CC BY
32
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕСУРСАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Татьяна Шалвовна Фузелла
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, к.г.н., младший научный сотрудник, тел. (903) 9151839, e-mail: fts10@yandex.ru
Производимая внутри агроэкосистемы энергия может использоваться для самообеспечения энергетическими ресурсами. Оптимизация функционирования агроэкосистемы на основе предлагаемой модели состоит в снижении потребности во внешних источниках электроэнергии, топливе и удобрениях. В ходе самоорганизации агроэкосистемы главным процессом является формирование развитой системы информационных связей, определяющих динамику внутренних потоков вещества и энергии.
Ключевые слова: системный подход, энергетическая оценка, агроэкосистема.
THE SYSTEM APPROACH TO MANAGING ENERGY RESOURCES FOR FARM ENTERPRISE
Tatiana Sh. Fuzella
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems Siberian Branch of RAS, 10/3, Academichesky ave., Tomsk, 634055, PhD, senior research officer, tel. (903) 9151839, e-mail: fts10@yandex.ru
The energy produced within the agro-ecosystem could be used for self-sufficiency in energy resources. The agro-ecosystem optimization based on the proposed model is to reduce the needs for external sources of electricity, fuel and fertilizers. The self-organization of the agro-ecosystem principal process is the formation of a developed system of information links for the movement of internal flows of matter and energy.
Key words: system approach, energy estimation, agroecosystem.
Все многообразие когда-либо существовавших экосистем было возможным благодаря использованию производимой средой энергии. В этом ряду систем агроэкосистема (АГЭС) не является исключением. Она вырабатывает энергию, конвертирует вырабатываемую средой энергию в новые, ранее неизвестные формы, естественно, включая и ту энергию, которая заключена в суммарной биомассе растений и животных, культивируемых обществом для своего существования. Понятно, что и производимая человеком, и все более расширяющаяся часть дикорастущей биомассы потребляется человеком буквально в качестве систем-накопителей чистой, готовой к использованию энергии. Альтернативным источником энергии для АГЭС являются различные виды вещества и энергии, производимые ими самими. Но эта энергия приобретается за счёт трансформации одних форм энергии в другие.
Балансовый метод расчета для модели агроэкосистемы, произведенный на основе программы «Agronom 1.0», реализован в Turbo Delphi 2006 Explorer for
Windows [Фузелла, 2009]. В основу модели положена система объектов с определенными свойствами и функциями, а также концептуальное положение о том, что блоки АГЭС (растениеводство, животноводство, вспомогательный блок -поддерживающая и контролирующая активность человека) связаны между собой, а также с внешней средой потоками энергии, вещества и информации [2]. Особенности нашей модели заключаются в том, что изменение параметров любой части модели влечёт за собой изменение параметров, связанных с ней элементов, и энергии на выходе; другой особенностью является введение элемента переработки побочных продуктов и получения дополнительного количества энергии внутри системы. Все балансовые отношения сведены в три уравнения, что облегчает выделение и оценку обратных связей в АГЭС. В основу модели была положена система объектов с определенными свойствами и функциями. Вид растений, используемых в растениеводстве, имел следующие функции: описывающие его продуктивность; взаимодействие с почвой и другими системами; урожайность; потребность в питательных веществах; энергетическую ценность первичной и вторичной продукции; потребность в энергии топлива, электроэнергии и т.п., использованных на выращивание данного растения и поддержку. Блок-схема построения модели АГЭС представляет собой сеть с различными потоками, законы функционирования которой определяются потоком информации. Именно потоки информации, касающиеся внутренних и внешних связей, определяющих и контролирующих потоки вещества и энергии, являются в наибольшей степени управляемыми человеком. В качестве критерия оптимизации выбрана минимизация затрат, выраженных в энергетических единицах (в Дж).
Выделяем следующие потоки в АГЭС: внешние входы в систему; продукция; потоки информации (в виде прямых и обратных связей); распределители потоков, где осуществляется управление ими в соответствии с целями, оптимизирующими функционирование всей системы в целом. Поток энергии на входе равен сумме потребностей в энергии для производства в растениеводстве и в животноводстве. В силу наличия однозначной взаимосвязи вещества и энергии для описания потоков (так же составляющего информацию о потоке) использовались либо вещество, либо энергия. К примеру, определенную массу вещества можно выразить содержанием энергии и в виде информации о том, что данный продукт является концентрированным кормом и поступает от некоторой системы А в некоторую систему В и т. д. В пределах данной модели расходы на топливо и электричество представлены как чисто энергетический поток. Краткий алгоритм расчёта потоков энергии в АГЭС:
- Вычисляются потребности различных отраслей хозяйства, которые в большей степени зависят от запланированного выхода продукции;
- Вычисляется фактический баланс источников энергии;
- Все балансы сводятся в одно уравнение, в левой части которого все потребности, а в правой - все энергетические потоки.
Это уравнение разрешается относительно суммы величин энергии и вещества (выраженных также в энергетических единицах), поступающих из
внешних источников. Энергия, поступающая в АГЭС из среды, представляет собой не только энергию топлива, но и удобрения с кормами. Поэтому значение целевой функции, отражающей сумму потребленной внешней энергии, будет больше либо равным величине закупаемой энергии.
Рис. 1. Схема структуры функциональных отношений в АГЭС
В основу данной модели положено представление о том, что блоки АГЭС (растениеводство, животноводство, вспомогательный блок - поддерживающая и контролирующая активность человека) связаны между собой, а так же с внешней средой, потоками энергии, вещества и информации. Неотъемлемой системой является блок управления и поддержки. Предлагаемая модель оптимальна для функционирования, так как позволяет варьировать различными блоками. Возможные варианты использования биомассы растениеводства и животноводства осуществляются в блоке управления в соответствии с целями, оптимизирующими функционирование всей системы в целом. При построении модели агроэкосистемы основное внимание было уделено решению задачи в оптимизационной форме: найти вариант распределения внутренних потоков,
который минимизирует потребность системы во внешних источниках энергии, при фиксированном количестве продукции на выходе из системы.
