Vertikální zemědělství a spotřeba energie je vlastně jedním z nejdůležitějších témat v oboru, ale obvykle se mu nevěnuje příliš pozornosti nebo se zamlčuje pomocí frází, alespoň tak mi připadá, že lidé raději neuvádějí tvrdá čísla. Jako vystudovaný elektronik však vím, že realita je jiná a při pohledu na energetickou náročnost nemusí být tak skvělá.
Chtěl jsem na svém blogu psát o jiných tématech a co může být samozřejmější než vertikální zemědělství, což je odvětví, ve kterém také pracuji.
V internetových diskusích a komentářích se stále znovu objevuje téma spotřeby energie, které není třeba zamlčovat: Ano, LED diody potřebují energii a potřebujete jí hodně.
Protože to, co ušetříme v zemědělství a v uzavřeném systému pěstování ve vertikálním stohu regálů, opět spotřebujeme. Protože v horizontální poloze můžete využít sluneční světlo, ale ve stohu potřebujete LED diody, protože světlo nemůže prosvítat, vlastně logicky 🤷♂️.
Většinu lidí nyní příliš nezajímá, kolik elektřiny se spotřebuje, a to není kritika průmyslu ani spotřebitelů, vždyť koho zajímá, zda byl salát, který jste si koupili, přepraven autem s elektromotorem nebo spalovacím motorem?
V tomto odvětví se vždy rádo mluví o tom, že farmy mohou využívat obnovitelné zdroje energie, což zní romanticky a příjemně, ale realita je jiná. Proto jsem si vytvořil přísloví:
Pokud plánujete vertikální farmu, naplánujte současně i elektrárnu.
Vertikální farma totiž není farma, ale technologicky vyspělé zařízení, které musí vyrábět efektivně a účinně. Experimenty na dvorku jimi nejsou.
A tak potřebujete hodně elektřiny a v závislosti na zemi je na konci měsíce vystaven více či méně vysoký účet za elektřinu.
Ale jsem také upřímný, jsem také unavený po dlouhém dni dělá všechny výpočty a zadal ChatGPT3.5 to udělat, samozřejmě jsem nastavil několik parametrů a zkontroloval vzorce pro logickou integritu.
Příklad výpočtu pro vertikální farmu produkující 100 kg salátu za měsíc:
Pro výpočet potřeby energie pro osvětlení vertikální farmy je třeba vzít v úvahu následující informace:
- Velikost pěstební plochy: 50 m2 (pěstební plocha na několika úrovních, nikoli základní plocha).
- Produktivita farmy: 2 kg salátu na metr čtvereční za měsíc (je snadnější vypočítat).
- Měsíční sklizeň: 100 kg salátu
Za předpokladu, že osvětlení vyžaduje průměrný příkon 100 W na metr čtvereční (to je typický příkon pro průmyslové LED svítidla), můžeme celkový příkon osvětlení vypočítat takto:
Celkový výkon osvětlení = obdělávaná plocha x výkon na metr čtvereční
Celkový výkon osvětlení = 50 m2 x 100 W/m2
Celkový výkon osvětlení = 5000 wattů
Protože se výkon měří ve wattech, musíme jej převést na kilowatty (kW), abychom mohli vypočítat spotřebu elektřiny v kilowatthodinách (kWh) (jako elektronik mám jednu prosbu, a to se týká i lidí z marketingu a novinářů, rozlišujte mezi kW a kWh). Můžeme to udělat tak, že celkový výkon osvětlení vydělíme 1000:
Celkový výkon osvětlení v kW = Celkový výkon osvětlení / 1000
Celkový výkon osvětlení v kW = 5000 Watt / 1000
Celkový výkon osvětlení v kW = 5,0 kW
Pro výpočet měsíční spotřeby elektrické energie pro osvětlení vynásobíme celkový výkon osvětlení v kW počtem provozních hodin za měsíc. Za předpokladu, že osvětlení je v provozu 12 hodin denně (což je typická doba provozu LED lamp pro rostliny, ale závisí také na růstovém cyklu rostliny a odrůdě rostliny), je počet provozních hodin za měsíc 30 dní x 12 hodin denně = 360 hodin za měsíc:
Měsíční spotřeba elektřiny na osvětlení = Celkový výkon osvětlení v kW x provozní hodiny za měsíc
Měsíční spotřeba elektřiny na osvětlení = 5,0 kW x 360 hodin za měsíc,
Měsíční spotřeba elektřiny na osvětlení = 1800 kWh
Proto vertikální farma produkující 100 kg salátu potřebuje měsíčně přibližně 1800 kWh na osvětlení.. Upozorňujeme, že se jedná pouze o hrubý odhad (doba svícení závisí na různých parametrech) a pro přesnější výpočet je třeba vzít v úvahu skutečný výkon osvětlení a další faktory, jako je například klimatizace farmy. Těmito údaji se zde nebudeme zabývat, protože se liší farma od farmy.
