Russian Federation
UDK 662.613.53 Состав
UDK 504.062.2 Рациональное использование природных ресурсов
Researches were conducted for the purpose of development of a method of calculation of emission of carbon dioxide by machine and tractor units on technological operations in crop production at cultivation of grain crops. The criterion of optimization of parameters and operating modes of soil-cultivating, sowing and other units – the minimum emission of carbon dioxide in the atmosphere at their production, maintenance and production operation is offered. Feature of the offered method is the fact that it considers the influence of parameters of the equipment on losses of a potential harvest which to avoid at today's level of development of the equipment and technologies it is impossible. Formation of a harvest results from absorption by carbon dioxide plants from the atmosphere and, partially, from the soil. Carbon dioxide (CO2) which the lost harvest could absorb from the atmosphere is removed from a circulation, so remains in the air, and in our technique it is attributed to CO2 released into the atmosphere at production, service and operation of the unit. In article the method of calculation of the amount of the carbon dioxide necessary for the formation of unit of a grain part of a harvest and not grain part accompanying it is in detail considered. The formula which allows to calculate the mass of carbon dioxide in kg for the formation of grain weighing 1 kg is offered. It became clear that from grain crops on formation of unit of a harvest, most of all CO2 from the atmosphere is absorbed by winter rye (about 3 kg/kg), further corn (2.8 kg/kg by theoretical calculations). Leaning on these researches, the mathematical model of operation of machine and tractor units on technological operations on preparation of the soil for crops and crops by the offered criterion of optimization is developed. An inspection of operability of the offered method by carrying out computing experiments with use of the created mathematical model on technological operation – preparation of the soil heavy disk harrows is carried out. During calculations of influence weight of the tractor, power of its engine, width of capture of the unit and working speed of the unit on carbon dioxide emission became clear. The minimum emission of carbon dioxide, for conditions of carrying out a computing experiment, is provided weighing tractor of 145 kN. The tractor weight deviation towards increase or reduction leads to growth of emission of carbon dioxide in the atmosphere.
carbon dioxide, machine-tractor unit, ecology, technological operation, optimization of parameters, optimization criterion
Введение. Проблема снижения карбонового следа приобретает особую актуальность в связи с непрерывным ростом среднегодовой температуры на земном шаре [1, 2, 3]. Развитие этого процесса связывают с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов, в том числе диоксида углерода. Основной источник диоксида углерода, связанный с деятельностью человека – сжигание ископаемого топлива, которое в значительных объемах потребляется в аграрном секторе экономики [4, 5, 6]. Ископаемое топливо используют при изготовлении, техническом обслуживании и производственной эксплуатации сельскохозяйственной техники. Количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу машинно-тракторными агрегатами зависит от множества факторов рассматриваемой системы, в том числе от параметров и режимов работы трактора и агрегата в целом [7, 8, 9]. В ряде исследований было выявлено [10, 11, 12], что параметры машинно-тракторных агрегатов влияют на величину формируемого урожая, а все сельскохозяйственные растения вовлечены в процесс кругооборота углерода в природе. Поэтому составление методики расчета величины выброса диоксида углерода машинно-тракторными агрегатами в аграрном секторе экономики с учетом их влияния на формируемый урожай зерновых культур представляет научный и практический интерес и ставится целью проводимого исследования.
Цель исследований разработка метода расчета выброса диоксида углерода машинно-тракторными агрегатами на технологических операциях в растениеводстве при возделывании зерновых культур.
Условия, материалы и методы. При проведении исследований использовали метод математического моделирования работы машинно-тракторных агрегатов (МТА) на основе интегрального критерия оптимизации – удельный суммарный выброс диоксида углерода в атмосферу. Для составления математической модели воспользуемся наработанным, в сфере эксплуатации МТА, прикладным математическим аппаратом, опираясь на достижения агрономических наук.
