Božo Ilić prof. dr, Branko Savić, prof. dr, Nenad Janjić, prof. dr
Visoka tehnička škola strukovnih studija
Novi Sad, Republika Srbija
Email: bozoilic66@gmail.com
KORŠIĆENJE OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE U PROCESU PROIZVODNJE HRANE
Sažetak rada: Cilj rada: Cilj ovog rada jeste da se prikažu neki od mogućih načina korišćenja obnovljivih izvora energije u procesu proizvodnje hrane, prednosti ali i neka ograničenja vezana za korišćenje obnovljivih izvora energije u procesu proizvodnje hrane. Metode rada: Tokom izrade ovog rada korišćene su različite naučne metode, kao što su: metoda analize (analize rezultata višegodišnjeg laboratorijskog i terenskog rada), metoda sinteze, metoda deskripcije, statistička metoda za obradu podataka itd.
Rezultati: Rezultati istraživanja naučno stručne literature su pokazali da je različite obnovljive izvore energije moguće koristiti na različite načine u procesu proizvodnje hrane. Zaključak: Na osnovu rezultata istraživanja može se zaključiti da se korišćenjem obnovljivih izvora energije u procesu proizvodnje hrane, kao i u druge svrhe mogu postići pozitivni efekti, kao što je: smanjenje emisije gasova koji pojačavaju efekat staklene bašte (pre svega CO2 i metana CH4) i zagađuju životnu srednu, što doprinosi smanjenju globalnog zagrevanja i zaštiti životne sredine; smanjenje uvoza fosilnih goriva; otvaranje novih radnih mesta (navedena tri efekta se nazivaju efekat “3E”- ekologija, energetika, ekonomija); smanjenje troškova za energiju; pojava novih proizvodnih programa i usluga; razvoj lokalne industrije, povećanje sigurnosti snabdevanja energijom; stvaranje mogućnosti za upotrebu različitih izvora energije; stvaranje mogućnosti za efikasnije korišćenje sopstvenih potencijala u proizvodnji energije itd. Ključne reči: Obnovljivi izvori energije, toplotna i električna energija, biogorivo, poljoprivredno đubrivo, proizvodnja hrane.
Rad:
Preokupacije savremene civilizacije su da obezbedi dovoljno hrane za sve veći broj stanovnika, dovoljno sirovina za savremenu industrijsku proizvodnju i dovoljno jeftine i kvalitetne energije. Pomanjkanje bilo hrane, sirovina ili energije dovelo bi do ozbiljnih poremećaja u savremenoj privredi i društvu.
Trenutno svet pokriva svoje energetske potrebe uglavnom neobnovljivim izvorima energije, većinom fosilnim gorivima (ugljem, naftom i prirodnim gasom). Kao što i samo ime kaže, ovi izvori energije nisu obnovljivi, a to znači da ne mogu trajati večno, te će u određenom trenutku biti potrošeni. Takođe fosilna goriva su vrlo štetna za okolinu, jer prilikom sagorevanja:
– emituju u atmosferu velike količine gasova koji pojačavaju efekat staklene bašte (ugljen-dioksid CO2, metan CH4 itd.) i tako utiču na globalno zagrevanje Zemlje.
– emituju u atmosferu velike količine gasova (ugljen monoksida, sumpor dioksida, azotnih oksida), dima, pepela, prašine i drugih čestica koje zagađuju životnu sredinu.
Kako bi se zaustavile ili bar ublažile navedene negativne pojave i omogućio održivi razvoj, opšti trend u svetu je težnja ka smanjenju potrošnje neobnovljivih izvora energije (fosilnih goriva) i to na dva načina:
– korišćenjem obnovljivih izvora energije umesto neobnovljivih i
– poboljšanjem energetske efikasnosti.
Zbog navedenog su se države EU, i mnoge druge države u svetu, opredelile da u svoje strategije energetskog razvoja i zaštite životne sredine ugrade planove za veće korišćenje obnovljivih izvora energije i za poboljšanje efikasnosti korišćenja energije i da uspostave zakonodavni okvir u kojem će ti planovi biti ostvareni.
Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se nalaze u prirodi i obnavljaju se u celosti ili delimično, to su:
– energija vodotokova (hidroenergija),
– energija vetra,
– solarna energija (energija Sunca),
– geotermalna energija,
– energija okeana (energija morskih struja i talasa, energija plime i oseke),
– vodonik,
– energija biomase, koja može biti:
• čvrsta biomasa,
• tečna biomasa (tečno biogorivo: bioetanol, biometanol, biodizel),
• gasovita biomasa (gasovito biogorivo: biogas, sintetički gas) itd.
Vodeni mlinovi i vetrenjače koje su koristili naši preci proizvodili su mehaničku energiju iz obnovljivog izvora energije. Oko 1.200 godine pojavljuju se i u Evropi, vetrenjače su se koristile za mlevenje brašna i pumpanje vode, za odvajanje zrnevlja od stabljika, u pilanama itd.
Kod geotermalne energije, koristi se toplota iz dubina Zemlje za proizvodnju električne energije. Već postoje sistemi toplotnih pumpi koji prenose toplotu samo nekoliko metara ispod površine u vrtove i kuće u svrhu grejanja, ovo je relativno nova, ali obećavajuća tehnologija.
Solarni kolektori predstavljaju sisteme koji na najjednostavniji način sunčevu energiju pretvaraju u toplotnu. Vazdušni kolektori su specijalni tip kolektora sa ravnom pločom u kojima se vazduh zagreva i, za najveći deo, koristi direktno bez posrednog skladištenja za grejanje objekta. Zagrejani vazduh se takođe može koristiti za sušenje poljoprivrednih proizvoda lekovitog i drugog bilja. Pomoću izmenjivača toplote vazduh-voda, takođe se može grejati i voda, na primer za domaću upotrebu.
Pojam biomasa koji je zapravo skraćenica pojma biološka masa. Biomasa predstavlja jedan od najznačajnijih obnovljivih izvora energije, to je zajednički pojam za brojne, najrazličitije organske materije biljnog i životinjskog porekla (biljaka, životinja i njihovih produkata), koje se različitim procesima pretvaraju u druge oblike energije pogodne za dalju upotrebu. Biomasa se dobija iz biljaka, životinja i gradskog otpada. S obzirom na postojanje vrlo velikog broja otpadnog materijala, koji u određenoj meri sadrži biomasu, ali pored biomase sadrži štetne i opasne materije, razvijene zemlje pod pojmom biomasa uglavnom definišu gorivo koje se može smatrati kao čisto gorivo, bez štetnih i opasnih materija u sebi, koje se mogu naći u obojenim i na neki drugi način hemijski tretiranim drvetom, pri procesima u drvno-prerađivačkoj industriji.
Prvi i najstariji izvor energije koji su ljudi koristili je biomasa, to je obnovljivi izvor energije koji se danas široko koristi i koji doprinosi zaštiti naše okoline, kao i generalno, otvaranju novih radnih mesta i ukupnom razvoju gradova, opština i cele države. Istorijski gledano, biomasa je bila osnovni izvor energije za čovečanstvo, uglavnom u obliku drveta koje se koristilo za grejanje i spremanje hrane, dok su industrijskom revolucijom primat preuzela fosilna goriva. U Srbiji se biomasa uglavnom upotrebljava na tradicionalan način i to u vidu energije za grejanje, kuvanje ili zagrevanje tople vode. Pored ovih vidova upotrebe, biomasa se može koristiti i u kogeneracijskim postrojenjima za proizvodnju električne i toplotne energije, potom kao sirovina za proizvodnju biogoriva, a može se koristiti i u industriji za proizvodnju vlakana i hemikalija.
Korišćenje čvrste biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju toplotne energije za grejanje staklenika. – Primer korišćenja čvrste biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju toplotne energije za grejanje plastenika, prikazan je na slici 1. Toplotna energija se dobija pomoću solarnih kolektora, a ako ta količina toplote nije dovoljna onda se sagorevanjem čvrste otpadne biomase iz poljoprivrede (reznice voća i vinograda), drveta ili peleta (šumskih ili poljoprivrednih) u kotlu oslobađa toplotna energija.
