Transcript Akumulácia, distribúcia a transformácia bioenergie

34. Medzinárodný český a slovenský kalorimetrický seminár, 28.5.-1.6.2012, hotel Svornost, Harrachov v Krkonošiach
Akumulácia, distribúcia a transformácia
bioenergie
Ján Kukla
Ústav ekológie lesa SAV, Ľ. Štúra 2, 96053 Zvolen
Čofyzikálneho
je bioenergia
? prácu.
Energia je schopnosť
systému konať
Je to slnečná
energia energia
transformovaná
do energie
chemických
Bioenergia
je slnečná
transformovaná
do energie
väzieb:
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:




slnečná energia (tepelná, svetelná)
veterná energia
vodná energia (vodných tokov, prílivu a odlivu)
geotermálna energia
Slnko - primárny zdroj
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.
Slnko ‒ hviezda našej
planetárnej sústavy
v oblasti spektra
‒ ultrafialového
‒ infračerveného
‒ röntgenového
‒ viditeľného
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.
Protón-protónový cyklus
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
Gama žiarenie
Gama lúče
Neutríno
Neutríno
Protón
Neutrón
Neutrón
Pozitrón
Pozitrón
Parametre Slnka
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.
Význam Slnka
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 starovekom Egypte ako boh Slnka Ré, Ra alebo Amon,
,
v Grécku ‒ Helios, v Ríme ‒ Sol)
Úyvok z oslavnej piesne Slnku
„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
Planéta Zem
Energia na zemskom povrchu pochádza:
 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 elektromagnetického 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.
Zem ‒ kolíska života.
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.
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
Spôsoby získavania uhlíka a bioenergie
1. Autotrofné organizmy vytvárajú organické látky
z anorganických:
 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)
2. Heterotrofne-autotrofné organizmy:
 poloparazitické (Viscum album, Melampyrum, Rhinanthus, Pedicularis)
 myxotrofné (hmyzožravé rastliny ‒ Drosera, Utricularia, Pinquicula)
 symbiotické (mykorízne huby)
3. Heterotrofné organizmy vytvorené org. látky spotrebovávajú:
 biofágy
 nekrofágy
Syntéza organických látok
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
oxid uhličitý + voda
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
energia svetla
glukóza + kyslík
chloroplast
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
Svetelná (fotochemická) fáza
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:
Fotosystém I. ( P700) ‒ obsahuje chlorofyl, ktorý absorbuje
svetlo vlnovej dĺžky do 700 nm, pričom sa uvoľňuje excitovaný
(energetický) elektrón.
1. Fotochemická (svetelná) fáza
Cyklická fotofosforylácia
Fotosystém II (P680)
obsahuje krátkovlnnejšie
chlorofyly.
Svetelná energia
ADP + P +E = ATP
2e-
Pri cyklickej fotofosforylácii
vzniká ATP, pri necyklickej
NADPH + H+ a O2
HO
2
P 680
P 700
2e-
*
2e*
2e-
FRS
2e*
2H+ + O
NADP+ + 2H+ + 2e*
2e-
½ O* + ½ O*
O2
NADPH + H+
Necyklická fotofosforylácia
Tmavá biochemická (syntetická) fáza
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-1,5bisfosfát (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.
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.
Primárnym akceptorom
CO2 je fosfoenolpyruvát
(PEP).
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.
Chloroplast ‒ továreň na glukózu
Svetlo sa mení na
chemickú energiu
ATP a NADPH; → O2
CO2 sa mení
na glukózu
Chlorofyl absorbuje
svetelnú energiu
1. Vonkajšia membrána
7. Granum (zhluk tylakoidov)
2. Periplazmatický priestor
8. Lamela – stromálny tylakoid
3. Vnútorná membrána
9. Škrob
4. Stróma (hustá tekutina) 10. Ribozóm
5. Lumen (dutina) tylakoidu 11. Plastidová DNA
6. Membrána tylakoidu
12. Tukové kvapôčky
Vplyv organizmov na prostredie
Prvými fotosyntetizujúcimi organizmami boli cyanobaktérie.
Činnosť týchto morských organizmov mala výrazný vplyv na
chemické zloženie zemskej atmosféry, najmä na:
 výrazný vzrast obsahu kyslíka a vznik ionosféry (zmiernila
intenzitu dopadajúceho ultrafialového žiarenia)
 pokles obsahu plynov vyvolávajúcich skleníkový efekt,
najmä CO2 (uskladnenie v biomase, v nekromase,
v pôde a v geologických vrstvách ‒ 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.
Ekosystém
(oikos – dom; system – sústava)
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:
 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
Suchozemské ekosystémy
 Lesné (majú väčší alebo menší nedostatok až nadbytok vlahy)
 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)
• púštne (chýba voda v kvapalnom stave)
 kultúrne ‒ človekom podmienené
• lúky - (kosenie, hnojenie)
• pastviny
Sequoia sempervirens D. Don (max. výška 115,5 m)
O s h uhlík v sv t vých pôd ch
kl
my
m t
štv
c vý
y
lne
les
y
Ob
per las
ma ti
fro
s to
m
Bo
reá
Pú
š te
Te
an
mp
y
er
átn
el
es
y
Te
trá mp
vn erá
e p tn
ora e
s ty
les
600
Sa
v
Tr
op
ick
é
Zásoba C v terestrických ekosystémoch
mld. ton
500
400
300
200
100
0
Produkcia uhlíka
Fotosyntézou 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 %.
