Akumulácia, distribúcia a transformácia Akumulácia, distribúcia a transformácia bioenergiebioenergie

Ján KuklaJán Kukla

Ústav ekológie lesa SAV, Ľ. Štúra 2, 96053 ZvolenÚstav ekológie lesa SAV, Ľ. Štúra 2, 96053 Zvolen

34. Medzinárodný český a slovenský kalorimetrický seminár, 28.5.-1.6.2012, hotel Svornost, Harrachov v Krkonošiach

ý RMH ELRHQHUJLD"

Energia je schopnosť fyzikálneho systému konať prácu.ČČo je o je bioenergiabioenergia ??

slnečná energia (tepelná, svetelná) veterná energia vodná energia (vodných tokov, prílivu a odlivu) geotermálna energia

Je to slnečná energia transformovaná do energie chemických

väzieb:

v biomase (fytocenóz, zoocenóz a mikrocenóz) v nekromase (opad lesných a nelesných biocenóz, drevo,

slama, seno, cukrová trstina a i.) v transformovaných organických látkach (humus, saprické

látky, biopalivá (metanol, etanol, bionafta, bioplyn a i.)

Bioenergia je obnoviteľný zdroj energie, podobne ako:

Bioenergia je slnečná energia transformovaná do energie chemických väzieb:

Slnko je žltá hviezda (spektrálny typ G2), hmotnosť ktorej (2×1030 kg) predstavuje 99,87% hmotnosti celej slnečnej sústavy.

Celkový žiarivý výkon Slnka je 3,826.1026 W.

Energia je vyžarovaná vo forme fotónov gama.

Patrí medzi hviezdy hlavnej postupnosti, v ktorých sa termonukleárnou fúziou mení ľahký vodík (procium) na hélium.

Tento zdroj slnečnej energie predpokladal nemecký fyzik Hans Bethe už v roku 1938, ale jeho teória bola potvrdená až v roku 2002.

SlnkoSlnko ‒ hviezda našej ‒ hviezda našej planetárnej sústavyplanetárnej sústavy v oblasti spektra v oblasti spektra ‒ ‒ ultrafialovéhoultrafialového ‒ ‒ infračervenéhoinfračerveného ‒ ‒ röntgenovéhoröntgenového ‒ ‒ viditeľnéhoviditeľného

Slnko - primárny zdrojSlnko - primárny zdroj ELRHQHUJLH

Protón-protónový cyklus

 Neutrón

 Pozitrón Neutríno

 Gama žiarenieProtón

Neutrón

PozitrónNeutríno

Gama lúče

Jadrové reakcie prebiehajúce vo vnútri Slnka možno zjednodušene zapísať takto:

1H + 1H = 2H + elektrónové neutríno 2H + 1H = 3He + fotón gama žiarenia 3He + 3He = 4He + 1H + 1H

Zložené je hlavne z voľných jadier vodíka 92,1 %, hélia 7,8 % a elektrónov. Vodík reprezentuje 75 % hm. a hélium 25 % hm. V jadre Slnka je asi 50 % hmotnosti a vodík sa mení na hélium, ktoré už prevažuje nad vodíkom (64 : 34 %). V strede Slnka dosahuje teplota 14 000 000 ‒ 20 000 000 °K, na jeho

okraji asi 7 000 000 °K. Tlak sa odhaduje na 150×109 atm.Hustota vo vonkajšej časti jadra je asi 20 g.cm-3, kým v jeho vnútri až 150 g.cm-3. Pri žiarivom výkone 3,826.1026 W by Slnko malo svietiť ešte asi

5 mld. rokov. Slnko obsahuje všetky chemické prvky známe aj na Zemi, avšak

väčšinou len v stopových množstvách.

Parametre Slnka

„Krásne žiariš v horizonte neba, ó Slnko, žijúce od prapočiatku. Keď vychádzaš na východe, naplňuješ Zem krásou. Si veľké, krásne, žiariace a vznášajúce sa nad všetkými zemami. Keď sa rozodnieva, vychádzaš na obzore a zaháňaš temnotu. Rozdávaš lúče a zem je v slávnostnom lesku. Ľudí staviaš na nohy, ich ruky vzdávajú chválu tvojmu zjaveniu. Celý svet vykonáva svoju prácu. Tvoje lúče vyživujú polia, pokiaľ budeš svietiť, budú žiť a rásť pre teba. Ty tvoríš ročné počasie, aby si životom obdarovalo, čo si stvorilo.“

