Життя як термодинамічний процес

Безперервний потік сонячної енергії, який сприймається молекулами живих клітин, перетворюється в енергію хімічних зв’язків. Створені таким чином, наприклад, в процесі фотосинтезу, хімічні речовини послідовно переходять від одних організмів до інших: від рослин до рослиноїдних тварин, від останніх - до м’ясоїдних тварин першого порядку, далі - до м’ясоїдних другого і вищих порядків. Цей перехід ми розглядаємо як послідовний і упорядкований потік речовин і енергії.

Запас енергії в ґрунті

Бацула О.О. та ін. (1987) наводять такі дані про запаси гумусу в ґрунтах, т/га:

· дерново-підзолистих, піщаних, глинисто-піщаних – менше 50,

· ясно-сірих, сірих лісових – до 80-111,

· темно-сірих лісових і чорноземах опідзолених –до 200-400,

· чорноземах типових та звичайних середжньогумусних – до 550-650,

· чорноземах південних – до 200-300,

· темно-каштанових, каштанових – до 150-180.

Ці ж автори визначили середньозважені запаси гумусу та його внутрішньої енергії в орному шарі та в межах усього гумусового профілю ґрунтів адміністративних областей і природних зон України в цілому (табл. 12.1).

Таблиця 12.1.

Запаси гумусу та його внутрішньої енергії в ґрунтах природних зон

України (за О.О. Бацулою та ін., 1987)

Енергія в інтенсивному землеробстві

Особливість розвитку землеробства на сучасному етапі свідчить про те, що збільшення урожайності в 2-3 рази супроводжується збільшенням витрат енергії на одиницю продукції в 10-50 разів.

Енергетичний аналіз в землеробстві являє собою оцінку витрат не поновлюваної енергії на виробництво продукції в порівнянні з кількістю отриманої енергії, вираженої в порівняних одиницях. Частка від ділення отриманої з врожаєм енергії на сумарну витрачену являє собою коефіцієнт енергетичної ефективності (К_ее) , який дає уявлення про енергетичні корективи сільськогосподарського виробництва або окремих його ланок.

Порівняльний аналіз споживання енергії в сільськогосподарському виробництві за 1960 – 1977 рр. свідчить про швидкий ріст енергетичних витрат. В цілому за цей період вони збільшились на 329 %, зокрема, в Україні на 340 %. Найсуттєвіше збільшились витрати уречевленої енергії у вигляді машин, добрив, засобів захисту рослин. Потреба у такому виді енергії зросла на 350%, а в Україні – на 380%.

За даними А. Огінського (1998), енергоємність 1 ц зернових одиниць в Україні становить 500-700 МДж, що перевищує відповідні показники в інших країнах: Великобританії – в 1,9 рази, Франції – в 1,8, Німеччині – в 1,5, США – в 2 рази.

У структурі витрат уречевленої енергії в 1960 р. на сільськогосподарські машини і добрива припадало по 20%. Інтенсифікація сільського господарства характеризувалася динамічним зростанням застосування добрив, частка яких в енергетичних витратах збільшилась в 1977 році до 40%. “Енергетична ціна” одиниці маси речовини мінеральних добрив, що споживаються, достатньо висока. По відношенню до енергетичного показника дизельного пального, прийнятого за одиницю, 1 кг діючої речовини азотних добрив відповідає 1,29, фосфорних – 0,23, калійних – 0,11.

При сучасних інтенсивних технологіях вирощування кукурудзи в США, розрахованих на отримання 8,0 т/га зерна, загальні витрати енергії в переводі на пальне складають 690 л/га, в тому числі на добрива і гербіциди 64-67%, на сушіння зерна 29-30%, на обробіток ґрунту, сівбу, внесення добрив і пестицидів – 3-7%.

Сучасні сорти і гібриди польових культур забезпечують високу продуктивність тільки на фоні високих норм добрив. Низька їх конкурентоспроможність з бур’янами, недостатня стійкість до шкідників і хвороб, стресових дій навколишнього середовища потребує збільшення енергетичних витрат на меліорацію середовища (добрива, осушення, зрошення тощо).

В цілому інтенсивні сорти розраховані на більш високий рівень витрат не поновлюваної енергії, ніж сорти екстенсивного типу.

В агропромисловому комплексі, де головним виробничим ресурсом є грунт, удосконалення структури енерговитрат можна досягнути не тільки шляхом регулювання використання матеріально-технічних ресурсів, але й за рахунок більш раціонального використання потенціалу культурних рослин, кліматичних, мікрокліматичних, ґрунтових умов. Наприклад, накопичення бобовими в процесі симбіотичної фіксації 100 кг азоту рівнозначно збереженню 130 кг рідкого пального.

Слід зауважити, що перспективні шляхи підвищення стійкості землеробства і раціонального використання енергії в ньому в цілому співпадають.

Основні статті витрат антропогенної енергії:

1.Прямі – витрати електричної, теплової енергії і пального безпосередньо в технологічному процесі.

2.Опосередковані – витрати енергії на предмети і засоби праці (техніку, будівлі, добрива, пестициди, насіння тощо), за допомогою яких здійснюється технологічний процес (синоніми: матеріалізована, уречевлена енергія).

3.Витрати енергії живої праці.

Різницю між енергією, акумульованою в урожаї сільськогосподарської продукції (Еу), і енергією, поверненою в агроекосистему, (антропогенною енергією Еа), називають корисною продукцією.

Агроекосистема повинна регулюватися людиною. Будь-яке підвищення продуктивності агроекосистеми вимагає підвищення витрат енергії, в т.ч. антропогенної. Вони ідуть на підтримання енергопотенціалу агроекосистеми або на зміну умов його реалізації (А.П. Щербаков, В.М Володін, 1989)

На виробництво продукції рослинництва витрачаються матеріальні, енергетичні і трудові ресурси. Для розрахунку сукупної енергії, витраченої на виробництво тієї чи іншої сільськогосподарської продукції, використовуються енергетичні еквіваленти сукупної енергії, які показують витрати прямої і опосередкованої енергії на одиницю спожитих предметів і засобів праці, а також витрати енергії живої праці за одиницю часу.

Коефіцієнт енергетичної ефективності(К_ее) визначається як відношення енергії (Е_у), що міститься у вирощеній сільськогосподарській продукції, до кількості не поновлюваної енергії (Е), витраченої на формування врожаю:

К_ее = ,

де А_пр – вміст енергії в одержаній продукції, МДж/кг (додаток 11.1);

У – урожайність, кг/га;

К_с – коефіцієнт вмісту сухої речовини;

Е_а – всі енерговитрати для виробництва продукції на 1 га, МДж; визначаються за формулою:

де Е_пр – прямі витрати енергії (паливо, електроенергія), МДж/га;

Е_р – витрати енергії на виробництво добрив, пестицидів, насіння та інших речовин, МДж/га;

Е_М, Е_З, Е_Т – енергоємність машин, зчіпок і енергетичних засобів, МДж/год;

Е_ТЗ – енергоємність транспортного засобу (автомобіль + причіп, трактор + причіп), МДж/га;

П_Р.ЗМ – продуктивність агрегату, га/год.

Прямі витрати енергії визначаються за формулою:

Е_пр =

де Н_п, Н_е, Н_Т – витрати палива (кг/га), електроенергії (кВт×год/га) і тепла (ккал/га);

А_п –теплоємність палива, МДж/кг (додаток 11.5);

К_е = 3,6 – коефіцієнт перерахунку від 1 кВт×год до 1 МДж;

К_К = 0,00419 – коефіцієнт перерахунку 1 ккал до 1 МДж.

Витрати електроенергії Н_е на одиницю площі при урожайності культури (кг/га):

,

де Р_е – витрати електроенергії на переробку продукції, підготовку насіння і добрив до висіву, кВт×год/кг.

Аналогічно визначаються витрати теплової енергії Н_Т на одиницю площі, МДж/га:

,

де Р_т – витрати теплової енергії на переробку продукції, підготовку насіння, добрив і пестицидів, МДж/кг.

Матеріалізовані витрати енергії Е_р (МДж/га) на добрива, пестициди, воду та інші речовини, шо використовуються в технологіях виробництва і збирання сільськогосподарської продукції, визначаються через норми та термін дії речовини:

,

де А_р – енергетичний еквівалент (витрати енергії на виробництво одиниці речовини), МДж/кг (додаток 11.3);

Н_р – норма внесення речовини на одиницю площі, кг/га;

Т_р – термін дії речовини (мінеральних добрив, пестицидів – 1 рік, органічних добрив – 3 роки).

Енерговитрати живої праці Е_ж обслуговуючого персоналу, який бере участь у технологічному процесі (МДж/год), визначаються на основі норм ФАО, які передбачають градацію праці на дуже важку, важку, середню, легку і дуже легку.

,

де П_о, П_з – кількість основних ( трактористи, комбайнери тощо) і залучених (сівачі, вантажники тощо.) працівників, чол.;

А_о, А_з – відповідні енергетичні еквіваленти витрат живої праці основних і залучених працівників, МДж/год (додаток 11.2).

Засоби механізації машини, зчіпки, трактори інші засоби виробництва частково переносять на створену продукцію енергію, яка витрачена на виробництво цих засобів. Енергоємність машини Е_м, що припадає на одну годину роботи, враховує також витрати на реновацію, капітальний та поточний ремонти і технічний догляд.

Визначається Е_м (Е_з, Е_Т) в МДж/год за формулою:

,

де А_м – енергетичний еквівалент машини, МДж/кг (додаток 11.4);

М_м – маса машини, кг;

Ф_м, Ф_мк, Ф_мб – відрахування на реновацію, капітальний і поточний ремонти машини ( зчіпки, трактора), %;

Т_нм,Т_зм – нормативна і зональна зайнятість машини, год/рік.

Треба мати на увазі, що складні машини і трактори підлягають капітальному ремонту, а зчіпки, прості машини та знаряддя мають тільки поточний ремонт і технічне обслуговування.

З енергетичної точки зору технологія вважається ефективною, якщо при плановому рівні урожайності сільськогосподарської культури забезпечується умова Q_y > Q_а ; К_ее > 1. Припустимо також вважати технологію ефективною, якщо К_ее1 < 1, а К_ее2 > 1 (відповідно з урахуванням енергії, що міститься в урожаї основної та господарсько цінної (основної та побічної продукції). Динаміка К_ее в залежності від урожайності деяких сільськогосподарських культур показана на рис.11.2.

Коефіцієнт енергетичної ефективності визначається тільки для тих культур, продукцію яких можна оцінити харчовими калоріями, а для технічних культур визначається енергоємність продукції – витрати енергії в розрахунку на одиницю маси продукції [17].

Для пошуку найбільш енергоекономних рішень не слід обмежуватись біоенергетичною оцінкою тільки одного проекту, процесу, технології. Доцільно проводити розрахунок біоенергетичних показників (витрати сукупної енергії і енергії, накопиченої урожаєм) кількох технологій вирощування сільськогосподарських культур, які різняться за номенклатурою основних і оборотних засобів, і оцінювати кожну з них за величиною біологічної продуктивності. Такий підхід дозволяє рекомендувати для практики найбільш оптимальну з енергетичної точки зору технологію. Крім того, бажано проводити аналіз складових сукупної енергії, яка витрачається на виробництво певної рослинницької продукції за визначеною енергоекономною технологією з метою пошуку додаткових резервів енергозбереження.