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.

Р ис.12.1. Щорічний синтез органічної речовини рослинними формаціями, ц/га

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)

Область, природна зона	Запаси гумусу, т/га		Запаси внутрішньої енергії гумусу
	в шарі 0-30см	в гуму-совому профілі	в шарі 0-30 см		в гумусовому профілі
			108ккал/га	× 106 МДж/га	108ккал/га	× 106 МДж/га
Полісся	101	150	5,56	2,32964	8,25	3,45675
Волинська	81	100	4,45	1,86455	5,50	2,3045
Житомирська	103	106	5,66	2,37154	5,83	2,44277
Закарпатська	139	149	7,64	3,20116	8,20	3,4358
Івано-Франківська	129	187	7,10	2,50981	10,30	4,3157
Львівська	109	193	5,99	2,50981	10,6	4,4414
Рівненська	100	112	5,50	2,3045	6,16	2,58104
Чернігівська	96	194	5,28	2,21232	10,67	4,47073
Лісостеп	141	315	7,76	3,25144	17,32	7,25708
Вінницька	116	221	6,38	2,67322	12,16	5,09504
Київська	1256	278	6,88	2,88272	15,29	6,40651
Полтавська	150	396	8,25	3,45675	21,78	9,12582
Сумська	148	300	8,14	3,41066	16,5	6,9135
Тернопільська	151	311	8,31	3,48189	17,11	7,16909
Харківська	181	417	9,96	4,17324	22,94	9,61186
Хмельницька	118	273	6,49	2,71931	15,02	6,29338
Черкаська	132	303	7,26	3,04194	16,66	6,98054
Чернівецька	131	198	7,21	3,02099	10,89	4,56291
Степ	129	285	7,10	2,9749	15,68	6,56992
Луганська	156	304	8,58	3,59502	16,72	7,00568
Дніпропетровська	153	330	8,42	3,52798	18,15	7,60485
Донецька	152	324	8,36	3,50284	17,82	7,46658
Запорізька	114	254	6,27	2,62713	13,97	5,85343
Кіровоградська	158	397	8,69	3,64111	21,84	9,15096
Миколаївська	140	306	7,70	3,2263	16,83	7,05177
Одеська	126	264	6,93	2,90367	14,52	6,08388
Херсонська	94	179	5,17	2,16623	9,84	4,12296
АР Крим	104	176	5,72	2,39668	9,68	4,05592
По Україні	128	274	7,04	2,94976	15,07	6,31433

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.

Р ис.12.2. Динаміка коефіцієнту енергетичної ефективності (К_ее) вирощування сільськогосподарських культур в залежності від урожайності

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.