Глава 9- Энергетический анализ в отраслях сельского хозяйства

9.1- Энергетический анализ производства продукции растениеводства

9.1.1- Производство продуктов растениеводства

Энергоемкость продукции растениеводства зависит как от совершенства самих энергетических операций (прямая связь), так и от получаемого при этом урожая (обратная связь). Увеличение последнего при прочих равных энергети-ческих затратах приводит к снижению энергоемкости. Поэтому первоочеред-ная задача при энергетическом анализе производства продукции растениевод-ства- всесторонний анализ технологического процесса. Причем не только на предмет энергоэфективности используемых оборудования и машин, но и на предмет эффективности использования почвы, удобрений, средств защиты растений, производимых видов продуктов и их сортов, а также множества других факторов, в той или иной степени влияющих на конечный урожай, а значит и на энергоемкость.

При проектировании технологического процесса производства сельскохо-зяйственной продукции важное значение имеет уровень планируемой урожай-ности. Именно она определяет будущий уровень энергетических затрат. Выбор низкого уровня урожайности приводит к недобору продукции, при этом не будут реализованы потенциальные возможности сортов и природных факторов. В этом случае при возможно низких общих энергетических затратах энергоемкость продукции может оказаться высокой. Получение чрезмерно высокой урожайности потребует больших дополнительных энергетических затрат, что приведет к удорожанию технологического процесса производства продукции, но возможно с низкой энергоемкостью.

Для определения оптимально высокого уровня планируемой урожайности с минимальной энергоемкостью для конкретных условий необходим всесто-ронний учет большого количества факторов. Величина возможной урожайнос-ти определяется при учете трех природных факторов: физиологически актив-ной радиации (ФАР) и ее использования растениями и семенами; влагообес-печенности посевов; гидротермического показателя.

Биомасса продукта (культуры) формируется в процессе фотосинтеза в результате использования энергии солнечной радиации. Потенциальная уро-жайность продукта рассчитывается по величине активной солнечной радиации (ФАР) за период вегетации культуры и коэффициенту ее использования.

Технология возделывания культуры должна быть энергосберегающей, почвозащитной, приспособленной к заданным конкретным условиям. При этом, прежде всего, определяют размещение культуры в севообороте и оценивают предшественника, системы удобрений и обработки почвы, подготовку семян к посеву и посев, а также уход за посевами.

Количество удобрений, вносимых в почву при выращивании культуры, существенно влияет на энергоемкость продукта. Устанавливаются научно обоснованные сроки, дозы и способы внесения удобрений. Распределяют общую расчетную норму азотных, фосфорных и калийных удобрений по срокам внесения: под основную обработку почвы, под предпосевную обработку почвы, при посеве в рядки, в подкормку. Указывают агрегат для внесения удобрений.

Учитывая природные условия хозяйства, тип почвы и ее гранулометричес-кий состав, рельеф, тип засоренности и степень окультуренности выбранного поля, а также особенности культуры и предшественника, разрабатываются и рекомендуются приемы основной и предпосевной обработки почвы под культуру (с указанием срока проведения, глубины и качества обработки, сельскохозяйственных машин и орудий). При разработке способов обработки почвы учитываются требования борьбы с эрозией почвы и возможности минимализации обработки почвы, применения комбинированных агрегатов.

Дают обоснование каждой операции по предпосевной подготовке семян (сортировка, калибровка, сушка, дражирование, стратификация, протравлива-ние и т.д.) с указанием сроков и техники проведения, нормы расхода препара-тов, марки машин и орудий, требований к качеству работ и экологии. Норма высева выбранной культуры и сорта должна быть обоснована показателями структуры прогнозируемой урожайности. Рассчитывается общая потребность в семенах для выбранной культуры на площадь поля.

Комплекс технологических операций по уходу за растениями разрабаты-вают с учетом способов подготовки почвы и посева, сроков прохождения основных фаз развития, погодных и почвенных условий, степени засоренности сорными растениями и их видов, прогноза развития основных болезней и вре-дителей культуры. Дается биологическое обоснование каждому мероприятию (пахота, прикатывание, до- и послевсходовое боронование, междурядные обработки, подкормки, применение ретардантов, пестицидов против сорняков, болезней и вредителей и др.), с указанием оптимальных биологических сроков проведения работ (фаз развития растений), требований к качеству их проведе-ния и марок орудий, машин и агрегатов. Обосновывается выбор пестицидов с указанием норм расхода, сроков, способов и кратности их применения и с учетом экологических требований [27, 29].

Технологическая карта – это итог проектирования технологии возделы-вания культуры, в которой указаны все технологические операции от подго-товки почвы до уборки и послеуборочной доработки урожая.

9.1.2- Полная энергоемкость продукции растениеводства

Технологическая энергоемкость производства сельскохозяйственного продукта E_пр включает в себя энергоемкость возделывания E_мп, как правило,

мобильными агрегатами в поле, саду или другом пространственно распределен-ном объекте, и энергоемкость его послеуборочной обработки и хранения E_ст на стационарном пункте:

. (9.1)

Определение накопленной в урожае энергии

Энергию, накопленную в урожае сельскохозяйственной культуры, рассчитывают по основной продукции, а затем определяют общее накопление энергии всей полезной продукцией (основной и побочной), исходя изсреднего содержания энергии в единице полезной продукции.

Для определения количества валовой энергии, накопленной в урожае продукции (основной и побочной), пользуются формулой:

, (9.2)

где E – общее содержание энергии в урожае полезной (основной и побочной) продукции, МДж/га; E_осн – содержание энергии в урожае основной продукции, МДж; E_поб – содержание энергии в урожае побочной продукции, МДж.

