Рубрики
ЕФЕКТИВНІСТЬ БАГАТОПРОФІЛЬНОГО СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА
Наведена імітаційна модель функціонування агроекосистеми із вирощуванням озимої пшениці, кукурудзи на силос і зерно, озимого ріпаку, ячменю, цукрових буряків та багаторічних трав. Модель передбачає виробництво м’яса свиней, ВРХ, риби та курей, молока, яєць, олії, цукру та меду, вирощування грибів і виробництво компосту. Крім того, пропонована модель передбачає виробництво дизельного біопалива і біоетанолу в кількості необхідній для забезпечення роботи мобільної техніки, а також біогазу для отримання тепла та електроенергії. Агроекосистема, рослинництво, тваринництво, біопаливо, енергія, модель, ефективність.

Голуб Г.А, доктор технічних наук, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Кухарець С.М., доктор технічних наук, Житомирський національний агроекологічний університет

Постановка проблеми. На сучасному етапі існування перед людством постало декілька проблем. Серед них: забезпечення населення продуктами харчування (продовольча проблема), забезпечення технологічних процесів та побуту енергетичними ресурсами (енергетична проблема) та утримання біологічного розмаїття форм життя й збереження навколишнього середовища (екологічна проблема). Комплексне вирішення цих задач потребує подолання протиріччя, яке полягає в тому, що збільшення виробництва продуктів харчування або виробництва та споживання енергії призводить до порушення екологічної рівноваги та погіршення стану навколишнього середовища і навпаки скрупульозне дотримання екологічних вимог призведе, при існуючому рівні приросту населення, до дефіциту продуктів харчування та енергії.

Сучасне сільськогосподарське виробництво частково вирішує продовольчу проблему за рахунок ефективного виробництва продукції рослинництва [1]. Галузь тваринництва, із-за високої собівартості продукції та низьких цін на неї, довгий час перебувало в стані занепаду, особливо це стосується виробництва молока, яловичини та свинини. Виробництво яєць та м'яса птиці упродовж останніх років мало стабільний характер за рахунок значного рівня концентрації та спеціалізації виробництва. Крім того, рівень забезпечення аграрного виробництва, енергією із власної сировини, є низьким. Так, наприклад, тваринницька галузь України, виробляючи значні обсяги органічних відходів, потенційно володіє значними ресурсами для виробництва біогазу [2, 3, 4], в той же час, рівень виробництва біогазу із гною знаходиться на вкрай низькому рівні. Енергетичний потенціал галузі рослинництва, який базується на використанні соломи в якості палива, згідно досліджень [5, 6, 7, 8, 9], досить значний, проте його використання в сучасних умовах не перевищує 3 %.

Підвищення рівня використання доступної в якості енергоресурсів сировини сільськогосподарського походження призведе до зростання рівня енергетичної автономності агроекосистем, забезпечивши при цьому підвищення рівня ефективності виробництва харчової продукції та покращення стану навколишнього середовища.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Основною метою конструювання агроекосистеми є створення стійкої природно-техногенної конструкції [10], що є часткою біосфери Землі і її розвиток не повинен деградувати під впливом техногенних навантажень. Тому необхідно, встановити чітку морфологічну структуру природно-техногенної агроекосистеми із оцінкою впливу техногенних об’єктів, що дозволить стежити за змінами в агроекосистемі, прогнозувати її розвиток та керувати її станом [11, 12, 13].

Типова агроекосистема передбачає вирощування культур у відповідній сівозміні і на цій основі здійснювати виробництво продукції рослинництва, кормів для тваринництва та птахівництва, продукції тваринництва, а також енергетичних ресурсів. Енергетичною базою агроекосистеми є виробництво тепла та електроенергії із біогазу, отриманого в результаті зброджування гною, посліду та інших рідких органічних осадів, використання в науково обґрунтованих межах незернової частини урожаю на теплові потреби у вигляді рулонів, тюків, січки або ж гранул, брикетів та генераторного газу, вироблених на основі соломи. Сировинна база для виробництва рідкого палива – дизельного біопалива та біоетанолу також є складовою частиною агроекосистеми. Диверсифікація напрямків сільськогосподарського виробництва є також серйозною фінансовою передумовою для підтримання родючості ґрунтів сівозміни на основі виробництва компостів з використанням біологічної конверсії органічної сировини [14].

