сотрудник
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Статья посвящена поиску путей снижения выброса углекислого газа в атмосферу при выполнении технологических операций в сельскохозяйственном производстве. Предлагается вести расчет эффективности использования машинно-тракторных агрегатов на основе методов физической экономики, когда в качестве показателя эффективности используется не денежная единица, а энергетическая единица, которая является косвенным показателем экономии или увеличения выброса диоксида углерода. Обосновывается, что снижение суммарных энергетических затрат при выполнении технологических операций производства зерновых и других культур напрямую ведет к снижению выброса парниковых газов в атмосферу. Приводятся примеры вычислительных экспериментов по выявлению наиболее оптимальной марки трактора и оптимизации параметров ширины захвата и скорости посевного машинно-тракторного агрегата К-5250+Агромастер, ведущие к снижению суммарных энергетических затрат и соответственно к снижению выброса двуокиси углерода и связыванию углерода из воздуха за счет снижения потерь урожая
Трактор, агрегат, технологические операции, энергозатраты, парниковые газы, связывание диоксида углерода
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. Парниковые газы. Расчет выбросов СО2 от Стивена К. Риттера. 30 апреля 2007. https://cen.acs/org/articles/85/i18/Greenhouse-Gas (Дата обращения 22 августа 2021 г.).
2. Что мы можем сделать с углекислым газом? От Стивена К. Риттера. 30 апреля 2007. https://cen.acs/org/articles/85/i18/Carbon-Dioxide.html&prev=search&pto=aue (Дата обращения 22 августа 2021 г.).
3. Процесс фотосинтеза: фиксация и восстановление углерода. https://www-britanica-com.translate.google.ru/translate?hl=ru&sl=en&u=https://www.britanica-com/scienсe/photosynthesis (Дата обращения 22 августа 2021 г.).
4. Optimization of main parameters of tractor and unit for deep processing of soil according to criterion - total energy costs/ C. Khafizov, R. Khafizov, A. Nurmiev, R. Usenkov// Engineering for Rural Development : 19, Jelgava, 20–22 мая 2020 года. – Jelgava, 2020. – P. 603-608. – DOI 10.22616/ERDev.2020.19.TF134.
5. Optimization of main parameters of tractor and unit for plowing soil, taking Into account their influence on yield of grain crops / C. Khafizov, R. Khafizov, A. Nurmiev, I. Galiev // Engineering for Rural Development : 19, Jelgava, 20–22 мая 2020 года. – Jelgava, 2020. – P. 585-590. – DOI 10.22616/ERDev.2020.19.TF131.
6. Method of justification for parameters of tractor-implement unit with regards to their impact on crop productivity / C. Khafizov, A. Nurmiev, R. Khafizov, N. Adigamov // Engineering for Rural Development : Proceedings, Jelgava, 23–25 мая 2018 года. – Jelgava: Latvia University of Agriculture, 2018. – P. 176-185. – DOI 10.22616/ERDev2018.17.N193.
7. Лавров, А.В. Анализ влияния продолжительности выполнения сельскохозяйственных операций на потери урожая в почвенно-климатических условиях Калужской области / В.Г. Шевцов, В.А. Зубина // Сборник трудов: «Адаптивно-ландшафтные системы земледелия - основа эффективного использования мелиорированных земель» Материалы Международной научно-практической конференции ФГБНУ ВНИИМЗ. – Тверь, – 2017. – С. 35-39.
8. Северов, В. И. Агроэнергетическая оценка производства кормов / В. И. Северов, К. Г. Калашников. – Кормопроизводство. – 1994. – № 2. – С. 5-7.
9. Базаров Е.И. и др. Агрозооэнергетика.– М.: Агропромиздат, 1987.– 155 с.
10. Хафизов К.А. Пути снижения энергетических затрат на производственных процессах в сельском хозяйстве – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2007. – 272 с.
11. Global Carbon Atlas. – 2021. www.alcarbonatlas (Дата обращения 18 августа 2021 г.).
12. Методика расчета выбросов парниковых газов (СО2-эквивалента). Расчет парниковых газов от энергетической деятельности предприятий (сжигание топлива). https://sro150.ru/index.php/ (Дата обращения 18 августа 2021 г.).
13. Четвертый двухгодичный доклад Российской Федерации представленный в соответствии с решением 1/СР.16 Конференции Сторон Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата. М. – 2019. – 54 с. www.unfccc.int (Дата обращения 18 августа 2021 г.).