Расчет энергии, накопленной в урожае основной E_осн или побочной E_поб продукции, проводят по формуле:

, (9.3)

Где E – содержание энергии в урожае основной или побочной продукции, МДж/га; Y – урожайность основной или побочной продукции при стандартной влажности, кг/га; K – коэффициент пересчета основной или побочной продук-ции на сухое вещество; q - среднее содержание энергии в 1 кг сухого вещества основной или побочнойпродукции, МДж/кг.

При этом следует учитывать поправочные коэффициенты на содержание сухого вещества и соотношение между массой основной и побочной продукции. Содержание энергии в урожае сельскохозяйственных культур приведено в Таблице 9.1 [27, 29].

Технологическая энергоемкость производства продукции растениеводства

Технологическая энергоемкость E _а продукта на единицу площади определяется суммой составляющих:

(9.4)

Где E_с - затраты солнечной энергии, пошедшей на производство продукта, МДж/га; E_п - прямые затраты энергии при сжигании топлива, МДж/га; E_о – затраты энергии на производство удобрений, ядохимикатов, семян, саженцев, гербицидов, МДж/га; E_ж - энергетические затраты живого труда, МДж/чел.;

E_м, E_сц, E_т - затраты энергии на производство машин, сцепок и энергетичес-ких средств в единицу сменного времени, МДж/ч.; W_э - эксплуатационная производительность агрегата, га/ч.

Затраты солнечной энергии

Солнечная энергия E_c на конкретном поле присутствует всегда и исполь-зуется в процессе фотосинтеза на создание биологической массы растения- преобразуется в энергию химических связей и запасается в ней. При этом в обязательном порядке должен присутствовать определенный набор элементов питания с выполнением условий достаточности лимитирующих факторов. Лимитирующие факторы- тепло и влага также определяются солнечной энергией.

Таблица 9.1 – Содержание энергии в урожае сельскохозяйственных культур [27]

Культура	Содержание энергии в 1 кг сухого вещества, q	Коэффициент пересчета на сухое вещество, K
основной продукции	побочной продукции
вид	МДж	вид	МДж	основной продукции	побочной продукции
Рожь озимая	зерно	18,84	солома	18,04	0,86	0,86
Пшеница озимая	зерно	19,05	солома	18,00	0,86	0,86
Пшеница яровая мягкая	зерно	19,26	солома	18,13	0,86	0,86
Кукуруза	зерно	17,58	солома	16,75	0,86	0,86
Кукуруза	зеленая масса	16,33	-	-	0,25	-
Лен-долгунец	солома	20,01	семена	18,84	0,81	0,86
Картофель	клубни	18,25	ботва	17,75	0,25	0,25
Сахарная свекла	корнеплод	18,17	ботва	17,63	0,25	0,20
Подсолнечник	зеленая масса	16,80	-	-	0,25	-
Клевер луговой	сено	19,68	-	-	0,84	-
Клевер луговой	семена	19,68	солома	19,68	0,86	0,86
Люцерна	сено	21,83	-	-	0,84	-
Многолетние травы	сено	18,84	-	-	0,84	-
Однолетние травы	сено	16,33	-	-	0,84	-

Обычно по существующим методикам оценки энергозатрат солнечная энергия не принимается во внимание- она для человека бесплатна. Учет характеристик солнечной энергии необходим при разработке технологий защищенного грунта.

Прямые затраты энергии

Прямая энергия- энергия, затраченная непосредственно в данной технологии, определяются по формуле:

,(9.5)

Где H_т, H_э, H_к - расход топлива (кг/га), электроэнергии (кВт*ч/га) и тепла (ккал/га); α _т - теплосодержание топлива, МДж/кг; K_э =3,6, K _э= 0,00419 – коэф-фициенты перевода 1 кВт*ч в 1 МДж и 1 ккал в 1 МДж; f_т, f_э, f_к - коэффициен-ты, учитывающие дополнительные затраты на производство топлива, МДж/кг, электроэнергии, МДж/кВт*ч, и тепла, МДж/ккал.

Прямые затраты- затраты на топливо для автомобилей, машин и тракторов. Электрическая и тепловая энергии непосредственно используются на стацио-нарных пунктах, например при сушке зерна, поэтому они определяются расходом на единицу продукции через урожайность. Расход электрической энергии

, (9.6)

и тепловой

, (9.7)

где n_э, n_к - затраты электрической энергии, кВт*ч/т, и тепловой энергии, ккал/т.; H_у - урожайность продукта, т/га.

Прямые затраты энергии стационарного оборудования определяют по показаниям приборов учета или отраслевым нормам. Использование последних может не отражать реальное положение с потреблением на конкретном предприятии, поэтому их нужно использовать только в случае отсутствия приборов учета. Примерные затраты энергии на основные средства производства при проведении технологических операций в растениеводстве приведены в таблице 9.2. [27].

Овеществленные (косвенные) затраты энергии

Овеществленные или косвенные затраты энергии – это энергия, потрачен-ная на производство техники, минеральных удобрений, гербицидов, ядохими-катов и другие вещества, используемые в технологиях возделывания, уборки, послеуборочной обработки и хранения сельскохозяйственной продукции. Перенос овеществленной энергии на конечный продукт осуществляют исходя из нормы внесения и срока действия вещества:

,(9.8)

Где α_о - энергетический эквивалент (затраты энергии на производство единицы данного вида вещества), МДж/кг; H_о - норма (доза) внесения вещества на единицу площади, кг/га; Т_о - срок действия вещества, лет.

Значения энергетических эквивалентов для ТЭР приведены в таблице 2.1, некоторых видов материалов и сельскохозяйственной техники - в таблице 3.3,

а энергетические эквиваленты на оборотные средства производства -отдельных продуктов, удобрений, средств защиты - в таблице 9.3.

Полученная с урожаем энергия- это энергия, содержащаяся в полезной (основной + побочной) продукции. Для некоторых культур энергия, заключен-ная в побочной продукции, не представляет большой практической значимости (например, ботва картофеля). Поэтому для более строгой оценки технологии врасчет можно брать только энергию основной продукции.