На основі структурної схеми функціонування [15, 16], алгоритмів [17] розподілу органічних ресурсів та моделювання [18, 19] гумусного стану ґрунтового середовища розроблено модель функціонування агроекосистеми на основі шестипільної сівозміни із виробництвом продукції та енергії, використанням біопалив та відновленням органіки у ґрунті. Комп’ютерна імітаційна модель функціонування агроекосистеми забезпечує визначення ресурсної бази для виробництва біопалив та подальшого підвищення рівня енергетичної автономності різних видів агроекосистем.

Однак оцінка техніко-економічної ефективності функціонування агроекосистем із диверсифікованим (багатопрофільним) виробництвом сільськогосподарської продукції та біопалив потребує подальшого уточнення.

Мета досліджень. На основі розробленої комп’ютерної імітаційної моделі функціонування агроекосистеми із диверсифікованим (багатопрофільним) виробництвом сільськогосподарської продукції та біопалив встановити основні показники ефективності функціонування таких систем.

Методика досліджень. Визначення техніко-економічної ефективності функціонування агроекосистеми із диверсифікованим (багатопрофільним) виробництвом сільськогосподарської продукції та біопалив виконувалося на основі імітаційного комп’ютерного моделювання.

Результати досліджень. Імітаційна модель функціонування сільськогосподарського виробництва (рис. 1) включає в себе: сівозміну на 300 га ріллі із вирощуванням основних сільськогосподарських культур, таких як озима пшениця 50 га, кукурудзу на силос 25 га і зерно 25 га, озимий ріпак 50 га, ячмінь 50 га, цукрові буряки 50 га та багаторічні трави 50 га. Модель передбачає виробництво м’яса свиней, ВРХ, риби та курей, молока, яєць, олії, цукру та меду та грибів. Крім того, пропонована модель передбачає виробництво дизельного біопалива і біоетанолу в кількості необхідній для забезпечення роботи мобільної техніки, а також біогазу для подальшого отримання електроенергії й тепла та спалювання рулонів або січки соломи для отримання тепла та електроенергії.

Аналіз передбачав функціонування трьох варіантів агроекосистеми:

  • із виробництвом продукції рослинництва й тваринництва та біопалив (варіант 1);
  • із виробництвом продукції рослинництва й тваринництва але без виробництва біопалив (варіант 2);
  • із виробництвом продукції рослинництва але без виробництва продукції тваринництва та біопалив (варіант 3).

Можливості диверсифікованого сільськогосподарського виробництва отриманні на основі розробленої імітаційної моделі функціонування агроекосистеми із виробництвом біопалива наведенні в таблицях 1 та 2.

Провівши аналіз параметрів функціонування агроекосистеми, отриманих в результаті моделювання, побудовано графічні залежності балансу гумусу (рис. 2) в залежності від урожайності базової культури – озимої пшениці.

Рис. 1. Схема біологічної та енергетичної конверсії органічної сировини агроекосистеми із виробництвом біопалива

Аналіз графіка, дозволяє зробити висновок, що найкращі показники щодо балансу гумусу досягаються в агроекосистемі без виробництва біопалив, проте в агроекосистемі із виробництво біопалив при урожайності зернових більше 30 га, також досягається позитивний баланс гумусу, а в агроекосистемі без тваринництва досягнути позитивного балансу гумусу фактично неможливо.

1. Можливості агроекосистеми (варіант 1) по виробництву сільськогосподарської продукції

Урожайність зернових (пшениця), ц/га

Вид продукції (виробництво)

компост, т

зерно пшениці, т

м'ясо свиней, т

м'ясо ВРХ, т

молоко, т

м'ясо птиці, т

яйця, млн. шт.

м'ясо риби, т

гриби, т

олія, т

мед, т

цукор, т

20

1197

86

13,0

12,7

318

0,7

0,1

9,6

20

0

5

84

25

1481

111

16,2

14,7

397

0,9

0,2

11,9

23

4,3

5

105

30

1764

136

19,5

17,6

476

1,0

0,3

14,3

27

10

5

125

35

2048

161

22,7

20,5

556

1,2

0,4

16,7

30

15,7

5

146

2. Можливості агроекосистеми (варіант 1) по виробництву біопалив та її економічні показники

Урожайність зернових (пшениця), ц/га

Електроенергія

Теплова енергія

Рідке біопаливо

Баланс гумусу, кг/га

Виручка від реалізації продукції, грн/га

Прибуток, грн/га

виробництво, тис. кВт год.

із врахуванням надлишку теплової енергії тис. кВт год.

потреба, тис. кВт год.

