Направления надежного обеспечения энергией объектов животноводства Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 631.371

НАПРАВЛЕНИЯ НАДЕЖНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ ОБЪЕКТОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

Д.С. Стребков, академик РАН, научный руководитель А.В. Тихомиров, кандидат технических наук, зам. директора

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]

Аннотация. Дан анализ состояния энергетической базы сельского хозяйства, структуры энергоносителей, показателей энергопотребления по годам и на перспективу, а также показателей энергоемкости продукции животноводства. Указаны причины изменения (снижения) энергоемкости в последние годы и, в то же время, роста энергетической составляющей в себестоимости производства продукции. Определены принципы и обоснованы задачи при разработке программных мероприятий повышения энергетической эффективности сельского хозяйства (в частности, животноводства), рационального использования всех видов энергоресурсов на селе. Обоснована значимость развиваемого направления по созданию и использованию на селе автономных систем энергообеспечения и, в первую очередь, на базе местных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии. Дано краткое описание проведенных и проводимых работ по созданию новых инновационных энерго- и электротехнологий, а также образцов нового энергоэффективного оборудования, обозначены перспективы их развития и реализации на селе. Даны основные показатели энергопотребления и снижения энергоемкости на период до 2020 года. Ключевые слова: энергоемкость, энергопотребление, энергоэффективность, энергоресурсы, автономные системы, возобновляемые источники, отходы сельхозпроизводства.

Эффективное и надежное энергообеспечение является базой для развития всех отраслей сельского хозяйства, повышения уровня жизни и привлекательности труда на селе. Упадок экономики в 90-х годах сопровождался значительным падением сельхоз-производства, структурными изменениями в организации производства, что привело к резкому сокращению посевных площадей и поголовья животных, а с этим связано значительное сокращение потребления энергии.

С 2005 г. начался период оживления производства, сопровождавшийся некоторым ростом продуктивности животноводства, вводом новых животноводческих комплексов с современной менее энергозатратной технологией и техникой. При этом спад в энерго- и электропотреблении прекратился, наметилось даже некоторое повышение его уровня, в первую очередь - за счет жилищ-но-социальной сферы и ЛПХ, что объясняется значительным смещением объемов производства сельхозпродукции с общественного в частный сектор (включая ЛПХ), более широким использованием электрифицирован-

ной техники и бытовых приборов. И тем не менее, в быту и ЛПХ на 1 человека потребляется порядка 800 кВтч электроэнергии в год - это меньше, чем в городе, хотя должно быть наоборот. Вместе с тем, производство основных видов сельхозпродукции в России носит энергозатратный характер, по сравнению с показателями передовых стран энергоемкость и электроемкость выше в два и более раз. На это есть как объективные, так и субъективные причины.

К объективным, в первую очередь, следует отнести суровые климатические условия, к субъективным - низкую продуктивность сельхозпроизводства, использование энергозатратных технологий и устаревшей техники, отсутствие организационного и экономического механизма реализации энергосберегающих мероприятий по энергосбережению и их стимулирования, значительное отставание производства новой отечественной энергоэффективной и недорогой техники от потребностей в ней, низкая платежеспособность ряда сельхозпредприятий. В настоящее время при опережающем росте тарифов и

цен на электроэнергию и топливо по сравнению с ценами на сельхозпродукцию доля энергозатрат в ее себестоимости резко возросла - с 7-10 до 25-30%, а по некоторым видам и до 40% (теплицы, птицефабрики) [1], в то время как энергоемкость производства продукции по многим отраслям и в целом ВВП снизилась.

В этих условиях должны быть обозначены причины низкой энергоэффективности производства продукции и систем энергообеспечения, поставлены задачи, обоснованы и выбраны программные мероприятия повышения эффективности использования ТЭР с определением первоочередных мер их реализации, в основу чего должны быть положены следующие принципы:

- обеспечение возрастающих потребностей сельского хозяйства в энергоресурсах;

- обеспечение эффективности, надежности и безопасности энергоснабжения сель-хозпотребителей во всех регионах при рациональном сочетании использования имеющихся в регионе энергоресурсов;

- выбор приоритетов построения и технического оснащения систем нового поколения (электрических, газовых, тепловых) с учетом новых разработок и мирового опыта;

- стимулирование мероприятий по энергосбережению во всех звеньях системы энергообеспечения и энергоиспользования, включая малых и независимых производителей энергии, в особенности, использующих местные энергоресурсы, биомассу, отходы, возобновляемые источники;

- обеспечение сочетания интересов производителей энергии, энергоснабжающих организаций и сельских потребителей на равноправной договорной основе.