Энергоемкость E_ст , МДж/т, при стационарной обработке продукции равна:

, (9.9)

Таблица 9.2 – Примерные затраты энергии на основные средства производства при проведении технологических операций, МДж на 1 га [27]

Виды работ	Культуры и планируемая урожайность, т/га
озимые зерновые, 3 - 5	яровые зерновые, 2 - 4	зерновые бобовые, 1,5 - 3,5	картофель, 20 - 30	корнеплоды, 50 - 70	лен – волокно, 0,6 - 0,8	многолетние травы (сено), 6 - 8	однолетние травы (сено), 3 - 5
Обработка почвы, посев, посадка	800 - 900	800 - 900	800 - 900	950 - 1050	900 - 1000	800 - 900	100 - 120	800 - 900
Подготовка и внесение минеральных удобрений	55 - 70	50 - 65	35 - 55	50 - 70	60 - 65	35 - 55	20 - 40	20 - 35
Внесение органических удобрений (20 - 40 т/га)	100 - 130	-	-	150 - 160	150 - 160	-	-
Внесение извести (4 - 7 т/га)	35 - 50	35 - 50	35 - 40	-	35 - 40	-	35 - 40	-
Подготовка семян к посеву	40 - 50	40 - 50	50 - 55	80 - 85	25 - 55	35 - 40	20 - 30	40 - 45
Химическая обработка посевов	300 - 450	300 - 450	200 - 300	200 - 300	150 - 250	200 - 250	-	-
Междурядная обработка	-	-	-	100 - 120	80 - 100	-	-
Уборка и транспортировка урожая	1100 - 3000	1400 - 2600	1400 - 2300	2800 - 4500	3000 - 4900	2500 - 3500	1400 - 2200	1800 - 2500
Послеуборочная доработка продукции	750 - 1200	550 - 1000	550 - 800	550 - 820	80 - 100	150 - 240	-	-
Итого	3180 - 5850	3175 - 5105	3079 - 4450	4880 - 7105	4480 - 6170	3720 - 4985	1575 - 2430	2660 - 3480

где E_пс - прямые затраты энергии, МДж/т; E_вм - затраты энергии на производство вспомогательных материалов, консервантов, химических доба-вок и т.п., МДж/т; E_ж - затраты живого труда, МДж/ч.; E_об - энергоемкость оборудования, МДж/ч.; E_з - энергоемкость производственных помещений, хранилищ, МДж/ч.; W_см - сменная производительность оборудования по обработке продукции, т/ч.

9.1.3 - Энергетическая эффективность производства продукции растениеводства

В результате выращивания продукции растениеводства в последней будет аккумулирована энергия , на которую была затрачена энергия

, (9.10)

где E_а – энергоемкость технологического процесса- антропогенная энергия по полному циклу выращивания основной сельскохозяйственной продукции, МДж/т; E_с - солнечная энергия, затраченная на производство основной сельскохозяйственной продукции, МДж/т.

Чистый энергетический доход

, ГДж/т. (9.11)

Чистый энергетический технологический доход

, ГДж/т. (9.12)

Чистый энергетический технологический доход будет всегда больше, чем энергетический доход E_чдт > E_чд, т.к. в нем не учитывается солнечная энергия.

Энергетический коэффициент полезного действия определяют как отно-шение полученной с урожаем энергии к затраченной, включая солнечную:

. (9.13)

Энергетический технологический коэффициент полезного действия определяют как отношение полученной с урожаем энергии к затраченной, без солнечной составляющей:

. (9.14)

Энергетический технологический коэффициент полезного действия выше, чем энергетический коэффициент полезного действия, т.к. последний учитывает и солнечную составляющую энергии. Однако, получение k _э затруднено из-за необходимости учета солнечной составляющей.

Коэффициент энергетической эффективности – отношение чистого энергетического дохода к затраченной энергии:

. (9.15)

Таблица 9.3 – Энергетические эквиваленты на оборотные средства производства [27]

Оборотные средства	Энергетический эквивалент
Минеральные удобрения, МДж/кг д.в.
Азотные	86,8
Фосфорные	12.6
Калийные	8,3
Комплексные	51,5
Органические удобрения
Навоз КРС 80 % влажности	0,42
Торфонавозные компосты (60 % влажности)	1,70
Известковые материалы	3,80
Пестициды, МДж/кг д.в.
Гербициды:
смешивающиеся масла	419,6
смачивающийся порошок	263,3
гранулы	363,7
Инсектициды:
смешивающиеся масла	365,0
смачивающийся порошок	258,2
гранулы, дуст	312,1
Фунгициды:
смешивающиеся масла	272,6
смачивающийся порошок	116,6
гранулы, дуст	216,7
Семена, МДж/кг
Рожь озимая	35,1
Пшеница озимая	34,4
Пшеница яровая	34,8
Зернобобовые (горох, вика и др.)	37,0
Кормовые корнеплоды, сахарная свекла	18,4
Картофель	6,7
Кукуруза (гибрид 1-го поколения)	52,0
Подсолнечник	34,9
Клевер луговой	162,0
Лен-долгунец	42,3

Энергетический технологический коэффициент полезного действия можно выразить через урожайность культуры:

, (9.15а)

где α_п – энергетический эквивалент сельскохозяйственной продукции, МДж/т; U – урожайность продукции, т/га.

Рассмотрим составляющие энергоемкости производства сахарной свеклы, приведенные в таблице 9.4.

Прямые затраты на производство сахарной свеклы по направлениям работ приведены на рисунке 9.1.

Основные энергетические затраты приходятся на основную подготовку почвы, а на втором месте - уборка сахарной свеклы и хранение удобрений и средств защиты. Наименьшие энергетические затраты- по уходу за посевами. При выборе приоритетных направлений энергосбережения предпочтении следует отдавать первым двум видам работ.