1351-1334 p.n.l. Amenofis IV v poradí 10. egyptský faraón 18. dynastie

Úyvok z oslavnej piesne Slnku

Energia Slnka podmieňuje takmer všetky procesy prebiehajúce na Zemi:

charakter podnebia a počasia kolobeh vody zvetrávanie hornín erózno-akumulačné procesy ale aj existenciu života - bolo preto uctievané ako božstvo (v v starovekom Egypte ako boh Slnka Ré, Ra alebo Amon, , v Grécku ‒ Helios, v Ríme ‒ Sol)

Význam Slnka

Planéta ZemPlanéta Zem

zo Slnka (99,9 %) z geotermálnej energie z energie prílivu a odlivu z jadrovej energie

Energia dopadajúca zo Slnka na prierezovú plochu Zeme (127 400 000 km²) činí 1.740×1017 W (± 3,5 %).

Na hornej hranici zemskej atmosféry dosahuje množstvo elektro-magnetického žiarenia dopadajúceho kolmo na jednotku plochy ‒ solárna konštanta N, hodnotu 1,37 kJ.m-2.s-2 (1,37 kW.m-2).).

V lete na poludnie sa z tohto množstva dostáva k povrchu Zeme max. 67 %, v prípade oblačnosti oveľa menej.

K vegetácii sa v miernej pásme dostáva za deň 250-1900 kJ.m2, priemerne 720-950 kJ.m-2.

Energia na zemskom povrchu pochádza:

Živé organizmy schopné akumulovať slnečnú energiu slnka sa podľa súčasných poznatkov nachádzajú len na Zemi.

V roku 2011 síce astrobiológ NASA R. B. Hoover oznámil, že pri skúmaní meteoritu CI1 objavil fosílnu baktériu.

Avšak podobné správy v médiách o existencii mimozemského života nie sú zatiaľ všeobecne akceptované.

Zem ‒ kolíska života.

Predstavy o vzniku života: kreacionizmus ‒ po zásahu nadprirodzenej bytosti abiogenéza ‒ z neživej hmoty samoplodením (až do 19. stor.) eternizmus, panspermická teória ‒ vesmírny pôvod (meteority) Oparin, Miller a i. ‒ postupný vývoj z neživej hmoty (20. stor.) podľa najnovších vedeckých teórií by miestom zrodu života mohli byť hydrotermálne aktívne podmorské sopky

fotoautotrofné organizmy (fotosyntetizujúce baktérie a zelené rastliny) transformujú svetelnú energiu do chemických väzieb chemoautotrofné organizmy (baktérie) získavajú chemickú energiu kvasením alebo oxidáciou organických alebo anorg. zlúčenín, (sírne baktérie žijúcich v okolí hydrotermálne aktívnych podmorských vulkánov, alebo na dnách morí)

1. Autotrofné organizmy vytvárajú organické látky z anorganických:

3. Heterotrofné organizmy vytvorené org. látky spotrebovávajú:

Spôsoby získavania uhlíka a bioenergie

poloparazitické (Viscum album, Melampyrum, Rhinanthus,

Pedicularis) myxotrofné (hmyzožravé rastliny ‒ Drosera, Utricularia, Pinquicula) symbiotické (mykorízne huby)

biofágy nekrofágy

2. Heterotrofne-autotrofné organizmy:

Zelené rastliny a fotosyntetizujúce baktérie prijímajú svetelnú energiu pomocou asimilačných farbív (chlorofylov, beta karoténu, fykocyanínu, fykoerytrínu) a transformujú ju za vzniku organických látok na energiu chemických väzieb. Z chemického hľadiska možno proces fotosyntézy vyjadriť všeobecnou rovnicou:

6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Syntéza organických látok

Pri vyšších rastlinách prebieha fotosyntéza v chloroplastoch, kde sa nachádza chlorofyl a a chlorofyl b. ‒ pri svetelnej fáze sa počas primárnych fotosyntetických procesov absorbuje svetelná energia a mení sa na energiu chemickej väzby ‒ pri tmavej fáze sa sekundárnymi fotosyntetickými procesmi fixuje C a anorganický CO2 sa mení na organický C sacharidov

energia svetlaenergia svetla oxid uhličitý  +  voda    glukóza  + kyslík oxid uhličitý  +  voda    glukóza  + kyslík chloroplast chloroplast

Energia svetelného žiarenia sa absorbuje chlorofylom a premieňa sa na energiu chemickej väzby feredoxínu (Fd), adenozíntrifosfátu (ATP)

a redukovaného nikotínamidadeníndinukleotidfosfátu (NADPH).Uplatňujú sa pritom 2 fotosystémy:

  Svetelná (fotochemická) fáza

Fotosystém I. ( P700) ‒ obsahuje chlorofyl, ktorý absorbuje svetlo vlnovej dĺžky do 700 nm, pričom sa uvoľňuje excitovaný (energetický) elektrón.

Fotosystém II  (P680) obsahuje krátkovlnnejšie chlorofyly.

P 700P 6802e*

Svetelná energiaSvetelná energia

2e-FRS

ADP + P +E = ATP

*

Cyklická fotofosforylácia

2e*

2e-

1. Fotochemická (svetelná) fáza

FRS

ADP + P +E = ATP

2e-**

2e*

NADP+

H2O 2H+ + O2e-

½ O* + ½ O* O2½ O* + ½ O* O2 NADPH + H+

+ 2H+ + 2e*

Necyklická fotofosforylácia

Pri cyklickej fotofosforylácii vzniká ATP, pri necyklickej NADPH + H+ a O2

V tejto fáze sa produkty vzniknuté počas primárnych fotosyntetických procesov využívajú na redukciu CO2.

Fotosyntéza C3-rastlín

Väčšina rastlín mierneho pásma využíva na výrobu glukózy Calvinov cyklus prebiehajúci cez trojuhlíkaté (C3) medziprodukty. Špecifickým akceptorom (karboxylácie) CO2 je Ribulóza-1,5-bisfosfát (RuBP).

V C3 rastlinách prebieha fotosyntéza pri otvorených prieduchoch súčasne s dýchaním (fotorespiráciou). Pritom sa až 50 % vytvorenej glukózy rozkladá a uvoľnená energia sa využíva

na metabolické deje.

Tmavá biochemická (syntetická) fáza

Fotosyntéza C4-rastlín Niektoré rastliny tropického pôvodu majú počas tmavej fázy zatvorené

prieduchy, preto si zdroj uhlíka zabezpečujú pomocou Hatch-Slackovho cyklu, ktorý prebieha pri otvorených prieduchoch.Vzniknutá organická zlúčenina C4 (štvoruhlíkatá dikarboxylová

kyselina) slúži ako zásoba uhlíka. Po skončení cyklu sa prieduchy zatvárajú, vzniknutá glukóza sa

dýchaním nespotrebúva a jej energetický efekt vyšší ako pri C3 rastlinách.

Fotosyntéza CAM-rastlín (Crassulean Acid Metabolism) Sukulentné rastliny (z čeľadí kaktusovité, tučnolisté, broméliovité

neotvárajú prieduchy cez deň, ale v noci. Tým si regulujú vodný režim bez obmedzenia príjmu CO2. Zdroj uhlíka si zabezpečujú pomocou Hatch-Slackovho cyklu, podobne ako C4-rastliny.

Primárnym akceptorom CO2 je fosfoenolpyruvát (PEP).

Chloroplast ‒ továreň na glukózu

1. Vonkajšia membrána 7. Granum (zhluk tylakoidov)2. Periplazmatický priestor 8. Lamela – stromálny tylakoid3. Vnútorná membrána 9. Škrob4. Stróma (hustá tekutina) 10. Ribozóm5. Lumen (dutina) tylakoidu 11. Plastidová DNA6. Membrána tylakoidu 12. Tukové kvapôčky

Chlorofyl absorbuje svetelnú energiu

Svetlo sa mení na chemickú energiu ATP a NADPH; → O2

CO2 sa mení na glukózu

Prvými fotosyntetizujúcimi organizmami boli cyanobaktérie. Činnosť týchto morských organizmov mala výrazný vplyv nachemické zloženie zemskej atmosféry, najmä na:

Vplyv organizmov na prostredie

výrazný vzrastvýrazný vzrast obsahu kyslíka a vznik ionosféry (zmiernila intenzitu dopadajúceho ultrafialového žiarenia) pokles pokles obsahu plynov vyvolávajúcich skleníkový efekt, najmä CO2 (uskladnenie v biomase, v nekromase, uskladnenie v biomase, v nekromase,

v pôde a v geologických vrstvách v pôde a v geologických vrstvách ‒ ‒ uhlie, ropa, karbonáty)uhlie, ropa, karbonáty)

Spaľovaním fosílnych palív sa CO2 dostáva späť do ovzdušia. Na emitovaných skleníkových plynoch sa podieľa >60 %.