По нашему мнению количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу при эксплуатации почвообрабатывающих и посевных машинно-тракторных агрегатов в аграрном производстве, складывается из следующих составляющих:
СО2=СО2и.тр+СО2и.схм+СО2и.пр+СО2рто+СО2с.р.+СО2упр+СО2тсм+СО2агр+
+СО2упл®min, (1)
где СО2 – удельный суммарный выброс диоксида углерода, кг/га;
СО2и.тр, СО2и.схм, СО2и.пр. – количество СО2, выброшенное соответственно при изготовлении трактора, сельскохозяйственной машины, прицепа, приходящееся на 1 га, кг/га;
СО2рто – количество СО2, выброшенное в атмосферу при проведении ремонта и технического обслуживания трактора, прицепа и сельскохозяйственной машины, кг/га;
СО2с.р. –количество СО2, выброшенное в атмосферу при сборке и разборке агрегата, кг/га;
СО2упр – количество СО2, выделяемое механизатором при управлении трактором, кг/га;
СО2тсм – количество СО2, выброшенное при сжигании топлива двигателем трактора, кг/гa;
СО2агр – количество СО2 из атмосферы не связанное урожаем, из-за его потерь в связи с нарушением агротехнических сроков выполнения технологической операции, кг/га;
СО2упл – количество СО2 не связанное урожаем из атмосферы, из-за его потерь в связи с уплотнением почвы движителями трактора кг/га.
Предлагаемый показатель (удельный суммарный выброс диоксида углерода, кг/га) и будет критерием оптимизации параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов. При разработке метода снижения выбросов диоксида углерода необходимо выявить зависимость каждого слагаемого правой части уравнения (1) от параметров и режимов работы трактора и сельскохозяйственной машины, а также факторов рассматриваемой системы трактор-оператор-орудие-поле-почва-урожай (ТООППУ) и внешней среды.
Результаты и обсуждение. Для расчета двух последних слагаемых (СО2агр, СО2упл) критерия оптимизации в уравнении (1), необходимо выявить размеры потерь урожая из-за нарушения агротехнических сроков выполнения технологической операции и уплотнения почвы ΔY и обосновать – сколько диоксида углерода поглощает единица зерновой части той или иной культуры с учетом ее соломистости.
Информации по поглощению СО2 культурными растениями в литературе мало и она разноречива. Попробуем теоретически обосновать, сколько потребляет та или иная культура диоксида углерода из атмосферы и почвы за период вегетации, то есть за год, в расчете на единицу массы урожая. Для этого воспользуемся данными о содержании в растениях (листьях, стеблях и плодах) сухого вещества [13], а также углерода в сухом веществе, далее рассчитаем, исходя из формулы диоксида углерода - СО2 и молярной массы ее химических элементов, сколько диоксида углерода поглощает растение.
Формула для такого расчета будет выглядеть следующим образом:
, (2)
где МСО2– масса диоксида углерода для формирования зерна массой МЗ, кг/кг; МЗ – масса зерна, кг; СЗ – содержание сухого вещества в зерне, %; ПСЗ – содержание углерода в сухом веществе зерна, %; КС – коэффициент соломистости культуры; СС – содержание сухого вещества в соломе, %; ПСС – содержание углерода в сухом веществе соломы, %; 44 – молярная масса диоксида углерода; 12 – молярная масса углерода.
Результаты такого расчета (табл. 1) свидетельствуют о том, что МСО2, например, для формирования 1 кг зерна озимой пшеницы с учетом массы сопутствующей соломы составит 2,34 кг/кг. Верность наших расчетов подтверждают данные исследователей из Германии и США (табл. 2). В целом наибольшим среди изученных культур поглощением СО2 из атмосферы на формирование единицы урожая характеризуются озимая рожь (около 3 кг/кг) и кукуруза (2,8 кг/кг).