Nyní chceme pro tuto vertikální farmu zajistit off-grid napájení, přičemž off-grid znamená, že spotřeba je pokryta vlastní výrobou energie na farmě, odděleně od sítě. Reálně to nedává příliš smysl, ale jako hypotetický příklad toho, jak vertikální farma nezpůsobuje další emise CO2 ve výrobě prostřednictvím mixu elektrické energie.
Abychom mohli vypočítat, kolik fotovoltaických modulů (za předpokladu střední Evropy s dostatkem slunce a nízkou potřebou tepla, severní Evropa by zde opět nebyla proveditelná, možná o tom napíšu samostatné příspěvky) a jak velká plocha je potřeba k výrobě dostatečného množství elektřiny pro vertikální farmu, musíme nejprve vypočítat potřebu elektřiny farmy.
Za předpokladu, že farma potřebuje na osvětlení celkem 1800 kWh měsíčně (jak bylo vypočteno v předchozí otázce), je denní spotřeba elektřiny:
Denní poptávka po elektřině = Měsíční spotřeba elektřiny / 30 dní
Denní poptávka po elektřině = 1800 kWh / 30 dní
Denní spotřeba elektřiny = 60 kWh za den
K pokrytí této potřeby elektřiny potřebujeme fotovoltaický systém s dostatečným výkonem. Předpokládejme, že zvolíme Monokrystalický fotovoltaický modul o výkonu 400 wattů (partnerský odkaz)pak potřebujeme celkem:
Požadovaný počet modulů = denní potřeba elektřiny / výkon na modul
Potřebný počet modulů = 60 kWh za den / (0,4 kW x 5,5 h na modul = 2,2 kWh za 5,5 h) (předpoklad, že 1 fotovoltaický modul má výkon 400 Wp a 5,47 slunečních hodin za den v Německu na základě 2000 slunečních hodin za rok).
Požadovaný počet modulů = 27,27 ~ 28 modulů
To znamená, že potřebujeme celkem 28 fotovoltaických modulů, abychom vyrobili dostatek elektřiny pro vertikální farmu, a to jen na pokrytí 12 hodin elektřiny potřebné pro osvětlení. Skutečný počet modulů se však může lišit v závislosti na umístění, orientaci, úhlu sklonu a dalších faktorech.
Pro výpočet potřebné plochy fotovoltaických modulů potřebujeme znát průměrnou plochu na modul. Za předpokladu, že typický monokrystalický fotovoltaický modul má plochu 1,67 m², potřebujeme celkem:
Požadovaná plocha = počet modulů x plocha na modul
Požadovaná plocha = 28 modulů x 1,67 m² na modul
Požadovaná plocha = 46,76 m²
To znamená, že k instalaci fotovoltaických modulů potřebujeme plochu přibližně 46,76 m². Upozorňujeme, že se jedná pouze o hrubý odhad a skutečná plocha se může lišit v závislosti na velikosti a typu modulu a dalších faktorech.
A nyní se dostáváme ke skladování, vlastně bychom to měli počítat obráceně, nejprve se Určete poptávku, poté vyberte akumulační nádrž a následně naplánujte solární moduly.. Protože počet solárních modulů závisí na potřebě a baterii.
K ukládání a využívání přebytečné energie v době, kdy slunce nesvítí, potřebujeme zařízení pro ukládání energie, například baterii. Potřebná kapacita baterie závisí na různých faktorech, jako je velikost fotovoltaického systému, potřeba elektrické energie farmy a požadovaná doba autonomie (tj. doba, po kterou se farma obejde bez slunečního svitu).
Předpokládejme, že chceme dosáhnout doby autonomie 5 dní a denní spotřeba energie je 60 kWh, použijeme lithiovou baterii. Protože baterie by měla být vybitá maximálně na 20%, počítáme s koeficientem 1,2, což odpovídá 120%, takže jelikož chceme využít pouze "100%", ale nechceme využít 20% baterie, musíme počítat s 120%.
Pak potřebujeme kapacitu baterie přibližně:
Požadovaná kapacita baterie = denní potřeba energie x doba autonomie
Požadovaná kapacita baterie = 60 kWh denně x 5 dní
Požadovaná kapacita baterie = 300 kWh
Požadovaná kapacita baterie = 300 kWh x 1,2
Požadovaná kapacita baterie = 360 kWh
Nyní však nastává problém, protože baterie byla vypočtena na základě poptávky po výkonu, ale tato baterie se musí také dobíjet, což znamená, že to dokáže náš výběr solárních modulů?
Ne na základě výpočtu, protože fotovoltaické moduly pokrývají pouze denní potřebu 60 kWh.