рівень забезпечення, %

виробництво, ГДж

потреба, ГДж

рівень забезпечення , %

дизельне біопаливо, т

біоетанол, т

20

44

83

1600

5

1475

1360

109

21,7

4,8

-305

6236

1548

25

54

248

1988

12

2063

1400

147

23,1

4,8

-152

7645

1972

30

65

413

2386

17

2650

1440

184

23,1

4,8

0

9033

2360

35

75

578

2783

21

3238

1480

219

23,1

4,8

152

10421

2747

 

Стосовно економічної ефективності виробництва, то найбільший прибуток у розрахунку на один гектар досягається в агроекосистемі із виробництвом біопалива (рис. 3).

Рис. 2. Залежність балансу гумусу від урожайності базової культури

Рис. 3. Залежність прибутку від урожайності базової культури

Найбільший економічний ефект можливо отримати в збалансованій агроекосистемі, що поєднує рослинництво, тваринництво і виробництво біопалива, забезпечивши при цьому бездефіцитний баланс гумусу. Так при урожайності озимої пшениці 30 ц/га прибуток для збалансованої агроекосистеми із виробництво біопалива становить 2360 грн/га, що вище на 51,6% ніж для агроекосистеми без виробництва біопалива.

Рівень забезпечення електроенергією та тепловою енергією можна виразити графічно (рис. 4) та залежностями:

РЕ=27,905ln(uз)-77,951;                                (1)

та

ТЕ=196,59ln(uз)-485,68,                                   (2)

де  РЕ – рівень забезпечення електричною енергією, %; ТЕ – рівень забезпечення тепловою енергією, %; uз – урожайність базової культури (озимої пшениці), ц/га.

Рис. 4. Рівень забезпечення тепловою та електричною енергією (без конвертації надлишку теплової енергії в електроенергію)

З аналізу графіка походить, що сільськогосподарське виробництво здатне себе забезпечити необхідною тепловою енергією при урожайності зернових 20 ц/га і вище, а при більшій урожайності надлишок теплової енергії можливо конвертувати в електричну, підвищивши і рівень забезпечення електричною енергією.

Структуру фінансових надходжень при функціонуванні агроекоситеми на основі імітаційної моделі можна представити у вигляді діаграми (рис. 5).

Рис. 5. Структура фінансових надходжень агроекосистеми від виробництва сільськогосподарської продукції та біопалив

З графіка походить, що до 35% всіх фінансових надходжень в сільськогосподарському виробництві можливо забезпечити за рахунок виробництва і використання біопалива.

 

Висновки. Встановлено, що найбільший економічний ефект можливо отримати в збалансованій агроекосистемі, яка поєднує рослинництво, тваринництво і виробництво біопалива, забезпечивши при цьому бездефіцитний баланс гумусу. При урожайності озимої пшениці 30 ц/га прибуток для збалансованої агроекоситеми із виробництво біопалива становитиме 2360 грн/га, що вище на 51,6% ніж для агроекосиcтеми без виробництва біопалива. До 35% всіх фінансових надходжень в сільськогосподарському виробництві можливо забезпечити за рахунок виробництва і використання біопалива.

 