Slika 1. Korišćenje biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju toplotne energije za grejanje staklenika
Poljoprivrednu biomasu čine ostaci iz ratarske proizvodnje (poput pšenične slame, kukuruzovine, oklaska, stabljika i sl.) koji se dobiju kada se odvoji glavni proizvod (pšenica, kukuruz, suncokret i sl.), zatim ostaci rezidbe u voćarstvu i vinogradarstvu (granje i sl.), potom ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda (koštice, ljuske i sl.). Nakon berbe kukuruza na njivama ostaje kukuruzovina (stabljika sa lišćem). Iako je neosporno kako se kukuruzovina mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporučuje se zaoravanje 30% do 50% kukuruzovine, što znači da za energetsku primenu ostaje najmanje 50%. To predstavlja značajnu količinu, ako bi se preostala kukuruzovina iskoristila za ogrev zimi ili za sušenje poljoprivrednih kultura i sl, uštedela bi se energija koja se koristila za tu namenu.
Biomasu sa farmi životinja čine ostaci životinjskog porekla nastali u poljoprivredi (čvrsti i tečni stajnjak (stajsko đubrivo)), kukuruzna silaža, itd. slika 2.
Slika 2. Proizvodnja biogasa i biodizela i đubriva za poljoprivredu
Biogoriva mogu biti proizvedena neposredno iz biljaka ili posredno iz industrijskog, komercijalnog, domaćeg i poljoprivrednog otpada. Postoje različite vrste biogoriva koja se dele na: biogoriva prve generacije, biogoriva druge generacije i biogoriva treće generacije, zavisno od izvora materijala za proizvodnju, troškova proizvodnje, cene i emisije ugljen-dioksida.
Osnovne sirovine za proizvodnju biogoriva prve generacije konvencionalnim tehnološkim postupcima su šećer, skrob, biljna ulja i životinjske masnoće, odnosno sirovine koje su hrana za ljude i stoku. Najveći problem s biogorivima prve generacije je zapravo činjenica da je proizvodnja biogoriva pretvaranje hrane u gorivo, a to loše utiče i na cenu i na dostupnost hrane širom sveta, a već sad postoji gotovo milijarda ljudi koji žive na rubu gladi.
U biogoriva prve generacije spadaju: bioetanol (bioalkohol), biodizel, biogas, sintetički gas itd. Na primer bioetanol se proizvodi od biljaka koje sadrže puno šećera (šećerne trske, kukuruza), a za proizvodnju biodizela koriste se biljke koje sadrže više ulja (soja, kanola, uljana repica). Plasiranje nusproizvoda proizvodnje biogoriva je takođe veoma značajno za krajnju ekonomičnost biogoriva. Na primer, glicerin koji nastaje tokom proizvodnje biodizela se može prečistiti do farmaceutskog kvaliteta, a nusproizvodi proizvodnje bioetanola se mogu koristiti kao stočna hrana obogaćena proteinima.
Biogoriva druge generacije dobijaju se preradom poljoprivrednog i šumskog otpada. Za razliku od prve generacije, biogoriva ove generacije bi mogla znatno redukovati emisiju CO2, pored toga se ne koriste kao hrana. Biogoriva druge generacije koja su trenutno u proizvodnji su: biohidrogen, bio – DME, biometanol, DMF, HTU dizel, Fischer – Tropsch dizel i mešavine alkohola.
Biogorivo dobijeno pomoću specijalnih biokultura (na primer, alge oilgae) predstavlja treću generaciju biogoriva a same alge obnovljivu sirovinu za biogoriva budućnosti.
Pošto se biogas proizvodi tamo gde se organski materijal razgrađuje bez vazduha, postoji širok spektar organskih materija koje su pogodne za anaerobnu razgradnju, slika 3. Neke od tih materija su:
– čvrsto i tečno stajsko đubrivo (stajnjak) sa stočarskih i živinarskih farmi
– silaža trave i kukuruza
– poljoprivredni i šumski ostaci
– ostataci biomase nastali primarnom preradom poljoprivrednih proizvoda, a koji ne sadrže opasne materije, ostatke i delove životinja
– biološki otpad iz: klanica, pivara, destilerija, prerade voća i proizvodnje vina, mlekara, industrije celuloze, šećerana
– industrijske otpadne vode (šećerane, prerada melase, prerada krompira, proizvodnja voćnih sokova, mlekare, pivare, papir i celuloza)
– mulj iz kanalizacionih voda itd.
