Повышение энергоэффективности в сельском хозяйстве



Повышение энергоэффективности всельском хозяйстве

Тимофеев Евгений Всеволодович, кандидат технических наук;

Эрк Андрей Федорович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник;

Судаченко Василий Никитович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник;

Размук Вольдемар Алейзович, инженер

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (г. Санкт-Петербург)

В статье рассмотрены результаты энергетического обследования сельскохозяйственных предприятий, проанализирована структура энергопотребления, определены основные потребители топливно-энергетических ресурсов. Анализ результатов энергетических обследований показал, что энергоносителями в сельскохозяйственном производстве являются: электрическая энергия, тепловая энергия, твердое и жидкое топливо, моторное топливо и природный газ.

Ключевые слова: повышение энергоэффективности, энергосбережение, структура энергопотребления, оптимизация, дискретное программирование

Введение. На основании энергетического обследования (энергоаудита), проведенного ИАЭП [1], проанализирована структура энергопотребления сельскохозяйственных предприятий для 34 хозяйств молочного животноводства Ленинградской области [2,3].

При проведении обследований определяли основных потребителей топливно-энергетических ресурсов [4, 5]: здания и сооружения, машины, технологическое оборудование [6].

Материал иметоды. Практически во всех обследованных хозяйствах состав зданий и сооружений одинаков. Везде имеется административное здание (контора) и в ряде случаев столовая с торговым центром. Эта категория зданий отапливается от системы отопления ЖКХ (20 %), от собственных электрических или газовых котельных (10 %), локальные электрообогревателями (70 %).

Основное производство — ферма крупного рогатого скота, состоящая из скотных дворов, телятников, родильных отделений, бойни, доильных залов. Отопление производится только доильных залов и родильных отделений локальными местными электрокотельными, в редких случаях используется теплообменники (7 %) в основном собственного производства для утилизации тепла животных.

Дополнительное производство — сооружения для сушки и очистки зерна, заготовки кормов и сена, зернохранилища, овощехранилища, корнеплодохранилища, склады и т. п. Эта категория зданий и сооружений не отапливается. Вспомогательные цеха — мастерские, гаражи, система водоснабжения и т. п. Здесь отопление с помощью электронагревателей, в основном локальное, только тех мест, где работают люди,

Анализ результатов энергетических обследований показал, что энергоносителями в сельскохозяйственном производстве являются [1]: электрическая энергия, тепловая энергия, твердое и жидкое топливо, моторное топливо и природный газ. Твердое топливо — уголь и дрова использовались в котельной для получения тепла только в одном хозяйстве. Жидкое топливо использовалось сезонно для работы теплогенераторов зерносушилок. Однако потребление дизельного топлива для сушки составляло менее 5 % от потребления моторного топлива. Газ использовался в котельных небольшой мощности только в двух хозяйствах для отопления контор. Возобновляемые источники энергии не использовались.

В результате анализа произведена математическая обработка экспериментальных данных и получены усредненные значения потребления энергоресурсов за 2007–2014 гг. в т. у.т. и фактическое потребления в 2014 г. в тыс.руб. Составлены диаграммы потребления для каждого хозяйства в тоннах условного топлива и в денежном выражении — тыс.рублей.

На рисунке 1 представлен график потребления энергоресурсов в 2014 году в процентном выражении (средние значения по обследованным хозяйствам).

Рис. 1. Фактическое потребление энергоресурсов в 2014 году (средние значения по обследованным хозяйствам)

Из рисунка, можно сделать выводы, что наиболее затратным энергоносителем является электрическая энергия (до 60 %). Затраты на моторное топливо, в основном дизельное, сопоставимы с затратами на потребленную электроэнергию [7]. Доля тепловой энергии, газа и др. источников значительно меньше — до 6 %.

Для сельскохозяйственных предприятий молочного направления характерно преимущественное потребление энергоэнергии животноводческими комплексами и фермами (рис. 2).

