Възобновяемата енергетика във фермата

И животновъдството, и земеделието, подобно на всяка друга човешка дейност, оказват значително влияние върху обкръжаващата ни среда. От една страна фермите са значителен консуматор на пространство (например за паша на животните) и на природни ресурси. От друга – големите обеми отпадъци са проблем, с който фермерите трябва да се справят. Растителни или животински, отпадъците отделят големи количества парникови газове, най-вече метан – най-мощния парников газ, смятан за няколко пъти по-силен в сравнение с въглеродния диоксид. Има и трета страна – фермите са големи консуматори на енергия: за отопление на помещения, за подгряване на вода, за охлаждане, за вентилация и др.

Всичко това обяснява смисъла от оползотворяването на наличните във фермата възобновяеми източници на енергия. На тези актуална и важна тема ще се спрем в този брой на списание АгроБио Техника.

Текст: списание АгроБио Техника

Плодовете на фермерския труд по света са единственият източник на храна за човека. Автоматизирането на фермерската работа чрез машини значително подобри ефективността на стопанствата през последните десетилетия. Днес обаче задвижването със силата на изкопаемите горива става все по-неприемливо. 

Преходът към възобновяема енергия във фермата не е само въпрос на алтруистичен стремеж за „опазване на климата“. Той има изцяло икономически смисъл. Пряката икономия е един от аспектите. Ако топлата вода в кравефермата може да се подгрява от слънцето, вместо в електрически бойлери, или ако сушенето на плодове може да се прави с топлина от небесното светило, това намалява сметките за електричество. От друга страна, не всякога възобновяемата енергия може да се консумира директно във фермата. Тогава тя може да се съхранява или да се продава. А продажбата носи приходи и печалба, които също компенсират разходите на стопанството. 

И в двата случая използването на ВЕИ води до спестяване на пари и до намаляване на себестойността на крайния продукт. В случая с възобновяемото електричество, чието съхранение е скъпо и трудно, по-често се прилага смесен модел: една част се използва директно и веднага във фермата, а друга (най-често излишъкът) се продава. В същото време по този начин се увеличава привлекателността на продукта на пазара. Потребителите все повече търсят екологични стоки, „създадени“ без ощетяване на природата. Все повече купувачи предпочитат да подкрепят, чрез своя избор, фермите, които щадят околната среда и вървят към въглеродна и ресурсна неутралност. 

В дългосрочен план може да се очаква и въвеждането на регулации и мерки за санкциониране на отделянето на парникови газове (напр. различни видове „въглероден данък“). Това означава, че производството чрез досегашните методи – с машини, задвижвани от изкопаеми горива – и несправянето с проблеми като емисиите от отпадъците на фермите ще започнат да се измерват с преки разходи. Продуктите на стопанствата, работещи по „стария“ начин, ще се оскъпяват.  Какви източници са на разположение на фермерите? Възобновяемите технологии, на които стопанствата могат да разчитат, включват слънчевата и вятърната енергия, биомасата, геотермалната енергия, термопомпените механизми, в скоро време и морските вълни. 

Соларна енергия или агрофотоволтаика 

Фотоволтаичните системи за производство на електричество отдавна са разпознати като добър приятел на фермера – и най-вече на неговия бюджет. Те произвеждат електричество от слънчевото греене. А фермите, в общия случай, имат много място за фотоволтаични панели. Покривите на селскостопанските сгради – огромни равни или леко наклонени пространства – могат да бъдат покрити със соларни модули. Наколни фотоволтаични модули пък могат да се разполагат сред ливадите и пасищата. 

Енергията от фотоволтаици може да се използва директно, да се продава на дружества за търговия с електричество или да се съхранява в акумулаторни системи за използване по-късно. Най-приложим е комбинираният модел с моментално използване и продажба на излишъка. Приходите от продажбата допълват бюджета на стопанството. 

В птицефермите слънчевото електричество може да осигурява електрозахранването на вентилаторите за проветрение на помещенията, както и за климатизиращите системи през горещите дни. Известно е, че липсата на проветрение и поддръжка на нормална температура може да убие младите птици (според някои изследвания – само за 7 минути). В комбинация с акумулаторна система и LED осветителни тела, соларното електричество в птицефермата може да бъде напълно достатъчно за осигуряването на необходимото изкуствено осветление в тъмната част на денонощието.