Slika 3. Princip proizvodnje biogasa i poljoprivrednog đubriva
Ostatak fermentacije je nusproizvod procesa anaerobne digestije, a postoji više načina za njegovo korišćenje. Prilikom korišćenja kao đubriva, u poređenju sa netretiranim stajnjakom, ostatak fermentacije ima niz prednosti, jer ima homogeniju strukturu, povoljniji odnos ugljenika i azota C/N, a hranljive materije su dostupnije biljkama. Pri tome, zamenjuju se mineralna hraniva za čiju proizvodnju je potrebno ulaganje energije, što direktno utiče i na smanjenje emisija GHG. Zbog anaerobnih uslova i povišene temperature, u fermentoru se odvija higijenizacija i odumiranje patogenih mikroorganizama. Tokom procesa fermentacije, razgrađuje se i niz organskih supstanci koje izazivaju neprijatne mirise, čime se uklanja negativan uticaj na stanovništvo u okolini. Proizvodnja i korišćenje biogasa u poljoprivredi imaju višestruki značaj. To se prvenstveno odnosi na doprinos zaštiti životne sredine u vidu smanjenja potencijala za globalno zagrevanje, ali i očuvanju prirodnih resursa – zemljišta i vode. Proizvodnjom i korišćenjem biogasa na poljoprivrednim farmama postiže se decentralizovano generisanje energije, ostvarenje prihoda za vlasnika biogas postrojenja i zapošljavanje lokalnog stanovništva. Sve navedeno doprinosi ostvarenju pozitivnih socio-ekonomskih efekata.
Proizvodnja toplotne energije za staklenike i električne energije i „CO2 đubrenje“. – Kroz hemijski proces fotosinteze, biljke sa hlorofilom kao katalizatorom preuzimaju CO2 iz vazduha i iz njega stvaraju ugljenik, koji je izvor rasta biljke. U prirodnom okruženju se po pravilu nalazi oko 350 ppm CO2. Optimalni udeo CO2 koji biljke mogu konzumirati je oko 800-1000 ppm. Zahvaljujući obogaćivanju atmosfere u staklenicima na ovaj nivo sadržaja CO2, rast biljaka se, na prirodan i ekološki način, povećava i do 40%. Ova tehnika se naziva „CO2 đubrenje“. Uobičajeni način obogaćivanja atmosfere sa CO2 u staklenicima se obavlja sagorevanjem zemnog gasa u tzv. CO2-gorionicima. Za istu namenu moguće je, uz odgovarajuću pripremu, koristiti izduvne gasove iz gasnih motora. Nezavisno od metode dobijanja CO2 nastaje oko 0,2 kg CO2 na svaki kWh dovedene energije gasa. Koncentracija CO2 u izduvnom gasu gasnog motora je 5 do 6%. Na slici 4. je prikazana šema „đubrenja sa CO2“ u staklenicima primenom GE Jenbacher gasnih motora uz istovremenu proizvodnju toplotne energije za grejanje staklenika i električne energije za vlastite potrebe, uz plasman viška u elektrodistributivnu mrežu. Izduvni gas iz gasnih motora može da se koristi direktno ili indirektno za procese sušenja – npr. u proizvodnji cigle i crepa, keramičkoj industriji ili za sušenje stoče hrane.
Slika 4. Proizvodnja toplotne za staklenike i električne energije i „CO2 đubrenje“
Ovakvo postrojenje donosi sledeće efekte:
– značajan porast prinosa u staklenicima
– plasman viška električne energije u elektrodistributivnu mrežu
– smanjenje izdataka za plaćanje vršnog opterećenja (maxigraf)
– nepotrebna investicija u dizel agregate za proizvodnju potrebne električne energije
– toplotna energija se koristi za grejanje staklenika i/ili eksternih potrošača (naselja, banja, topli vazduh za sušare itd.)
– postojeći kotlovi se koriste kao rezervni ili vršni, tj. njihov broj pogonskih sati bi se smanjio na minimum
– „CO2 đubrenje“.