Таблица 1 – Количество диоксида углерода, рассчитанное для формирования единицы массы зерновых культур, исходя из содержания углерода в зерне и в соломе*
|
Культура |
Влажность % |
Обменная энергия содержащаяся в 1000 г корма мДж |
Сухое вещество, % |
Углерод в сухом веществе, % |
Коэффициент соломистости |
Сухое вещество, % |
Органическое вещество, %. |
Углерод в сухом веществе, % |
Масса углерода в 1 ц зерна с учетом соломы, кг |
Масса СО2 для формирования 1 кг зерна с учетом соломы, кг |
|
|
зерно |
солома |
||||||||
|
Озимая пшеница |
13,0 |
13,18 |
87 |
18,0 |
1,4 |
86 |
81 |
40 |
64,0 |
2,34 |
|
Озимая рожь |
13,0 |
13,39 |
87 |
18,1 |
1,8 |
86 |
82 |
42,5 |
81,5 |
2,99 |
|
Ячмень |
13,0 |
13,01 |
87 |
17,9 |
1,2 |
86 |
81 |
40 |
56,9 |
2,09 |
|
Овес |
12,5 |
12,55 |
88,5 |
17,4 |
1,2 |
86 |
79 |
36 |
52,6 |
1,93 |
|
Яровая пшеница |
13,0 |
13,39 |
87 |
18,3 |
1,5 |
86 |
82 |
39 |
66,2 |
2,43 |
|
Кукуруза |
13,0 |
13,82 |
87 |
18,7 |
2,0 |
86 |
81 |
35 |
76,5 |
2,80 |
|
Рапс |
14,0 |
12,21 |
86 |
17,2 |
1,6 |
86 |
80 |
38,5 |
67,8 |
2,49 |
|
Гречиха |
14,0 |
12,13 |
86 |
17,1 |
1,6 |
86 |
80 |
40 |
69,7 |
2,56 |
|
Горох |
14,0 |
12,68 |
86 |
17,5 |
1,5 |
86 |
81 |
42 |
69,2 |
2,54 |
|
Соя |
14,0 |
16,53 |
86 |
19,9 |
1,4 |
86 |
82 |
36 |
60,5 |
2,22 |
|
Вика |
14,0 |
13,57 |
86 |
18,4 |
1,4 |
86 |
81 |
42 |
66,4 |
2,43 |
*содержание кислорода в сухом веществе всех исследованных культур ≈70 %, водорода – ≈10 %
Таблица 2 – Количество двуокиси углерода, поглощаемое при возделывании зерновых культур в РТ [14]
|
Культура |
Средняя урожайность, ц/га |
Поглощение СО2, кг/ц |
Площадь посевов, тыс.га |
Масса поглощенного СО2, т |
|
Яровая пшеница |
31 |
132* |
506,4 |
2072188,8 |
|
Озимая рожь |
38 |
360 * |
113,8 |
1270008,0 |
|
Кукуруза на силос |
73 |
140 * |
129,6 |
1324512,0 |
*рассчитано с использованием результатов экспериментов, проведенных в Германии и США [15, 16]
КоличествоСО2, не связанного формируемым урожаем, из-за потерь в связи с нарушением агротехнических сроков выполнения технологической операции (СО2агр) можно рассчитать по формуле:
, (3)
где – масса не поглощенного СО2 с 1 га в день из-за потерь урожая,
кг/га×день;
, (4)
где планируемая урожайность, кг/га;
потери урожая в % на 1 день нарушения агросрока выполняемойработы;
МСО2 – масса диоксида углерода для формирования зерна массой 1кг, кг;
W – производительность машинно-тракторного агрегата, га/ч;
число целых дней в
;
So– объём выполняемой работы по операции, приходящейся на один МТА, га.
, (5)
где – число дней необходимых для выполнения объема работы
число смен в одном рабочем дне;
продолжительность смены в часах.
Значение Dу устанавливают экспериментально для климатических зон с учетом региональных особенностей. Из литературных источников известно, что Dу на культивации находится в пределах 0,3%, на посеве – 0,9%, а при уборке зерновых может достигать 3% [17].