Nyní záleží na tom, jak rychle chcete baterii nabíjet, čím rychleji ji chcete nabíjet, tím více modulů potřebujete, pokud se bez ní obejdete několik dní, bude nabíjení trvat déle.
S 90 kWh solární energie denně60 kWh jde do osvětlení a 30 kWh do baterie.
Doba nabíjení = kapacita baterie / nabíjecí výkon
Doba nabíjení = 360 kWh / 30 kWh
Doba nabíjení = 12 dní (30 kWh x 12 dní = 360 kWh)
Pokud nyní zdvojnásobíte solární energii z 60 kWh denně na 120 kWh, získáte 60 kWh nabíjecího výkonu pro baterii a můžete ji nabít během 6 dnů. Poznámka: Zdvojnásobení nabíjecího výkonu = zkrácení doby nabíjení na polovinu. Zde je však třeba jednoznačně dodržet specifikace výrobce baterie, protože ne každá baterie je vhodná pro absorpci velkého množství elektrické energie. To však zasahuje do chemie baterií a nechci to zde dále vysvětlovat.
Další struktura fotovoltaických modulů by byla:
Potřebný počet modulů = denní potřeba energie (osvětlení + baterie) / výkon na modul
Potřebný počet modulů = 90 kWh za den / (0,4 kW x 5,5 h na modul = 2,2 kWh za 5,5 h) (předpoklad, že 1 fotovoltaický modul má výkon 400 Wp a 5,47 slunečních hodin za den v Německu na základě 2000 slunečních hodin za rok).
Požadovaný počet modulů = 40,9 ~ 41 modulů. Bez baterie by to bylo 27,27 ~ 28 modulů.
Je tedy zapotřebí dalších 14 modulů, aby se zaplnila mezera a do baterie se dodávalo 30 kWh denně, takže se baterie naplní za 12 dní a může pak poskytovat 5 dní autonomie bez slunečního svitu.
To znamená, že potřebujeme baterii o kapacitě přibližně 360 kWh, abychom mohli ukládat a využívat přebytečnou energii, když nesvítí slunce. Skutečná kapacita však závisí na různých faktorech, jako je hloubka vybití (tj. procento kapacity baterie, které lze vyčerpat, než je třeba baterii dobít), účinnost baterie a počet připojených zátěží.
Je důležité si uvědomit, že bateriové úložiště je spojeno s dalšími náklady a vyžaduje pravidelnou údržbu. Cena baterie závisí na různých faktorech, jako je kapacita, technologie a značka.
Vzhledem k tomu, že tyto řády již nejsou pro soukromého spotřebitele dostupné a já jsem se pro tyto účty nechtěl obracet na velkoobchod, lze počítat s teorií.
V roce 2020 byla cena 111 eur za kWh lithiové baterie..
Cena baterie = cena za kWh x kapacita baterie v kWh
Cena baterie = 111 €/kWh x 360 kWh
Cena baterie = 39 960 eur
Pokud nyní započítáme náklady na dopravu, daně, poplatky prodejcům atd., dostaneme se na částku 45 000-50 000 eur.
Jak vidíte, pokud se spoléháte na regenerativní energie, jako je fotovoltaika, může se celá věc rychle stát plošným problémem, pokud chcete rychle nabít baterii, protože fotovoltaika opravdu potřebuje slunce a 70 metrů čtverečních plochy jen pro solární systémy také není málo, zvláště když uvážíte, že ještě potřebujete baterii, a to jsme ještě nešli do podrobností o baterii, protože musíte počítat se stárnutím, ztrátami kapacity, cyklickým nabíjením atd., a pokud pak potřebujete 40 000 eur jen na baterii, a to jen proto, abyste mohli sklízet 100 kg salátu měsíčně, pak musíte zaplatit hodně peněz. Musíte vzít v úvahu stárnutí, ztráty kapacity, cyklické nabíjení atd. a pokud potřebujete 40 000 eur jen na baterii, a to jen proto, abyste mohli sklízet 100 kg salátu měsíčně.
Fotovoltaika se může vyplatit v malém domácím prostoru, ale v laboratorním měřítku a s několika stojany to již není možné. Středně velké až velké farmářské systémy lze instalovat na jeden stojan. Kogenerační jednotka (kogenerační jednotka) a pro velké provozy, jako jsou AeroFarmy, lze použít SMR nebo SMR. Jaderný reaktor MMR používat smysluplněji.
Co si myslíte? Mám pravdu? Mýlíte se? Jiný názor nebo pohled? Jsem otevřen návrhům na opravu mého výpočtu.
Dejte mi vědět 🙂
Další zdroje:
Proč je třeba využít příležitost energetické účinnosti v halách?
Czech 
German 
English 
French