Това е специфично за птицефермите, където при дадени етапи от растежа на пернатите осветлението трябва да е включено продължително време.  По аналогичен начин соларното електричество, съхранявано чрез акумулаторни масиви, подпомага и зеленчуковите ферми. То може да осигурява продължителна интензивна светлина за отглеждане на разсада.  Много популярно приложение на соларната електроенергия са електропастирите. С фотоволтаични панели и компактни акумулатори пасищата могат да бъдат ефективно заградени, без да е нужно да се доставя ток от електропреносната мрежа – и да се заплаща за него.

Наколните фотоволтаични модули сред пасищата имат и други ползи ползи, освен, че произвеждат електроенергия. Те осигуряват сянка, която е много нужна на пасищните животни по пладне в знойните летни дни. Със своята частична сянка фотоволтаиците щадят и растителността от жаркото слънце. Това води до наличието на повече и по-влажна растителност за тревопасните животни.  По аналогичен начин наколните фотоволтаични системи могат да осигуряват сянка по пладне и за пчелни кошери. Предпазвайки земята от прегряване, соларните панели спомагат за наличието на по-свежа растителност, подобряване на цъфтежа на дивите растения – а това благоприятства пчелните семейства.

Най-новите изследвания с наколни соларни системи във ферми сочат, че при отглеждане на домати, кейл и други култури на открито наличието на частично засенчване, каквото осигуряват PV модулите, намалява топлинния стрес за растенията. Крайният резултат е повишаване на добивите. Интересна за млечните ферми е възможността да се използва ток от фотоволтаици за охлаждането на млякото и млечните продукти. Съществено е, че пиковото производство на ток съвпада с пиковото потребление. Фотоволтаици могат да се инсталират и върху специализираните автомобили за превоз на млечните продукти – така слънчевото електричество ще подпомага охладителните системи, за да не се консумира гориво от автомобила. 

Фотоволтаиката навлиза с бързи темпове и в рибовъдството. Електричеството е важно за циркулацията на водата и съответно за аерацията й и насищането с кислород – фактор от критично значение за живота на водните животни, тяхното израстване и наддаване до достигане на необходимото телесно тегло. В изкуствените басейни мощни помпи циркулират водата постоянно. В естествените басейни – езера и морета – също е възможно да се наложи изкуствена циркулация на водата, за да може богатият на кислород повърхностен слой да се смеси с по-долните пластове. Рядко тези консуматори могат да бъдат удовлетворени само със слънчеви панели. Прилагането на фотоволтаиката обаче може да се разчете за почти пълно покриване на дневната консумация на помпите. При наличие на разлика в цените между „дневна“ и „нощна“ електроенергия това означава намаляване на използването на „скъп ток“. 

Електричеството, добито от соларни панели, може да се използва и при обезвлажняване на плодове и растения. Популярността на сушените плодове и билките набира скорост. Помещенията, където те се сушат, се нуждаят от топлина и най-вече от интензивна вентилация. И двата вида енергия могат да се осигурят от фотоволтаици.  Към всичко това следва да се добави и предстоящото навлизане в селското стопанство на електрически превозни средства – от автомобили за транспортиране на продукцията до трактори и специализирани машини. За момента технологията им е все още твърде несъвършена за приложение на полето. Но с усъвършенстването им и навлизането им нуждата от зареждане на електрическите превозни средства само ще нараства. Тогава наличието на соларни инсталации може да осигури голяма част от енергията, нужна за работата на превозните средства. 

Термална соларна енергия 

Топлинната енергия на слънцето може да се използва в животновъдните ферми за подгряване на вода чрез слънчеви колектори. При отглеждането на птици клетките и оборудването редовно трябва да се почистват, при което се използват големи количества топла вода. Соларните колектори могат да осигурят умерено до средно топла вода за тази цел. Системата обикновено се състои от масив от соларни колектори, най-често върху покрив, и голям резервоар, свързани помежду си и с водопреносната система на фермата. 

Слънчевите колектори за топла вода могат да покрият нуждите от топла и гореща вода във и фермите за производството на мляко, млечни продукти и месо. В млечните ферми горещата вода служи за почистване, промиване и дезинфекциране на апаратурата за млеконадой, преработка на храната, за пастьоризация. При преработката на месо горещата вода е потребна при почистването на помещенията и оборудването в кланиците.  Достъпните на пазара технологии за термални слънчеви панели могат да подгреят водата до температура от около 60ºC. Това, в комбинация с подходящи препарати, е предостатъчно за осигуряване на хигиена. 

