сотрудник
сотрудник
сотрудник
, Россия
УДК 662.613.53 Состав
УДК 504.062.2 Рациональное использование природных ресурсов
Исследования проводили с целью разработки метода расчета выброса диоксида углерода машинно-тракторными агрегатами на технологических операциях в растениеводстве при возделывании зерновых культур. Предложен критерий оптимизации параметров и режимов работы почвообрабатывающих, посевных и других агрегатов – минимальный выброс диоксида углерода в атмосферу при их изготовлении, техническом обслуживании и производственной эксплуатации. Особенность предлагаемого метода заключается в том, что он учитывает влияние параметров техники на потери потенциального урожая, избежать которых при сегодняшнем уровне развития машин и технологий невозможно. Формирование урожая происходит в результате поглощения растениями диоксида углерода из атмосферы и, частично, из почвы. Диоксид углерода (СО2), который потерянный урожай мог бы поглотить из атмосферы, выводится из кругооборота, а значит остается в воздухе, и в нашей методике он приписывается к СО2, выброшенному в атмосферу при изготовлении, обслуживании и эксплуатации агрегата. Предложена формула, которая позволяет рассчитать массу диоксида углерода для формирования зерна массой 1 кг. Из зерновых культур на формирование единицы урожая больше всего СО2 из атмосферы (по теоретическим расчетам) поглощает озимая рожь (около 3 кг/кг), далее кукуруза (2,8 кг/кг). Опираясь на результаты этих исследований, предложена математическая модель работы машинно-тракторных агрегатов на технологических операциях по подготовке почвы к посеву и посеву по предложенному критерию оптимизации. Проверку работоспособности разработанного метода осуществляли путем вычислительных экспериментов с использованием созданной математической модели на технологической операции подготовка почвы тяжелыми дисковыми боронами (с учетом влияния веса трактора, мощности его двигателя, ширины захвата и рабочей скорости агрегата на выброс диоксида углерода). Минимальный выброс диоксида углерода для условий проведения вычислительного эксперимента обеспечивается при весе трактора 145 кН.
диоксид углерода, машинно-тракторный агрегат, экология, технологическая операция, оптимизация параметров, критерий оптимизации
Введение. Проблема снижения карбонового следа приобретает особую актуальность в связи с непрерывным ростом среднегодовой температуры на земном шаре [1, 2, 3]. Развитие этого процесса связывают с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов, в том числе диоксида углерода. Основной источник диоксида углерода, связанный с деятельностью человека – сжигание ископаемого топлива, которое в значительных объемах потребляется в аграрном секторе экономики [4, 5, 6]. Ископаемое топливо используют при изготовлении, техническом обслуживании и производственной эксплуатации сельскохозяйственной техники. Количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу машинно-тракторными агрегатами зависит от множества факторов рассматриваемой системы, в том числе от параметров и режимов работы трактора и агрегата в целом [7, 8, 9]. В ряде исследований было выявлено [10, 11, 12], что параметры машинно-тракторных агрегатов влияют на величину формируемого урожая, а все сельскохозяйственные растения вовлечены в процесс кругооборота углерода в природе. Поэтому составление методики расчета величины выброса диоксида углерода машинно-тракторными агрегатами в аграрном секторе экономики с учетом их влияния на формируемый урожай зерновых культур представляет научный и практический интерес и ставится целью проводимого исследования.
Цель исследований разработка метода расчета выброса диоксида углерода машинно-тракторными агрегатами на технологических операциях в растениеводстве при возделывании зерновых культур.
Условия, материалы и методы. При проведении исследований использовали метод математического моделирования работы машинно-тракторных агрегатов (МТА) на основе интегрального критерия оптимизации – удельный суммарный выброс диоксида углерода в атмосферу. Для составления математической модели воспользуемся наработанным, в сфере эксплуатации МТА, прикладным математическим аппаратом, опираясь на достижения агрономических наук.