Список літератури

  1. Сільське господарство України. Статистичний збірник за 2013 рік / За ред. Н.С.Власенко; Держ. комітет статистики України. – К., 2014. – 400 с.
  2. Виробництво і використання біогазу в Україні / [Юрген Кооп, Жанет Хохі, Дженіфер Фултон, Хенрік Персонн]. – К.: Рада з питань біогазу з.т. / Biogasrat e.v., 2012. – 74 с.
  3. Перспективы производства биогаза в Украине [Г.Г. Гелетуха, П.П. Кучерук, Ю.Б. Матвеев, Т.В. Ходаковская] Возобновляемая энергетика, №3, 2011, с.73-77.
  4. Гелетуха Г.Г. Перспективи виробництва та використання біогазу в Україні / Гелетуха Г.Г., Кучерук П.П., Матвеєєв Ю.Б. // Аналітична записка БАУ №4. – К.:, 2013. – 22 с.
  5. Гелетуха Г.Г. Перспективи використання відходів сільського господарства для виробництва енергії в Україні. / Гелетуха Г.Г., Железна Т.А. // Аналітична записка БАУ №7. – К.:, 2014. – 33 с.
  6. Екологічні проблеми землеробства. За ред. І.Д. Примака.  –  К.: Центр учбової літератури, 2010. – 456с.
  7. Integrated  assessment  of  sustainable  cereal  straw  potential  and  different  straw-based  energy applications in Germany // Applied Energy, v. 114, February 2014, p. 749-762.
  8. Клюс С.В. Визначення частки соломи та рослинних відходів для  енергетичного використання / Клюс С.В. // Відновлювана енергетика, 2013, №4, с. 82-85.
  9. Кухарець В.В. Оцінка енергетичного потенціалу соломи /
    В.В. Кухарець // Наук. вісн. НАУ. – 2008. – Вип. 125. – С. 273-276.
  10. Рудько Г.І. Конструктивна геоекологія: наукові основи та практичне втілення/ Рудько Г.І., Адаменко О.М. // За ред. Г.І. Рудька. – К.: ТОВ«Маклаукт», 2008. – 320 с.
  11. Кухарець С.М. Обґрунтування механіко-технологічних основ конструювання агроеокситем / Кухарець С.М., Шелученко Б.А. // Збірник наукових праць. Спеціальний випуск до VІІІ науково-практичної конференції «Сучасні проблеми збалансованого природокористування». – Кам’янець – Подільський: ПДАТУ, 2013 – С.164-171.
  12. Кухарець С.М. Механіко-технологічний  підхід до конструювання агроекосистеми / Кухарець С.М. // Вісник Житомирського національного агроекологічного університету. – Житомир: ЖНАЕУ, 2014. – №1.т.1(39) – С.187-197.
  13. Шелудченко Б.А. Вступ до конструювання природно-техногенних геоекоситем / Б. А. Шелудченко // - Кам’янець-Подільський: В-во ПДАТУ, 2014. – 170 с.
  14. Голуб Г.А. Проблеми техніко-технологічного забезпечення енергетичної автономності агроекосистем / Г.А.Голуб // Зб. наук. пр.  Вінницького нац.  аграр. ун-ту. Сер.: Технічні науки. – , 2011. – Вип. 7. – 140 с. – С. 59-66.
  15. Кухарец С.М. Обеспечение рационального использования сырья для получения биотоплив в агропромышленном комплексе / Кухарец С.М., Голуб Г.А., Драгнев С.В. // Motrol. Commission of motorization and energetics in agriculture. Vol.15, No4, Lublin-Rzeszow, 2013. – Р. 69-76
  16. Scientific bases of production and use of biofuel in agroecosystems [G. Golub, V. Dubrovin, S. Kukharets ets.] // Міжнародний електронний журнал "Біоресурси планети і якість життя". – 2013. – Вип. 4. – Режим доступу: http://gchera-ejournal.nubip.edu.ua/index.php/ebql/article/view/146/112. (Електронний ресурс).
  17. Кухарець С.М. Підвищення енергетичної автономності агроекосистем. Механіко-технологічні основи: монографія / С.М. Кухарець – Житомир: ЖНАЕУ, 2016. – 192 с.
  18. Голуб Г.А. Моделювання гумусного стану ґрунтового середовища агроекосистеми / Г.А. Голуб, С.М. Кухарець // Науковий вісник Національного університету біоресурсів і природокористування України. Серія техніка та ене¬ргетика АПК. - К„ 2014. - Вип. 196, ч. 2, С.20-27
  19. Голуб Г. А. Ефективність функціонування багатопрофільного сільськогосподарського підприємства / Г. А. Голуб, С. М. Кухарець // Наук. вісн. НУБіП України. Сер. Техніка та енергетика АПК. – 2015. – Вип. 212, ч. 2. – С. 35–44.

 

Приведена имитационная модель функционирования агроекосистеми с выращиванием озимой пшеницы, кукурузы на силос и зерно, озимого рапса, ячменя, сахарной свеклы и многолетних трав. Модель предусматривает производство мяса свиней, КРС, рыбы и птицы, молока, яиц, растительного масла, сахара и меда, выращивания грибов и производство компоста. Кроме того, предлагаемая модель предполагает производство дизельного биотоплива и биоэтанола в количестве необходимом для обеспечения работы мобильной техники, а также биогаза для получения тепла и электроэнергии.

Агроекосистема, животноводство, растениеводство, биотопливо, энергия, модель, эффективность.

 

A simulation model of agricultural production functioning with grown winter wheat, corn silage and grain, winter canola, barley, sugar beets and grasses is shows. The model involves the production of meat of pigs and cows, fish, milk, eggs, oil, sugar and honey, mushroom cultivation and production of compost. The proposed model involves the production of biodiesel and bioethanol in the amount necessary to ensure that mobile equipment and biogas for heat and power.

Agroecosystem, livestock, crop production, biofuels, energy, model, efficiency.

опубліковано: Геннадій Голуб    2016-12-09 08:12