ENVIROMENTÁLNE TECHNOLÓGIE – nové stroje a zariadenia. RECYKLÁCIA – triedenie a úprava odpadov. OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE – energetická a materiálová efektívnosť.

Výroba svetla a tepla v pestovateľských objektoch zvýši potravinovú a energetickú bezpečnosť


Ľudská populácia neustále narastá. Rastie dopyt po potravinách a energiách. Ide o vážne globálne problémy. Na začiatku prelomovej elektrifikácie v 19. storočí poznal človek energiu veľmi málo. Dnes bez nej už nedokáže ľudstvo existovať, ale dôkladne jej rozumie. Deklarovný nedostatok energie je preto diskutabilný. Na vyriešenie problémov takéhoto rozsahu a charakteru je potrebný komplexný pohľad odborníkov. Aby to bolo možné, treba vnímať životný cyklus ako súčasť uzavretého energetického cyklu, ktorý si v prírode formuje život sám. Efektívne riešenie preto treba hľadať v prírode samotnej.

 Človek, potraviny, energia či jednoducho biomasa?

Vhodné zdroje voľne dostupnej energie svet neustále hľadá. Keď začne využívať ten posledný vyčerpateľný zdroj, bude nutné vykonať vážne kroky a rozhodnutia. Hľadať správne atribúty včasného riešenia na globálny problém znamená uvedomiť si, že energia sa v pravom zmysle slova nedá spotrebovať. Je možné len premeniť ju na iné formy. Keďže nositeľom energie pre človeka sú potraviny, možno vyvodiť cielenú premenu energie pri hľadaní správneho riešenia. Pestovateľské objekty sú dôležitou súčasťou poľnohospodárskeho sektora. Ak sa stanú kľúčovou súčasťou toho energetického, budú mať vyššiu pridanú hodnotu.


Kľúčová premena energie

 

 

Nejednotnosť energetických odborníkov

Energetika sa od svojho vzniku radikálne zmenila. Historické, súčasné a predovšetkým budúce pohľady na ňu sú radikálne rozdielne. Zjednocovanie energetickej sústavy v minulosti bolo jedinou zárukou expanzie a zvyšovania dostupnosti elektrickej energie pre všetkých. Dnes je však situácia diametrálne odlišná. Dochádza k decentralizácií sústavy nasadzovaním obnoviteľných zdrojov energií (OZE). Ich početnou aplikáciou, aj keď s malými výkonmi, dochádza k vytváraniu výhodnejších inteligentných elektrických sietí menších rozmerov (smart a mikro grid).

Na elimináciu dôsledkov klimatických zmien je nevyhnutné nasadzovať fotovoltické elektrárne a veterné turbíny. Malé nízkouhlíkové zdroje elektriny decentralizujú výrobu, čo logicky otáča historický cieľ energetiky (jednotnosť). Aby bolo možné v budúcnosti vytvárať výhodnejšie elektrické siete, je nutné riešiť premenu energie na iné formy. Fotovoltické a veterné elektrárne síce vyrábajú čistú energiu, ich výroba je však intermitentná. Na základe predpovede počasia a historických údajov podnebia je možné predikovať množstvo ich výroby. Rovnako je možné z historických a plánovaných aktivít charakterizovať spotrebiteľa z pohľadu potrebného množstva energie. To však neznamená, že je možné v plnom rozsahu a všade zabezpečiť výkonovú rovnováhu v čase medzi nimi.

Rastúca integrácia OZE v elektrickej sústave je zdrojom mnohých príčin, ktorých následkom je výkonová nerovnováha medzi výrobou a spotrebou elektriny. Túto nerovnováhu je len ojedinele možné energeticky a ekonomicky efektívne akumulovať. Historická výstavba elektrickej sústavy nerátala s takýmito prvkami a dynamickými zmenami, ktoré OZE dokážu spôsobiť. Regulácia výkonového prebytku v sústave so štandardnými zdrojmi elektriny je veľmi náročná. Hlavne pre zotrvačnosť mechanických častí generátora. OZE predstavujú akýsi neriadený zdroj čistej elektriny, ktorý vyrobí elektrinu aj v čase, keď nie je potrebná.