По нашему мнению количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу при эксплуатации почвообрабатывающих и посевных машинно-тракторных агрегатов в аграрном производстве, складывается из следующих составляющих:
СО2=СО2и.тр+СО2и.схм+СО2и.пр+СО2рто+СО2с.р.+СО2упр+СО2тсм+СО2агр+
+СО2упл®min, (1)
где СО2 – удельный суммарный выброс диоксида углерода, кг/га;
СО2и.тр, СО2и.схм, СО2и.пр. – количество СО2, выброшенное соответственно при изготовлении трактора, сельскохозяйственной машины, прицепа, приходящееся на 1 га, кг/га;
СО2рто – количество СО2, выброшенное в атмосферу при проведении ремонта и технического обслуживания трактора, прицепа и сельскохозяйственной машины, кг/га;
СО2с.р. –количество СО2, выброшенное в атмосферу при сборке и разборке агрегата, кг/га;
СО2упр – количество СО2, выделяемое механизатором при управлении трактором, кг/га;
СО2тсм – количество СО2, выброшенное при сжигании топлива двигателем трактора, кг/гa;
СО2агр – количество СО2 из атмосферы не связанное урожаем, из-за его потерь в связи с нарушением агротехнических сроков выполнения технологической операции, кг/га;
СО2упл – количество СО2 не связанное урожаем из атмосферы, из-за его потерь в связи с уплотнением почвы движителями трактора кг/га.
Предлагаемый показатель (удельный суммарный выброс диоксида углерода, кг/га) и будет критерием оптимизации параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов. При разработке метода снижения выбросов диоксида углерода необходимо выявить зависимость каждого слагаемого правой части уравнения (1) от параметров и режимов работы трактора и сельскохозяйственной машины, а также факторов рассматриваемой системы трактор-оператор-орудие-поле-почва-урожай (ТООППУ) и внешней среды.
Результаты и обсуждение. Для расчета двух последних слагаемых (СО2агр, СО2упл) критерия оптимизации в уравнении (1), необходимо выявить размеры потерь урожая из-за нарушения агротехнических сроков выполнения технологической операции и уплотнения почвы ΔY и обосновать – сколько диоксида углерода поглощает единица зерновой части той или иной культуры с учетом ее соломистости.
Информации по поглощению СО2 культурными растениями в литературе мало и она разноречива. Попробуем теоретически обосновать, сколько потребляет та или иная культура диоксида углерода из атмосферы и почвы за период вегетации, то есть за год, в расчете на единицу массы урожая. Для этого воспользуемся данными о содержании в растениях (листьях, стеблях и плодах) сухого вещества [13], а также углерода в сухом веществе, далее рассчитаем, исходя из формулы диоксида углерода - СО2 и молярной массы ее химических элементов, сколько диоксида углерода поглощает растение.
Формула для такого расчета будет выглядеть следующим образом:
, (2)
где МСО2– масса диоксида углерода для формирования зерна массой МЗ, кг/кг; МЗ – масса зерна, кг; СЗ – содержание сухого вещества в зерне, %; ПСЗ – содержание углерода в сухом веществе зерна, %; КС – коэффициент соломистости культуры; СС – содержание сухого вещества в соломе, %; ПСС – содержание углерода в сухом веществе соломы, %; 44 – молярная масса диоксида углерода; 12 – молярная масса углерода.
Результаты такого расчета (табл. 1) свидетельствуют о том, что МСО2, например, для формирования 1 кг зерна озимой пшеницы с учетом массы сопутствующей соломы составит 2,34 кг/кг. Верность наших расчетов подтверждают данные исследователей из Германии и США (табл. 2). В целом наибольшим среди изученных культур поглощением СО2 из атмосферы на формирование единицы урожая характеризуются озимая рожь (около 3 кг/кг) и кукуруза (2,8 кг/кг).
Таблица 1 – Количество диоксида углерода, рассчитанное для формирования единицы массы зерновых культур, исходя из содержания углерода в зерне и в соломе*
|
Культура |
Влажность % |
Обменная энергия содержащаяся в 1000 г корма мДж |
Сухое вещество, % |
Углерод в сухом веществе, % |
Коэффициент соломистости |
Сухое вещество, % |
Органическое вещество, %. |
Углерод в сухом веществе, % |
Масса углерода в 1 ц зерна с учетом соломы, кг |
Масса СО2 для формирования 1 кг зерна с учетом соломы, кг |
|
|
зерно |
солома |
||||||||
|
Озимая пшеница |
13,0 |
13,18 |
87 |
18,0 |
1,4 |
86 |
81 |