Рис. 2. Структура потребление электроэнергии сельхозпредприятиями

Использование электроэнергии в сельскохозяйственном производстве происходит в следующих направлениях: освещение, электронагрев, электропривод машин и механизмов, электротехнология и системы управления. Затраты на последнее — минимальные. Электротехнология применяется незначительно. Затраты на электропривод тесно связаны с технологией производства (доение, уборка навоза и т. д.) и трудно регулируются. Снижение затрат на электропривод повлечет изменение технологии производства, однако большое число двигателей в настоящее время эксплуатируются с минимальной загрузкой и резервы для энергосбережения большие. Наибольший расход электроэнергии в хозяйствах приходится на электроосвещение (30–45 %) и обогрев, в т. ч. нагрев воды на технологические нужды. При этом в большинстве случаев используются неэкономичные системы освещения и водонагрева.

На рисунке 3 представлен расход электроэнергии по основным технологическим процессам.

Рис. 3. Структура потребления на нужды в хозяйстве

Как видно из рисунка 3 наибольшее потребление электроэнергии происходит на нужды освещения (41 %).

Снижая потребление электроэнергии на нужды освещения возможно снизить энергоемкость производства основной продукции и уменьшить доли платы за энергоресурсы в стоимости произведенной продукции.

Таким образом, одним из основных методов энергосбережения является совершенствование системы освещения.

Совершенствование системы освещения может быть достигнуто следующими способами:

‒ заменой ламп (светильников) на энергосберегающие,

‒ внедрение автоматизированной системы управления.

Совершенствование системы освещения включает внедрение автоматизируемых систем управления внутри зданий КРС, уличного освещения и т. д. Срок окупаемости от внедрения АСУ освещением — 1,1- 2 года [8,9].

Одним из наиболее перспективных способов экономии электроэнергии является замена существующих светильников с лампами накаливания на энергосберегающие [5,6]. Недостатками ламп накаливания (ламп общего назначения — ЛОН), часто применяемых в настоящее время, являются: низкий коэффициент полезного действия (КПД) — 4–5 %; соответственно большие затраты электроэнергии; низкая световая отдача; малый срок службы. Лампы накаливания предлагают заменять на энергосберегающие компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). Лампы КЛЛ имеют КПД — 75–90 % и световую отдачу примерно в 5 раз больше, чем у лампы ЛОН. Лампы КЛЛ имеют срок службы в 5–15 раз больше, чем лампы накаливания. На светодиодные лампы, обладающие длительным сроком службы — до 100000 часов; широким спектром — от тёплого белого 2700К до холодного белого 6500К; экологичностью — отсутствием ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения; высокой световой отдачей. Энергосберегающими лампам считаются и газоразрядные лампы низкого давления (люминесцентные лампы ЛЛ) и газоразрядные лампы высокого давления (ртутные лампы ДРЛ) и натриевые лампы ДНаТ.

Для примера, рассмотрим варианты замены светильников на ферме КРС [10,11]:

— в помещении для содержания коров размером 60м х 18м, высота подвеса светильников — 4м, освещенность 200люкс.

Результаты расчета количества светильников приведены в таблице 1. По результатам расчетов определили годовую экономию электрической энергии на освещение коровника и срок окупаемости по внедрению энергосберегающих ламп.

Таблица 1

Результаты расчета количества светильников для освещения коровника

Тип светильника	Количество светильников, шт.	Потребляемая энергия за год, кВтч	Стоимость электрической энергии за год, тыс. руб.	Стоимость светильников смонтажом, тыс. руб.	Годовой экономический эффект, тыс. руб.	Срок окупаемости, год
Spectr 85FB	105	31273,2	134,47	192,68	407,94	0,47
ЛСП44–2х58	99	40239,94	173,03	226,61	369,39	0,61
ДСП12–100	54	18921,6	81,36	543,02	461,06	1,18
РСП05–250	42	36792,0	158,21	139,48	384,21	0,6
ЖСП01–250	21	18396,0	79,1	82,59	463,32	0,18
НСП17–200	180	126144,0	542,42	290,88	-	-

Результаты иобсуждение. Анализируя результаты расчетов, представленные в таблице для конкретного примера освещения помещения коровника, можно сделать вывод, что целесообразнее всего заменять светильники с лампами накаливания на светильники с лампами ДНаТ.

