employee
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The article is devoted to the search for ways to reduce carbon dioxide emissions into the atmosphere when performing technological operations in agricultural production. It is proposed to calculate the efficiency of using machine and tractor units based on the methods of physical economics, when not a monetary unit is used as an indicator of efficiency, but an energy unit, which is an indirect indicator of saving or increasing emissions of carbon dioxide. It is substantiated that a decrease in total energy costs when performing technological operations for the production of grain and other crops directly leads to a decrease in greenhouse gas emissions into the atmosphere. Examples of computational experiments are given to identify the most optimal brand of a tractor and optimize the parameters of the working width and speed of the seeding machine-tractor unit K-5250 + Agromaster, leading to a decrease in total energy costs and, accordingly, to a decrease in carbon dioxide emissions and carbon sequestration from the air by reducing losses harvest
tractor, unit, technological operations, energy consumption, greenhouse gases, carbon dioxide binding
Введение.
Во всем мире актуальной становится задача связывания диоксида углерода воздуха, с целью снижения на планете Земля парникового эффекта и сохранения в стабильных рамках многолетней среднегодовой температуры на поверхности земли [1, 2, 3].
Одним из поставщиков углекислого газа являются машинно-тракторные агрегаты, работающие за счет энергии сжигаемого топлива.
Переход на энергетическую оценку затрат в производственных процессах в агропромышленном комплексе облегчает процессы связанные с учетом энергетических затрат [4,5], энергетической эффективности производства и снижения выброса парниковых газов (СО2) за счет их связывания органической массой культур, полученной путем снижения потерь урожая [6, 7].
В энергетических единицах можно оценить объекты и труд – стоимость техники, труд операторов, стоимость топлива и других материалов, стоимость поддержания техники в исправном состоянии и т.д.
При этом затраты энергии могут быть прямыми – затраты топлива, труда или косвенными – затраты на изготовление техники, ее техническое обслуживание и ремонт. Любые затраты энергии, где бы они не происходили – в энергетике, на транспорте, в промышленности при изготовлении сельскохозяйственных тракторов и машин, в момент использования машинно-тракторных агрегатов на полях при производстве сельскохозяйственной продукции и т.д., всегда сопровождаются выбросом диоксида углерода, ибо основным источником энергии на земле сегодня являются углеродсодержащие ископаемые топлива (больше 80%).
Условные материалы и методы.
В предлагаемой статье используется метод исследования, основанный на вычислительных экспериментах с использованием математических моделей машинно-тракторных агрегатов, составленных на основе использования критерия эффективности суммарные энергетические затраты, учитывающего влияние параметров техники на формируемый урожай культур.
Энергетический критерий оптимизации параметров и режимов работы трактора и агрегата и эффективности рыхлителя следов трактора следующий [8, 9, 10]:
где Э – удельные суммарные энергетические затраты, МДж/га; Эи.тр, Эи.схм – энергия, затраченная соответственно на изготовление трактора и сельскохозяйственной машины, приходящаяся на 1 га, МДж/га; Эрто – энергия, затраченная на все виды ремонта и техническое обслуживание трактора и сельскохозяйственной машины, МДж/га; Эс.р.- энергия, затраченная на сборку и разборку посевного агрегата, МДж/га; Эупр – энергия, затраченная механизатором на управление агрегатом (повороты, остановку и трогание с места и переключение передач), МДж/га; Этсм – энергия, затраченного топлива, МДж/гa; Эагр – энергия урожая, потерянного из-за нарушения агротехнических сроков выполнения технологической операции, МДж/га; Эупл – энергия урожая, потерянного из-за уплотнения почвы движителями трактора, МДж/га.
Программа для расчетов составлена в среде Matlab, расчеты ведутся численным методом.
Для перерасчета энергии сэкономленной за счет выбора оптимальных марок тракторов, оптимизации ширины захвата и рабочей скорости различных машинно-тракторных агрегатов в массу СО2, используется переводный коэффициент. Коэффициент рассчитывается на основе усреднения величины СО2 в кг, приходящейся на 1 МДж энергии полученной от различных видов наиболее распространенного топлива (уголь - 0,093; нефтепродукты - 0,072; природный газ - 0,055; биодизельное топливо - 0,071 кг/МДж) [11, 12, 13]. Среднее значение коэффициента равняется 0,072 кг/МДж.
Результаты и обсуждение.
Проведем расчет по обоснованию марки трактора для проведения прямого посева яровой пшеницы сеялками для прямого посева Агромастер.
Пример расчета.
Исходные данные для расчета:
Площадь поля =100 га;
Длина гона =1 км;
Расстояние переезда =3 км;
Плотность семян =800 кг/м3;
Коэффициент прочности несущей поверхности =0.9
Объем работы =500 га;
Число часов работы в сутки =16 ч;
Планируемая урожайность продукции =40 ц/га;
Давление в шинах =0.16 МПа;
Число тракторов на операции =1 шт;
Число колес на одном борту трактора =1;
Коэффициент сцепления колес с почвой на посеве =0.6;
Коэффициент сопротивления перекатыванию колес трактора на посеве =0.12;
Удельное сопротивление сеялки =4 кН/м;
Плотность почвы = 1.25 г/см3;
Твердость почвы = 1600000 Па.