40 |
64,0 |
2,34 |
|
Озимая рожь |
13,0 |
13,39 |
87 |
18,1 |
1,8 |
86 |
82 |
42,5 |
81,5 |
2,99 |
|
Ячмень |
13,0 |
13,01 |
87 |
17,9 |
1,2 |
86 |
81 |
40 |
56,9 |
2,09 |
|
Овес |
12,5 |
12,55 |
88,5 |
17,4 |
1,2 |
86 |
79 |
36 |
52,6 |
1,93 |
|
Яровая пшеница |
13,0 |
13,39 |
87 |
18,3 |
1,5 |
86 |
82 |
39 |
66,2 |
2,43 |
|
Кукуруза |
13,0 |
13,82 |
87 |
18,7 |
2,0 |
86 |
81 |
35 |
76,5 |
2,80 |
|
Рапс |
14,0 |
12,21 |
86 |
17,2 |
1,6 |
86 |
80 |
38,5 |
67,8 |
2,49 |
|
Гречиха |
14,0 |
12,13 |
86 |
17,1 |
1,6 |
86 |
80 |
40 |
69,7 |
2,56 |
|
Горох |
14,0 |
12,68 |
86 |
17,5 |
1,5 |
86 |
81 |
42 |
69,2 |
2,54 |
|
Соя |
14,0 |
16,53 |
86 |
19,9 |
1,4 |
86 |
82 |
36 |
60,5 |
2,22 |
|
Вика |
14,0 |
13,57 |
86 |
18,4 |
1,4 |
86 |
81 |
42 |
66,4 |
2,43 |
*содержание кислорода в сухом веществе всех исследованных культур ≈70 %, водорода – ≈10 %
Таблица 2 – Количество двуокиси углерода, поглощаемое при возделывании зерновых культур в РТ [14]
|
Культура |
Средняя урожайность, ц/га |
Поглощение СО2, кг/ц |
Площадь посевов, тыс.га |
Масса поглощенного СО2, т |
|
Яровая пшеница |
31 |
132* |
506,4 |
2072188,8 |
|
Озимая рожь |
38 |
360 * |
113,8 |
1270008,0 |
|
Кукуруза на силос |
73 |
140 * |
129,6 |
1324512,0 |
*рассчитано с использованием результатов экспериментов, проведенных в Германии и США [15, 16]
КоличествоСО2, не связанного формируемым урожаем, из-за потерь в связи с нарушением агротехнических сроков выполнения технологической операции (СО2агр) можно рассчитать по формуле:
, (3)
где – масса не поглощенного СО2 с 1 га в день из-за потерь урожая,
кг/га×день;
, (4)
где планируемая урожайность, кг/га;
потери урожая в % на 1 день нарушения агросрока выполняемойработы;
МСО2 – масса диоксида углерода для формирования зерна массой 1кг, кг;
W – производительность машинно-тракторного агрегата, га/ч;
число целых дней в
;
So– объём выполняемой работы по операции, приходящейся на один МТА, га.
, (5)
где – число дней необходимых для выполнения объема работы
число смен в одном рабочем дне;
продолжительность смены в часах.
Значение Dу устанавливают экспериментально для климатических зон с учетом региональных особенностей. Из литературных источников известно, что Dу на культивации находится в пределах 0,3%, на посеве – 0,9%, а при уборке зерновых может достигать 3% [17].
Объем работы So на технологической операции, приходящийся на один агрегат, в каждом конкретном предприятии будет различным. Оптимальную величину этого показателя возможно определить, рассматривая работу всего машинно-тракторного парка, так как его размеры влияют на количественный и качественный состав парка техники.
При эксплуатационных расчетах выброса диоксида углерода МТА, величину So можно определить исходя из всего объема работ в хозяйстве по той или иной операции с учетом числа занятых агрегатов пропорционально их нормативной производительности.
Расчет количества диоксида углерода, не поглощенного из атмосферы из-за потерь урожая в связи с уплотнением почвы движителями колесного трактора, проводится по следующей формуле [18]:
(6)
где – коэффициент, определяющий долю потерянного урожая на единицу уплотняющего воздействия колес трактора, %×м/кН; B1 – ширина зоны влияния уплотняющего воздействия трактора на урожайность сельскохозяйственных культур на поле (в ориентировочных расчетах B1 = 10,8 м); BР – рабочая ширина МТА, м; n– общее число следов движителей, оставляемых на поле за один проход; w– коэффициент, зависящий от размеров и формы опорной поверхности движителей (для колесного w =1,25); bк– ширина профиля колеса, м; qmax – максимальное давление отдельного колеса трактора на почву, кПа;
– допустимый уровень уплотняющего воздействия колеса трактора на почву, ниже которого уменьшения урожайности культуры не происходит
=75 кН/м.
Для расчета qmax на основе результатов экспериментальных исследований выведена эмпирическая формула[19]:
qmax=3.46ρw-7.4493Bρw/D+0.075552H-0.23353(ρпρwD3)/М, (7)
где qmax– максимальное давление колеса на почву, Н/м2; D – диаметр колеса, м; М – масса трактора, приходящаяся на одно колесо, кг; B – ширина профиля колеса, м; Н – твёрдость почвы, Па; ρп – плотность почвы, кг/м3;ρw – давление воздуха в шинах, Н/м2.