Слънчева топла вода може да захранва и санитарните помещения за служителите. Наред с това слънчевите колектори могат да подгряват вода и за захранване на системи за подово отопление във фермите. Подовото отопление се счита за едно от най-ефективните отоплителни решения и е особено ценно при животновъдните ферми. В тези случаи соларните панели подгряват работен флуид – най-често смес от вода и гликол – която се циркулира в серпентина под повърхността. Част от работния флуид може да бъде отведен към бойлер – резервоар с вода – така че да осигурява и топла вода. При нужда водата може да се доподгрява от резервен нагревател (газов, електрически и др).  Както и при фотоволтаичните системи, рядко соларният масив съответства изцяло на потребността от топла вода. Ако е нужно доподгряване, най-често затоплянето се допълва с електрически бойлери или такива на газ/биогаз. 

Вятърна енергия

От всички видове възобновяема енергия вятърната е най-слабо развитата във фермерството. Електроенергията, произвеждана от маломерни вятърни турбини, може да се използва за всичко, за което и фотоволтаичната: за охлаждане на мляко и месо, за захранване на вентилационни системи, за осветление и др. Инсталирането на вятърна турбина обаче е оправдано за регионите с постоянни и относителни силни ветрове – това са предимно крайморските зони и някои планински области. 

Дори в подобни региони обаче използването на ветрогенератори не е лесно достъпно. Пречките за внедряване започват с високата цена на първоначалната инсталация – сумите трудно се оправдават, особено като се има предвид, че не става дума за постоянен източник. Липсата на лесен достъп до резервни части прави трудна поддръжката. Липсата на кадърни техници, които да поправят апаратурата при нужда, също е проблем. 

Микро-ВЕЦ: поточни турбини 

Водноелектрическата енергия е популярна по света: евтина и надеждна. Микро-ВЕЦ системите, които произвеждат неголеми количества електроенергия, стават все по-популярни из селските райони на много страни. Маломерните водни турбини (обичайно с капацитет под 1 MW) работят подобно на големите си „братя“: водата от реки и потоци завърта витлова система, турбината се върти и задвижва генератор, който прави електроенергия. 

Малките водноелектрически турбини се задвижват от водата на самите потоци и за тях не се изграждат големи водни резервоари подобно на същинските ВЕЦ; не е необходима денивелация за работата им. Те се поставят директно във водния поток, поради което така и се наричат – поточни. Течението на самия поток остава непроменено. Не е необходима друга съществена инфраструктура за работата на такива турбини. Поради неголемия капацитет на кинетичната енергия в малката река и капацитетът на поточните турбини не е голям: от няколко вата до максимум 5 киловата. Все пак това може да бъде достатъчно за енергийно ефективна осветителна LED система, за вентилацията в сушилня или други относително дребни приложения.

Геотермална енергия 

За разлика от слънцето и вятъра, геотермалната енергия е източник на постоянна, предвидима топлинна енергия. Това все по-често я поставя в радара на вниманието на фермерите. Геотермалните системи се състоят от хоризонтална серпентина или вертикална тръба, разположена под земята, и термопомпа. 

С първоначалното изграждане на ферма стопаните биха могли предвидливо да вградят геотермална система за осигуряване на отопление и охлаждане на своя обект и това е метод еднакво приложим за отглеждането и на птици, и на едър, и на дребен добитък, и на свине, а също и в земеделието. Добивайки топлина от дълбочината на земните недра през зимата и хладина през лятото, чрез термопомпа, фермерите могат да си спестят потреблението на електричество от мрежата и използването на котли на база горивни процеси. 

Големият недостатък на геотермалните системи е тяхната висока първоначална инвестиция. В дългосрочен план обаче тя се изплаща – средно за около 4-7 години. При добро проектиране прави излишни повечето други топлинни източници. За работата й е необходима само електроенергия за циркулационните помпи и термопомпата, която пък може да се осигури чрез фотоволтаични панели. 

Друга популярна форма на геотермалната енергия, особено у нас, е използването на топла/гореща изворна вода от горещи извори за директно захранване на отоплителни инсталации. В регионите с горещи извори на практика е достъпна неизчерпаема и неограничена топлинна енергия – инвестиция е необходима само за същинската инсталация. 