Для оптимизации необходимо ввести параметр, интегрально отражающий поток энергии на входе в систему. Такой параметр должен быть выражен как функция от заданных потребностей и соотношения между внутренними потоками энергии. Эта функция будет являться целевой функцией системы.
Проверка работы модели осуществлена на основе ретроспективного анализа, применительно к тому, как бы функционировала АГЭС «Нелюбино» в 1991, 1999 и 2004 годах, при использовании отходов производства: вторичная продукция на биогаз, а продукт, оставшийся от переработки биогаза, - на удобрение. Оптимизация проводилась соответственно в два этапа:1) с учётом использования вторичного продукта производства (Еп =Еб/г сол +Еб/г нав); 2) с учётом использования вторичного продукта (Еп =Еб/г сол +Еб/г нав) и третичного продукта (ЕШ =ЕТОл^сол +Енавтнав) производства.
Минимизация целевой функции требует максимального производства концентратов на местах, максимального использования навоза в качестве удобрений и биогаза из соломы с целью обеспечения заданного уровня сельскохозяйственного производства.
Для основных отраслей исследуемого хозяйства были посчитаны суммарные энергетические затраты, а также эффект использования в этих отраслях побочного продукта и более оптимального распределения посевных площадей. Расчёт сбалансированной системы показал снижение общих затрат
на производство АГЭС «Нелюбино» по сравнению с фактическими затратами в
12
исследуемые годы. Расчётные затраты энергии в 1991 г. составили бы 128,4-10 Дж, в 1999 г. - 103,8*1012 Дж, в 2004 г. - 83,8*1012 Дж, что обусловливает повышение энергетической эффективности функционирования АГЭС в среднем на 13%.
В результате анализа хозяйства в 2004 г. суммарные затраты энергии могли
19 19
бы составить 83,8-10 Дж с производством биогаза в 18,3-10 Дж. При оптимизации модели для 2004 г., мы добились большей экономии, когда система была бы способна обеспечить сама себя энергией на 22 %. Как видим для оптимизации АГЭС в 2004 г. можно было увеличить экономичность хозяйства, т.к. около 1/5 от суммарных затрат энергии компенсировалось бы за счёт производства биогаза. Таким образом, при правильном использовании ресурсов система может дать резкое повышение экономичности использования энергии.
Остаток, образующийся в процессе получения биогаза - третичный продукт (Еш =Есолтсол +Енав-тнав), содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Вследствие этого была произведена оценка АГЭС с учётом третичного продукта. Подсчёт оптимального распределения вторичного и третичного продукта в АГЭС показал, что на основе оптимизации АГЭС можно было сократить затраты энергии до 36 % (в 2004 г.). Последующая оптимизация модели увеличила бы способность к самообеспечению системы энергией на 1/3 за счёт использования вторичного и третичного продукта. При исследовании
динамики функционирования системы по годам, было установлено, что в 2004 г. системе потребовалось бы меньше всего внешних затрат, поскольку производство было ориентировано в условиях Томской области на наиболее подходящее в данных условиях - молочное. Расчётное соотношение, которое можно использовать при запросах 2004 г. будет более эффективным. В целом соотношение блоков по 2004 г. ближе к оптимальному для данного года.
На основе полученных результатов можно сделать вывод, что хозяйство в большинстве случаев способно к самообеспечению энергетическими ресурсами до 36% от суммарных энергетических затрат, а чем выше экономичность АГЭС, тем она эффективнее функционирует. Выяснилось также, что для условий Томской области молочное производство экономически выгоднее, чем мясное. Данное производство не требует больших посевных площадей и лучше контролируется человеком.
Таким образом, главным процессом в ходе самоорганизации
агроэкосистемы является формирование развитой системы информационных связей, определяющей динамику внутренних потоков вещества и энергии. Человек, являясь главной частью этой системы, ввиду ее природноантропогенной сущности, определяет характер информационных потоков и общее направления развития агроэкосистемы.
Подсчет оптимального распределения побочного продукта по хозяйству (1991-2004 гг.) дал следующие результаты:
1. Весь побочный продукт животноводства идёт на органические удобрения;
2. При избытке побочного продукта, превышающего потребности в №К и Гумусе, его избыток идёт на биогаз;
3. Побочный продукт растениеводства идёт на производство биогаза.
В результате предложенного подхода определяется оптимальный вариант использования как внешних, так и внутренних потоков вещества, а также эффективность использования различных ресурсов агроэкосистемой. Подобная модель оптимизации производства позволяет управлять АГЭС и при этом сохранять ресурсы, выявлять новые пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства, то есть пути снижения затрат энергии на единицу производимой продукции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Володин, В.М. Методика ресурсно-экологической оценки эффективности земледелия на биоэнергетической основе / Р.Ф. Еремина, А.Е. Федорченко, А.А. Ермакова. -Курск : ЮМЭКС, 1999. - 48 с.
2. Фузелла, Т.Ш. Оптимизация функционирования агроэкосистемы при использовании биогаза для получения энергии / Хон А.В., Тимошок Е.Н. // Проблемы региональной экологии, 2009. - №5. - С. 218 - 223.
Работа выполнена в рамках проекта VII. 63.1.3. фундаментальных исследований ИМСЭС СО РАН
© Т.Ш. Фузелла, 2012