Реализация мероприятия по замене светильников даст возможность снизить энергоемкость производства продукции. [12]

Выводы. Рассмотренный в статье анализ показывает, что наиболее энергоемкой отраслью сельскохозяйственного производства является животноводство. На животноводство может приходиться до 80 % затрат на энергию в т. у.т. хозяйства.

Рис. 4. Расчет прогноза снижения энергоемкости

Анализ структуры потребления энергоресурсов хозяйства показал, что наиболее затратной частью является потребление электрического тока на долю которого приходиться до 60 % от всего объема энергоресурсов.

Затраты энергии по технологическим процессам показали что наиболее затратными является освещение. На освещения затрачивается до 45 % энергии на втором месте затраты на электродвигатели с показателем до 35 %.

Разработка только мероприятий по снижению затрат на электричество позволит уменьшить себестоимость продукции на 5–10 %, за счет замены стандартных ламп на лампы ДНаТ.

Литература:

1. Эрк А. Ф., Судаченко В. Н., РазмукВ.А., Бычкова О. В. Результаты энергетического обследования сельхозпредприятий // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. — С-Пб, 2014. — № 85. — С.100–105.
2. Бровцин В. Н., Эрк А. Ф., Бычкова О. В. Сравнительный анализ энергоэффективности сельскохозяйственных предприятий молочного направления / В. Н. Бровцин, А. Ф. Эрк, О. В. Бычкова // Теоретический и научно-практический журнал «Механизации и электрификации сельского хозяйства» — 2014.- № 5.- С. 22–24.
3. Бровцин В. Н., А. Ф. Эрк А. Ф.,Бычкова О. В. Анализ энергоэффективности предприятий молочного направления // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. — С-Пб, 2014. — № 85. — С.95–100.
4. Валге А. М., Тимофеев Е. В., 2009 г. Опыт применения глобальной системы позиционирования GPS для хронометража работы технических средств при заготовке кормов из трав, Сб. науч. тр. -СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2009. -Вып. 81. С. 61–66.
5. Тимофеев Е. В. Повышение эффективности производства кормов из трав в условиях Северо-Запада Российской Федерации путем моделирования процессов кормопроизводства и формировании оптимальных технологий, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства. Санкт-Петербург, 2010
6. Эрк А. Ф., Судаченко В. Н., Бычкова О. В. Структура энергопотребления сельскохозяйственных предприятий/А. Ф. Эрк, В. Н. Судаченко, О. В. Бычкова// Межд. агропромышленная выставка-ярмарка «Агрорусь» — СПб, 2014. — С. 220–221.
7. Яников А. В., Тимофеев Е. В. Оценка эффективности работы транспортного средства с использованием спутниковой навигационной системы // Известия Международной академии аграрного образования. / 2015. Т. 1. № 25. С. 155–157.
8. Эрк А. Ф., Размук В. А., Ефимова А. Н. Выбор типа энергосберегающих ламп для помещений сельскохозяйственного производства. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. — С-Пб, 2014. — № 85. — С.93–100.
9. Эрк А. Ф., Судаченко В. Н. Методы энергосбережения и повышенияэнергоэффективности сельскохозяйственного производства / А. Ф. Эрк, В. Н. Судаченко // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. — С-Пб, 2015. — № 87. — С.233–239.
10. Эрк А. Ф., Судаченко В. Н. Концепция создания демонстрационной зоны высокой энергоэффективности в Ленинградской области /А. Ф. Эрк, В. Н. Судаченко// Межд. агропромышленная выставка-ярмарка «Агрорусь» — СПб, 2015. — С. 6–7.
11. Эрк А. Ф., Судаченко В. Н. Концепция энергосбережения и повышения энергоэффективности сельскохозяйственного производства животноводческого направления Северо-Западного региона России./ А. Ф. Эрк, В. Н. Судаченко // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства/ ИАЭП. — С-Пб, 2015. — № 87. — С.225–233.
12. Бровцин В. Н., Эрк А. Ф., Бычкова О. В. Прогноз энергопотребления сельскохозяйственными предприятиями молочного направления. / В. Н. Бровцин, А. Ф. Эрк, О. В. Бычкова // Теоретический и научно-практический журнал «Механизации и электрификации сельского хозяйства» — 2014.- № 4.- С. 24–26