К основным задачам развития энергетической базы и совершенствования систем энергообеспечения сельского хозяйства следует отнести [1]:

- снижение зависимости от централизованного энергоснабжения и тарифов энерго-снабжающих организаций для ряда сельских потребителей посредством самообеспечения энергией с использованием децентрализованных систем и средств на базе собствен-

ных и нетрадиционных энергоресурсов с выработкой энергии на местах в соответствии с ресурсами регионов;

- снижение энергоемкости производства сельскохозяйственной продукции (к 2020 г. -на 40-50%);

- рационализацию структуры топливно-энергетического баланса с широким использованием местных и возобновляемых энергоресурсов, доля которых в энергетике села к 2020 г. может составить 10%, а к 2030 г. -15-20%;

- обеспечение развития сельской инфраструктуры на базе эффективного энергоснабжения инженерных систем быта и личного приусадебного хозяйства (ЛПХ) с целью сокращения тяжелого ручного труда в два раза;

- разработка и освоение технологий широкого использования возобновляемых источников энергии в сельской энергетике, получения биотоплива посредством переработки биомассы, растительных и древесных отходов, навоза, стоков в жидкое и газообразное топливо с последующим получением электрической и тепловой энергии, а также качественных удобрений.

Одной из важных тенденций в развитии мировой, да и российской энергетики является увеличение доли децентрализованных систем производства и использования электрической и тепловой энергии на базе освоения технологий использования возобновляемых источников энергии, переработки биомассы, местных энергоресурсов, отходов, при оптимальном сочетании различных их видов.

Развитие этого направления для сельских объектов включает [1]:

- разработку и реализацию автономных систем энергообеспечения и средств «малой энергетики» на базе мини-ТЭЦ, тепловых насосов и когенерационных установок с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии, что требуется многим сельским потребителям в отраслях животноводства, защищенного грунта и других при широком использовании газа, местных и возобновляемых энергоресурсов, отходов сель-хозпроизводства;

- разработку энергоэффективных технологий сбора, подготовки и переработки биомассы в качественные виды топлива - жидкое, газообразное и твердое с последующим производством электрической и тепловой энергии;

- широкое использование возобновляемых источников энергии с разработкой новых высокоэффективных технологий их преобразования (с повышенным КПД и сроком службы) в электрическую и тепловую энергию, создания на их базе автономных и комбинированных систем энергообеспечения, конкурируя по стоимости получаемой энергии с традиционно поставляемой централизованно и замещая потребление значительной доли традиционных энергоресурсов;

- разработку новых способов переработки отходов животноводства и растениеводства в биотопливо с получением тепловой и электрической энергии, совершенствование биогазовой технологии переработки навоза, помета, стоков;

- получение и использование композиционных и смесевых топлив.

Использование автономных систем в значительной степени снизит зависимость от централизованного энергоснабжения, обеспечивая частичное или полное самоэнергообеспечение ряда предприятий. При этом решаются экологические проблемы - снижается уровень загрязнения среды обитания отходами животноводства, вредными выбросами электростанций, транспорта.

Государственная поддержка инновационных и инвестиционных проектов развития энергетической базы села и их использование в производстве и ЖКХ - это создание благоприятных условий производителям и потребителям энергоэффективного оборудования по использованию нетрадиционных источников энергии и местных энергоресурсов.

В первую очередь, это - свободный доступ малой энергетики (при соблюдении технических требований) на рынок электроэнергии и недискриминационное присоединение малых систем к электрической сети централизованного энергоснабжения.