Объем работы So на технологической операции, приходящийся на один агрегат, в каждом конкретном предприятии будет различным. Оптимальную величину этого показателя возможно определить, рассматривая работу всего машинно-тракторного парка, так как его размеры влияют на количественный и качественный состав парка техники.
При эксплуатационных расчетах выброса диоксида углерода МТА, величину So можно определить исходя из всего объема работ в хозяйстве по той или иной операции с учетом числа занятых агрегатов пропорционально их нормативной производительности.
Расчет количества диоксида углерода, не поглощенного из атмосферы из-за потерь урожая в связи с уплотнением почвы движителями колесного трактора, проводится по следующей формуле [18]:
(6)
где – коэффициент, определяющий долю потерянного урожая на единицу уплотняющего воздействия колес трактора, %×м/кН; B1 – ширина зоны влияния уплотняющего воздействия трактора на урожайность сельскохозяйственных культур на поле (в ориентировочных расчетах B1 = 10,8 м); BР – рабочая ширина МТА, м; n– общее число следов движителей, оставляемых на поле за один проход; w– коэффициент, зависящий от размеров и формы опорной поверхности движителей (для колесного w =1,25); bк– ширина профиля колеса, м; qmax – максимальное давление отдельного колеса трактора на почву, кПа;
– допустимый уровень уплотняющего воздействия колеса трактора на почву, ниже которого уменьшения урожайности культуры не происходит
=75 кН/м.
Для расчета qmax на основе результатов экспериментальных исследований выведена эмпирическая формула[19]:
qmax=3.46ρw-7.4493Bρw/D+0.075552H-0.23353(ρпρwD3)/М, (7)
где qmax– максимальное давление колеса на почву, Н/м2; D – диаметр колеса, м; М – масса трактора, приходящаяся на одно колесо, кг; B – ширина профиля колеса, м; Н – твёрдость почвы, Па; ρп – плотность почвы, кг/м3;ρw – давление воздуха в шинах, Н/м2.
Остальные составляющие критерия оптимизации (1), рассчитывается путем определения энергетических затрат [10, 11] с дальнейшим перерасчетом энергии в массу СО2 с использованием переводного коэффициента. Переводный коэффициент рассчитывается на основе усреднения массы СО2, приходящейся на 1 МДж энергии, полученной от сгорания различных наиболее распространенных видов топлива (уголь – 0,093; нефтепродукты – 0,072; природный газ – 0,055; биодизельное топливо – 0,071 кг/МДж) [20, 21, 22]. Средняя величина этого показателя составляет 0,072 кг/МДж.
На основе разработанного методапроведем расчет выброса СО2агрегатом на технологической операции–обработкапочвы тяжелой дисковой бороной и выявим влияние массы трактора в составе МТА на выброс диоксида углерода. Для расчетов возьмем следующие исходные данные: площадь поля – 60 га; длина гона – 1 км; расстояние переезда с поля на поле – 2 км; плотность семян – 800 т/м3; коэффициент прочности несущей поверхности – 0,9; объем работы – 550 га; количество тракторов на поле – 1 шт.; время работы за сутки – 14 ч; суммарная урожайность культуры – 50 ц/га; давление в шинах колес трактора – 0,16 МПа; число колес на одном борту трактора – 1 шт.; коэффициент сцепления колес трактора с почвой – 0,6; коэффициент сопротивления перекатыванию колес трактора – 0,12; коэффициент распределения нагрузки по осям трактора – 0,98; плотность почвы – 1300 кг/м3; твердость почвы – 1500000 Па; удельное сопротивление сельхозмашины – 6,5 кН/м.
