyšší v aerovaných zónách než v neprovzdušňovaných zónách [14, 15]. Významná množství methanu mohou unikat i při aerobních procesech čištění odpadní vody [16].

Produkce jednotlivých plynů (měřeno nad aktivační nádrží) se pohybovala řádově ve stovkách (oxid uhličitý), desítkách (oxid dusný) a jednotkách (methan) gramů na metr čtvereční za den. Ve srovnání s největšími producenty skleníkových plynů (energetika, zemědělství, průmysl) nejsou čistírny odpadních vod zásadní zdroje, nicméně pro představu: aktivační nádrž o ploše 20 m2 teoreticky může za rok vyprodukovat tisíce kilogramů oxidu uhličitého, stovky kilogramů oxidu dusného a desítky kilogramů methanu, což nejsou zanedbatelná množství.

tags: #emise #sklenikovych #plynu #faktory #ovlivnujici

Oblíbené příspěvky:

• Historický kontext budování vodních děl
• Dotace na renovace památek
• Veřejný sektor a ekologie
• Franke Cube 30 - recenze
• Přírodní plasty od včel