Energetickí odborníci sa tak postupne rozdelili na dva tábory. Prvá skupina výrazne podporuje nasadzovanie OZE. Opodstatnenosť ich úsilia je nespochybniteľná. Zásoby fosílnych palív sú vyčerpateľné. Je našou povinnosťou zabezpečiť dostatok energie pre budúcu generáciu. Opodstatnenosť rozširovania OZE nespochybňuje ani druhý tábor. Ten má zdanlivo zodpovednejší prístup k zachovaniu základného pravidla energetiky, ktorou je výkonová rovnováha medzi výrobou a spotrebou. Kým prvý tábor rieši všeobecne nedostatok energie, druhý varuje pred blackoutom. Je preto nezmysel hľadať kompromisy medzi týmito dvoma tábormi. Treba spoločne nájsť komplexné a efektívne riešenie pre realizáciu zmysluplného úsilia oboch táborov. [1, 2]


Svetlo na konci tunela

Slnko je nevyčerpateľný a nevyhnutný zdroj energie pre všetok život na zemi. Počas celej existencie človekom a príroda využívajú „duálny energetický potenciál“ slnečného žiarenia – svetlo a teplo. Sú najdôležitejším prvkom pri prevádzke pestovateľských objektov (biomasy). Svetlo je preto kľúčovým atribútom pri hľadaní správneho komplexného riešenia. Je nositeľom dvoch energií potrebných pre organický život. V technike sa viackrát osvedčila inšpirácia a poznatky z prírodných javov. Nebude to inak ani pri využívaní duálneho energetického potenciálu svetla z umelých svetelných zdrojov. Práve tie sú totiž nevyhnutné v pestovateľskom objekte na nepretržitú produkciu zdravých potravín.

Vysoká efektívnosť komplexného riešenia je dôležitá. Vysokoúčinná kombinovaná výroba elektriny a tepla je nevyhnutný proces pri premene energií. Technicky ide o nežiadané generovanie odpadového tepla pri spaľovacom procese.

Totožné generovanie odpadového tepla nastáva aj pri svietení s umelými svetelnými zdrojmi. Cieleným technickým procesom je vhodná kombinovaná výroba svetla a tepla v pestovateľskom objekte. Tá však musí dostatočne zohľadniť premenlivé tepelné podmienky počas roka. Jej aplikovateľnosť je nevyhnutná bez ohľadu na geografickú polohu a klimatické podnebie.

Prírodné a umelé zdroje svetla a tepla


Globálne otepľovanie ako všeobecná hrozba

S nástupom prelomovej elektrifikácie paralelne rástla priemyselná sféra. Tá síce zabezpečila moderný život človeka v 21. storočí, ale daňou zaň sú extrémne klimatické zmeny. Tie výrazne ohrozujú potravinovú produkciu. Predovšetkým letná prevádzka v pestovateľských objektoch je čoraz menej kontrolovateľná. Dovolený a ideálny rozsah teploty pre konkrétnu rastlinu sa v lete často prekračuje. To negatívne ovplyvňuje produkčnú kondíciu rastliny, v najhoršom prípade môže dôjsť k jej poškodeniu. Tým, že stále narastá intenzita slnečného žiarenia v letnom ročnom období, štandardné opatrenia sa stávajú neúčinnými. Ide predovšetkým o automatický systém zaťahovacích roliet v hornej časti pestovateľského objektu v kombinácií s výkonnými ventilátormi.

Štandardné osvetľovacie telesá (svietidlá) v pestovateľskom objekte musia mať vyššiu úroveň pasívneho chladenia, aby sa zabezpečila dlhodobá udržateľnosť a spoľahlivosť osvetľovacej sústavy. Uprednostňuje sa energeticky efektívny LED svetelný zdroj. Ide o polovodičovú elektrickú súčiastku, pri ktorej je potreba dostatočného chladenia niekoľkonásobne dôležitejšia. Preto sa začínajú aplikovať jednoduché LED osvetľovacie sústavy s účinnejším aktívnym kvapalinovým chladením. Podiel generovaného odpadového tepla z LED svetelných zdrojov je nezanedbateľný (až 70 %). Energetická efektívnosť takýchto riešení má vyššiu úroveň.

Takéto aplikácie si vyžadujú zvýšenú investíciu na potrebný potrubný systém pre pracovnú kvapalinu. Ide o nevyhnutnú vlastnosť aplikácie. Prínos v podobe tepelného zisku, vyššej spoľahlivosti a udržateľnosti osvetľovacej sústavy často nedokáže v prijateľnom čase splatiť zvýšenú investíciu za potrubný systém.


