ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА. СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Энергосбережение в сельском хозяйстве является ключевым направлением устойчивого развития аграрного сектора. На долю сельского хозяйства приходится до 15 % мирового потребления топлива, при этом значительная часть энергии расходуется на механизированные операции — обработку почвы, посев, уборку урожая и транспортировку продукции [1; 2]. Рост цен на нефтепродукты и ужесточение экологических требований стимулируют переход к альтернативным видам топлива, обеспечивающим снижение углеродных выбросов и эксплуатационных затрат [3; 4]. Среди различных энергоносителей особое внимание уделяется природному газу (метану), биометану, биогазу и водороду, которые сочетают высокий КПД с экологической безопасностью.

Целью настоящего исследования является повышение энергоэффективности сельскохозяйственных машин за счёт внедрения альтернативных видов топлива, а также обоснование целесообразности применения метана как наиболее экономически выгодного и экологически безопасного энергоносителя для сельскохозяйственной техники [2; 3; 5]

Работа основана на анализе энергетических, экономических и экологических характеристик различных видов топлива, используемых в сельском хозяйстве: дизельного, биодизеля, природного газа (CNG, LNG), биометана, СУГ (пропан-бутан), спиртов (метанол, этанол), диметилового эфира (ДМЭ), биогаза и водорода [6–10].

В исследовании применялись расчётно-аналитические методы, включающие определение теплотворной способности (МДж/кг), энергоэффективности (%), удельных выбросов CO₂ (г/кВт·ч), себестоимости топлива (руб/кВт·ч) и эксплуатационных затрат. Расчёт экономии топлива и выбросов производился методом энергетического баланса с использованием коэффициентов перевода массы топлива в энергию и удельных коэффициентов выбросов парниковых газов [3; 7].

В качестве исходных данных использовались:
– справочные характеристики топлив из открытых источников и технической документации [4; 5; 8];
– экспериментальные и аналитические данные Башкирского государственного аграрного университета по энергоэффективности газомоторных установок [2];
– результаты международных исследований и отчётов OECD, IEA и Agrofossilfree, отражающих тенденции перехода к «зелёному» сельскому хозяйству [9; 10].

Сравнительный анализ выполнялся на примере типового сельскохозяйственного предприятия с тракторным парком мощностью 100–150 л. с. при среднем годовом наработанном ресурсе 1000 моточасов.

Рисунок 1. Альтернативные виды топлива

Рассмотренная классификация альтернативных видов топлива включает основные направления развития современного топливно-энергетического комплекса, направленные на снижение зависимости от традиционных углеводородов, сокращение выбросов парниковых газов и снижение эксплуатационных затрат [1; 2].

Наиболее перспективным видом альтернативного топлива для сельского хозяйства является природный газ (метан), отличающийся высокой энергетической эффективностью (до 95 %) и низким уровнем выбросов CO₂ (200–250 г/кВт·ч) [3; 5]. Использование сжатого (CNG) или сжиженного (LNG) природного газа не требует значительной модернизации существующих дизельных двигателей, что делает переход технологически доступным и экономически оправданным [4; 6].

Сжиженные углеводородные газы (СУГ: пропан, бутан) обеспечивают стабильное сгорание и меньший износ двигателя, однако имеют более низкую энергетическую плотность (46–48 МДж/кг), что снижает автономность техники [6; 7].

Спирты (метанол, этанол) характеризуются возобновляемостью и экологической чистотой, но их низшая теплота сгорания (27–30 МДж/кг) и агрессивное воздействие на материалы топливной системы ограничивают применение [7].

Диметиловый эфир (ДМЭ) обладает высокой цетановой характеристикой и полным сгоранием без сажи, но остаётся дорогим в производстве и требует адаптации топливной аппаратуры [8].

Биотопливо (биогаз) способствует формированию замкнутого цикла энергоснабжения в хозяйстве и снижению углеродного следа, однако нестабильный состав и необходимость очистки от примесей повышают технологические затраты [9].

Водород является экологически чистым топливом с нулевыми выбросами и рекордной энергоёмкостью (120–140 МДж/кг), но его применение ограничено высокой стоимостью оборудования и хранения [10].

 

Таблица 1.

Сравнительная характеристика различных видов топлива для сельскохозяйственных машин

Вид топлива	Теплотворная способность, МДж/кг	Энергоэффективность, %	Выбросы CO₂, г/кВт·ч	Стоимость, усл. ед.
Природный газ (метан)	50–55	90–95	200–250	0.8
Сжиженные углеводородные газы (СУГ: пропан, бутан)	46–48	85–90	260–300	0.9
Спирты (метанол, этанол)	27–30	75–80	300–350	1.1
Диметиловый эфир (ДМЭ)	29–31	85–90	180–220	1.2
Биотопливо (биогаз)	20–25	80–85	150–200	0.7
Водород	120–142	85–95	0	2.5

 

 

График 1. Сравнительныевыбросы CO₂ при использовании различных видов топлива в сельскохозяйственной технике

Сравнительный анализ (табл. 1) показывает, что газообразные виды топлива — метан, биометан и СУГ — обеспечивают снижение выбросов CO₂ на 30–50 % по сравнению с дизелем, при сохранении высокой энергоэффективности (до 95 %) [3; 5; 6].

