Пути снижения энергозатрат в животноводстве и переработке сельскохозяйственной продукции

Основные требования, предъявляемые к сельскохозяйственной технике в начале третьего тысячелетия - это значительное повышение технологической эффективности комплекса машин, снижение энергоемкости выполняемых технологических процессов.

Современное сельскохозяйственное производство невозможно представить без надежной высокопроизводительной техники.

Использование механизированных и автоматизированных технологий требует больших затрат энергии, недостаток которой мы испытываем сейчас во всех отраслях народного хозяйства. Кроме того, существенную долю затрат энергии в сельском хозяйстве составляет ее расход на горячее водоснабжение производственных и бытовых помещений, отопление.

В связи с этим, рассматривая вопрос развития сельского хозяйства в целом, и его отдельных отраслей в частности, мы неизменно сталкиваемся с проблемой дефицита энергии, высокая стоимость которой определяет чрезмерную стоимость получаемой продукции и, следовательно, ее низкую конкурентоспособность.

Обратимся к мировому опыту. В настоящее время во многих странах Центральной и Западной Европы, а также в Азии, Америке большие средства направлены на разработку систем энерго - и теплоснабжения с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

И хотя себестоимость энергии, полученной с помощью нетрадиционных источников достаточно высокая, велики затраты на научные исследования, на выпуск первых партий гелио - и ветроустановок, тем не менее правительствами таких стран, как США, Япония, Австралия, Дания, Голландия, Израиль и других предусматриваются довольно крупные денежные вложения в эту отрасль.

В США на солнечное отопление и горячее водоснабжение переведено около 2,5 млн. домов, на что потребовалось 1,5 млрд. долларов капиталовложений. [ 1 ]

Только федеральные расходы США на солнечную энергетику в 2000-ом финансовом году составили 75 млн. долларов.

В Японии на исследование, строительство и эксплуатацию гелиотехнических установок за год израсходовано 3,8 млрд. иен. [ 1 ]

Великобритания в 2000-ом году около 8% всей энергии получила за счет возобновляемых источников. В текущем году правительством страны предусмотрены расходы в сумме около 10 млн. фунтов стерлингов, в том числе 6,4- на развитие солнечной энергетики; 2,3 - на изучение возможности использования энергии волн, и 0,8 - на геотермальные источники энергии.

Европейский союз поставил своей целью довести до 2010 года производство энергии за счет возобновляемых источников до 12%. [ 2 ]

На сегодня в Европе для нагрева воды используются солнечные коллектора общей площадью более 10 млн. м2. Несмотря на свой достаточно высокий уровень жизни, европейские страны продолжают реализовывать новые грандиозные проекты по производству электроэнергии за счет энергии ветра, солнца, биомассы. Ярким примером может служить
Миддельгрунденская ветроэлектростанция (ВЭС) в акватории Копенгагена, которая имеет установленную мощность 40 МВт и уже на протяжении года дает около 3% электроэнергии, необходимой для столицы Дании. [ 3 ]

Конечно, начальные затраты на создание подобных проектов очень велики. Стоимость проекта создания указанной ВЭС составила 49,2 млн. евро. Бесспорно, осилить такие затраты очень сложно. Каким же образом поступило правительство Дании? Выход довольно прост и заслуживает детального изучения и применения в Украине. Чтобы собрать средства на
строительство станции, были выпущены акции стоимостью 50 датских крон (33 гривны). Общественные организации Дании провели большую пропагандистскую работу среди населения страны, в результате которой 50%

акций купило население. А для того, чтобы поддержать владельцев (акционеров) ВЭС, правительство заинтересовало потребителей в покупке выработанной ВЭС электроэнергии, установив на нее фиксированную цену, ниже на 15... 20% стоимости электроэнергии, вырабатываемой атомными станциями. [ 3 ]

Что касается использования солнечной энергии. Использование солнечной энергии, как показал опыт передовых развитых стран мира, может обеспечить немалую долю потребности в тепловой энергии, даже в климатических условиях северных стран. По большому счету использование энергии солнца экономически выгодно, однако процент ее использования все еще довольно низок. В настоящее время в мире общая площадь солнечных коллекторов составляет около 30 млн. м2. Цифра впечатляет, однако этот
показатель составляет всего лишь 2...3% от принятого потенциала, который составляет один квадратный метр гелиополя на человека. [ 3].

По климатическим условиям Крым относится к регионам с довольно высокой интенсивностью солнечной радиации. Количество солнечной энергии, которая приходится на единицу площади земной поверхности в течение года, составляет 1200... 1500 кВт-час/м2, средняя интенсивность солнечного излучения составляет около 1350 кВт-час/м2.

Выполненные в течение последних лет экспериментальные проекты показали, что годовое производство тепловой энергии в условиях Украины составляет 500...600 кВт-час/м2, по Крыму этот показатель составляет около 850 кВт-час/м2.

Все приведенные цифры и факты говорят в пользу того, что в условиях Крыма энергия солнца и ветра, а также низкопотенциальные источники тепла способны покрывать значительную часть энергии, необходимой для нужд промышленности, быта, а также для сельскохозяйственного производства. В большой степени это относится к животноводству и переработке с.х. продукции.

Использование ВИЭ в животноводстве

В животноводстве энергозатраты составляют около 35% электроэнергии и около 30% топлива от их количества, расходуемого в сельском хозяйстве.

По расчетам удельное потребление электроэнергии в год на одну корову в условиях молочно-товарной фермы составляет в среднем 550... 1100 кВт-ч; в свинарниках - откормочниках эта цифра составляет 180...200кВт-ч. [4]

Таблица 1.1-Распределение затрат энергоносителей для выполнения работ на ферме в расчете на одну голову.

№ п/п	Виды выполняемых механизированных работ	Расход электроэнергии, кВт-ч	Топливо, кг
1	Приготовление и раздача кормов	30...40	45...60
2	Водоснабжение и поение	20..30	-
3	Теплоснабжение и микроклимат	220...600	95...135
4	Доение	210...290	-
5	Первичная обработка молока	50...90	-
6	Уборка навоза и его утилизация	20...50	15...18
	Всего	550...1100	155..213

Использование гелиоустановок для нагрева воды на животноводческих комплексах позволяет сократить тепловую энергию, получаемую традиционным способом на 50... 55% в летнее время, и на 25... 30% в осенневесенний период.

Как показал зарубежный опыт, а также опыт некоторых Крымских агропредприятий, где использовались гелиоприставки, производительность 2 м жидкостного гелиоколлектора при солнечной радиации около 700 Вт/м составляет 70-100 л воды с температурой нагрева 55-70°С [ 5 ]. Гелиополе из 40 коллекторов позволит нагревать до 50°С ежедневно около 5 м воды. Этого количества будет достаточно для фермы КРС с поголовьем около 600 животных. При этом экономия составит около 30 кг условного топлива в день, или около 10,5 тонн условного топлива (т. у.т) в год.

Кроме того, для использования солнечной энергии целесообразно применять и пленочные гелиоколлекторы, представляющие собой секции цилиндрических элементов, сгруппированных параллельно и соединенных входной частью с распределителем воздуха, а выходной с приемником теплоносителя с помощью переходников. Секции выполняются по схеме «Труба в трубе», причем внутренняя труба меньшего диаметра изготовляется из черной пленки, наружная из прозрачной. Апробирование подобной гелиоустановки показало, что гелиоколлектор длиной около 15м позволяет повысить температуру окружающего воздуха в летний период на 20..25°С.

Такая установка может с успехом использоваться при сушке трав для приготовления сена. Так как расход топлива на сушку каждой тонны сена составляет около 15 кг, экономия составит 12,5 кг условного топлива. При заготовке 50 тонн сена для поголовья фермы КРС средних размеров, экономия составит около 630 кг условного топлива.

Потребность в установках производительностью около 5 тонн готовой продукции в месяц составляет по Крыму 800...850 штук. Такие установки должны быть легко разборными и мобильными для возможности их применения и монтажа непосредственно в местах с необходимым объемом работы.

Использование солнечной энергии для получения электрического тока может осуществляться с помощью фотоэлектрических модулей на основе кремниевых фотоэлектрических элементов. Возможность наращивания их мощности непосредственно у потребителя без строительства линий электропередач, составляющих до 70% себестоимости производства и
распределения электроэнергии в центролизованнных энергоносителях, может обеспечить их конкурентоспособность в условиях удаленных неэлектрифицированных объектов с малой плотностью нагрузки 0,1... 1,5 кВт/км2 (пастбища, горные массивы и т. п.).

Большой резерв энергосбережения в животноводстве - использование тепла свежего молока. Как известно начальная температура молока составляет около 36°С, температура кондиционного молока для сдачи на молокозавод не выше 8°С. Для того чтобы добиться такого снижения, необходимо затратить большое количество энергии. Для этого целесообразно использование теплообменных аппаратов пластинчатого типа, либо аппаратов нового - роторного типа с высокой производительностью. Это позволит добиться одновременно и охлаждения молока, и нагрева воды минимум на 8... 10°С для дальнейшего ее использования в технологических целях. При этом экономия составит около 1,5 кг условного топлива на тонну, а для фермы 600 голов КРС годовая экономия составит 315 т. у.т.

Для нужд животноводства может быть использована и энергия ветра. Энергию ветра, в первую очередь, целесообразно использовать для привода водоподъемников и насосов в системах пастбищного животноводства, а также электро - и теплоснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей малой мощности. Использование ветроэнергетических
установок (ВЭУ) для подъема воды в 1,5-2 раза снижает стоимость 1 м подъема воды по сравнению с водоподъемниками, имеющими двигатель внутреннего сгорания, а общие затраты на поение животных в условия пастбища сокращаются в 3 раза.

Опыт использования ветроустановок на животноводческих комплексах накоплен как в хозяйствах Крыма, так и Украины. В большей степени ветроагрегаты используются для нагрева теплоэлектрических нагревателей, которые в свою очередь нагревают требуемый запас на ферме. Наиболее рациональные регионы использования ветроагрегатов на территории Крыма это Раздольненский, Черноморский, Сакский, Ленинский районы. Потребность в ветроагрегатах зависит от их установленной мощности. Для использования на животноводческих фермах целесообразными являются агрегаты мощностью до 20 кВт.

Резервом снижения энергопотребления при охлаждении молока на фермах является перевод холодильных агрегатов в режим теплонасосных установок. Коэффициент  преобразования этих установок составляет 3-5, то есть на каждый затраченный кВт энергии в тепловом эквиваленте получают 3-5 кВт энергии в виде горячей воды с температурой 50-55°С.

Один из способов получения энергии нетрадиционным способом анаэробное сбраживание отходов. Применение анаэробной переработки отходов животноводства позволит ускорить их разложение в 10 раз и более по сравнению с обычным подогреванием в буртах. В результате переработки отходов животноводства решается одновременно 3 проблемы:
агрохимическая (получение органических удобрений), экологическая (обеззараживание патогенной микрофлоры), энергетическая (получение биогаза). Наиболее целесообразно применение подобных установок для переработки жидкого навоза и стоков, имеющих высокую влажность - более 85%, получаемых при использовании гидравлических систем удаления навоза.

В настоящее время актуальным является также вопрос создания и широкого внедрения мобильных кормоприготовительных пунктов для заготовки комбикормов в коллективных предприятиях и в частном секторе. Производительность такого пункта должна составлять около 2 тонн комбикорма в час. Использование подобных агрегатов даст возможность
резко сократить затраты на транспортировку пшеницы и ячменя на специализированные комбикормовые заводы. Ориентировочная потребность для Крыма в настоящее время составляет около 60 штук.

Комплексное использование всех предложенных вариантов замещения традиционных видов энергии позволит получить экономию для условий средней фермы на 600 голов около 320 т. у.т. в год.