Интересна е възможността за използване на геотермалната енергия в рибовъдните стопанства. Разчитайки на топлината от горещи извори, в различни части на света успешно се поддържат ферми за отглеждане на топлолюбиви водни животни на „необичайни“ места – например тилапия, скариди. Водата във водните резервоари е с висока температура – 36С° до 38С°. Предвид местата, където могат да се използват геотермални извори, собствениците на подобни стопанства се възползват от редица допълнителни „екстри“: чист въздух, достъпна работна ръка, чисти води. 

Биогаз и биомаса

Във фермите, особено животновъдните, котлите на биогаз или биомаса могат да осигурят електричество за стопанството – а също и топлина и дори охлаждане. В основата на системите за биогаз е анаеробното разграждане. Това е процес, чрез който бактерии разграждат органичните вещества – животински тор, хранителни отпадъци и др. – в отсъствието на кислород. Анаеробното разграждане за производство на биогаз се извършва в затворен съд, наречен реактор, който се проектира и конструира в различни форми и размери, специфични за мястото и условията. Реакторите съдържат сложни микробни общности, които разграждат отпадъците и произвеждат в резултат биогаз и още един продукт – утайка, наречена още дигестат.

Практиката показва, че най-популярната суровина са животинските екскременти от фермата, но те могат да се допълват с други видове органични отпадъци, например храни, растителни отпадъци; мазнини (напр. от уловители за мазнини в ресторанти). Това, така наречено съвместно разграждане, може да увеличи производството на биогаз. Полученият от разграждането метанов газ се изгаря в котли, генериращи пара, която пък служи за производството на електроенергия, наричана още биоенергия. Котлите на биомаса правят същото, изграяйки отпадъчни биологични материали: царевични стебла, костилки от череши, черупки от ядки и др. Интересно при котлите на биогаз е, че отпадъчният продукт – т. нар. дигестат – може да се използва за наторяване. Освен това отделеният биогаз, освен за генератора, може да захранва и готварска печка. 

Голямото предимство на системите за биогаз и биомаса е, че превръщат проблема в полза: отървава фермата от отпадъците и осигурява енергия от тях. В по-дългосрочен план това може да се окаже ключово решение за избягване на финансови утежнения, каквито са налозите за отделяни парникови емисии. Наред с това се намалява замърсяването на почвите и водите – традиционен проблем при много ферми, заради което на някои места по света вече се налагат тежки финансови санкции. 

Сред недостатъците на системите за биогаз е влиянието на околната температура върху производството на биогаз. Разграждането се влияе от времето. Оптималните температури, от които бактериите се нуждаят за смилането на отпадъците, се движат около 37°C. При студен климат реакторите се нуждаят от подгряване, за да могат да поддържат постоянна доставка на биогаз. Любопитно наблюдение е, че сполучливите инсталации на котли на биогаз във ферми се случват при партньорството между фермери, които „нямат понятие“ от енергетика, и енерго-инженери, които нищо не разбират от фермерство. 

Водородът като гориво за селскостопанските машини

Водородът като гориво има качества, които безспорно го определят като гориво на бъдещето. Водородът е наличен неограничено и навсякъде и изгаря без въглеродни емисии, включително въглероден диоксид. Той обаче е силно реактивен и се намира в свързани форми. Тъй като отделянето му от различни съединения става с използване на енергия, рентабилността на приложението му зависи от усъвършенстване на процесите на добив.

Водородът може да се използва в два типа двигатели – с горивни елементи с присъединен електродвигател и при модифицирани двигатели с вътрешно горене. Той е приложим при бензинови и при дизелови двигатели, но при вторите употребата му не е икономически ефективна. Ако сместа се приготвя външно, конструкцията е опростена, но работния обем на двигателя е малък и горенето е неравномерно. При вътрешно приготвяне на горивната смес пък са необходими по-големи технически разходи. Все повече производители на селскостопанска техника разработват и двигатели с водородни горивни клетки. Първите модели от тях вече са налични на пазара, а други се очакват да се появят скоро. 

Енергия от морското вълнение 

Добиването на енергия от морските вълни все още е в ранен етап и и повечето съществуващи устройства за прототипни. Някои от тях приличат на гигантски фунии, в които водата влиза и се канализира в дадена посока, за да завърта ротационен механизъм за производството на ток. Други механизми разчитат на постоянното надигане и спускане на нивото на водата – поставят се шамандури, а витлови системи под тях се завъртат при всяко вдигане и спускане на водата и така задвижват ротор. Добиването на енергия от вълните във водата ще бъде интересен нов възобновяем източник за рибовъдните стопанства и фермите в крайбрежни райони. Голямото предимство на вълновата енергия е, че е относително постоянна.