Остальные составляющие критерия оптимизации (1), рассчитывается путем определения энергетических затрат [10, 11] с дальнейшим перерасчетом энергии в массу СО2 с использованием переводного коэффициента. Переводный коэффициент рассчитывается на основе усреднения массы СО2, приходящейся на 1 МДж энергии, полученной от сгорания различных наиболее распространенных видов топлива (уголь – 0,093; нефтепродукты – 0,072; природный газ – 0,055; биодизельное топливо – 0,071 кг/МДж) [20, 21, 22]. Средняя величина этого показателя составляет 0,072 кг/МДж.
На основе разработанного методапроведем расчет выброса СО2агрегатом на технологической операции–обработкапочвы тяжелой дисковой бороной и выявим влияние массы трактора в составе МТА на выброс диоксида углерода. Для расчетов возьмем следующие исходные данные: площадь поля – 60 га; длина гона – 1 км; расстояние переезда с поля на поле – 2 км; плотность семян – 800 т/м3; коэффициент прочности несущей поверхности – 0,9; объем работы – 550 га; количество тракторов на поле – 1 шт.; время работы за сутки – 14 ч; суммарная урожайность культуры – 50 ц/га; давление в шинах колес трактора – 0,16 МПа; число колес на одном борту трактора – 1 шт.; коэффициент сцепления колес трактора с почвой – 0,6; коэффициент сопротивления перекатыванию колес трактора – 0,12; коэффициент распределения нагрузки по осям трактора – 0,98; плотность почвы – 1300 кг/м3; твердость почвы – 1500000 Па; удельное сопротивление сельхозмашины – 6,5 кН/м.
Проведение расчетов показало, что наименьший выброс СО2 при дисковании почвы составит 171,12 кг/га; оптимальный вес трактора (Mt) – 145,714 кН; потребная мощность трактора (N) – 533,943 л.с.; оптимизированная ширина захвата (B) – 12,3 м; оптимизированная скорость (V) – 10 км/ч. Отмечено заметное влияние на выброс диоксида углерода в атмосферу веса трактора (рис. 1, 2). Ясно выраженная минимальная величина этого показателя приходится на массу равную 14571,4кг, что соответствует массе трактора 5-го тягового класса. Ее увеличение или уменьшение ведет к росту выброса СО2. Таким образом предлагаемый метод определения выброса диоксида углерода в атмосферу МТА работоспособен и дает возможность находить пути снижения выброса СО2 в атмосферу, что видно и по другим графикам на рисунке 1.
Рис. 1 – Вид окна формы прикладной программы расчета выброса СО2 на дисковании почвы.
Рис. 2 – Вывод графика влияние веса трактора на выброс диоксида углерода в атмосферу.
Выводы. В результате исследований теоретически обоснована формула для определения количества двуокиси углерода, необходимого для формирования единицы массы зерновых культур исходя из содержания углерода в зерне и в соломе. Проведенные расчеты свидетельствуют, что больше всего углекислого газа из атмосферы на формирование единицы массы зерна с учетом соломистости культуры поглощают озимая рожь (около 3 кг/кг) и кукуруза (2,8 кг/кг).
На основе методики расчета количества двуокиси углерода, необходимого для формирования единицы массы зерновых культур и с использованием результатов предыдущих исследований, предложен метод, позволяющий искать пути снижения выброса диоксида углерода в атмосферу при эксплуатации машинно-тракторных агрегатов на технологических операциях в сельскохозяйственном производстве. Расчеты, проведенные для технологической операции – подготовка почвы тяжелой дисковой бороной, с использованием разработанного метода расчета выброса СО2 в атмосферу свидетельствуют о наличии зависимости количества диоксида углерода от веса трактора и других параметров агрегата. Разработанный метод позволяет проводить оптимизацию параметров агрегатов при их использовании на различных технологических операциях с целью снижения карбонового следа и искать пути снижения выброса диоксида углерода в атмосферу.
1. Climate change 2013: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / ed. T.F. Stocker, D. Qin, G-K. Plattner, et al. Cambridge: Cambridge University Press; 2013. 1535 p
2. Адамов Н. А., Чижова Л. П., Курдюкова Н. О. Влияние изменения климата на экономическую безопасность регионов России // РИСК: Ресурсы, Информация, Снабжение, Конкуренция. 2020. № 1. С. 87-90.