Korišćenje biogasa za trigeneraciju-proizvodnju toplotne, rashladne i električne energije. – Kombinacija gasnih motora i apsorbcionih hladnjaka je dobro rešenje za rashlađivanje prostorija i određenih industrijskih procesa, slika 5. Otpadna toplota iz hladnjaka mešavine, motornog ulja, rashladne vode motora i izduvnih gasova, koristi se kao pokretačka energija. Kombinovanjem kogeneracionog postrojenja sa apsorbcionim rashladnim sistemom, moguće je iskoristiti sezonske viškove toplotne energije za dobijanje rashladne energije, čime se poboljšava ekonomičnost. Pomoću ovog koncepta, moguće je dostići ukupnu efikasnost od 75% (električna energija i hlađenje). Jasno, ovo povećava godišnji kapacitet postrojenja, ali i ukupnu efikasnost.
Slika 5. Proizvodnja toplotne, rashladne i električne energije (trigeneracija)
Apsorbcioni čileri obezbeđuju ekonomsku i ekološku alternativu konvencionalnom hlađenju. Kombinovanje visoko efikasne opreme za dobijanje energije, uz nisku emisiju, sa apsorpcionim čilerima, omogućava maksimalnu ukupnu efikasnost goriva, eliminaciju HCFC/CFC rashlađivača i sveukupno smanjenje štetnih emisija. Topla voda iz sistema za hlađenje kogeneracionog postrojenja služi kao pokretačka energija za apsorbcione čilere. Vrući izduvni gas se može iskoristiti kao energetski izvor za visoko efikasne parne čilere. Na ovaj način se više od 80% termičke energije kogeneracionog postrojenja može pretvoriti u rashladnu vodu. Na ovaj način se znatno povećava ukupna efikasnost kogeneracionog postrojenja.
LITERATURA
1. Ilić, B, Adamović, Ž, Kenjić, Z, Blaženović, R: Obnovljivi izvori energije i energetska efikasnost, Srpski akademski centar, Novi Sad, 2013.
2. Brkić, M, Janić, T: Mogućnosti korišćenja biomase u poljoprivredi, Zbornik radova sa II savetovanja: „Briketiranje i peletiranje biomase u poljoprivredi i šumarstvu”, Regionalna privredna komora iz Sombora i „Dacom” iz Apatina, Sombor, 1998, s. 5 – 9,
3. Danon, G, Bajić, V, Isajev, V, Bajić, S, Orešćanin, S, Rončević, S: Ostaci biomase u šumarstvu i preradi drveta i mogućnost gajenja „energetskih šuma”, poglavlje 2 studije: „Energetski potencijal i karakteristike ostataka biomase i tehnologije za njenu primenu i energetsko iskorišćenje u Srbiji”, Šumarski fakultet, Beograd, JP „Srbijašume”, Beograd, Institut za topolarstvo, Novi Sad, 2003, s. 25 – 56,
4. DEFRA Mechanical Biological Tretment of Municipal Solid Waste, Department for Environment, Food & Rural Affairs, United Kingdom, Department of Earth and Environmental Engineering, Foundation School of Engineering, 2013. Preuzeto sa http://www.defra.gov.uk/publications/ Pristup 11.03.2014.
5. Vujić G, Ubavin D, Stanisavljavić N, Batinić B: Upravljanje otpadom u zemljama u razvoju, Novi Sad: FTN Izdavaštvo, 2012.
Bozo Ilic, Branko Savic, Nenad Janjic
Renewal of renewable energy sources in the food processing process
Summary: The aim: The aim of this paper is to present some of the possible ways to use renewable energy sources in the process of food production, advantages, but also some restrictions related to the use of renewable energy sources in the process of food production. The methods: During the development of this work various scientific methods were used, such as the method of analysis (analysis of results of many years laboratory and field work), synthesis method, description method, statistical method for data processing, etc. Results: The results of the research of scientifically-qualified literature have shown that different renewable energy sources can be used in different ways in the process of food production. Conclusion: Based on the results of the research it can be concluded that using renewable energy sources in the food production process, as well as for other purposes, positive effects can be achieved, such as: reduction of greenhouse gas emissions (primarily CO2 and methane CH4) and Polluting the environment, which contributes to the reduction of global warming and environmental protection; Reduction of imports of fossil fuels; Opening new jobs (these three effects are called the „3E“ effect – ecology, energy, economy); Reducing energy costs; The emergence of new production programs and services; Development of local industry, increasing security of energy supply; Creating opportunities for using different energy sources; Creating opportunities for more efficient use of their own potentials in energy production, etc. Keywords: Renewable energy, heat and electricity, biofuel, agricultural fertilizer, food production.