Spojenie elektrického a tepelného inžinierstva

Navrhované riešenie musí rešpektovať požadovaný cieľ celoročnej prevádzky pestovateľského objektu na ľubovoľnom mieste. Základom je preto vhodný návrh zariadení pre nový technický systém v pestovateľskom objekte. Tie treba vybaviť všetkými technickými zdrojmi pre potreby organického života. Ide o efektívny LED svetelný zdroj, ktorý je v novom riešení zároveň zdrojom (odpadového) tepla. Ďalej je to vhodný výmenník tepla s dostatočnou teplovýmennou plochou na odovzdanie tepla v zimnom ročnom období a potrebného chladu v letnej prevádzke. Nutný je aj vlastný zdroj núteného prúdenia vzduchu (ventilátor), ktorý zabezpečí výmenu tepelnej energie a zároveň dostatočný pohyb vzduchu. Vďaka nútenému prúdeniu vzduchu zhora nadol je možné zabezpečiť kyslíkovú výmenu v pestovateľskom objekte aj pri maximálnej výnosnosti na štvorcový meter.

Nové zariadenie pestovateľského objektu má multifunkčnú vlastnosť z pohľadu zabezpečenia vhodných podmienok pre akýkoľvek organický život (pestovanie rastlín, človek či živočích). [3]


Multifunkčné zariadenie na kombinovanú výrobu svetla a tepla


Iba štyri ventily pre vyššiu energetickú efektívnosť

Nevyhnutný potrubný systém pre kombinovanú výrobu svetla a tepla je z pohľadu ekonomickej efektívnosti nutné využiť viacúčelovo. Potrubný systém napája pracovnou kvapalinou koncové zariadenia s multifunkčnou vlastnosťou. Koncové zariadenia tak zabezpečujú multifunkčné využitie potrebného potrubného systému.

V praxi to znamená dvojúčelové využitie pracovnej kvapaliny počas ročného obdobia s požiadavkou na zmenu teploty v pestovateľskom objekte. V letnej prevádzke potrubný systém privádza do multifunkčných zariadení pracovnú kvapalinu nižšej teploty, ako je teplota okolia (chlad). Zároveň je nutné zabezpečiť dostatočné chladenie umelých svetelných zdrojov LED, teda aktívne vyviesť generované odpadové teplo z multifunkčných zariadení. Tak je zabezpečená vysoká udržateľnosť riešenia (vysokoúčinné chladenie LED zdroja), ale aj nižšia náročnosť pri príprave potrebného chladu. Nežiadané generované odpadové teplo sa aktívne odvádza mimo objektu.

Podobný proces nastáva aj v prípade požiadavky na zvýšenie okolitej teploty v zime. Teplota vstupnej pracovnej kvapaliny je vyššia ako teplota okolia. Multifunkčné zariadenia zároveň odoberajú odpadové teplo z LED svetelných zdrojov. Tak zabezpečujú efektívne predhrievanie pracovnej kvapaliny pre hlavný zdroj tepla. Takýto pracovný režim s označením PR2 je na obrázku nižšie.

V ročnom období bez požiadavky na zmenu okolitej teploty je navrhnutý pracovný režim PR1. Predstavuje priamy prietok cez multifunkčné zariadenie, aby sa maximálne znížila náročnosť na cirkuláciu pracovnej kvapaliny v tomto období.

Najvýznamnejším pracovným režimom navrhnutého multifunkčného zariadenia je prevádzka v pracovnom režime PR3. Generované odpadové teplo je distribuované priamo do miesta jeho vzniku vo forme núteného prúdenia teplého vzduchu zhora nadol [4]. Je možné využiť ho v čase, keď aktuálny tepelný výkon LED svetelných zdrojov je postačujúci na dosiahnutie požadovanej teploty v objekte. Jeho najvýhodnejšie využitie nastáva počas najsilnejšieho vykurovacieho obdobia v kombinácií s vykurovacími prvkami v dolnej časti pestovateľského objektu. Daný režim predstavuje účinnú aktívnu tepelnú bariéru s využitím odpadového tepla z LED svetelných zdrojov. Tým sa výrazne zamedzí rýchlemu úniku sálavého vykurovacieho tepla počas zimnej prevádzky v pestovateľskom objekte, ktorého steny majú nízku tepelnoizolačnú vlastnosť (sklo/fólia).