Значительные резервы экономии ТЭР, снижения энергозатарат и энергоемкости продукции заложены в освоении разработанных и разрабатываемых энергоэкономных электро- и теплотехнологиях, электротехнологических процессах и оборудовании для животноводства и растениеводства, в тепловых процессах создания микроклимата, освещении и облучении, при хранении и переработке продукции, обработке зерна и подготовке семян, борьбе с сорняками, обеззараживании, в овощеводстве закрытого грунта, приготовлении кормов, возделывании сельскохозяйственных культур с минимальной обработкой почвы, использовании комбинированных и широкозахватных агрегатов, систем точного управляемого земледелия и др. Принцип децентрализации энергоснабжения ферм и других объектов, когда энергетические установки встраиваются в производственные помещения, непосредственно обеспечивая энергией технологический процесс, подтвердил свою эффективность; как правило, для этого используются электрифицированные или газифицированные установки. Это позволяет избавляться от протяженных тепловых, газовых и электрических сетей, что значительно уменьшает потери энергии. Для таких систем разработано и разрабатывается новое автоматизированное энергетическое оборудование - инфракрасные электрические и газовые обогреватели, емкостные и проточные электроводонагреватели, конвекторы, теплопароге-нераторы, утилизаторы, тепловые насосы, холодильное оборудование.

Высокой энергоэффективностью в системах теплоэнергообеспечения обладают такие технологические процессы, как утилизация выбросной теплоты и использование тепловых насосов. Результаты исследований и испытаний этого оборудования подтверждают их энергоэкономичность - их реализация позволяет экономить до 30% 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, тепло-

вые насосы найдут свое применение в системах энергоснабжения предприятий защищенного грунта, фермерских хозяйств, хранения продукции в соответствии с конкретными условиями объектов. Успешно развиваемым энергоэффективным направлением является совершенствование систем освещения помещений, облучения растений и животных на базе новых осветительных приборов с регулируемым спектром, с лампами высокой световой отдачи и большим сроком службы (компактные люминесцентные, ме-таллогалогенные, натриевые), светильниками на светодиодах, снижающими потребление электроэнергии в 2-5 раз.

Разрабатываемые и разработанные в последнее время электротехнологии и электротехнологические процессы, нанотехнологии и 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.

По результатам исследований ВИЭСХ последних лет, широкого патентования новых разработок, создания моделей, экспериментальных и опытных образцов, их испытаний подготовлены и изданы аннотацион-ные материалы более чем 30 инновационных проектов по перспективным направлениям совершенствования систем энергообеспечения и повышения энергоэффективности производства сельхозпродукции, а также улучшения условий жизни на селе.

Ряд разработанных инновационных проектов - резонансный метод и комплекты оборудования передачи электрической энергии по однопроводным воздушным и кабельным линиям; высоковольтный солнечный модуль напряжением свыше 1000 В с повышенными КПД и сроком службы; кровельная солнечная панель в виде черепицы; микрогазотурбинная установка для производства электрической и тепловой энергии; гибрид-

ный солнечный ветродизельный энергокомплекс; технология и оборудование для получения газообразного и жидкого топлива, а также композиционных топлив из биомассы, растительных и древесных отходов, навоза, торфа с использованием электрофизических и термохимических методов имеют особую значимость, т.к. решают задачи приоритетного направления - повышения энергоэффективности сельхозпроизводства и непосредственно энергосбережения. Разработка технологии обработки и хранения сельхозпродукции с использованием естественного, искусственного холода и вакуума, энергоре-сурсоэкономной утилизационной системы микроклимата с озонированием, рециркуляцией и аккумуляцией теплоты для животноводческих и других производственных помещений, новый способ энергоэффективного освещения и облучения напрямую решают задачи снижения энергозатрат и повышения энергоэффективности сельхозпроизводства, а следовательно, и снижения себестоимости продукции [2].

Реализуя задачи модернизации систем энергообеспечения, направленные на повышение энергоэффективности сельхозпроизводства, снижение энергоемкости продукции сельского хозяйства, в ВИЭСХе и других институтах ведутся работы по созданию энергоэффективных систем и оборудования, и по ряду позиций уже разработаны новые образцы энергоэкономной инновационной техники и энерготехнологий.

К таким разработкам относятся [3]:

- резонансная однопроводная электрическая система передачи энергии (РОЭС), предназначенная для электроснабжения удаленных объектов, в частности, систем освещения, катодной защиты и других потребителей. С использованием технологии РОЭС разработаны малые модели этой системы различного назначения мощностью до 20 кВт, получено более 20 патентов на эти разработки.

В настоящее время идет апробация и внедрение резонансных систем передачи электроэнергии для освещения ферм КРС, птицеводческих помещений, закрытого грунта, ка-

тодной защиты трубопроводов и других металлоконструкций. В институте прорабатывается типоразмерный ряд комплектов оборудования по передаче электроэнергии различным потребителям резонансным способом мощностью до 20 кВт;

- усовершенствованная технология переработки навозных стоков и помета в биогаз и удобрения на базе аэробного и анаэробного сбраживания навоза, утилизации теплоты сброженной массы и применения теплового насоса при блочно-модульном способе построения биогазовых установок различной производительности с охватом ими широкого спектра объектов на селе.

Получение композиционного (смесевого) топлива. Разработан способ гидродинамической кавитационной и ультразвуковой обработки смеси дизельного топлива или мазута с водой (до 20%) в присутствии специальных поверхностно-активных веществ (ПАВ), позволяющий получать однородную смесь (без расслоения) и без снижения качества, а также способ сжигания в плазме смеси жидкого навоза (свиного) с нефтешламами и мазутом с получением тепловой энергии. Усовершенствован термохимический способ пиролиза биомассы и отходов на базе СВЧ-нагрева с получением более качественных видов жидкого топлива и газа;

- модернизированная система освещения животноводческих помещений и птицефабрик на базе светодиодов (СД) заданного спектра и резонансной системы питания, обеспечивающая снижение энергопотребления в 4 раза и увеличение срока службы в 5 раз, что подтверждено результатами ее хозяйственной эксплуатации;

- система комбинированного электроснабжения автономных сельских потребителей на базе солнечной фотоэлектрической электростанции модульного типа мощностью 1-10 кВт с фотоэлементами повышенного КПД (до 25%) и специальным покрытием модулей, увеличивающим их срок службы в 2 раза (до 40 лет), и электростанции, работающей на дизельном или биотопливе;

- технология изготовления и конструкция кровельных солнечных фотоэлектрических

модулей в виде черепицы для покрытия зданий, что в комбинации с другой системой (централизованной или автономной) обеспечивает электроснабжение этих объектов;

- энергосберегающее оборудование для создания микроклимата животноводческих помещений с молодняком на базе теплоутилизационной установки с полимерным теплообменником, озонированием и рециркуляцией воздуха модульного типа, а также локальных лучистых обогревателей, что позволяет экономить до 40% энергозатрат, до 20% металла и обеспечивает обеззараживание помещений [3];

- автоматизированная бесфреоновая система и оборудование для охлаждения и хранения сельскохозяйственной продукции (молоко, овощи, фрукты) на базе аккумуляторов природного и искусственного источников холода и вакуума, позволяющие до 40% снизить энергозатраты и на 25% - капитальные затраты.

При определении перспективных потребностей в энергоресурсах для села важным фактором являются прогнозные показатели производства основных видов продукции животноводства, обозначенные в «Программе развития сельского хозяйства на 20132020 гг...», а также разработанные в ВИЭСХ средневзвешенные отраслевые нормативы затрат энергии на единицу производимой продукции. В сельском хозяйстве производство электрической и тепловой энергии на базе собственных энергоресурсов (местных видах топлива, возобновляемых энергоресурсах, отходах сельхозпроизводства) пока составляет очень небольшую долю (в пределах 1%), в то время как ряд автономных систем и средств малой энергетики уже разработано. Однако производства отечественного оборудования для реализации этих систем практически нет, а зарубежное оборудование чрезмерно дорогостоящее, что не позволяет его широко использовать. Льготы же разработчикам, производителям отечественного оборудования и хозяйствам для внедрения технологий производства энергии на базе местных и возобновляемых энергоресурсов законодательно не закреплены (за рубежом

же они давно узаконены и действуют). К тому же, энергоснабжающие организации централизованного энергоснабжения ставят чрезмерно жесткие условия подключения малых автономных производителей энергии к централизованной сети, что во многих случаях является практически невыполнимым или невыгодным для многих производителей энергии и сельских потребителей. Создание равноправных условий сторонам позволит интенсифицировать работу по производству отечественного оборудования малой энергетики на собственных энергоресурсах и его более широкому использованию на селе.

Примеры объектов, где внедрены и эффективно используются технологии производства энергии на базе местных энергоресурсов при себестоимости получаемой энергии на 30-50% ниже тарифов покупной энергии, в России есть, но их пока немного.

«Программа развития сельского хозяйства...» предусматривает к 2020 г. увеличение продуктивности и объемов производства сельхозпродукции до 50%, что потребует дополнительных энергоресурсов. В то же время рационализация структуры используемых энергоресурсов, проведение энергосберегающей политики, реализация новых энергоэкономных технологий и техники позволит снизить удельные энергозатраты и энергоемкость, что может увеличить потребности сельского хозяйства в энергоресурсах к 2020 г. по оценке не более чем на 10%, в том числе по электроэнергии - на 12-15%.

Реализация перспективных направлений по совершенствованию энергетической базы сельского хозяйства, модернизации систем и средств энергообеспечения села, внедрение новых энергоэффективных технологий производства сельхозпродукции, обеспечивающих повышение продуктивности отраслей сельского хозяйства, позволит к 2020 г. снизить энергоемкость производимой сельхозпродукции на 40-50%, а следовательно, и себестоимость производства, повысить надежность энергоснабжения, сократить потери энергии на 20-25%.

Литература:

1. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2030 года / А.В. Тихомиров и др. М.: ФГБНУ ВИЭСХ, 2015. 75 с.

2. Стребков Д.С., Тихомиров А.В. Инновационные направления развития систем и средств энергообеспечения объектов животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №2(18). С. 81-89.

3. Тихомиров А.В. Концептуальные положения и перспективные направления развития энергетической базы и систем энергообеспечения сельского хозяйства России // Сб. тр. межд. конф. Минск, 2015. С. 101-106.

Literatura:

1. EHnergeticheskaya strategiya sel'skogo hozyajstva Rossii na period do 2030 goda / A.V. Tihomirov i dr. M.: FGBNU VIEHSKH, 2015. 75 s.

2. Strebkov D.S., Tihomirov A.V. Innovacionnye naprav-leniya razvitiya sistem i sredstv ehnergoobespecheniya ob"ektov zhivotnovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2015. №2(18). S. 81-89.

3. Tihomirov A.V. Konceptual'nye polozheniya i perspek-tivnye napravleniya razvitiya ehnergeticheskoj bazy i sistem ehnergoobespecheniya sel'skogo hozyajstva Rossii // Sb. tr. mezhd. konf. Minsk, 2015. S. 101-106.

THE LIVESTOCK FACILITIES RELIABLE ENERGY SUPPLY DIRECTIONS D.S. Strebkov, RAN academician, scientific director A.V. Tikhomirov, candidate of technical sciences, deputy director All-Russian NII of agriculture electrification

Abstract. The analysis of the agriculture energy base condition, the energy carriers structure, the energy consumption in years and the future indicators, as well as the animal husbandry products' energy capacity indicators is done. The reasons of the energy capacity changing (reducing) in last years and, at the same time, of the growth of the energy component in the cost of production is given. The principles are defined and the tasks are justified for developing of program measures to increase the agriculture energy efficiency (particularly livestock production), all types of energy in rural areas rational use. The importance of developing of direction of the creating and using in rural areas of energy provision autonomous systems and, primarily, on the basis of local energy resources and renewable energy sources is justified. The brief description of the conducted and is ongoing works on new innovative energy and electrical technologies' creation is done, as well as the samples of new energy efficient equipment, the perspectives of their development and implementation in rural areas are marked. The basic energy consumption and energy capacity reducing indicators up to 2020 are given.

Keywords: energy capacity, energy consumption, energy efficiency, energy recourses, autonomous systems, renewable souses, agricultural waste.