Использование ВИЭ на перерабатывающих предприятиях

Предприятия перерабатывающей отрасли потребляют значительное количество энергии, которая идет на обеспечение тепловых процессов, работу стационарных машин и агрегатов, подачу воды и удаление отходов. Учитывая то, что в настоящее время наблюдается тенденция повышения производства концентрированных продуктов (сиропов, соусов, сушеной плодово-ягодной продукции и т. п.), взамен производимых компотов, маринадов, значительная часть энергетических средств затрачивается на осуществление тепловых процессов, которые являются неотъемлемой частью таких технологий. Структура затрат энергии в различных технологических процессах переработки приведена в таблице 2. 1

Таблица 2,1 Структура энергозатрат при переработке различных сельскохозяйственных продуктов

№ пп	Технологическая линия	Производительность	Суммарная мощность	Мощность на осуществление механических производств, %	Мощность на осуществление тепловых процессов,
1	Линия по переработке вишни на компот		32	30	70
2	Линия по переработки молока: СВО-1,1 СВО-1,5 СВО-2,5 СВО-4	1 т/ч 1,5 т/ч 2,5 1т/ч	65 130 135 135	10	90
3	Линия для переработки винограда ВПЛ 10 ВПЛ 20 ВПЛ 30 ВПЛ 50	10 т/ч 20 т/ч 30 т/ч 50 т/ч	28 31 50 70	28 31 50 70	- - - -
4	Агрегат для переработки зерновых культур на крупу и муку НО6280	250 кг/ч	40,1	40,1

5	Мельница вальцовая «Харьковчанка 1200»	100-1200 кг/ч	84	84	-
6	Линия производства консервов из кабачков и баклажанов А9-КЛЖ	40 туб/смен	71	32	68
7	Линия консервирования томатного сока	4200 л/ч	36	46	54
8	Линия консервирования огурцов	6000 кг/ч	90	42	58

Анализ производственных данных показывает, что наиболее энергоемкими в технологиях переработки сельскохозяйственной продукции являются тепловые процессы. Энергозатраты на них составляют для плодоовощной продукции 65-70%, для молока до 85%, при переработке эфиромасличных культур - свыше 80%.

В этой энергоемкой отрасли есть практически неорганические возможности использования нетрадиционных источников, в частности солнечной, ветровой энергии, термальных вод и т. п. Использование солнечных коллекторов, как указывалось выше, дает возможность подавать на технологические процессы предварительно подогретую воду до 55-60°С.
Таким образом, для получения пара в пастеризаторах, бланширователях, стерилизационных-установках необходимо затрачивать тепловой энергии на 30-40% меньше. Важно отметить, что ВИЭ в первую очередь необходимо использовать в прогрессивных отраслях консервного производства, например при асептическом консервировании сокоматериалов.

Широкое внедрение этого способа позволит агропредприятиям Крыма при малых энергозатратах переработать в короткие сроки большие объемы плодов и овощей на соко - и виноматериалы для дальнейшей доработки полуфабрикатов и расфасовки готовой продукции на специализированных предприятиях. Потребность в герметичных емкостях для указанной технологии составляет по Крыму около 1,5 тысяч штук объемом 20 м.

Один из путей энергосбережения на перерабатывающих предприятиях - сокращение затрат энергии для стерилизации консервов. С технической точки зрения это возможно путем использования паро-воздушных автоклавов вместо водяных, что снижает расход пара на 140 кг и воды - на 2,3 тонны из расчета на один автоклав за смену работы.

На консервных предприятиях может быть успешно использована и энергия ветроагрегатов. Большой интерес в этой связи представляет использование парогенераторов трубчатого типа, работающих на электроэнергии. Пар, полученный на таких установках в 1,5... 1,8 раза дешевле, чем пар, получаемый на существующих котельных агрегатах. В
качестве дублеров для этих генераторов могут быть использованы ветроагрегаты. Таким образом, можно решить вопрос с парообеспечением перерабатывающих предприятий. Использование предложенных способов замещения традиционных видов энергии для перерабатывающего предприятия производительностью около 0,5 м. у.б. консервов в год составит около 280 т. у.т. за сезон работы.

Комплексное использование нетрадиционных источников энергии для замещения затрачиваемых топливных ресурсов является актуальной проблемой, решение которой, в первую очередь, с технической точки зрения, позволит добиться ощутимых результатов как в экономическом, так и в экологическом отношениях.