Menej zastúpený, ale účinnejší je metán ‒ CH4 (23-krát), oxid dusný ‒ N2O ( 310-krát účinnejší), fluórované skleníkové

plyny (HFC, SF6, PFC) a najmä chlorofluórkarbóny (CFC), ktoré spôsobujú stenčovanie ozónovej vrstvy.

Vzrast koncentrácie CO2 v zemskej atmosfére

v rozpätí rokov 1960-1995.

Tansley (1935) definuje ekosystém ako komplex organizmov a fyzikálnych faktorov prostredia (environmentu) biomu, t.j. faktorov stanovišťa.

Lindeman (1942)) spresnil, že ide o akýkoľvek systém zložený z fyzikálnych, chemických a biologických procesov pôsobiacich v časovo-priestorovej jednotke akejkoľvek veľkosti.

Zlatník (1976) definuje konkrétny terestrický ekosystém ‒ lesný typ (vo všeobecnosti typ geobiocénu) nasledovne:

Ekosystém (oikos – dom; system – sústava)

Lesný typ je súbor biocenóz pôvodných, zmenených a ich vývojových štádií, vrátane prostredia, teda geobiocenóz

vývojovo k sebe náležiacich. Lesný typ = typ trvalých ekologických podmienok

Štruktúra terestrického ekosystému

Lesné (majú väčší alebo menší nedostatok až nadbytok vlahy)

Suchozemské ekosystémy

•lúky - (kosenie, hnojenie)•pastviny

• púštne (chýba voda v kvapalnom stave)

prírodné ‒ v klimaxovom štádiu sukcesie (pralesy) kultúrne ‒ antropicky zmenené (smrekové monokultúry a i.)

Nelesné (majú nedostatok vlahy pre les) prírodné ‒ v klimaxovom štádiu sukcesie

• stepné ‒ chladné stepi (horské stepi - hole, severské stepi ) ‒ horúce stepi (tzv. skalné stepi; prérie, pampy, savany)

kultúrne ‒ človekom podmienené

Sequoia sempervirens D. Don (max. výška 115,5 m)

Obsah uhlíka v svetových pôdach

kilogramy na meter štvorcový

Zásoba C v terestrických ekosystémochZásoba C v terestrických ekosystémoch

Trop

ické

lesy

Savan

yTe

mpe

rátn

e le

syTe

mpe

rátn

e

trávn

e po

rast

y

Obl

asti

s pe

rmaf

rost

om

Púšt

eBo

reál

ne le

sy

600

500

400

300

200

100

0

mld. ton

 Biom

 

PlochaZásoba uhlíka (do 1 m)

Vegetácia Pôda Spolu

 (109 ha)  (Gt) 

Tropické lesy 1,76 212 216 428Temperátne lesy 1,04 59 100 159Boreálne lesy 1,37 88 471 559Tropické savany 2,25 66 264 330Temperat. trávne porasty 1,25 9 295 304Púšte a polopúšte 4,55 8 191 199Tundra 0,95 6 121 127Mokrade 0,35 15 225 240Poľnohospod. plodiny 1,60 3 128 131Spolu 15,12 466 2011 2477

Produkcia uhlíkaFotosyntézou sa ročne viaže 1,5.1014 kg C, čo zhruba odpovedá svetovým zásobám ropy. Zároveň sa uvoľňuje 4.1014 kg O2. Suchozemské zelené rastliny viažu asi 10 % C, zelené riasy svetových morí a oceánov asi 90 %.

Morské

Vodné ekosystémy

Sladkovodné

stojaté vody (jazerné) tečúce vody (riečne - lotické ekosystémy)

Brakické (prechodné medzi morskými a sladkovodnými, napr. v ústiach riek)

plytkomorské hlbokomorské

Počet mŕtvych zón stúpol od roku 1995 o 1/3 a ich celková rozloha (viac ako 245 000 km2) je porovnateľná s veľkosťou Nového Zélandu.

Najväčšia mŕtva zóna na svete sa nachádza v Baltskom mori. V Mexickom zálive sa po ropnej havárii zóna smrti rozšírila na nevídaných 23 000 km2.

Mŕtve zóny

Rok 1910

60. roky

70. roky

80. roky

90. roky

Rok 2007

Počet 4 49 87 162 305 405

Pre ryby a ostatné vodné organizmy je neokysličená voda smrtiaca.

Mŕtve morské zóny

Globálna abundancia fototrofných organizmov (cyanobaktérií, rias a zelených rastlín) v oceáne a na pevnine. Ide o hrubý indikátor potenciálnej primárnej produkcie, nie odhad aktuálnej produkcie.