3. Долгопериодные изменения температуры воздуха в Татарстане и их сценарии в текущем столетии / Ю. П. Переведенцев, К. М. Шанталинский, Б. Г. Шерстюков и др. // Журнал Белорусского государственного университета. География. Геология. 2019. № 2. С. 94-107. DOI 10.33581/2521-6740-2019-2-94-107.
4. Зенченко С. А., Горбачев Н. Н. Глобальные экологические проблемы // Экологический менеджмент в ЕС: курс и МООС. Минск: Общество с ограниченной ответственностью "Медисонт", 2018. С. 41-75.
5. Широков Ю. А. Анализ перспектив энергоэкономической оценки агротехнологий // Агроинженерия. 2021. № 4(104). С. 46-52. doi 10.26897/2687-1149-2021-4-46-52.
6. Energy intensity of Agriculture and food systems / N. Pelletier, E. Adsli, S. Brodt, et al. // Annual Review of Environment and Resources. 2011. Vol. 36. Р. 223-246. URL: https://doi.org/10.1146/annurev-environ-081710-161014 (Дата обращения: 14.05.2022).
7. Пути снижения выброса в атмосферу диоксида углерода на производственных процессах в растениеводстве / Р. Н. Хафизов, Ф. Х. Халиуллин, К. А. Хафизов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 3(63). С. 38-42. doi: 10.12737/2073-0462-2021-38-42.
8. Даргель Р. С., Гермаковский В. А. Применение альтернативных видов топлива для автотракторных двигателей // Инновационные решения в технологиях и механизации сельскохозяйственного производства : сборник научных трудов. Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2020. С. 168-176.
9. Сервис импортной и отечественной сельскохозяйственной техники и оборудования в современных условиях / Б. Г. Зиганшин, К. А. Хафизов, А. Р. Валиев и др. Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2009. 444 с.
10. Хафизов К. А. Методика расчета МТА по критерию «совокупные энергозатраты» // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2006. № 3. С. 46-51.
11. Хафизов К. А. Оптимизация параметров и режимов работы МТА на основе энергетического анализа // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2006. № 7. С. 32-34.
12. Галиев И. Г., Хафизов К. А., Халиуллин Ф. Х. Модернизация системы смазки подшипникового узла турбокомпрессора автотракторного двигателя // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2019. Т.14. №1(52). С.71-76. doi: 10.12737/article_5cceddb77ac7e0.09639673.
13. Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/под ред. Б.А. Ягодина. М.: Колос, 2002. 584 с.: ил.
14. Составлен ТОП высокоурожайных сортов сельхозкультур Татарстана. / Интернет ресурс Главагроном. URL:https://glavagronom.ru/news/sostavlen-top-vysokourozhaynyh-sortov-selhozkultur-tatarstana (дата обращения: 14.05.2022).
15. Dorsch K. Heimat Landwirte informieren über CO2-Bindung / URL:https://www.topagrar.com/suedplus/news/heimatlandwirte-informieren-ueber-co2-bindung-12090307.html (дата обращения: 14.05.2022).
16. CO2 uptake and ecophysiological parameters of the grain crops of midcontinent / T.G. Gilmanov, B.K. Wylie, L.L. Tieszen, et al. // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2013. Vol. 164. P. 162–175.
17. Киртбая Ю. К. Резервы в использовании машинно-тракторного парка. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1982.
18. Хасанов Ф. Д., Хасанов Ф. Д. Анализ выброса парниковых газов машинно-тракторными агрегатами на основной отработке почвы // Современное состояние и перспективы развития технической базы агропромышленного комплекса: Научные труды Международной научно-практической конференции, посвященной памяти д.т.н., профессора Мудрова П.Г. Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2021. С. 298-307.
19. Хафизов Р. Н., Хафизов Р. Н. Результаты многофакторного эксперимента по определению зависимости максимального давления колес трактора на почву от параметров трактора и физико-механических свойств почвы. Анализ уравнений // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2016. Т. 11. № 4(42). С. 99-103. doi: 10.12737/article_592fc87648e2b5.26544976.
20. Хафизов К. А. Снижение суммарных энергетических затрат на технологических операциях в АПК - путь снижения выбросов парниковых газов в атмосферу // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 3(63). С. 43-47. doi: 10.12737/2073-0462-2021-43-47.
21. Черкаев Г. В. Анализ выбросов загрязняющих веществ от судовых двигателей при сжигании традиционных и альтернативных видов топлив // Морские интеллектуальные технологии. 2021. № 1-2(51). С. 97-101. DOI 10.37220/MIT.2021.51.1.031.
22. Михайличенко Т. А., Гальчун А. Г. Экологическая характеристика различных источников энергии // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2018. № 41. С. 238-240.