Затраты на производство сахарной свеклы по видам энергии приведены на рисунке 9.2. Самая большая доля энергетических затрат приходится на

минеральные удобрения и средства защиты – более 45%. Это овеществленная энергия, к которой относятся также технические средства и сооружения, зани-мающие второе место. Самая низкая доля – у электрической энергии (0,18%), т.к. процессов, требующих ее применения ни для семян, ни для корнеплодов, нет. Таким образом, основными направлениями энергосбережения при производстве сахарной свеклы следует считать сокращение доли энергии минеральных удобрений и средств механизации.

Таблица 9.4- Составляющие энергоемкости производства сахарной свеклы

Наименование операций		Прямые затраты энергии, МДж/га	Овеществленные затраты энергии, МДж/га	Энергия живого труда, МДж/га	Энергозатраты, МДж/га	Энергоемкость, МДж/т
ОСНОВНАЯ ПОДГОТОВКА ПОЧВЫ
1.Обработка стерни дискатором на гл.8-10 см.	га		140,0	0,3	235,3	5,6
2.Погрузка минеральных удобрений	т		15,8	0,3	20,1	0,5
3.Транспортировка мин.удобрений	ткм	3,3	13,0	0,2	16,5	0,4
4.Внесение минеральных удобрений	га		5293,0	0,4	5317,4	126,6
5.Пахота на 30-32см	га		436,5	0,8	635,3	15,1
6.Культивация 10-12 см	га		148,9	0,2	180,1	4,3
ИТОГО		355,3	6047,2	2,2	6404,8	152,5
ПОДГОТОВКА ПОЧВЫ И ПОСЕВ
7.Боронование зяби	га		61,2	0,3	88,5	2,1
8. Предпосевная культивация	га		149,8	0,6	177,4	4,2
9.Предпосевное прикатывание	га		50,1	0,2	66,3	1,6
10.Погрузка минеральных удобрений и семян	т		2,1	0,0	6,1	0,1
11.Транспортировка минеральных удобрений и семян	ткм	3,3	1,7	0,0	5,0	0,1
12.Сев с одновременным внесением удобрений	га		1556,4	0,9	1597,3	38,0
13.Прикатывание посевов	га		45,1	0,2	61,3	1,5
ИТОГО		133,3	1866,3	2,2	2001,8	47,7
УХОД ЗА ПОСЕВАМИ
14.Подвоз воды	т	4,5	271,6	0,4	276,5	6,6
15.Обработка пестицидами, инсектицидами и гербицидами	га		404,3	0,4	428,7	10,2
16.Погрузка минеральных удобрений	т		2,0	0,0	6,0	0,1
17.Транспортировка мин.удобрений	ткм	3,15	1,9	0,1	5,1	0,1
18.Культивация с подкормкой	га		766,2	0,6	793,8	18,9
ИТОГО		62,7	1446,0	1,5	1510,1	36,0
УБОРКА И ХРАНЕНИЕ
19.Выкопка клубней	га		1166,7	0,7	1417,4	33,7
20.Погрузка корнеплодов	т		392,4	0,9	405,3	9,6
21.Транспортировка корнеплодов	т*км		1205,9	15,5	1971,3	46,9
22.Хранение семян, удобрений и средств защиты	га	10,0	83,1	10,6	103,7	2,5
ИТОГО		1022,0	2848,0	27,7	3897,7	92,8
ВСЕГО		1573,3	12207,6	33,5	13814,4	328,9
Энергосодержание урожая	МДж/га				168000,0
Энергетический технологический коэффициент полезного действия					12,2
Коэффициент энергетической эффективности					11,2
Энерготехнологическая производительность	т/МДж					3,04E-03

Рисунок 9.1- Прямые затраты энергии на производство сахарной свеклы по направлениям работ

9.1.4- Направления энергосбережения в растениеводстве

В основе современного понимания энергосбережения лежит понятие ресурсосберегающей технологии. Развитие таких технологий основано на усовершенствовании системы основной и предпосевной обработки почвы.

Рисунок 9.2- Затраты энергии на производство сахарной свеклы по видам энергии

Основные особенности этой обработки, получившей в последнее время относительно широкое развитие [1, 21, 8, 49, 66] состоят в следующем:

- высокая влагонакопительная и почвозащитная эффективность безотвального рыхления почвы и сохранение на поверхности поля пожнивных остатков;

- возможность перехода при оптимальных агрофизических свойствах почвы без ущерба для урожая к мелким безотвальным и отвальным обработкам;

- замена или сокращение количества механических обработок с использованием химических методов как средства борьбы с сорняками;

- необязательность ежегодного глубокого оборачивания пахотного горизонта;

- использования комбинированных почвообрабатывающих и посевных агрегатов.

Научной основой для минимизации обработки почвы является тот факт, что почвы с высоким содержанием гумуса (3,5% и выше) не нуждаются в интенсивных обработках для регулирования агрофизических свойств. Такие почвы способны поддерживать оптимальную для большинства культурных растений плотность под влиянием естественных факторов.

Например, оптимальная плотность почвы для озимых и яровых зерновых на серых лесных почвах, на выщелоченных черноземах составляет 1,0 -1,2 г/см³. Это дает основание для применения энерго- и ресурсосберегающих приемов обработки почвы, особенно при подготовке чистых, занятых и сидеральных паров под озимые при основной обработке почвы под зерновые культуры, размещаемые после озимых и пропашных культур. Схемы обработ-ки почвы при ресурсосберегающих технологиях зависят от набора сельскохо-зяйственных культурв севообороте. Есть культуры, где отвальная вспашка является обязательной. Из пропашных культур это: сахарная свекла, кукуруза, из бобовых культур: горох, соя, старовозрастные многолетние травы, рапс. В схеме чередования эти культуры занимают данное поле через 4-5 лет, соответ-ственнов эти сроки проводится и отвальная вспашка. В остальные годы можно обходиться поверхностной минимальной обработкой. После уборки культуры при ресурсосберегающих технологиях осенняя поверхностная обработка на глубину 10 –14 см является обязательной.

Ресурсосберегающие технологии имеют два направления своего развития.

Первое из них «Система «Lean», в России оно получило известность как «Система бережливого производства», предполагает оптимальную организа-цию производства, в которой исключены или сведены к минимуму действия, не создающие дополнительного продукта.

Второе - по системе NoTill (без обработки). Например, в Южной Америке первый эксперимент по использованию метода NoTill начался в Бразилии в 1971 году. В настоящее время в этой стране по «нулевой обработке» почвы возделывается 45% посев-ных площадей. В США на 82% посевной площади используют сберегающие технологии, в Канаде более чем на 90%.

В результате применения ресурсосберегающих технологий получается существенное сокращение расхода топлива и других ресурсов. Расход дизель-ного топлива на вспашке зяби отвальным плугом на глубину 25…27 см составляет 20…24 л/га. Безотвальными орудиями на эту же глубину – 12…16 л/га, при минимальной обработке на глубину 8…15 см – 6…8 л/га, а при использовании системы No Till – ноль.

Моторное топливо – дорогой ресурс, стоимость его ежегодно при произ-водстве продукции растениеводства увеличивается на 15…18% и в структуре её себестоимости сельскохозяйственной продукции иногда превышает 20%. 1 кг дизельного топлива при используемых сегодня в России технологиях производства, например, зерна дает 2_3 кг продукции. При применении интенсивной технологии отдача топлива реально поднимается до 7…9 кг/кг.

Удобрения – наиболее эффективный ресурс для роста урожайности. При традиционных для России технологиях производства отдача удобрений – получение 2…3 кг зерна на каждый внесенный кг действующего вещества NРК – применение удобрений малоэффективно.

Высев 1 кг семян зерновых культур при используемых сегодня в России технологиях дает всего 10-12 кг продукции. Обычная норма высева семян пшеницы составляет 200-250 кг на га, а получают урожай порядка 2000 кг/га. В странах с интенсивным земледелием приняты нормы высева 80-90 кг/га, а урожай снимают более 6000 кг/га. Таким образом, реально из одного зерна получать 40-60 зёрен.

Совсем другую отдачу можно получить при интенсивных методах производства – 7…10 кг зерна (этого показателя достигают лучшие отечественные товаропроизводители). Произ-водительность используемой техники увеличивается от нескольких десятков до нескольких сотен процентов. В разы уменьшается потребность в тракторах и трактористах-машинистах. Финансовые издержки в зависимости от культуры снижаются в 1,5…2 раза и более. Сравнительная характеристика ресурсов, потребляемых при экстенсивных и высокоточных технологиях приведена в таблице 9.5 [12].

Затраты материально-технических ресурсов для разных типов технологий производства зерновых и зернобобовых культур приведены в таблице 9.6.

Конечно, приведенные данные по эффективности нулевых и минимальных обработок почвы будут энергоэффективны при условии, что эти технологии адаптированы к зонам, видам продукции: не всегда и не везде и не для всех сельскохозяйственных культур они могут быть осуществлены в условиях климата России [49].

9.2- Энергетический анализ производства продукции животноводства

9.2.1- Технологии производства продукции животноводства

Животноводство производит важнейшие для человека продукты питания- молоко, яйца и мясо. В животноводстве потребляется пятая часть жидкого топлива и столько же электрической энергии от всех энергоресурсов, исполь-зуемых на производственные цели в сельском хозяйстве. Энергоемкость про-

Таблица 9.5. Сравнительная характеристика ресурсов, потребляемых при экстенсивных и высокоточных технологиях [12]

Ресурсы	Экстенсивные технологии	Высокоточные технологии
Семена	1 кг → 10-12 кг зерна	1 кг → 40-60 кг зерна
Топливо	1 кг → 2-3 кг зерна	1 кг → 7-9 кг зерна
Удобрения	1 ц.д.в.[7] → 2-3 кг зерна	1 ц.д.в. → 10-12 кг зерна
Атмосферные осадки	1 мм → 3-4 кг зерна	1 мм → 10-12 кг зерна

Таблица 9.6- Затраты материально-технических ресурсов для разных типов технологий производства зерновых и зернобобовых культур [49]

Наименование	Средняя урожайность, ц/га	Затраты энергоресурсов на 1 га посева
Моторное топливо на полный комплекс работ, кг	Удобрения, кг. действующего вещества	Пестициды, кг, не более
Зерновые и зернобобовые культуры
Нормальные технологии, в том числе:
- отвальные		100-120	до 80	до 1,0
-безотвальные		85-105	до 85	до 1,1
- минимальные		70-90	до 90	до 1,5
- нулевые		55-65	до 100	до 3,0
Интенсивные технологии, в том числе:
- отвальные		105-130	более 140	до 2,5
-безотвальные		90-115	более 140	до 3,0
- минимальные		80-105	более 160	до 3,5
- нулевые		65-95	более 160	до 4,5

изводства продукции животноводства в России превосходит США и другие ведущие страны Запада в 2,0-3,5 раза. Одна из основных причин состоит в том, что реализация генетического потенциала животных, не превышает двух третей. Отрасль животноводства недостаточно обеспечена кормами, они не сбалансированы по белку и микроэлементам [49].

При продуктивности коровы 6000 кг молока в год и живой массе 600 кг последняя перерабатывает около 60 кг корма и 65 л воды в сутки и выделяет 0,8 кВт*ч тепловой энергии в час. На подмывание вымени при дойке на одну корову расходуется до 40 л воды, которая затем превращается в сточные воды. По-существу животное, будь-то корова, свинья или лошадь - это преобразова-тель одного вида запасенной энергии в другой запасаемый вид энергии, которая в дальнейшем используется человеком в своих целях. Существует тесная связь между продуктивностью коровы и ее живой массой: корова массой 750 кг может дать в год молока в 14 раз больше собственной массы, а корова массой 450 кг- всего в 6.6 раза. Коэффициент полезного действия по молоку коровы массой 750 кг в более чем 2 раза выше, чем у коровы массой 450 кг.

Существует тесная связь между продуктивностью коровы и удельным расходом корма: чем выше продуктивность коровы, тем ниже расход корма на единицу продукции. Доля кормов в себестоимости животноводческой продук-ции доходит до 60% и более. При продуктивности около 6500 кг молока на 1 корову в год затраты кормов составляют менее 1 ц кормовых единиц на центнер продукции. При продуктивности в 2500 кг молока от коровы расход корма составляет 1,5-2 и более ц кормовых единиц на центнер продукции. При среднесуточном приросте свиней на откорме в 770 г конверсия корма на 1 кг прироста составляет 2,64 кг/кг, при среднесуточном приросте в 308 г – 5,2 кг/кг [49].

Таким образом, на производство молока и мяса существенную роль играют генетические особенности животного и расход кормов, причем они довольно сильно связаны между собой [30]. Крупный рогатый скот, а также другие виды животных содержатся на специальных фермах- комплексе зданий и сооруже-ний со всей необходимой хорзяйственной и энергетической структурой для осуществления полного их жизненного и производственного цикла.

Технологии содержания животных

Как правило, типовые проекты прпедусматривают стойлово-пастбищную систему содержания животных летом и стойлово-выгульную - зимой. При этом необходимы летние лагеря. Способы содержания- привязной, беспривязной или их комбинация определяют трудоемкость технологии содержания в процессе раздачи кормов и дойке. Метод содержания характеризует условия содержания животных и может быть подстилочным и бесподстилочным. Для подстилки применяют солому и торф. От нормы внесения соломы или торфа зависит влажность навоза, определяющая его технологические свойства при дальнейшей переработке.

Технологии обслуживания животных

Технология обслуживания животных формируется из трех элементов.

Первый из них- принцип обслуживания, тесно связанный со способом содержания коров. Индивидуальный принцип предусматривает обслуживание (доение, кормление) каждого в отдельности с учетом его индивидуальных особенностей (генетических особенностей, продуктивности и т.д.). При групп-пом принципе объектом обслуживания является технологическая группа- сходных по характеристикам животных, получающих одинаковый рацион и содержащихся в одной секции по единой технологии.

Второй элемент технологии обслуживания- способ обслуживания живот-ных также связан со способом содержания. Используют способ обслуживания в местах содержания и на специальных постах, где осуществляются операции кормления и доения.

Третий элемент технологии обслуживания – метод обслуживания. Офи-циантский метод обслуживания предусматривает непосредственный контакт человека с животным в процессе обслуживания при привязном способе содержании. Предусматривает большие затраты ручного труда, как правило не механизированного. Метод самообслуживания применяется для беспривязного содержания, как правило, при кормлении и поении.

Механизация и автоматизация технологического процесса

Уровень механизации и автоматизации производственного процесса про-изводства продуктов животноводства диктуется технологией и требованиями к его экономической и энергетической эффективности, включая экологию.

Например, групповой принцип обслуживания предусматривает достаточ-но малоэнергоемкий способ раздачи кормов тракторными тележками, без учета индивидуальных особенностей животного. При индивидуальном способе обслуживания необходим программируемый кормораздатчик, обеспечиваю-щий каждому животному только ему соотвтетствующую дозу корма.

Принцип обслуживания животных влияет на выбор типа доильной установки. Традиционно доильные установки типа «Елочка» не учитывают индивидуальные качества животного при доении и могут работать при групп-повом методе обслуживания. Для учета индивидуальных особенностей живот-ного при доении более целесообразно испорльзовать доильную установку типа «Тандем», в которой можно учитывать молоко от каждой коровы.

На выбор способа и средств механизации уборки и переработки навоза решающее значение оказывает метод содержания животных. При беспости-лочном содержании используют механические и гидравлические системы удаления навоза, а при подстилочном - необходим комплекс внесения подстилки, удаления навоза, его транспортировку и утилизацию.

Микроклимат в животноводческом помещении

Системы обеспечения микроклимата на животноводческой ферме обычно используют в холодный период подогрев воздуха. Поэтому в большинстве случаев климат российских молочных ферм не соответствует накопленным мировой практикой молочного животноводства знаниям об оптимальном режиме воздухообмена и температурного режима. Так, комфортной средой для коров является диапазон температур от нескольких градусов мороза до максимум + (10-12^оС) с налаженной вентиляцией помещения в целях удаления содержащегося в воздушной среде коровника аммиака. Однако такие условия в коровнике не удовлетворяют скотников и операторов машинного доения, обслуживающих стандартный российский коровник. Как следствие: слишком высокие температура и влажность среды коровника, а также повышенная ско-рость воздуха, вызывающие чувство дискомфорта у животных и снижающие их иммунитет и продуктивность.

Почему это происходит? Потому что в свое время разработчики новых технологий решили, что оптимальные условия содержания животных близки к оптимальным условиям человека (10 ^оС и более). Даже в условиях суровых зим температура в животноводческом помещении за счет тепла животных не опус-кается ниже 0^оС, а система водоснабжения не замерзает. Поэтому возможен вариант создания естестенного микроклимата- без подогрева воздуха и излиш-ней влажности и загазованности с минимальным количеством технических средств.

Электрическая энергия является базой создания машинных технологий и поточных линий выполнения операций и применяется непосредственно в осуществлении технологий – доении, уборки навоза, облучение, лечение маститов, обеспечение микроклимата, озонирование и обеззараживание воздуха, охлаждения продукции и т п.

В связи с этим удельный вес потребления электрической энергии в живо-тноводстве существенно выше в сравнении с общим по­треблением энергоре-сурсов и составляет 62….64% от общего потребления на производственные цели в сельском хозяйстве. Затраты на оплату энергетических ресурсов, потреб-ляемых в животноводстве, достигают 10… 15% при производстве свинины и продукции птицеводства и 7…9% - при производстве молока и таким образом вышли на второе место после кормов.

Основными причинами высоких затрат энергоресурсов в структуре себестоимости продукции являются:

- сложность применяемых технологий, не ориентированных на энерго-сбережение (большие потери тепла, слабое использование биологического тепла животных и теплоты вентиляционных выбросов, а также возобновля-емых источников энергии, теплоты воздуха, солнечной энергии и т.п.);

- низкие показатели продуктивности животных и птицы.

9.2.2- Составляющие энергетических затрат в животноводстве

Энергоемкость производства продукции животноводства определяют как сумму прямых и овеществленных энергозатрат, отнесенных к единице продукции:

, (9.16)

Где E_прj - прямые удельные затраты энергии по j -ому технологическому процессу производства продукции животноводства, МДж/т; E_oj - энергетичес-кие затраты, овеществленные при производстве энергоносителей и других ресурсов (энергетических средств, рабочих машин, технологического оборудо-вания- транспортеров, доильных установок и т.п.), производственных зданий и сооружений, с учетом расходов на их обслуживание, ремонт и эксплуатацию, кормов, сырья и материалов, приходящихся на j -процесс, МДж/т.

Прямые удельные затраты энергии по j -ому технологическому процессу производства продукции животноводства в соответствие с формулой (3.20) и непосредственными измерениями расхода топлива.

Овеществленные (косвенные) удельные затраты энергии получают в соответствии с формулой 3.21 и таблицами 3.1 и 9.3. Применительно для животноводства овеществленные затраты энергии складываются из:

- энергоемкости средств механизации и автоматизации;

- энергоемкости зданий и сооружений;

- энергоемкости кормоцехов, площадок, складов, хранилищ и траншей;

- энергозатрат на корма;

- энергозатрат на ветеринарное обслуживание;

- энергозатрат на подстилку;

- энергозатрат на воспроизводство стада;

- энергозатрат живого труда.

Энергоемкость средств механизации и автоматизации

К стационарному технологическому оборудованию следует отнести все технологическое оборудование, применяемое для производства кормов, водо-подготовки, кормления, дойки, хранения и переработки молока, удаления, хранения и переработки навоза, управления процессами и других операций, которое постоянно закреплено за определенным местом. Стационарное оборудование может потреблять воду, электрическую энергию, газ, дрова или жидкое топливо. К мобильным средствам относятся транспортные машины и агрегаты, часть доильного оборудования и приборы для ветеринарного обслуживания. Мобильное оборудование использует обычно жидкое топливо и газ. Для стационарного технологического оборудования овеществленные затраты энергии можно вычислить по следующей формуле:

, (9.17)

а для мобильного оборудования:

- тракторов и самоходных шасси:

; (9.18)

- автомобильного транспорта:

; (9.19)

где Q_nj - масса производимого продукта (молоко, мясо, корма и т.д.) j -ым процессом, т/год; W_j - производительность оборудования, т/ч; α_l - энергетический эквивалент машины (оборудования) l -го типа, входящий в оборудование j -го процесса, МДж/кг; M_l - масса машины l -го типа, кг; a_l, R_l - годовые нормативные отчисления на реновацию и ремонт по типам машин, %; T_nl - годовая нормативная загрузка машины l -го типа, ч; Q_j - годовая масса перевозимого материала, т; L_j - плечо подвоза сырья, материалов, животных и т.д., км; H_pj - удельный расход перевозимого груза на единицу производимой продукции, т/т; β_j - коэффициент использования пробега автомобиля.

Энергоемкости зданий и сооружений

Полная энергоемкость производственного помещения зависит от его площади и времени использования:

, (9.20)

где α_зn - энергетический эквивалент производственного помещения n- го типа, МДж/м²; F _з - площадь производственного помещения, м².; a_з – амортиза-ционные отчисления за год эксплуатации помещения, %; Q_n - годовой выход продукции, т.

Энергоемкость кормоцехов, складов, траншей для хранения силоса и сенажа находится по формуле

, (9.21)

где α_зn - энергетический эквивалент производственного помещения n-го типа, МДж/м²; F_з - площадь производственного помещения, м².; a_з - аморти-зационные отчисления за год эксплуатации помещения,%; Q_n - годовой выход продукции, т; G_n - количество произведенного (переработанного) продукта за год, т; α _ск- энергетический эквивалент склада, траншеи, МДж/м²; F_ск - пло-щадь склада, траншеи, м².; α_ск - амортизационные отчисления за год, %; Q_ск - вместимость склада, траншеи, т; G_ск - количество хранимого материала;

Энергозатраты на корма

, (9.22)

где α_m - энергетический эквивалент кормов m- го типа, МДж/м²; e_m -энергосодержание единицы массы корма, МДж/т; H_m - расход корма в год, т; a_з - амортизационные отчисления за год эксплуатации помещения, %; Q - годовой выход продукции, т.

Энергозатраты на ветеринарное и зоотехническое обслуживание

, (9.23)

где α_j - энергетический эквивалент зооветеринарного препарата j - го типа, МДж/кг; α_i - энергетический эквивалент зооветеринарного прибора i -типа, МДж; H_j - расход ветеринарного препарата j - го типа в год, кг/год; a_i - амортизационные отчисления за год эксплуатации прибора, %; Q - годовой выход продукции, т.

Энергозатраты на подстилку животным

, (9.24)

где α_п - энергетический эквивалент подстилки, МДж/т; H_п - расход подстилки в год, т/год; Q - годовой выход продукции, т.