Produktivita ekosystémov

Najnižšia produktivita je v oblasti voľného mora a v púšťach, len <2,1.103 kJ.m-2.rok-1, často len 0,42.103 kJ m-2.rok-1.

Produktivita trávnych formácií (lúk, stepí) a hlbokých jazier činí 2,1.103 až 16,8.103 kJ.rok-1 (priemerne 4,2.103 kJ.m-2.rok-1).

Produktivita lesov, plytkých jazier a intenzívne obrábaných polí je 16,8-50,4.103 kJ.rok-1.

Produktivita rovníkových lesov a korálových útesov činí 50,4 až 126.103 kJ.m-2.rok-1.

Maximálna produktivita ekosystémov nepresahuje 126 až 168.103 kJ.m-2.rok-1.

Priemerná brutto produktivita biosféry je cca 50,4.103 kJ.m-2.rok-1

Biomasa ako zdroj energie

Spaľovanie biomasy má na zvyšovanie CO2 v atmosfére neutrálny vplyv, na rozdiel od spaľovania fosílnych palív.

Premena biomasy na tepelnú energiu môže prebiehať dvomi základnými spôsobmi:

termochemickou premenou priame spaľovanie pyrolýza splyňovanieplyňovanie

biochemickou premenou fermentácia (alkoholové kvasenie)fermentácia (alkoholové kvasenie) anaeróbne vyhnívanie (metánové kvasenie)anaeróbne vyhnívanie (metánové kvasenie)

Obsah energie vo vybraných látkach

Substancia MJ.kg-1 Biomasa MJ.kg-1 Lignit 14,7-17,0 Rašelina <14,7 Hnedé uhlie 17,0-24,4 Suché drevo 14-15 Čierne uhlie 24,0-32,0 Obilná slama 12-15 Antracit 26,0-32,0 Obilné zrná 15,2-15,4 Koks 28,0 Uhľovodíky 17,0 Etanol 29,6 Proteíny 23,0 Zemný plyn 33-37 Rastlinné oleje 37-39 Ropa 42-44 Zemiaky 3,2-4,8 Benzín 46-46 Ovocie 1,5-4,0 Metán 50 Zelenina 0,6-1,8 Vodík 114 Chudé mäso 5-10

Substancia MJ.kg-1 Biomasa MJ.kg-1 Lignit 14,7-17,0 Rašelina <14,7 Hnedé uhlie 17,0-24,4 Suché drevo 14-15 Čierne uhlie 24,0-32,0 Obilná slama 12-15 Antracit 26,0-32,0 Obilné zrná 15,2-15,4 Koks 28,0 Uhľovodíky 17,0 Etanol 29,6 Proteíny 23,0 Zemný plyn 33-37 Rastlinné oleje 37-39 Ropa 42-44 Zemiaky 3,2-4,8 Benzín 46-46 Ovocie 1,5-4,0 Metán 50 Zelenina 0,6-1,8 Vodík 114 Chudé mäso 5-10

Potravina Energetický obsah Množstvo na

pokrytie dennej spotreby 10 MJ

Coca cola 1800 kJ.kg-1 5,6 l Pivo 1,85 kJ.l-1 5,4 l Chlieb 10,00 MJ.kg-1 1,0 kg Tatranky 21,70 MJ.kg-1 0,46 kg (9 ks) Slanina 34,00 MJ.kg-1 0,3 kg

Potreba energie

Jediným exportérom energie je Dánsko a Malta úplne závisí od dovozu energie

Hodnoty nad 100 % sú možné v dôsledku zmien v zásobách. Eurostat, máj 2011.

Závislosť na dovoze energie členských štátov v roku 2009

Energetická závislosť EÚ

Rozvoj energie z obnoviteľných zdrojov v sektore elektrickej energie v EÚ-27

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

GW

h

Energia prílivu, vĺn, oceánu

Elektrická energiavyrobená z geotermálnejenergieElektrická energiavyrobená zo solárnejenergieElektrická energiavyrobená z biomasy

Veterná energia

Vodná energia

Rozvoj energie z obnoviteľných zdrojov v EÚ v sektore vykurovania a chladenia

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

ktoe

Teplo vyrobené zgeotermálnej energie

Teplo vyrobené zosolárnej energie

Tepelné čerpadlá

Teplo vyrobené zbiomasy

Rozvoj energie z obnoviteľných zdrojov v EÚ-27 v sektore dopravy

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

ktoe

Vodík

Iné biopalivá

Elektrická energia v doprave

Bioetanol

Bionafta

Ďakujem za pozornosť