УДК

Энерго-информационные принципы оптимизации агротехнологий с учётом экологических условий

Н. Э. Касумов, И. И. Свентицкий

ФГБОУ ВПО РГАЗУ (Балашиха)

ГНУ ВИЭСХ (Москва)

В себестоимости сельскохозяйственной продукции на долю энергозатрат ещё в 1999 году приходилось в Челябинской области 46 %, в Свердловской – 44 % [1]. От западноевропейских стран РФ отстаёт по энергоёмкости продукции: растениеводства – в 2,5 – 3 раза, животноводства – в 4,5 – 5 раз. По энергоёмкости валового внутреннего продукта (ВВП) отставание РФ от западноевропейских стран составляет 5 – 7 раз, от Японии – в 18,1 раза [2, 3]. Энергетическими обследованиями внутренней отечественной энергетики выявлено две основных причины критически высокой энергоёмкости сельскохозяйственной продукции и ВВП.

Главной научно-технической причиной отставания России по энергоёмкости является недопустимо низкая эффективность использования первичных энергоносителей. В сельском хозяйстве РФ более 50 % потребляемого топлива используют в водогрейных котельных и иных теплогенераторах, затрачивающих топливо только для получения низкотемпературного тепла. Эксергию топлива – потенциальную способность совершать работу или производить электроэнергию – этой части топлива не используют.

В целом по РФ примерно 45 % потребляемого топлива используют только для получения низкотемпературного тепла [2,3]. Модернизация низкотемпературных тепловых генераторов в масштабах страны позволит снизить энергоёмкость ВВП и сельскохозяйственной продукции на 40 – 45 % по сравнению с 2007 годом. Такое снижение предусмотрено Указом Президента РФ № 889 от 04.06.2008 г. [4].

Второй важной причиной высокой энергоёмкости отечественной сельхозпродукции является низкий уровень урожайности растений и продуктивности животных из-за несовершенства агротехнологий [2,3]. Основной путь устранения этой причины – целенаправленное совершенствование (оптимизация) агротехнологий повышением биоэнергетического КПД преобразования энергии солнечного излучения растениями в химическую энергию продукции растениеводства, а животными и птицей – химическую энергию кормов в энергию продукции животноводства.

Для выявления высокоэнергоэффективного использования традиционного топлива и местных энергетических ресурсов используют эксергетический анализ техногенных преобразователей первичных энергоносителей. В них используют, в основном, тепловые процессы преобразований энергии, энергетическая эффективность которых определяется термодинамическими показателями (параметрами). Однако в организмах осуществляется прямое преобразование энергии (биоконверсия), которое невозможно характеризовать термодинамическими параметрами. Поэтому, традиционный эксергетический анализ техногенного преобразования энергии принципиально не пригоден для анализа биоконверсии энергии.

В ГНУ ВИЭСХ [2,3] разработан метод эксергетического анализа биоконверсии энергии солнечного излучения растениями в процессе фотосинтеза. Применение в этом анализе величин и единицы их измерения энергии оптического излучения регламентировано отраслевыми стандартами [5,6]. В ГНУ ВИЭСХ разработаны приборы для непосредственного измерения эксергии оптического излучения для растениеводства. От ВНИИ оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) Госстандарта получен сертификат на прибор как средство измерения.

Для надёжного снижения энергоёмкости и себестоимости продукции растениеводства необходимо проводить совместный эксергетический анализ как преобразований техногенной энергии в агротехнологиях, так и биоконверсии энергии солнечного излучения растениями в процессе фотосинтеза. В экологии не случайно энергию называют экологической валютой. Главные связи и закономерности в экологии – это биоэнергетические (трофические) связи и закономерности [7]. Что бы не делал земледелец, растениевод, он производит самый ценный для человека вид энергии – энергию органических веществ продовольствия и органического сырья.

Несмотря на тысячелетний период возникновения агротехнологий земледелия и растениеводства, они до сих пор развиваются на эмпирической основе, что принципиально затрудняет использование в агротехнологиях новейших достижений как фундаментальной науки, так и научно-технического прогресса. С появлением доступной компьютерной техники с 50-х годов ХХ века в СССР и других странах проведены исследования по программированию урожая [8].

Однако они не обеспечили создание полных программ всех технологических процессов агротехнологии получения урожая. Это видно, например, из монографии [9], посвящённой применению компьютерных технологий в сельском хозяйстве. В большинстве случаев используют компьютерные программы для управления отдельными технологическими процессами.

Наиболее важной задачей аграрно-инженерных исследований в XXI веке признано создание машинных оптимальных технологий земледелия и животноводства [10]. Существующие методики аграрно-экологической оценки земельных угодий (земель) по климатическому потенциалу и почвенному плодородию не позволяют корректно установить уровень эффективности (оптимальности) агротехнологий с учётом экологических условий конкретного земельного угодья. На основе климатического потенциала и почвенного плодородия невозможно учесть в динамике общее (комплексное) влияние на урожай свойств почв и климатических факторов.

Для корректной оценки уровня оптимальности агротехнологий и создания компьютерных программ полной технологии получения планируемого урожая необходима теоретизация аграрно-экологических знаний, что и осуществлено в ГНУ ВИЭСХ на основе положений самоорганизации, системного эксергетического анализа и теории потенциальной эффективности сложных систем [2]. Исходной моделью зависимости продуктивности растений от экологических условий (климатических, почвенных) и свойств растений (вид, сорт, гибрид) в данной теории принята динамическая, детерминированная модель потенциально эффективного типа. Она соответствует принципу подчинения синергетики и принципу ограничивающих факторов. В качестве переменной порядка в ней принята величина прихода к растениям эксергии оптического излучения для растениеводства (е). Все иные переменные (факторы экологические, свойства почв) в модели учитывают в качестве параметров управления на основе значений коэффициентов, их оптимальности для фотосинтеза и формирования продуктивности.

На основе этой модели и, используя в качестве исходной величины е, количественно и взаимносогласованно определены основные агроэкологические величины и выражены в одинаковых эксергетических единицах. Величина плодородия земельного угодья в эксергетических единицах принята за теоретический предел урожая. Уровень эффективности агротехнологий определят отношением значения величины реально полученного урожая по оцениваемой технологии к теоретическому значению плодородия земельного угодья, выраженных в эксергетических единицах. Для расчёта этого показателя в ГНУ ВИЭСХ создана компьютерная система [2].

Литература

1. Епишков Н.Е. Энергосбережение – базовая технология создания эффективного сельского хозяйства // Вестник энергосбережения Южного Урала. 2001. № 2(3).

2. Свентицкий И.И. Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007.

3. Энергосбережение путём повышения эффективности использования ТЭР в АПК и ЖКХ. Научно-методические рекомендации по определению энергетической эффективности и расчёту энергетического оборудования для модернизации энергообеспечения в АПК и ЖКХ. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2011. – 64 с.

4. Указ Президента РФ от 04.06.2008 г. № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» // Российская газета. 2008. Федеральный выпуск № 4680.

5. ОСТ 46.140–83 Минсельхоз СССР. Излучение оптическое. Оценка фотосинтезной эффективности. Термины и определения. М.: МСХ СССР, 1983.

6. ОСТ 60.689.027–74 Минэлектротехпром СССР. Фотосинтетически эффективные источники излучения. М., 1974.

7. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975.

8. Климов А.А. (под ред.) Программирование урожая. Труды Волгоградского с.-х. института, т. ХХХУI, Волгоград, 1971.

9. Альт В.В. Информационные технологии как инструмент оптимизации технологических процессов в сельском хозяйстве // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 4-й Международной научно-технической конференции. Ч. 1. М.: ВИЭСХ, 2004. С. 116– 121.

10. Лачуга Ю.Ф. Точное земледелие и животноводство – генеральное направление развития сельскохозяйственного производства в 21 веке // В кн.: Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства. М.: ГНУ ВИМ, 2005. С. 8 – 11.