Энергозатраты на воспроизводство стада

, (9.25)

где α_вс - энергетический эквивалент выращивания одного ремонтного животного, МДж/гол; H_вс - количество ремонтных животных, гол/год; Q - годовой выход продукции, т.

9.2.3- Энергоемкость продукции животноводства

Энергоемкость продукции животноводства рассчитывается по каждому ее виду с учетом по формулам (9.16)…(9.25) для основной и побочной продук-ции. У различных животных может быть несколько видов основной продукции. Коровы могут в течении одного годового цикла производства давать молоко, телят, мясо, а в качестве побочной, например, навоз, из которого могут быть произведены органические удобрения и биогаз.

Энергосодержание конечной продукции животноводства Q_ж при производстве молока складывается из всех производимых продуктов:

, (9.26)

Где E₁ - энергосодержание молока, МДж; E₂ - энергосодержание живой массы выбракованных животных, МДж; E ₃- энергосодержание приплода, МДж; E₄ - энергосодержание прироста животных, МДж; E₅ = E_5э +E_5п – энергосодер-жание навоза, МДж; E_5п - энергосодержание подстилки, МДж; E_5э - энергосодер-жание экскрементов, МДж.

Энергосодержание молока E₁ зависит от произведенного годового количества молока:

,(9.27)

где B_к - среднегодовое поголовье коров на ферме, гол.; m - средняя продук-тивность коров- удой на корову, кг/год; e_м - энергосодержание 1 кг молока жирностью 3,8%, МДж/кг.

Энергосодержание живой массы выбракованных животных E₂ зависит от средней живой массы коров:

,(9.28)

где B_вк - число выбракованных коров на ферме, гол.; m_к - средняя живая масса коров, кг; e_жм - энергосодержание 1 кг живой массы коров, МДж/кг.

Энергосодержание живой массы приплода животных E ₃ зависит от средней живой массы теленка и их количества:

, (9.29)

где B_к - поголовье коров на ферме, гол.; n - выход телят на 100 коров, %; m_пр - средняя живая масса рожденного теленка, кг; e_м - энергосодержание 1 кг живой массы теленка, МДж/кг.

Энергосодержание прироста выращиваемых животных E₄ зависит от дополнительно полученной массы животных:

,(9.30)

где B_т - поголовье телят на ферме, гол.; m_т - средняя живая масса теленка, кг; e_м - энергосодержание 1 кг живой массы теленка, МДж/кг.

Энергосодержание навоза зависит от энергосодержания экскрементов и подстилки:

, (9.31)

где G_э - количество сухого вещества экскрементов от одного животного, кг/год; e _э- энергогсодержание экскрементов, МДж/кг; G_п - количество сухой подстилки на одного животного, кг/год; e_п - энергогсодержание подстилки, МДж/кг.

В свою очередь навоз может быть переработан в органические удобрения и биогаз.

Энергетическая эффективность производства продукции животноводства

Энергетическую эффективность производства продукции животноводства выражает энергетический коэффициент полезного действия

, (9.32)

или ее части

,(9.32а)

где E_эж - энергия, содержащаяся во всей конечной животноводческой продукции сельскохозяйственной продукции или ее части- E_iж, МДж; E - энергия, затраченная на производство всей продукции животноводства, МДж.

Энергетическая эффективность технологического процесса зависит от продуктивности отдельного животного:

, (9.33)

где α_п – энергетический эквивалент продукции, МДж/т; U_ж – продуктив-ность животного (удой или мясо) кг/год.

На основании энергетического анализа типового проекта 801-01-80.32.87

для молочной фермы на 400 коров авторы [6] приводят основные показатели энергоемкости и энергосодержания основных составляющих по производству молока, таблица 9.7.

В таблице 9.8 приведены данные по энергоемкости E_м произведенного молока, а также энергетическая эффективность его производства R_м. Эти результаты используются при выборе и сравнении вариантов производства или оценке конкурентноспособности: необходимо стремиться к снижению первого и повышению второго показателей энергоэффективности.

Таблица 9.7- Структура затрат энергии на производство молока на ферме 400 коров [6]

Вид энергии	Идентификатор	Вид затрат	Затраты энергии
ГДж	%
Электроэнергия	Епр1	Доение	1575,3	2,32
Епр2	Первичная обработка молока	866,6	1,27
Епр3	Приготовление кормосмесей	596,4	0,87
Епр4	Уборка навоза	397,5	0,58
Епр5	Подогрев воды	407,1	0,59
Епр6	Освещение	789,7	1,16
Епр7	Вентияляция+отопление	1269,0	1,86
	5901,6	8,65
Жидкое топливо и смазочные материалы	Епр8	Доставка и раздача кормов	1607,6	2,36
Епр9	Уборка навоза	441,4	0,65
		3,01
Тепловая энергия	Епр10	5256,8	7,70
Затраты живого труда	Епр11	3277,4	4,80
Прямые затраты энергии		16484,8	24,16
Овеществленная энергия	Еo1	Помещения (здания, сооружения)	1147,7	1,68
Еo2	Оборудование (машины, установки)	1509,5	2,20
Еo3	Корма	49024,4	71,96
	51681,6	75,84
Итого по ферме	Энергозатраты на производство молока	68166,4
Энергоемкость производства молока, ГДж/т[8]	48,69
Энергосодержание молока E1, МДж
Энергетический коэффициент полезного действия	0,063
Коэффициент энергетической эффективности	0,94

На рисунках 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7 приведены составляющие энергоемкости производства молока в абсолютных единицах и в процентах, относительно всех затрат производства. Наибольшая по величине энергопотребления составляю-щая, равная 36,9 ГДж/кг, приходится на овеществленную энергию, т.е. энергию затраченную на предшествующих периодах технолог

Дата добавления: 2015-11-26