Биотопливо и спирты уступают по теплотворной способности и энергетическому КПД (75–85 %), что ограничивает их применение в механизированных технологиях [7; 9].

Таким образом, метан является наиболее технико-экономически и экологически эффективным топливом, обеспечивающим снижение затрат до 43 % и выбросов CO₂ на 34 % [2; 5].

Расчёт экономии топлива и выбросов

Для оценки эффективности применения метана в качестве моторного топлива рассмотрено сельхозпредприятие с трактором мощностью 150 л. с. (≈110 кВт) и годовым ресурсом 1000 моточасов. Методика основана на балансовом расчёте по данным [3; 6; 8].

Расчёт годового потребления и выбросов

 

Годовой расход топлива:

 

 

где
— часовой расход топлива, л/ч (для дизеля) или м³/ч (для метана);
— годовая наработка машины, ч;
— годовой расход топлива.

 

Для дизеля:

 

 

Для метана:

 

 

Годовые затраты на топливо:

 

 

где
— годовые затраты на топливо, руб.;
— стоимость единицы топлива, руб/л (для дизеля) или руб/м³ (для метана).

 

Для дизеля:

 

 

Для метана:

 

 

Экономия затрат на топливо:

 

 

где
— годовая экономия денежных средств, руб.

 

 

Годовая экономия средств составляет около 43 % по сравнению с дизельным топливом.

Расчёт выбросов CO₂

Масса топлива, потреблённого за год:

 

 

где
— масса топлива, потреблённого за год, кг;
— плотность топлива, кг/л (для дизеля) или кг/м³ (для метана).

 

Дизельное топливо:

 

 

Метан:

 

 

Годовые выбросы CO₂:

 

 

где
— годовые выбросы диоксида углерода, кг;
— удельный коэффициент выбросов CO₂, кг CO₂/кг топлива.

 

Дизельное топливо:

 

 

Метан:

 

 

Снижение выбросов CO₂:

 

 

где
— снижение годовых выбросов CO₂, т/год.

 

 

Таким образом, сокращение выбросов CO₂ составляет около 34 % [5,6,10].

 

Таблица 2.

Обобщенные результаты

Показатель	Дизель	Метан	Разница / эффект
Годовое потребление топлива	25 000 л	22 000 м³	–
Годовые затраты	1 750 000 руб	990 000 руб	–43 %
Годовые выбросы CO₂	66,15 т	43,56 т	–34 %
Энергетическая эффективность	100 %	92–95 %	Незначительное снижение
Экологический эффект	–	Улучшение	Снижение парниковых выбросов, отсутствие сажи

 

Для обеспечения надёжного топливоснабжения агропредприятий на основе метана рассмотрены несколько организационно-технических схем [2; 4; 5].

Комбинированная схема с резервным хранилищем характеризуется повышенной надёжностью и возможностью непрерывной работы даже при сбоях в поставках. Применяется в крупных агрохолдингах с разветвлённой логистикой [2; 5].

Централизованная распределительная схема.Предусматривает многоуровневое магистральное снабжение и эффективна в рамках государственных и межрегиональных программ газификации АПК [1; 4].

Локальная биотопливная (биотановая) система.Формирует замкнутый цикл в хозяйстве и ориентирована на малые и средние фермерские предприятия [9].

Интегрированная энергетическая схема обеспечивает работу с двумя агрегатными состояниями топлива (CNG и LNG) и адаптацию к сезонным изменениям нагрузки [3; 6].

Рисунок 2. Комбинированная схема с резервным хранилищем

 

Рисунок 3. Централизованная  распределительная схема

На основании анализа установлено, что наиболее рациональной является комбинированная схема с резервным хранилищем.
 

Рисунок 4. Локальная биометановая система

Её преимущества [2; 5; 6]:
– обеспечение непрерывности снабжения при сбоях или пиковых нагрузках;
– наличие централизованного хранения и мобильной доставки;
– снижение затрат на 25–30 %;

Рисунок 5. Интегрированная энергетическая схема

– масштабируемость и гибкость системы;
– повышение энергетической автономности агропредприятия

Таким образом, комбинированная схема полностью соответствует современным требованиям энергоэффективности, устойчивости и адаптивности при переходе на газомоторное топливо [2; 4; 5].

Проведённые исследования показали, что применение альтернативных видов топлива является эффективным направлением повышения энергоэффективности сельского хозяйства. Среди рассмотренных энергоносителей метан (природный и биометан) признан наиболее рациональным – он обеспечивает снижение выбросов CO₂ на 30–40 %, уменьшение эксплуатационных затрат до 40 % и устойчивую работу двигателей без серьёзной модернизации.