Pracovné režimy pre celoročné a efektívne pestovanie rastlín

Užitočná elektrina vyrobí potraviny

Aplikovateľnosť navrhnutého systému v pestovateľskom objekte možno zovšeobecniť bez ohľadu na geografickú polohu a klimatické podnebie. Umožňujú to tieto tri kľúčové vlastnosti riešenia:

  • integrované tri zdroje pre organický život (svetelný zdroj LED, výmenník tepla a ventilátor),
  • možnosť voľby spôsobu využitia generovaného odpadového tepla z LED svetelných zdrojov (fúkaný teplý vzduch alebo teplo v pracovnej kvapaline),
  • schopnosť odovzdať privedenú tepelnú energiu (teplo/chlad).


Zovšeobecnením navrhnutého multifunkčného systému možno vyvodiť komplexné a efektívne riešenie pre intermitentnú vlastnosť fotovoltických elektrárni a veterných turbín. Rýchla výkonová reakcia a regulovateľnosť LED svetelného zdroja v plnom rozsahu zabezpečujú ideálne vlastnosti dopytovo regulovaného elektrického spotrebiča – tzv. Demand & Response. Svetelná časť podporí proces fotosyntézy rastlín v pestovateľských objektoch. Získaná tepelná časť sa efektívne využije podľa aktuálnej potreby. Teda na priame vykurovanie (tepelná bariéra), predhrievanie pre hlavný zdroj tepla, prípadne sa akumuluje a využije vo večerných hodinách.

Možnosť celoročne využívať generované odpadové teplo z osvetlenia garantuje vysokú energetickú efektívnosť riešenia. Aktívne kvapalinové chladenie LED polovodičovej súčiastky zabezpečí jeho vyššiu technickú životnosť. Dlhodobá udržateľnosť pre komplexné riešenie je totiž kľúčovým faktorom. Náhle zmeny výroby fotovoltických elektrárni môžu byť bezpečne a efektívne riešené. Na každý technický problém treba hľadať riešenie v jeho presných protikladoch. V energetike je na neriadenú spotrebu (človek) a neriadenú výrobu (intermitentné OZE) riešením ich presný protiklad – riadený spotrebič.

Z pohľadu problému fotovoltických panelov, ktoré vyrábajú elektrinu zo svetla, je presným protikladom umelý svetelný zdroj. Fotovoltické elektrárne predstavujú zdroj elektrickej energie s najvýznamnejším uplatnením v budúcnosti. Je preto nutné hľadať správne riešenie, ako im umožniť bezpečnú aplikáciu vo veľkom. Bez toho, aby nebola dostatočne a včas vyriešená ich intermitentná vlastnosť, sa nedá predpokladať, že „zodpovedný energetik“ z tábora blackoutistov dovolí ich masovú aplikáciu.

Správne využitie pestovateľských objektov má svoje opodstatnenie, aby bolo možné efektívne spotrebovať „prebytočnú“ elektrinu, ktorá predstavuje najvyššiu hrozbu – blackout. Jej premena na energiu v potravinách a na biomasu má pre človeka najvyšší zmysel a pridanú hodnotu.

Účinný, efektívny a udržateľný spôsob pre masovú podporu OZE


Synergia prírodného a umelého svetla má celospoločenský prínos

Principiálna podstata pestovateľských objektov spočíva vo využívaní duálneho energetického potenciálu prírodného zdroja svetla – slnka. Využiť optimálnym spôsobom teplo z umelých svetelných zdrojov predstavuje synergiu. Tú možno vnímať celoročne z pohľadu deň – noc, ako aj z pohľadu leto – zima. Čím vyšší je dopyt po teple kvôli klesajúcej sile slnečného žiarenia, tým je vyššia potreba umelého osvetlenia a aj vyššia produkcia generovaného odpadového tepla z umelých svetelných zdrojov. Potrebné celkové množstvo vykurovacieho tepla v zime je nižšie v prípade navrhnutého riešenia, a to vďaka synergickému efektu svetla a účinnej aktívnej tepelnej bariéry. Multifunkčná vlastnosť navrhnutého riešenia spočíva v tom, že dokáže pracovať s viacerými formami energií. Napríklad umelé osvetlenie, odpadové teplo, vykurovacie teplo, chlad a prúdenie vzduchu. Potrubná a káblová infraštruktúra umožňuje použitie vhodných OZE, aby sa nákladovo efektívne zohľadnila geografická poloha a klimatické podmienky pestovateľského objektu.

Technická kompatibilita multifunkčného systému s OZE


Aplikácia navrhnutého multifunkčného riešenia v pestovateľských objektoch predstavuje takú reformu v poľnohospodárstve, ktorá predlží obdobie ročnej produkcie ovocia a zeleniny v krajine. Odstráni sezónny charakter pestovateľskej činnosti a problémy s periodickým náborom zamestnancov. Poklesne finančný náklad na dopravu z ďalekých krajín (palivo, colné poplatky, poplatky za emisie, recyklácia dopravných prostriedkov, a podobne). Vďaka vyššej úrovni energetickej efektívnosti sa znížia náklady na celoročnú prevádzku pestovateľského objektu. Koncová cena zdravých potravín poklesne, čím sa zvýši ich dostupnosť a konzum. Širšie spektrum bežných ľudí bude konzumovať zdravšie potraviny. Zvýši sa priemerná dĺžka života obyvateľstva. Ak by nastala uvedená situácia, narastie dopyt po potravinách. To znamená, že svet potrebuje a vždy bude potrebovať energeticky efektívne pestovateľské objekty. Decentralizáciou zdrojov v energetike je možné a predovšetkým nutné viac decentralizovať aj produkciu potravín, čím sa zvýši úroveň potravinovej nezávislosti a bezpečnosti.


Celospoločenské dôsledky v prípade zavedenia novej multifunkcie, tzv. Mesled

Energetika

Vyššie energetické využitie osvetľovacích sústav – celoročné využívanie generovaného odpadového tepla z LED zdrojov.

Bezpečnosť pri nasadzovaní intermitentných zdrojov OZE – efektívny spotrebič prebytočnej elektrickej energie.

Vyššia efektívnosť solárnej technológie a tepelných čerpadiel – predhrievanie pracovného média odpadovým teplom z LED

Spoľahlivosť a udržateľnosť umelých zdrojov svetla – účinná metóda aktívneho kvapalinového chladenia.

Priemyselná sféra

Štandardizovaný systém stropného chladenia – integrovaný výmenník tepla a ventilátor v multifunkčnom zariadení.

Energetická efektívnosť – tepelný výkon umelého LED osvetlenia predstavuje 3,6 W/m2 [5]

Energetická efektívnosť v budúcnosti – paralelný rast energetických úspor s rastúcou úrovňou automatizácie [6]

Vyššia požiarna bezpečnosť – aktívny odvod generovaného odpadového tepla z osvetľovacej sústavy.

Jediné potrebné technické vybavenie – zabezpečenie celoročnej svetelnej pohody, tepelnej pohody a výmeny vzduchu.

Poľnohospodárstvo

Vyššia decentralizácia produkcie ovocia a zeleniny – lepšia dostupnosť zdravých potravín pre bežného obyvateľa.

Vyššia zamestnanosť – odstránený sezónny charakter pestovateľských aktivít.

Bezpečné pestovanie v lete a efektívne v zime – eliminované negatívne dopady globálneho otepľovania.

 

Použitá literatúra

[1] F. Janíček, I. Daruľa, J. Gaduš, E. Regula, M. Smitková, Ľ. Polonec, J. Ľudvík, J. Kubica, M. Michalík, M. Bindzár, “Obnoviteľné zdroje energie 1 Technológie pre udržateľnú budúcnosť“, 2009, ISBN 978-80-89402-04-5.

[2] P. Dušička, M. Hutňan, F. Janíček, V. Kutiš, J. Murín, J. Paulech, M. Perný, V. Šály, P. Šulek, I. Šurina, „Obnoviteľné zdroje energie II BIOMASA – SLNKO – VODA“, 2014, ISBN: 978-80-89402-68-7.

[3] Z. Kováč, „Energetický multifunkčný modul a energetický multifunkčný systém“. Zapísaný úžitkový vzor č.8104, podľa prihlášky PUV 50003-2017.

[4] Z. Kováč, F. Janíček, “Waste lighting heat generation as the key process to design the only technical device needed in interiors”, 12-ty ročník medzinárodnej vedeckej konferencie ELEKTRO 2018, máj 2018.

[5] Z. Kováč, F. Janíček, R. Dubnička, „Potential of usable waste heat generated from LED light sources in industry“, medzinárodná vedecká konferencia, ENERGETIKA 2018, jún 2018.

[6] Z. Kováč, F. Janíček, J. Kubica, „Ako svetlo a teplo využiť v budovách budúcnosti“, EUROSTAV 9/2018.


Zoltán Kováč, Juraj Kubica, František Janíček, Miriam Szabová, Kristián Slovák, Peter Káčerik

MESLED ENERGY, s. r. o.

Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta elektrotechniky a informatiky,
Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky