Влияние фундаментальных и прикладных инноваций на повышение эффективности использования первичных энергоресурсов в сельскохозяйственном производстве.
Алхазова Е.О., Гришин А.А., Свентицкий И.И.
Низкая эффективность использования первичных энергоносителей в РФ имеет место не только для сельскохозяйственного производства, но и для энергетики страны в целом. Согласно коллективной монографии ученых РАН [1] (по проблемам и перспективам энергетики России), эффективность использования первичных энергоносителей энергетикой РФ в целом в 1,5-2 раза ниже, чем в развитых странах мира. По данным В.В. Бушуева [2], этот показатель в различных выражениях для энергетики РФ в 2,5-3 раза и даже в 5-6 раз ниже общемирового.
В сельскохозяйственном производстве и АПК в целом первичные энергоносители в основном используют в двигателях внутреннего сгорания (тракторы, автомобили, комбайны и др.) и в системах обогрева производственных и бытовых помещений. Использование первичных энергоносителей в РФ на получение продукции растениеводства в 2-3 раза, а для продукции животноводства в 2-4 раза ниже, чем этот показатель для соответствующей продукции в передовых зарубежных странах. Себестоимость сельскохозяйственной продукции в большой мере определяется затратами техногенной энергии на её получение.
Достигнуть конкурентоспособности отечественной сельскохозяйственной продукции на международном рынке можно только путем повышения эффективности использования первичных энергоносителей в этой отрасли производства. Решить эту важную и сложную проблему можно только на основе инновационных достижений, как в фундаментальной науке, так и в технико-технологических разработках.
К числу фундаментальных инноваций, разработанных в последнее десятилетие в ВИЭСХ можно отнести принцип энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции, а также метод эксергетического анализа биоконверсии энергии растениями [3].
Важными технико-технологическими, прикладными инновациями, пригодными для решения этой проблемы, являются:
1) создание высокоэффективных низкотемпературных преобразователей теплоты окружающей среды в энергию, пригодную для обогрева или охлаждения производственных и бытовых помещений [4] – тепловых насосов, а также возможность создания тепловых машин «обоснование тепловых двигателей с КПД выше цикла Карно» [5];
2) разработка системы количественного взаимосогласованного определения основных агроэкологических величин, позволившей разработать компьютерные агротехнологии энерго-, ресурсосберегающей, экологически совместимой оптимизации технологии производства продукции растениеводства.
Названные фундаментальные и прикладные инновации имеют взаимную связь, что упрощает и повышает эффективность использования их для решения рассматриваемой проблемы. Приведенные фундаментальные инновации позволяют теоретически объяснить прикладные инновации, проводить их усовершенствование, и наоборот. Здесь имеет место взаимное влияние прикладных и фундаментальных инноваций друг на друга. Такое взаимодействие фундаментальных и прикладных инноваций является основной движущей силой для механизма освоения инноваций, который, в свою очередь, и способен обеспечить на сегодняшний день развитие эффективного и конкурентоспособного сельскохозяйственного производства.
Рассмотрим это на примере отдельных групп потребителей первичных энергоносителей в сельскохозяйственном производстве. Для обогрева производственных и бытовых помещений, а также для получения теплой технологической воды, в современном сельском хозяйстве РФ используются котельные или иные нагревательные устройства, не вырабатывающие электрическую энергию. При этом эксэргия первичных теплоносителей фактически не используется и эффективность их использования очень низкая. Такие устройства для обогрева помещений целесообразно реконструировать мини – ТЭС. Часть электроэнергии, вырабатываемой ТЭС при этом может быть использована для кондиционирования производственных и бытовых помещений с помощью обратимых тепловых насосов. У современных конструкций обратимых тепловых насосов коэффициент преобразования теплоты окружающей среды в энергию обогрева достигает 560%, а в энергию холода – 450%.
Использование подобных систем в сельском хозяйстве позволит увеличить коэффициент эффективности использования первичных энергоносителей в 3-5 раз, что приблизит этот показатель к среднемировому значению. Ещё большего повышения этого показателя можно достигнуть путем совершенствования конструкций обратимых тепловых насосов благодаря учету особенностей их основного рабочего процесса фазового перехода – испарение-конденсация.
Отметим, что до выполнения фундаментальных исследований в ВИЭСХ по обоснованию закона выживания и принципа энергетической экстремальности самоорганизации, основным рабочим процессом тепловых насосов и холодильных машин ошибочно считали обратным циклом Карно. Это ошибочное теоретическое представление в известной мере сдерживало дальнейшее развитие и применение этих особо высокоэффективных низкотемпературных преобразователей энергии, использующих наиболее доступный и повсеместно распространенный возобновляемый источник энергии – теплоту окружающей среды.
Рассмотрим возможность применения названных фундаментальных и прикладных инновационных достижений для повышения эффективности работы машин и устройств с двигателями внутреннего сгорания сельскохозяйственного назначения. Теоретического обоснования возможности «работы двигателя с циклом, больше цикла Карно» [5] нам не удалось найти. Это обоснование возможно только на основе принципа энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции, который логически концептуально объединяет в виде зеркальной динамической симметрии второе начало термодинамики и противоположный ему по сущности закон выживания (рис.1).
Рис. 1.
Как известно, теоретический (термодинамический) КПД тепловых двигателей, работающих по циклу Карно, определяется по формуле Карно:
, (1)
где Т0-температура на выходе, Т1-температура на входе.
В фундаментальном труде Д.Х. Базиева справедливо отмечено [6, с.44]: «… цикл Карно непременно сопровождается фазовыми переходами рабочего тела…». Формула Карно (1) учитывает КПД двигателя, обусловленный только температурным градиентом теплоносителя, используемого двигателем. Влияние фазовых переходов, имеющих место в цикле Карно, эта формула не учитывает. К сожалению, до сих пор методика определения эксергии фазовых переходов ещё не разработана. В первом приближении эксэргия фазового перехода жидкость-пар может быть определена по скрытой теплоте фазового перехода. Однако в тепловых двигателях, работающих по циклу Карно, могут иметь место и другие виды фазовых переходов. Например, переход водяного пара в газ, диссоциация воды на водород и кислород. Последнее подтверждает такую прикладную инновацию, как добавление в двигательное топливо диспергированной воды. Эта технологическая инновация получает всё большее развитие и, как видим, имеет теоретическое научное объяснение на основе рассмотренной фундаментальной инновации.
Третий вид прикладной инновации, пригодной для решения рассматриваемой проблемы, был обоснован фундаментальными исследованиями по разработке эксэргетического анализа биоконверсии энергии растениями. Он также теоретически связан с принципом энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции.
В ВИЭСХ [7] разработан метод расчетного и приборного определения эксэргии оптического излучения применительно к процессу преобразования его в процессе фотосинтеза растений. Совместно со Всероссийским научно-исследовательским институтом оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) Госстандарта РФ разработана первичная метрология измерения величины эксэргии оптического излучения для растениеводства. На созданный ВИЭСХом прибор для измерения этой величины от ВНИИОФИ получен сертификат как на измерительное устройство.
Величина эксергии оптического излучения для растениеводства использована в качестве исходной величины для разработки системы основных агроэкологических величин (агроклиматический и мелиоративный потенциалы угодия, его плодородие и др.). Все эти величины определены количественно и взаимосогласованно. Они выражены в одинаковых единицах эксергии (свободной в отношении фотосинтеза энергией).
Применение этих величин позволило разработать компьютерную технологию энерго-, ресурсосберегающей и экологосовместимой оптимизации производства продукции растениеводства. Использование такой системы позволяет устанавливать оптимальное соотношение элементов трёх групп множеств:
1) альтернативные виды (сорта, гибриды) для получения требуемой продукции;
2) альтернативные земельные угодия;
3) агротехнологии с техническими средствами их осуществления.
Повышение эффективности использования первичных энергоносителей в этом случае достигается за счет оптимизации сочетания этих трёх групп множеств, которые обеспечивают за счет более эффективного использования природных ресурсов повышение продуктивности (урожая) растений.
Литература
1. Энергетика России: проблемы и перспективы. М. Наука, 2006.
2. Бушуев В.В. Энергетический потенциал и устойчивое развитие, М., 2006.
3. Свентицкий И.И. Принципы энергосбережения в АПК. Естественнонаучная методология. М, ВИЭСХ, 2001.
4. Свентицкий И.И Этого быть не может!? /Топливно-энергетический комплекс. 2005, № 1-2, с. 272-274.
5. Бакумцев Н.И., Пресс-релиз международного симпозиума «Перестройка Естествознания и Общества»-2005 // Москва-Волгодонск, Россия, Труды Межд. Интелл. Фонда «Перестройка Естествознания» — 2005.
6. Базиев Д.Х. Основы единой теории физики. М., «Педагогика», 1994.
7. Обыночный А.Н. Определение эксэргии оптического излучения (ОИ), как аксиома земледельческой механики и теории аграрных знаний. //Научные труды ВИМ, т. 150, М., 2003, с. 114-124.