Направления повышения эффективности использования энергоресурсов в животноводстве

УДК 621.311.1

НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Д.С. Стребков, А.В. Тихомиров

В статье дан анализ систем энергообеспечения в животноводстве, показаны причины низкой энергоэффективности производства продукции, ее высокой энергоемкости. Обоснованы направления совершенствования и модернизации систем энергоснабжения животноводческих объектов. Представлены новые разработки энергетического оборудования для села и в первую очередь животноводства. Даны прогнозные показатели энергопотребления. Ключевые слова: энергоресурсы, системы и средства энергообеспечения, требования к системам электроснабжения, технологии переработки возобно-вляемых энергоресурсов, биотопливо.

Стратегической целью развития энергетической базы и систем энергообе -спечения сельского хозяйства является повышение эффективности сельскохозяйственного производства и в том числе животноводства на базе электромеханизации технологических процессов, обеспечения надежного и устойчивого энергоснабжения потребителей при снижении энергоемкости производства продукции, а следовательно и ее себестоимости, создание комфортных социально-бытовых условий жизни на селе.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд организационно-правовых, научно-технических и производственных задач по модернизации и переоснащению систем энергоснабжения, эффективному и безопасному использованию электрической энергии и топлива в животноводстве, в личных подсобных хозяйствах и в быту, созданию новых электротехнологий, технических средств и энергетического оборудования. Подъем продуктивности животноводства, снижение издержек на производство продукции, повышение ее конкурентоспособности во многом определяются технологической модернизацией, ос -воением новых интенсивных технологий, надежным и эффективным энергообеспечением, управлением продукционным процессом.

Учитывая то, что в издержках производства значительное место занимают затраты на топливно-энергетические ресурсы - реализация путей их эффективного использования с большим КПД приобретает особое значение. Внедрение новых инновационных технологий в животноводстве и других сельскохозяйственных технологиях требует и новых, более совершенных средств и систем энергообеспечения, в ряде случаев новые технологии, процессы не могут быть осуществлены на старой энергетической базе.

Эффективность энергообеспечения животноводческих и птицеводческих объектов, затраты на энергоресурсы, а следовательно, и энергоемкость продукции во многом определяются принятой системой энергоснабжения, используемыми энергоносителями и величиной энергопотерь. Поэтому обоснование и выбор рациональной системы энергоснабжения конкретных объектов (или ее модернизация) является безусловно важнейшей задачей для реализации систем энергообеспечения на селе.

Сегодня энергосистемы сельского хозяйства России характеризуются чрезвычайно высоким уровнем износа: износ распределительных электричес -ких сетей превышает 30%, подстанций - 45%, 40% тепловых сетей требуют ремонта, 15% находятся в аварийном состоянии. Потери в распределительных электрических сетях достигают 15-20%, а в ряде случаев превышают 20%; коэффициент полезного использования топлива на уровне конечного потребителя в системах централизованного теплоснабжения составляет 30-40%.

Одной из причин низкой эффективности энергообеспечения является несовершенство и низкий технический уровень сетей и оборудования, слабое при -менение децентрализованных систем энергообеспечения и средств малой энергетики, которые для ряда потребителей (особенно удаленных) являются более эффективными, а в ряде случаев и безальтернативными, слабо и неэффективно (по устаревшим технологиям) используются местные энергоресурсы.

В настоящее время разрабатываются эффективные системы и средства автономного энергообеспечения с использованием газа, местных и возобновляемых энергоресурсов. Ряд их уже разработан и может использоваться для тех потребителей, где они окажутся более эффективными. В последние годы появились и появляются многие новые потребители: фермерские хозяйства, ЛПХ, новые объекты в животноводстве, растениеводстве и переработке сельхозпродукции. Для них очень важен выбор эффективной системы энергообеспечения.

Обоснованный выбор наиболее эффективной системы централизованного или автономного энергообеспечения, включая модернизацию действующей системы, для конкретных объектов (потребителей энергии) позволит наиболее ра -ционально использовать энергоресурсы (традиционные, нетрадиционные, местные, возобновляемые), снизить энергозатраты, а следовательно и энергоемкость производимой продукции, ее себестоимость за счет снижения в ее структуре энергетической составляющей. Современное состояние электрических распределительных сетей в сельской местности характеризуется постоянным снижением технико-экономических показателей и их старением. В настоящее время около 30% воздушных линий (600 тыс. км) и трансформаторных подстанций (более 100 тыс. шт.) отработали свой нормативный срок. Решение проблем, назревших в распределительных сетях, возможно на основе модернизации и создания сетей нового поколения, удовлетворяющих современным условиям распределения электрической энергии потребителям, отвечающим экономико -экологическим требованиям и мировому техническому уровню.

Основной целью реконструкции является выбор приоритетов технического развития, принципов построения и уровня технического оснащения распределительных сетей нового поколения с учетом мирового и отечественного опыта.

Системы электроснабжения должны удовлетворять следующим требованиям:

- по надежности электроснабжения и качеству электрической энергии в соответствии с нормативами;

- по обеспечению нормативного срока службы ЛЭП (не менее 40 лет);

- адаптации к перспективным электрическим нагрузкам;

- по электрической и экологической безопасности;

- по технологической и технической восприимчивости к автоматизации и телемеханизации;

- по экономической эффективности и не превышению установленной величины потерь.

В последнее время возрос интерес и потребность создания и использования децентрализованного (автономного) энергообеспечения различных предприятий, включая животноводческие.

Этому способствуют следующие обстоятельства:

- превышение спроса на энергию (в ряде регионов имеет место дефицит энергии);

- резкое увеличение стоимости (тарифов) на электрическую, тепловую энергию и топливо, поставляемые энергоснабжающими организациями, что вызывает значительное возрастание энергетической составляющей в себестоимости сельхозпродукции;

- снижение надежности энергоснабжения и качества энергии - увеличение числа и продолжительности отключений, что влечет за собой рост ущерба у сельхозпотребителей, особенно в теплицах, птицефабриках, комплексах, фермах, хранилищах и перерабатывающих предприятиях;

- значительное возрастание платы за подключение новой мощности и обе -спечение требований энергоснабжающей организации, что для ряда потребителей становится трудно выполнимым;

- необходимость для многих сельскохозяйственных объектов иметь ком -плексное энергоснабжение - электрической и тепловой энергией;

- наличие во многих регионах и хозяйствах местных энергоресурсов: биомассы, отходов животноводства, растениеводства, лесного хозяйства, масличных культур, развитие технологий их переработки в качественное жидкое топливо и газ, которые могут использоваться в децентрализованных системах для выработки электрической и тепловой энергии, что повышает КПД использования топлива;

- использование возможностей снижения стоимости вырабатываемой энергии, срока окупаемости капвложений и продажи излишков энергии;

- сверхнормативные потери энергии при ее передаче;

- возможность работы энергетического оборудования на различных видах топлива, как вырабатываемого на местах, так поставляемого централизованно (газ, дизельное топливо, биотопливо);

- возможность переоборудования имеющихся котельных в мини - и малые ТЭЦ.

Учитывая эти условия, внедрение децентрализованных систем комплексного энергоснабжения, выбор той или иной системы и оборудования зависит от потребностей объекта в объемах и видах энергии, местных условий и наличия собственных энергоресурсов, возобновляемых источников, расстояния до сис -темы централизованного энергоснабжения и определяется технико -экономическим расчетом вариантов.

Эти условия требуют разработки различных типов децентрализованных систем и оборудования:

- по производительности;

- по используемому топливу, наличию местных и возобновляемых ресурсов;

- по графику сезонной и суточной тепловой и электрической нагрузки потребителей.

Децентрализованные системы могут включать различное энергетическое оборудование:

- дизельные электростанции - наиболее распространенные до настоящего времени;

- Мини-ТЭЦ на базе когенерационных агрегатов, вырабатывающих электрическую и тепловую энергии (когенерационные установки включают: газо -поршневые, газотурбинные (ГТУ) и газодизельные);

- комбинированные установки (дизель-генератор+ветросолнечная установка).

Основное преимущество когенерационных установок по сравнению с традиционными котельными состоит в возможности более эффективного использования сжигаемого топлива, так как в данных системах наибольший экономический эффект достигается при совместной выработке электрической и тепловой энергии на месте потребления.

В сельском хозяйстве Мини-ТЭЦ с когенерацией могут применяться для:

- энергоснабжения животноводческих, птицеводческих, свиноводческих комплексов,

- энергоснабжения теплиц,

- энергоснабжения комбикормовых предприятий, сахарных заводов,

- энергоснабжения крупных фермерских хозяйств.

В современных когенерационных установках, при выработке электричес -кой и тепловой энергии при оптимальных условиях можно достичь общего КПД до 90% (по полезному использованию энергии сжигаемого топлива). Тех-

нический прогресс обострил экологические, энергетические и экономические проблемы, связанные с постепенным истощением ископаемых ресурсов и значительным ростом их стоимости. Для решения этих проблем ведется поиск новых источников энергии, новых видов топлива, включая растительное сырье, для производства жидкого и газообразного топлива, новых способов преобразования и использования биомассы в энергетике сельского хозяйства.

Эффективное использование местных энергоресурсов в энергетике села -биомассы, древесных и растительных отходов, торфа, навоза, стоков и др. во многих регионах может покрыть значительную часть (до 30%) энергобаланса ряда хозяйств и предприятий, сократить наполовину число отключений электропитания. Создание децентрализованных систем позволяет снизить зависи -мость от централизованного энергоснабжения, вплоть до самоэнергообеспечения. При решении этой проблемы важная роль отводится разработке и освоению технологий и комплектов оборудования по переработке растительной биомассы, торфа, растительных и древесных отходов в качественное жидкое, газообразное и твердое топливо, биоконверсию навоза в биогаз и удобрения, получение топлива из водорослей.

Наличие огромных ежегодно возобновляемых запасов растительного и древесного сырья обуславливает необходимость разработки и использования технологий и технических средств получения биотоплив, альтернативных ископаемым топливам. Запасы местных видов топлива растительных и древесных отходов, навоза, помета огромны, однако их использование в качестве топлива до настоящего времени было незначительным, исключая использование дров, объемы потребления которых были большими до 1960-70 годов и затем в значительной степени заменены использованием электроэнергии, газа, жидкого топлива. Ставится задача значительного увеличения объема использования местных и возобновляемых энергоресурсов в энергобалансе сельских потребителей. Особая их роль в энергообеспечении автономных потребителей небольшой мощности, ряд которых может быть полностью переведен на местные и возобновляемые энергоресурсы.

При наличии эффективных технологий переработки различного энергетического сырья, включая отходы, в более ценные виды топлива сельхозпроизводители имеют возможность покрывать существенную часть расходов, связанных с приобретением топлива и электроэнергии, за счет собственных сырьевых ресурсов, как традиционных - торф, дрова, отходы растениеводства, так и новых преобразованных - биотопливо, биогаз. Наиболее известны и распространены такие термохимические методы превращения биомассы в энергоносители, как прямое сжигание, газификация и пиролизация.

Важным направлением снижения потребления углеводородных топлив, утилизации образующихся в сельском хозяйстве отходов и улучшения экологической ситуации на местах является приготовление и использование смесевых биотоплив.

Одним из таких перспективных направлений является приготовление смесевых биотоплив из влажного навоза (отходы КРС, свиней, птичий помет) и углеводородных топлив (нефтешламы, отработанные масла, мазут) в примерном соотношении 4:1. Технические средства приготовления таких биотоплив включают блок дробления и смешивания компонентов, также блок их гомогенизации, состоящий из ротационно-пульсационного аппарата и ультразвукового генератора, емкости для хранения. Цех по приготовлению и хранению сме-севых биотоплив должен располагаться непосредственно вблизи животноводческих ферм или птицефабрик. Эффективно использование полученного биотоплива в располагаемой рядом котельной (новой или реконструируемой) с получением тепла и электроэнергии (когенерация) или тепла, холода и электроэнергии (тригенерация) в зависимости от требований с. -х. предприятия.

Для повышения качества водо-мазутных суспензий и получения гомоге-незированной нерасслаиваемой смеси в его состав вводятся ультрадисперсные катализаторы горения на основе окислов металлов или кремнеземов, что позволяет сократить выбросы котельных установок и повысить их КПД.

Важным направлением использования древесных отходов является гранулирование и брикетирование древесины и продуктов растениеводства (в пер -вую очередь отходов растениеводства, а также сырья, выращиваемого специально для производства топлива), при этом обеспечивается удобство хранения, транспортировки и сжигания гранулированной древесной массы.

Недостатками являются высокая энергоемкость технологии, на осуществление которой тратится до 50% энергии получаемого топлива, и высокая себестоимость получаемых пеллет и гранул. Поэтому производство древесных пел-лет в настоящее время и в ближайшей перспективе может быть выгодным в основном при их продаже за рубеж на экспорт и для использования в автоматизированных котельных и газогенераторах.

В этой связи весьма перспективным является культивирование и использование в качестве сырья для приготовления биодизеля микроводорослей, о чем свидетельствует опыт США, Филиппин, Украины и ряда других стран.

Один из путей рационального использования навоза и навозных стоков животноводческих ферм и птицефабрик - их метановое сбраживание, метаноге-нез, который является хорошим способом обезвреживания жидкого навоза и сохранения его как удобрения при одновременном получении дополнительного энергоносителя - биогаза. В настоящее время наступил новый этап развития и усовершенствования биогазовых технологий. Разрабатывается блочно-модуль-ный принцип построения комплектов биогазового оборудования.

Одновременно с получением биогаза, метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоус -вояемую растениями минеральную форму. При этом питательные (для растений) вещества - азот, фосфор и калий - практически не теряются.

Использование биогазовых комплектов на животноводческих фермах обеспечивает получение дополнительной энергии в виде биогаза и качественных органических удобрений, а также позволяет значительно снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду. Навоз животных и помет птиц как энергетическое сырье служит для выработки горючего биогаза путем анаэробного метанового сбраживания. Из 1 т сухого вещества навоза в результате анаэробного сбраживания при оптимальных условиях можно получить до 340 м биогаза, или в пересчете на одну голову крупного рогатого скота (КРС) 2,5 м в сутки, а в течение года около 900 м . Полученный биогаз используется в газовых теплоэнергетических установках с получением топливной и электрической энергии, а сброженный навоз собирается в хранилище, для последующего использования на полях в качестве удобрения.

В средней полосе России за счет использования энергии солнца можно обеспечить до 10% потребностей села в электроэнергии. В перспективе следует ориентироваться на использование солнечной энергии автономными фотоэлектрическими установками, решающими задачу электроснабжения малых производственных и бытовых объектов, крестьянских домов преимущественно с апреля по сентябрь месяц при наибольшей эффективности их использования в комбинированных системах энергообеспечения. Солнечный энергетический потенциал следует использовать и для получения тепловой энергии с помощью солнечных коллекторов как жидкостного, так и воздушного типов.

В настоящее время разработаны установки преобразования возобновляемых видов энергии в различные виды: электрическую и тепловую, для использования их в сельском хозяйстве. Это - фотоэлектрические станции модульного типа, ветроэнергетические установки мощностью 0,1 до 1000 кВт, микро - и мини-ГЭС и др. Они предназначены для электро - и энергоснабжения отдельных сельских домов, небольших поселков, промысловых бригад, садовых участков, небольших ферм и т.д. Наиболее эффективный путь - это создание комбинированных солнечно-ветро-дизельных агрегатов (или сочетания их с традиционными), гарантирующих бесперебойное электроснабжение и экономию дизельного топлива (до 60%). Использование ВИЭ в сельском хозяйстве позволит решать следующие задачи:

• обеспечение устойчивого энергоснабжения населения и сельскохозяйственного производства в зонах децентрализованного электроснабжения;

• снижение объемов завоза топлива в труднодоступные места и северные районы;

• обеспечение гарантированного минимума энергообеспечения объектов в зонах централизованного энергоснабжения во время аварийных и технологических отключений;

• снижение в перспективе в 2 и более раза вредных выбросов от тепловых энергетических установок на отдельных объектах со сложной экологической обстановкой.

По всем видам оборудования использования ВИЭ в энергетике сельского хозяйства имеются научные и проектные разработки. Однако реализация их заметно отстает, и доля ВИЭ в энергобалансе села пока мала - до 1%.

Принцип децентрализации энергоснабжения ферм и других объектов под -твердил свою эффективность - это когда энергетические установки встраиваются в отдельные помещения, непосредственно обеспечивая энергией технологический процесс. Чаще всего для этого используются электрифицированные или газифицированные установки. Это позволяет избавляться от протяженных электрических, тепловых и газовых сетей, что значительно уменьшает потери энергии. Для таких систем разработано и разрабатывается энергетическое оборудование - инфракрасные электрические и газовые обогреватели, емкостные и проточные электроводонагреватели, конвекторы, теплопарогенераторы, утилизаторы. В системах теплоэнергообеспечения высокой энергоэффективностью обладают такие технологические процессы, как утилизация выбросного тепла и использование тепловых насосов. Результаты исследований и испытаний этого оборудования подтверждают их энергоэкономичность - их реализация позволит экономить до 40% затрат энергии на отопление и микроклимат. Их использование в процессах вентиляции животноводческих помещений, охлаждения молока и нагрева воды наиболее эффективно и имеет большую перспективу.

Кроме этого, тепловые насосы найдут свое применение в системах энергоснабжения предприятий защищенного грунта, фермерских хозяйств, хранения продукции в соответствии с конкретными условиями объектов.

Важным энергоэффективным направлением является совершенствование систем освещения помещений и облучения растений и животных на базе новых осветительных приборов с лампами высокой световой отдачи и большим сроком службы (компактные люминесцентные, светодиодные, металлогалогенные, натриевые), снижающими потребление электроэнергии в 2-7 раз по сравнению с лампами накаливания.

Разрабатываемые в последнее время электротехнологии и электротехнологические процессы, нанотехнологии, электрофизические методы воздействия на биообъекты: растения, семена, животных, птицу, производимую продукцию, воздушную среду, почву, корма, воду имеют большую перспективу как в плане получения новых свойств и качеств материалов и среды, так и в плане значительного снижения энергозатрат, экономии топливно -энергетических ресурсов и снижения энергоемкости сельскохозяйственной продукции.

В актив развития энергетики, рационального использования ТЭР на селе следует отнести многие перспективные научно-технические разработки по энергетике и электрификации, реализация которых во многом определяется возрождением экономики хозяйств, а также созданием условий и базы для проведения энергосберегающей политики. Исходя из перспективных прогнозных показателей развития АПК и производства сельскохозяйственной продукции, а также направлений совершенствования энергетической базы и энергосбережения, обос-

нованы и рассчитаны прогнозные показатели энерго- и электропотребления, электровооруженности труда по этапам на период до 2030г.

К 2020г. прогнозируется увеличение потребления топливно--энергетических ресурсов (ТЭР) по отношению к 2010г. на 10% (с 67,5 до 75 млн т у.т.), в т.ч. электроэнергии на 16% (с 61 до 71 млрд кВтч), а к 2030г. - увеличение ТЭР на 18% (с 67,5 до 80 млн т у.т.), а электроэнергии на 28% (с 61 до 78 млрд кВтч).

В структуре используемых энергоносителей значительно возрастут объемы нетрадиционных источников, включая местные энергоресурсы (биотопливо) с 0,7 млн т у.т. в 2010г. до 7 млн т у.т. в 2020г. и 15,0 млн т у.т. к 2030г. В целом доля нетрадиционной энергетики (возобновляемая + местные энергоресурсы) в энергобалансе сельского хозяйства к 2020г. составит до 10%, а к 2030г. до 20%.

Научно-техническая Программа по развитию и модернизации систем энергоснабжения должна включать: организационно-методические разработки, энергосберегающие технологии и новые комплекты оборудования производства и использования традиционных и нетрадиционных энергоресурсов, проекты эффективных систем электро- и энергообеспечения сельских потребителей, пилотные проекты реализации новых и усовершенствованных систем и средств энергообеспечения села, включая автономные, комбинированные, биоэнергетические, рекомендации по мониторингу энергообеспечения, а также запасов местных и возобновляемых энергоресурсов на уровне района, хозяйства, предприятия, проведения энергоаудита действующих систем и энергетических объектов.

Литература:

1. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020г. М., 2009.

2. Система машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства на период до 2020г. T.II. Животноводство. М.: ГНУ ВИМ, 2012.

Стребков Дмитрий Семенович, академик Россельхозакадемии, директор Тихомиров Анатолий Васильевич, кандидат технических наук, заместитель директора ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Тел. (8499)171-19-20 E-mail: viesh@dol.ru

The article presents the analysis of energy systems in the livestock sector, shows the reasons for low efficiency of production, its high energy intensity.Grounded directions for the improvement and modernization of power supply systems of cattlebree-ding facilities. Presented new design of power equipment for the village and first of all livestock. Given projections of energy consumption.

Keywords: energy resources, means and systems of power supply, requirements to the systems ofpower supply and processing technologies, renewable energy, biofuels.