Результаты расчета:
Минимальная сумма энергетических затрат у посевного агрегата с гусеничным трактором (Т-150) = 3666 МДж/га;
Минимальный выброс диоксида углерода в атмосферу у посевного агрегата с гусеничным трактором
(Т-150) = 264 кг/га
Минимальная сумма энергетических затрат у посевного агрегата с колесным трактором (К-5250) = 10077 МДж/га;
Минимальный выброс диоксида углерода в атмосферу у посевного агрегата с колесным трактором (К-5250) = 726 кг/га
Результаты расчетов по всем принятым маркам тракторов для полей размером от 1 до 100 га приведены на рисунке 1.
Как видно из рисунка 1, разница в выбросе диоксида углерода между тракторами Т-150 и Т-215КАМАЗ на прямом посеве яровой пшеницы при площади поля 100 га равна 1956.7 – 263.98 = 1693 кг/га.
Отсюда напрашивается вывод о том, что использование на прямом посеве зерновых культур гусеничных тракторов приводит к значительной экономии суммарных энергетических затрат и снижению выброса диоксида углерода в атмосферу. Это объясняется тем, что гусеничные тракторы расходуют меньше топлива на 1 га выполненной работы, имеют гораздо меньшее уплотняющее воздействие движителей на почву, что способствует снижению потерь потенциального урожая, а значит большему связыванию диоксида углерода из атмосферы и почвы.
Необходимо отметить, что важным фактором снижения выброса диоксида углерода является использование для возделывания сельскохозяйственных культур полей площадью более 10-15 га, что хорошо видно из рисунка 1.
Из колесных тракторов, использованных при вычислительных экспериментах для прямого посева яровой пшеницы, меньшее количество выброса СО2 обеспечивает трактор К-5250 см. рисунок 1. Выброс диоксида углерода посевным комплексом на базе данного трактора в два раза превышает данный показатель у гусеничных тракторов и на поле размером 100 га составляет 726 кг/га. В связи с этим возникает необходимость поиска путей снижения выброса СО2 колесными тракторами.
Перейдем на вычислительные эксперименты с посевным комплексом К-5250+Агромастер. В первую очередь выясним оптимальные значения ширины захвата и скорости посевного агрегата по критерию оптимизации - минимум выброса диоксида углерода в атмосферу.
Исходные данные для расчета такие же, как и в первом вычислительном эксперименте. Результаты расчетов приведены на рисунке 2 и в таблице 1.
Результаты расчетов:
Оптимальная ширина сеялки = 16,8 м;
Оптимальная скорость посевного агрегата = 5,6 км/ч;
Тяговый коэффициент полезного действия трактора = 0,63;
Коэффициент буксования на посеве = 13,97;
Производительность посевного агрегата = 5,96 га/ч;
Минимальная сумма энергетических затрат у посевного агрегата с
трактором К-5250 = 10077 МДж/га;
Минимальный выброс диоксида углерода в атмосферу у посевного
агрегата с трактором К-5250 = 725,54 кг/га.
Как видно из таблицы 1 и особенно наглядно из рисунка 2 – выброс диоксида углерода наиболее интенсивно сокращается с ростом ширины захвата посевного комплекса. В связи с тем, что мощность двигателя трактора неизменна, то закономерно с ростом ширины захвата посевного комплекса его рабочая скорость будет понижаться. В связи с этим, минимальный выброс диоксида углерода в размере 726 кг/га соответствует ширине захвата 16,8 м при скорости агрегата 5,6 км/ч.
Рост ширины захвата агрегата ведет к снижению уплотняющего воздействия посевного агрегата на почву и при повышении ширины захвата с 6,8 м до 16,8 м (см. таблицу 1), энергия теряемого урожая снижается с 21110 до 8544 МДж/га или на 12566 МДж/га, что равносильно снижению выброса СО2 на 905 кг/га. Одновременно с ростом ширины захвата снижаются и прямые энергетические затраты через топливо и смазочные материалы, что хорошо видно из таблицы 1.
Все это в конечном итоге приводит к снижению суммарных энергетических затрат посевного агрегата при увеличении его ширины захвата и закономерно ведет к снижению выброса СО2 в атмосферу.
Выводы
1. Экономия 1 МДж энергии от ископаемых топлив в различных отраслях производства, в том числе и в аграрном секторе экономики равносильно снижению выброса СО2 на 0,072 кг.
2. При использовании мобильных машин на технологических процессах в сельскохозяйственном производстве они загрязняют атмосферу не только за счет сжигания прямых энергоносителей – топлива и смазочных материалов, но и за счет косвенных затрат энергии на их изготовление, техническое обслуживание и ремонт. Более того, машинно-тракторные агрегаты (МТА) – их параметры и режимы работы влияют на величину формируемого урожая, который связывает диоксид углерода в почве и воздухе. Поэтому снижение потерь урожая при работе агрегатов – путь к снижению содержание СО2 в почве и в атмосфере.