Zásoba uhlíka (do 1 m)
Plocha
Biom
Vegetácia Pôda Spolu
(109 ha)
(Gt)
Tropické lesy
1,76
212
216
428
Temperátne lesy
1,04
59
100
159
Boreálne lesy
1,37
88
471
559
Tropické savany
2,25
66
264
330
Temperat. trávne porasty 1,25
9
295
304
Púšte a polopúšte
4,55
8
191
199
Tundra
0,95
6
121
127
Mokrade
0,35
15
225
240
Poľnohospod. plodiny
1,60
3
128
131
Spolu
15,12
466
2011 2477
Vodné ekosystémy
 Morské
 plytkomorské
 hlbokomorské
 Brakické (prechodné medzi morskými a sladkovodnými,
napr. v ústiach riek)
 Sladkovodné
 stojaté vody (jazerné)
 tečúce vody (riečne - lotické ekosystémy)
Mŕtve morské zóny
Mŕtve
zóny
Počet
Rok
1910
4
60.
roky
49
70.
roky
87
80.
roky
162
90.
roky
305
Rok
2007
405
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.
Pre ryby a ostatné vodné organizmy je
neokysličená voda smrtiaca.
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
Premena biomasy na tepelnú energiu môže prebiehať dvomi
základnými spôsobmi:
 termochemickou premenou
 priame spaľovanie
 pyrolýza
 splyňovanie
 biochemickou premenou
 fermentácia (alkoholové kvasenie)
 anaeróbne vyhnívanie (metánové kvasenie)
Spaľovanie biomasy má na zvyšovanie CO2 v atmosfére neutrálny
vplyv, na rozdiel od spaľovania fosílnych palív.
Obsah energie vo vybraných látkach
Substancia
Lignit
Lignit
Hnedé
Hnedé uhlie
uhlie
Čierne uhlie
Čierne uhlie
Antracit
Antracit
Koks
Koks
Etanol
Etanol
Zemný plyn
Ropa
Zemný plyn
Benzín
Ropa
Metán
Benzín
Vodík
-1
MJ.kg
14,7-17,0
14,7-17,0
17,0-24,4
17,0-24,4
24,0-32,0
24,0-32,0
26,0-32,0
26,0-32,0
28,0
28,0
29,6
29,6
33-37
42-44
33-37
46-46
42-44
50
46-46
114
-1
Biomasa
MJ.kg
Rašelina
<14,7
Rašelina
<14,7
Suché
14-15
Suché drevo
drevo
14-15
Obilná slama
12-15
Obilná slama
12-15
Obilné zrná
15,2-15,4
Obilné
zrná
15,2-15,4
Uhľovodíky
17,0
Uhľovodíky
17,0
Proteíny
23,0
Proteíny
23,0
Rastlinné oleje
37-39
Zemiaky
Rastlinné oleje 3,2-4,8
37-39
Ovocie
1,5-4,0
Zemiaky
3,2-4,8
Zelenina
0,6-1,8
Ovocie
1,5-4,0
Chudé mäso
5-10
Potreba energie
M žstv
Potravina E
t cký obsah pokrytie dennej
spotreby 10 MJ
-1
Coca cola
1800 kJ.kg
5,6 l
Pivo
1,85 kJ.l-1
5,4 l
Chlieb
10,00 MJ.kg-1
1,0 kg
-1
Tatranky
21,70 MJ.kg
0,46 kg (9 ks)
-1
Slanina
34,00 MJ.kg
0,3 kg
Energetická závislosť EÚ
Jediným exportérom energie je Dánsko
a Malta úplne závisí od dovozu energie
Závislosť na dovoze energie členských štátov v roku 2009
Hodnoty nad 100 % sú možné v dôsledku zmien v zásobách. Eurostat, máj 2011.
Rozvoj energie z obnoviteľných zdrojov v sektore elektrickej
energie v EÚ-27
Energia prílivu, vĺn, oceán
1400000
1200000
GWh
1000000
800000
600000
Elektrická energia
vyrobená z geotermálnej
energie
Elektrická energia
vyrobená zo solárnej
energie
Elektrická energia
vyrobená z biomasy
400000
Veterná energia
200000
Vodná energia
0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
ktoe
Rozvoj energie z obnoviteľných zdrojov v EÚ v sektore
vykurovania a chladenia
120000
Teplo vyrobené z
geotermálnej energie
100000
Teplo vyrobené zo
solárnej energie
80000
Tepelné čerpadlá
60000
40000
20000
0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Teplo vyrobené z
biomasy
ktoe
Rozvoj energie z obnoviteľných zdrojov v EÚ-27 v sektore dopravy
35000
Vodík
30000
Iné biopalivá
25000
Elektrická energia v doprave
20000
Bioetanol
15000
Bionafta
10000
5000
0
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Ďakujem za pozornosť