Проведение расчетов показало, что наименьший выброс СО2 при дисковании почвы составит 171,12 кг/га; оптимальный вес трактора (Mt) – 145,714 кН; потребная мощность трактора (N) – 533,943 л.с.; оптимизированная ширина захвата (B) – 12,3 м; оптимизированная скорость (V) – 10 км/ч. Отмечено заметное влияние на выброс диоксида углерода в атмосферу веса трактора (рис. 1, 2). Ясно выраженная минимальная величина этого показателя приходится на массу равную 14571,4кг, что соответствует массе трактора 5-го тягового класса. Ее увеличение или уменьшение ведет к росту выброса СО2. Таким образом предлагаемый метод определения выброса диоксида углерода в атмосферу МТА работоспособен и дает возможность находить пути снижения выброса СО2 в атмосферу, что видно и по другим графикам на рисунке 1.
Рис. 1 – Вид окна формы прикладной программы расчета выброса СО2 на дисковании почвы.
Рис. 2 – Вывод графика влияние веса трактора на выброс диоксида углерода в атмосферу.
Выводы. В результате исследований теоретически обоснована формула для определения количества двуокиси углерода, необходимого для формирования единицы массы зерновых культур исходя из содержания углерода в зерне и в соломе. Проведенные расчеты свидетельствуют, что больше всего углекислого газа из атмосферы на формирование единицы массы зерна с учетом соломистости культуры поглощают озимая рожь (около 3 кг/кг) и кукуруза (2,8 кг/кг).
На основе методики расчета количества двуокиси углерода, необходимого для формирования единицы массы зерновых культур и с использованием результатов предыдущих исследований, предложен метод, позволяющий искать пути снижения выброса диоксида углерода в атмосферу при эксплуатации машинно-тракторных агрегатов на технологических операциях в сельскохозяйственном производстве. Расчеты, проведенные для технологической операции – подготовка почвы тяжелой дисковой бороной, с использованием разработанного метода расчета выброса СО2 в атмосферу свидетельствуют о наличии зависимости количества диоксида углерода от веса трактора и других параметров агрегата. Разработанный метод позволяет проводить оптимизацию параметров агрегатов при их использовании на различных технологических операциях с целью снижения карбонового следа и искать пути снижения выброса диоксида углерода в атмосферу.
1. Stocker TF, Qin D, Plattner G-K. Climate change 2013: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press. 2013; 1535 p
2. Adamov NA, Chizhova LP, Kurdyukova NO. [Influence of climate change on the economic security of Russian regions]. RISK: Resursy, Informatsiya, Snabzhenie, Konkurentsiya. 2020; 1. 87-90 p.
3. Perevedentsev YuP, Shantalinskii KM, Sherstyukov BG. [Long-term changes in air temperature in Tatarstan and their scenarios in the current century]. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Geografiya. Geologiya. 2019; 2. 94-107 p. DOIhttps://doi.org/10.33581/2521-6740-2019-2-94-107.
4. Zenchenko SA, Gorbachev NN. [Global environmental problems]. Ekologicheskii menedzhment v ES: kurs i MOOS. Minsk: Obshchestvo s ogranichennoi otvetstvennost'yu “Medisont”. 2018; 41-75 p.
5. Shirokov YuA. [Analysis of the prospects for the energy-economic assessment of agricultural technologies]. Agroinzheneriya. 2021; 4(104). 46-52 p. doihttps://doi.org/10.26897/2687-1149-2021-4-46-52.
6. Pelletier N, Adsli E, Brodt S. Energy intensity of Agriculture and food systems. Annual Review of Environment and Resources. 2011. Vol. 36. 223-246 p. [cited 2022 May 14]. Available from: https://doi.org/10.1146/annurev-environ-081710-161014.
7. Khafizov RN, Khaliullin FKh, Khafizov KA. [Ways to reduce carbon dioxide emissions into the atmosphere during production processes in crop production]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; Vol.16. 3 (63). 38-42 p. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-38-42.
8. Dargel' RS, Germakovskii VA. Primenenie al'ternativnykh vidov topliva dlya avtotraktornykh dvigatelei. [The use of alternative fuels for autotractor engines]. Innovatsionnye resheniya v tekhnologiyakh i mekhanizatsii sel'skokhozyaistvennogo proizvodstva : sbornik nauchnykh trudov. Gorki: Belorusskaya gosudarstvennaya sel'skokhozyaistvennaya akademiya. 2020; 168-176 p.
9. Ziganshin BG, Khafizov KA, Valiev AR. [Service of imported and domestic agricultural machinery and equipment in modern conditions]. Kazan': Kazanskii gosudarstvennyi agrarnyi universitet. 2009; 444 p.
10. Khafizov KA. [Methodology for calculating the MTA according to the criterion “total energy costs”]. Traktory i sel'skokhozyaistvennye mashiny. 2006; 3. 46-51 p.
11. Khafizov KA. [Optimization of parameters and operating modes of MTA based on energy analysis]. Traktory i sel'skokhozyaistvennye mashiny. 2006; 7. 32-34 p.
12. Galiev IG, Khafizov KA, Khaliullin FKh. [Modernization of the lubrication system for the bearing assembly of a turbocharger of an autotractor engine]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; Vol.14. 1(52). 71-76 p. doi:https://doi.org/10.12737/article_5cceddb77ac7e0.09639673.
13. Yagodin BA, Zhukov YuP, Kobzarenko VI. Agrokhimiya. [Agrochemistry]. Moscow: Kolos. 2002; 584 p.
14. The TOP of high-yielding varieties of agricultural crops of Tatarstan was compiled. [Internet]. Glavagronom. [cited 2022, May 14]. Available from: https://glavagronom.ru/news/sostavlen-top-vysokourozhaynyh-sortov-selhozkultur-tatarstana.
15. Dorsch K. Heimat Landwirte informieren über CO2-Bindung. [cited 2022 May 14]. Available from: https://www.topagrar.com/suedplus/news/heimatlandwirte-informieren-ueber-co2-bindung-12090307.html. German.
16. Gilmanov TG, Wylie BK, Tieszen LL. CO2 uptake and ecophysiological parameters of the grain crops of midcontinent. Agriculture, Ecosystems and Environment. 2013; Vol.164. 162-175 p.
17. Kirtbaya YuK. Rezervy v ispol'zovanii mashinno-traktornogo parka. [Reserves in the use of the machine and tractor fleet]. Moscow: Kolos. 1982.
18. Khasanov FD, Khasanov FD. [Analysis of greenhouse gas emissions by machine-tractor units in the main soil development. Current state and prospects for the development of the technical base of the agro-industrial complex]. Nauchnye trudy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, posvyashchennoi pamyati d.t.n., professora Mudrova P.G. Kazan': Kazanskii gosudarstvennyi agrarnyi universitet. 2021; 298-307 p.
19. Khafizov RN, Khafizov RN. [Results of a multifactorial experiment to determine the dependence of the maximum pressure of the tractor wheels on the soil on the tractor’s parameters and the physical and mechanical properties of the soil. Analysis of equations]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016; Vol.11. 4 (42). 99-103 p. doi:https://doi.org/10.12737/article_592fc87648e2b5.26544976.
20. Khafizov KA. [Reduction of total energy costs for technological operations in the agro-industrial complex - a way to reduce greenhouse gas emissions into the atmosphere]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; Vol.16. 3 (63). 43-47 p. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-43-47.
21. Cherkaev GV. [Analysis of pollutant emissions from ship engines during the combustion of traditional and alternative fuels]. Morskie intellektual'nye tekhnologii. 2021; 1-2(51). 97-101 p. DOIhttps://doi.org/10.37220/MIT.2021.51.1.031.
22. Mikhailichenko TA, Gal'chun AG. [Ecological characteristics of various energy sources]. Vestnik gorno-metallurgicheskoi sektsii Rossiiskoi akademii estestvennykh nauk. Otdelenie metallurgii. 2018; 41. 238-240 p.