3. Использование суммарных энергетических затрат при повышении эффективности работы МТА, переход на основы физической экономики – прямой путь к нахождению способов снижения выброса парниковых газов.
4. Наименьший выброс СО2 при проведении прямого посева обеспечивают агрегаты на базе гусеничных тракторов.
5. Из колесных тракторов в проведенном исследовании, лучшие показатели по выбросу диоксида углерода у колесного трактора К-5250 - 726 кг/га. По сравнению с гусеничным трактором Т-150 его вклад в загрязнение атмосферы выше на 462 кг/га, но ниже по сравнению с колесным трактором ДД-9430 (1602 кг/га) на 876 кг/га.
6. Для обеспечения такой эффективности по энергетическим затратам и низкому выбросу диоксида углерода посевной комплекс К-5250+Агромастер должен эксплуатироваться с сеялкой ширина захвата которой равна 16.8 м и работать на скорости 5.6 км/ч.
1. Greenhouse gases. Calculation of CO2 emissions from Stephen K. Ritter. [Internet]. April 30, 2007. [cited 2021, August 22]. Available from: https://cen.acs/org/articles/85/i18/Greenhouse-Gas.
2. What can we do with carbon dioxide? From Stephen K. Ritter. [Internet]. April 30, 2007. [cited 2021, August 22]. Available from: https://cen.acs/org/articles/85/i18/Carbon-Dioxide.html&prev=search&pto=aue.
3. The process of photosynthesis: carbon fixation and restoration. [Internet]. [cited 2021, August 22]. Available from: https://www-britanica-com.translate.google.ru/translate?hl=ru&sl=en&u=https://www.britanica-com/science/photosynthesis.
4. Khafizov K, Khafizov R, Nurmiev A, Usenkov R. Optimization of main parameters of tractor and unit for deep processing of soil according to criterion - total energy costs. Engineering for rural development: 19, Jelgava, 20-22 maya 2020 goda. – Jelgava, 2020. – 603-608 p. – DOI 10.22616/ERDev.2020.19.TF134.
5. Khafizov K, Khafizov R, Nurmiev A, Galiev I. Optimization of main parameters of tractor and unit for plowing soil, taking Into account their influence on yield of grain crops. Engineering for rural development: 19, Jelgava, 20-22 maya 2020 goda. – Jelgava. 2020; 585-590 p. – DOI 10.22616/ERDev.2020.19.TF131.
6. Khafizov K, Nurmiev A, Khafizov R, Adigamov N. Method of justification for parameters of tractor-implement unit with regards to their impact on crop productivity. Engineering for rural development: proceedings, Jelgava, 23-25 maya 2018 goda. – Jelgava: Latvia University of Agriculture. 2018. 176-185 p. – DOI 10.22616/ERDev2018.17.N193.
7. Lavrov AV, Shevtsov VG, Zubina VA. Analiz vliyaniya prodolzhitel'nosti vypolneniya sel'skokhozyaistvennykh operatsii na poteri urozhaya v pochvenno-klimaticheskikh usloviyakh Kaluzhskoi oblasti. Sbornik trudov: “Adaptivno-landshaftnye sistemy zemledeliya - osnova effektivnogo ispol'zovaniya meliorirovannykh zemel'”. Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii FGBNU VNIIMZ. [Analysis of the influence of the duration of agricultural operations on crop losses in the soil and climatic conditions of the Kaluga region. “Adaptive landscape farming systems - the basis for the effective use of reclaimed land”. Proceedings of International scientific and practical conference of VNIIMZ]. Tver', 2017; 35-39 p.
8. Severov VI, Kalashnikov KG. [Agroenergetic assessment of feed production]. Kormoproizvodstvo. 1994; 2. 5-7.
9. Bazarov EI. Agrozooenergetika. [Agrozooenergetics]. Moscow: Agropromizdat, 1987; 155 p.
10. Khafizov KA. Puti snizheniya energeticheskikh zatrat na proizvodstvennykh protsessakh v sel'skom khozyaistve. [Ways to reduce energy costs in production processes in agriculture]. Kazan': Izd-vo Kazan. un-ta. 2007; 272 p.
11. Global carbon atlas. – 2021. [cited 2021, August 18]. Available from: www.alcarbonatlas
12. Methodology for calculating greenhouse gas emissions (CO2-equivalent). Calculation of greenhouse gases from energy activities of enterprises (fuel combustion). [cited 2021, August 18]. Available from: https://sro150.ru/index.php/
13. Fourth biennial report of the Russian Federation submitted in accordance with 1/SR.16 decision of Conference of the parties to the United Nations Framework Convention on climate change. [Internet]. Moscow. 2019; 54 p. [cited 2021, August 18]. Available from: www.unfccc.int
