Akumulácia, distribúcia a Akumulácia, distribúcia a transformácia bioenergie transformácia bioenergie Ján Kukla Ján Kukla Ústav ekológie lesa SAV, Ľ. Štúra 2, 96053 Zvolen Ústav 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
40
Embed
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. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Akumulácia, distribúcia a transformácia Akumulácia, distribúcia a transformácia bioenergiebioenergie
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:
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,
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).
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
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: