CC BY
38
УДК 332.146.2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОТРАСЛИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ: АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
М.Е. КОРЯГИН, доктор технических наук, зав. лабораторией
А.И. ДЕКИНА, старший преподаватель Кемеровский ГСХИ, ул. Марковцева, 5, Кемерово, 650056, Россия
E-mail: [email protected]
Резюме. Работа выполнена с целью анализа потребления топливно-энергетических ресурсов сельскохозяйственной отраслью Кемеровской области и оценки эффективности использования их альтернативных источников в рамках энергосбережения. Потребность в энергетических ресурсах по отраслям сельского хозяйства значительно разнится, так в растениеводстве основные их затраты формируются за счет горюче-смазочных материалов, в животноводстве - электроэнергии, поэтому был проведен анализ экономичности и энергоэффективности использования природного газа в сжатом и сжиженном виде как моторного топлива, а также в качестве источника тепловой и электрической энергии. С точки зрения использования газомоторного топлива в сельском хозяйстве наиболее эффективно дооборудование дизельного двигателя газовой системой питания для работы по газодизельному циклу, при этом можно выделить следующие преимущества: не нужно вносить изменений в двигатель и топливную аппаратуру; всегда можно вернуться к использованию дизеля. При этом экономия дизельного топлива составит 75-80%, дым-ность отработанных газов снизится в 2-4 раза, а суммарный запас хода транспортного средства увеличится в 1, 5-1,7раза. В связи с климатическими особенностями региона 30-40% энергетических ресурсов, потребляемых в сельском хозяйстве, тратится на обогрев помещений. Автономная выработка электрической и тепловой энергии с помощью газогенератора позволит снизить цену электроэнергии в 5-6 раз, обеспечить ее бесперебойную поставку, сократить вредные выбросы, поскольку газ сгорает без остатка.
Ключевые слова: природный газ, газомоторное топливо, топливно-энергетический комплекс, энергосбережение. Для цитирования: Корягин М.Е., Декина А.И. Энергосбережение сельскохозяйственной отрасли Кемеровской области: анализ состояния и перспективы развития // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №2. С. 53-56.
Производство продукции сельского хозяйства в Российской Федерации на сегодняшнем этапе развития весьма энергоемко, что связано с рискованностью ведения земледелия на большей территории государства, низкими урожаями, вызванными климатическими катаклизмами, невысокой продуктивностью животных и др. Поэтому очень актуален вопрос эффективного использования энергии: расходы на топливо в себестоимости производства сельскохозяйственной продукции достигают 50%, неблагоприятные климатические условия приводят к тому, что 30-40% энергетических ресурсов, потребляемых в сельском хозяйстве, тратится на обогрев помещений [1].
Для рационального потребления энергетических ресурсов и соответственно снижения себестоимости производства продукции необходимо использовать экономически более выгодный энергоноситель - природный газ. Кемеровская область обладает достаточными его запасами. Так, прогнозные ресурсы метана в кузбасском бассейне оцениваются более чем в 13 трлн м3. По территории региона проходят два магистральных газопровода Нижневартовск - Парабель - Кемеровская область и Сургут - Омск - Новосибирск с ответвлени-
ем Кемеровская область - Алтай (более 700 км труб, 1 компрессорная и 12 газораспределительных станций). Объем поставок газа в Кемеровскую область составляет около 3,8-3,9 млрд м3 в год.
При этом уровень газификации природным газом оценивается в 1,8% [2], в том числе города и поселки городского типа газифицированы на 1,4%, сельские населенные пункты - на 0,3%, что связано с высокими затратами на строительство коммуникаций и инфраструктуры.
Цель нашего исследования - оценить эффективность использования альтернативных источников топливно-энергетических ресурсов в рамках энергосбережения в сельскохозяйственной отрасли Кемеровской области.
Условия, материалы и методы. Исследования проведены на основе абстрактно-логического, таблично-графического и сравнительного методов с использованием статистического анализа информации, предоставляемой органами государственной и региональной служб статистики, официальной отчетности сельскохозяйственных предприятий, изучения материалов научных публикаций.
Агропромышленный комплекс Кемеровской области остается важнейшей составляющей экономики региона. Область полностью обеспечивает себя основной продукцией растениеводства - зерном, картофелем, овощами. Структура животноводства, которое сконцентрировано в основном в пригородных зонах, формируется под влиянием потребительского фактора. Главные отрасли - молочно-мясное скотоводство, свиноводство и птицеводство.
По показателям эффективности ведения сельскохозяйственного производства, согласно данным Министерства сельского хозяйства РФ, регион демонстрирует хорошие результаты не только среди соседей по Сибирскому Федеральному округу, но и в целом по стране: по объему валовой сельхозпродукции в расчете на одного работника, занятого в отрасли (701 тыс. руб/чел.), Кемеровская область занимает 2 место в России. Однако показатели рентабельности проданной продукции сельского хозяйства региона (рис. 1) отражают нестабильность в отраслевой структуре растениеводства, которая напрямую зависит от урожайности и затрат, в большей степени на энергоресурсы (более 50%, в основном дизельное топливо).
Рис. 1. Рентабельность проданных товаров, продукции (работ, услуг) организаций (%): □ - растениеводство, □ -животноводство.
Таблица 1. Оценка экономической составляющей химического потенциала различного вида мотор-
ного топлива
Параметр Энергоноситель
КПГ 1 СУГ СПГ I ДТ 1 бензин
Объем баллона,л 50 50 50 50 50
Коэффициент использования объема баллона, % 100 90 85 100 100
Плотность топлива, кг/м3 0,67 0,585 0,442 0,862 0,753
Масса используемого топлива, кг 33,5 26,325 18,785 43,1 37,65
Теплота сгорания (низшая): массовая, МДж/кг [3] 48,7 46 48,7 42,5 43,9
Отпускная цена топлива при заправке, руб./л 14,3 17,5 18,96 32,54 30,43
Отпускная цена топлива при заправке, руб./кг 21,34 29,91 42,90 37,75 40,41
Энергетический запас бака, МДж 1631,45 1210,95 914,83 1831,75 1652,84
Стоимость заправки бака, руб. 715,00 787,50 805,80 1627,00 1521,50
Стоимость 1 МДж топлива, руб. 0,44 0,65 0,88 0,89 0,92
На втором месте в структуре энергозатрат сельскохозяйственных предприятий находится электроэнергия. Именно на нее приходятся основные затраты в животноводстве.
В последние годы потребление электроэнергии в сельском хозяйстве Кемеровской области снизилось практически в 2 раза (рис. 2). Произошло это благодаря использованию самых современных ресурсосберегающих технологий, строительству новых, а также реконструкции и модернизации существующих мощностей во всех отраслях животноводства.
Электроснабжение региона обеспечивают 8 тепловых электростанций и 3 блок-станции. Важнейшая проблема энергосистемы Кемеровской области, характерная для энергетики Сибири и России в целом, - старение оборудования станций и сетей. Основной ввод мощностей на электростанциях региона происходил в 60-е гг. ХХ в. Нормативный срокслужбы в 30летотработали агрегаты мощностью 4,2 млн кВт, или 87% суммарной мощности электростанций области. Агрегаты мощностью 1,2 млн кВт, или 24% суммарной эксплуатируют более 50 лет, они изношены физически и морально и требуют замены.
Несмотря на незначительную долю сельского хозяйства (меньше 2%) в структуре потребления полезной тепловой энергии Кемеровской области, следует отметить, что неблагоприятные климатические условия приводят к тому, что 30-40% энергетических ресурсов, потребляемых в отрасли, расходуются на обогрев помещений (рис. 3).
Основное сырье, используемое для выработки тепловой энергии отрасли, - природное топливо, в первую очередь это бурый уголь (11,7 тыс. т у. т.), затем нефтепродукты (8,9 тыс. т у. т.) и далее природный газ (8,2 тыс. т у. т.). Специфика сельского хозяйства предполагает наличие в инфраструктуре индивидуального отопления - котельных малой мощности (до 20 Гкал/час).
Результаты и обсуждение. В условиях непрерывного роста цен на бензин и дизельное топливо назрела необходимость перевода отрасли на более экономичные энергоресурсы, в том числе в качестве альтернативы можно рассматривать природный газ. Возможны два варианта его использования: сжатый (компримированный) до 200 атм. (КПГ) и сжиженный (СПГ).
Для обоснования энергоемкости и экономичности природного газа мы оценили экономическую составляющую химического потенциала нефтяного и альтернативных видов моторного топлива, размещенного в баллонах объемом 50 л: КПГ под давлением 32 МПа, СПГ - 0,4 МПа, СУГ (сжиженные углеводородные газы: смесь пропан-бутан) - до 1,6 МПа. При этом стоимость баллонов и топливной системы, которые отнесены к разовым затратам, не учитывали.
Результаты расчетов свидетельствуют о том, что, стоимость 1 МДж КПГ в 1,5-2 раза дешевле других ви-
дов топлива при наибольшем энергетическом запасе бака. Несмотря на значительный запас хода после одной заправки, СУГ (пропан-бутан) по экономичности уступает КПГ из-за более высоких отпускных цен.
Затраты на перевод двигателя с нефтяного топлива как на КПГ, так и на СПГ практически одинаковы, хотя металлоемкость топливной системы во втором случае значительно ниже. Стоимость криогенных топливных баков для СПГ и металлопластиковых баллонов для КПГ почти не отличается, а при переходе на давление 32,0 МПа даже может оказаться ниже [4].
Отпускная цена природного газа, реализуемого на АГНКС для заправки автотранспорта, ограничена
природный
газ; 8,2
Продукты
переработки
топлива; 43,3 Природное топливо;
28,8 уголь; 11,7—' ^^нефть, —включая газовый конденсат; 8,9
Рис. 3. Структура потребления энергоресурсов в сельском хозяйстве Кемеровской области, тыс. т условного топлива.
379,5
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Рис. 2. Динамика потребления электроэнергии сельским хозяйством Кемеровской области, миллионов кВт • ч.
Таблица 2. Сравнительная характеристика различных видов топлива для выработки электрической энергии
Топливо Калорийный коэффициент №/7000) Теплотворная способность
Нефть 1,43 10 000 ккал/кг
Природный газ 1,15 8 000 ккал/ м3
Торф 0,34-0,41 (в зависимости от влаж- влажностью 10% - 4 100 ккал/кг
ности) влажностью 40% - 2 500 ккал/кг
Дизельное топливо 1,45 10 150 ккал/кг
Мазут 1,37 9590 ккал/кг
Каменный уголь 1 7 000 ккал/кг
Дрова влажностью 10 % - 3 900 ккал/кг
- влажностью 40% - 2 400 ккал/кг
Постановлением правительства РФ [5] и не должна превышать 50% стоимости эквивалентного объема бензина марки Аи-80.
Очевидно, что окупаемость переоборудования на газодизельный режим зависит от численности машинно-транспортного парка. При общих затратах на переоборудование 50 единиц сельхозтехники на использование СПГ 16,02 млн руб. срок окупаемости составит 2,3 года, а 5 единиц (общие затраты на переоборудование 7,02 млн руб.) - 10 лет. В случае использования в качестве моторного топлива КПГ на переоборудование 50 - тракторов и сельхозмашин потребуется 12,02 млн руб. - срок окупаемости составит 1,9 лет, а 5 единиц (общие затраты на переоборудование 3,02 млн руб.) - меньше 5 лет [6].
На сегодняшний день разработана техническая документация на переоборудование для работы на КПГ по газодизельному циклу тракторов К-701, К-700А, Т-150К, ДТ-75, МТЗ-80/82, ЮМЗ-6, ЛТЗ-55. Газодизельные модификации прошли приемочные испытания на ЦМИС и РосНИИТиМ. Опытные образцы газодизельных тракторов эксплуатируют в Ставропольском крае и Рязанской области [7]. Для работы на КПГ на заднюю полураму трактора К-701 устанавливают 18 газовых баллонов, Т-150К - 10 баллонов, в виде двух кассет с просветом по центру для обеспечения обзорности сзади. Увеличение эксплуатационной массы различных тракторов при монтаже баллонов из легированной стали составляет 7-9%, металлокомпо-зитных баллонов - 4,6-6,2%, что приводит к повышению удельного давления и уплотнению почвы, поэтому после переоборудования необходимо менять шины на более широкие. В 18 баллонах под давлением 20,0 МПа суммарно содержится 180 нм3 природного газа, который обеспечивает работу тракторов в газодизельном режиме на транспортных технологических операциях 10,5-13,0 ч, на вспашке - 7,0 ч.
В связи с неизбежностью реконструкции электростанций и электрических сетей региона и, как следствие, повышения тарифов на электроэнергию, на предприятиях сельскохозяйственной отрасли экономически эффективнее использование индивидуальных мини-ТЭЦ. Их преимущества очевидны [8]:
себестоимость энергии от автономных источников в 5-6 раз ниже тарифов Региональной энергетической комиссии Кемеровской области [9];
электроэнергия и тепло производятся на месте потребления, что само по себе избавляет от затрат на
транспортировку, а также дает гарантию от перебоев или аварийных отключений, которые неизбежны из-за изношенности электрических и тепловых сетей;
приобретение, монтаж и пуско-наладка новых мини-ТЭЦ часто обходятся дешевле сооружения питающих линий, подстанций и платы за подключение к централизованным сетям.
Поскольку на рынке производителей представлен широкий ряд электроагрегатов малой мощности, решение о типе используемого в мини-ТЭЦ оборудования необходимо принимать руководствуясь экономичностью и энергоэффективностью используемого топлива.
Для сравнения показателей топливопотребляю-щего оборудования и устройств, проведения экономических расчетов и планирования введено понятие условного топлива. За его единицу принят 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю. Для сравнения: теплота сгорания бурых углей составляет менее 24 МДж/кг, антрацитов и каменных углей - 23-27 МДж/кг [10].
Отметим, что теплотворная способность природного газа выше, чем у других видов топлива (табл. 2). Масса 1 м3 этого энергоносителя составляет около 0,7 кг, то есть теплотворная способность газа превышает 11000 ккал/кг. Таким образом, с экономической точки зрения природный газ превосходит нефтепродукты при выработке тепловой энергии.
Для оценки объемов децентрализованного производства и потребления тепловой энергии отрасли необходимо учитывать теплотехнические характеристики сжигания каждого вида топлива. По результатам сравнения эффективности использования СПГ для газификации котельных малой мощности (до 20 Гкал/ час), по отношению к другим видам топлива (табл. 3), можно сделать следующие выводы:
СПГ обладает самой высокой теплотой сгорания и средней стоимостью, что дает возможность производить тепловую энергию дешевле, чем при использовании таких энергоносителей, как мазут, пропан-бутан, дизельное топливо;
в случае применения в качестве топлива СПГ коэффициент полезного действия котельных установок достигает 92%. Аналогичный КПД обеспечивает только природный газ и пропан-бутан.
Ключевой показатель сравнительной характеристики видов топлива для производства тепловой
Таблица 3. Сравнительная характеристика различных видов топлива для выработки тепловой энергии
Характеристика Природный газ СПГ Мазут М100 Уголь СУГ Дизельное топливо
Низшая теплота сгорания, ккал/кг Среднее значение КПД котельных, % Масса топлива для производства 1 Гкал, кг 11400 92 95 11500 92 95 9500 80 132 4200 50 476 11000 92 99 10180 89 110
энергии - стоимость 1 Гкал (топливная составляющая). По его величине СПГ уступает лишь сжатому природному газу. Это свидетельствует об экономической эффективности применения СПГ в качестве энергоносителя и о целесообразности перевода на него котельных.
Кроме того, природный газ - самый чистый вид минерального топлива в экологическом отношении. При его сгорании количество таких опасных для здоровья загрязняющих веществ, оседающих на территории жилой зоны, как Б02 (диоксид серы), взвешенные частицы золы и сажи, снижается до нуля. В результате технического перевооружения угольных котельных на газовое топливо количество вредных выбросов резко сокращается - экологический эффект составляет около 80% [11].
Выводы. Анализ возможности использования различных топливно-энергетических источников в сельском хозяйстве показал, что наиболее эффективный и экономичный вид моторного топлива - сжатый
природный газ, поскольку стоимость 1 МДж КПГ в 1,5-2 раза дешевле других альтернативных видов топлива при наибольшем энергетическом запасе бака, срок окупаемости затрат на переоборудование 5 единицах техники не превышает 10 лет, для машинно-транспортного парка численностью более 50 единиц он сокращается минимум в 5 раз.
Для выработки электрической энергии с экономической точки зрения природный газ также значительно превосходит нефтепродукты, помимо этого его теплотворная способность выше, чем у других видов топлива, а использование природного газа в сжатом и сжиженном виде позволяет достичь максимального значения коэффициента полезного действия котельных установок, равного 92%.
Таким образом, в Кемеровской области для рационального потребления энергетических ресурсов и снижения себестоимости производства продукции сельского хозяйства целесообразно использовать природный газ.
Литература.
1. Модернизация в сельском хозяйстве: повышение энергетической эффективности. URL: http://agropraktik.ru /blog / energo_effekt/496.html (Дата обращения: 11.11.2014)
2. «Газпром» и Кемеровская область подписали Соглашение о сотрудничестве. URL: http://www.gazprom.ru/press/news /2011/july/article114998 (Дата обращения: 06.10.2014)
3. Касенков В. Еще раз о целесообразности замены нефтяного моторного топлива на сжиженный природный газ (СПГ) // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. 2011. № 5 (59). С. 69-76.
4. Герасимов В., Передельский В., Дарбинян Р. Сравнение бортовых топливных систем автотранспорта, работающих на компримированном и сжиженном природном газе //АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. 2003. № 6 С. 48-50.
5. Постановление Правительства РФ «О требованиях к обеспеченности автомобильных дорог общего пользования объектами дорожного сервиса, размещаемыми в границах полос отвода» от 29.10.2009 N 860 (ред. от 29.05.2013)
6. Корягин М.Е., Декина А.И. Математическая модель оценки эффективности использования сжиженного и компримирован-ного природного газа в качестве газомоторного топлива для сельскохозяйственной техники//Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4 (24). С. 93-98.
7. Савельев Г. Применение природного газа в качестве моторного топлива на сельскохозяйственных тракторах //АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. 2005. № 1. С. 45-51.
8. Газопоршневые когенераторные установки (мини-ТЭЦ) [Электронный ресурс]. URL: http://www.c-o-k.ru/articles/ gazoporshnevye-kogeneratornye-ustanovki-minitec (Дата обращения: 21.10.2014)
9. Газовый генератор: экологичная электроэнергия. URL: http://mirsovet.ru/prochee/gazovyj_generator_ekologichnaya_ elektroenergiya. html (Дата обращения: 21.10.2014)
10. Условное топливо. Единицы измерения. URL: http://xn----8sbnaarbiedfksmiphlmncm1d9b0i.xn--p1ai/osnovy-
energosberegenya/129-uslovnoye-toplivo.html(Дата обращения: 12.11.2014)
11. Чистая земля - наше будущее. URL: http://gazeta. ecokem.ru /chistaya-zemlya-nashe-budushhee (Дата обращения: 06.10.2014)
12. Распоряжение Правительства РФ «О регулировании отношений сфере использования газового моторного топлива, в том числе природного газа в качестве моторного топлива» от 13 мая 2013 г. N 767-р.
13. Иньков А.П. Сжиженный природный газ как основа теплоснабжения отдаленных регионов. URL: http: //www. holodilshchik. ru/index_holodilshchik_ best_ article_ issue_1_2009.htm (Дата обращения: 11.11.2014)
14. Лисютченко Н.Н., Полухин А.А. Организационно-экономические основы энергосбережения в сельском хозяйстве // Russian Journal of Agricultural and Socio-Economic Sciences. 2012. № 4 (4). С. 20-26.
ENERGY SAVING IN THE AGRICULTURAL SECTOR OF KEMEROVO REGION: STATE ANALYSIS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT
M.E. Koryagin, A.I. Dekina
Kemerovo State Agricultural Institute, Markovtseva str., 5, Kemerovo, 650056, Russia
Summary. The need for the research is caused by the search for alternative fuels for the rational consumption of energy resources and consequently cost saving of agriculture production, the economic activities of enterprises in which should be aimed at the implementation of technical, technological and organizational measures. The purpose of the work was to analyze the energy consumption by the agricultural industry in Kemerovo region and to evaluate the efficacy of the use of alternative sources of fuel and energy resources in the context of energy saving. The need for the energy resources in different branches of agriculture varies considerably, thus in crop production the main energy costs are formed by greases, in animal breeding - by electricity; therefore we analyzed the economy and energy efficiency of natural gas usage in a compressed and condensed form as the motor fuel, as well as a source of heat and electrical energy. From the point of view of the use of gas fuel in agriculture the retrofitting of diesel engine with a gas supply system for work on gas and diesel cycle is the most efficient; in this case it is possible to highlight the following advantages: no need to make changes in engine and fuel equipment; it is always possible to return to the diesel use. In this case the saving diesel fuel will be 75...80 %, the exhaust opacity will reduce 2.4 times, and the total cruising range of the vehicle will increase 1.5.1.7 times. Due to the climatic conditions of the region 30.40 % of the energy resources consumed in agriculture are expended on accommodation heating. The use of autonomous generation of electricity and heat energy with a gas generator will allow to reduce the price of electricity 5.6 times, to provide an uninterrupted supply of energy, to reduce the production of harmful emissions, since natural gas burns without the remainder. Keywords: natural gas, gas-engine fuel, fuel and energy complex, energy-saving.
Author Details: M.E. Koryagin, Dr. Sc. (Tech.), Head of Laboratory; A.I. Dekina, lecturer (e-mail: [email protected]). For citation: Koryagin M.E., Dekina A.I. Energy saving in the agricultural sector of Kemerovo region: state analysis and prospects for the development. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2015. T.29. №2. pp. 53-56 (In Russ)
