Management of Production Systems with support of Information Technologies and Control Engineering Nitra, 19.-20. september 2006
S W 321 X
VLIV TECHNICKÝCH SYSTÉMŮ NA SPOTŘEBU ENERGIE NA FARMÁCH PRO CHOV DOJNIC INFLUENCE TECHNICAL SYSTEMS ON THE ENERGY CONSUMPTION ON DAIRY FARMS JIŘÍ VEGRICHT, ANTONÍN MACHÁLEK Research Institute of Agricultural Engineering, Prague, Czech Republic
Abstract: The electric energy consumption on dairy farms depends on their technical equipment and breeding realised technology and varies in relative wide range (420-1060 kWh per cow and year). The energy specific consumption depends besides it also on breeding animals milk yield. To ensure real consumption of energy and water more than one–year measurements of course and consumption of energy was carried – out on some dairy farms and investigated their change within the year in dependence on outdoor temperature, day length and breeding used technology. It was found – out that in the summer period the electric energy consumption is reduced almost by 35 % in comparison with winter period. The most important share on electric consumption is consumption on milking, milk cooling and preparing of hot water, which is up to 80 % from the total energy consumption on farm. The highest consumption of electric energy has the milk cooling and it is 36% of total farm consumption. Keywords: energy consumption, dairy farm, technology ÚVOD Náklady na energii představují významnou položku celkových nákladů na výrobu mléka a jsou proto hledány cesty jak snížit spotřebu energie na mléčných farmách. Z odborné literatury jsou známy některé údaje o celkové i měrné spotřebě energie při výrobě mléka. Většinou jsou však uváděny údaje o celkové spotřebě energie na celé farmě nebo naopak údaje o spotřebě na dílčí pracovní operace (dojení, chlazení mléka, sanitaci apod). Např. Společnost pro elektrifikaci zemědělství AEL (Arbeitsgemeinschaft für Elektrizitätsanwendung in der Landwirtschaft) doporučuje jako kalkulační hodnotu používat spotřebu el.energie ve výši 5 kWh/100 kg mléka, tj. (při roční užitkovosti 7000 l/dojnici ) spotřeba 350 kWh/dojnici a rok. Naproti tomu měření provedená na sasských mléčných farmách, které se svou velikostí a používanou technologií podobají českým mléčným farmám, byla zjištěna spotřeba el.energie na jednu dojnici/rok v rozmezí 253-1200 kWh a průměrná spotřeba činila 535 kWh/dojnici/rok. Metodika Pro zjišťování spotřeby elektrické energie na mléčných farmách byly využity archivované údaje jednotlivých podniků, dřívější měření autorů prováděné v rámci vyhodnocování ověřovacích provozů a cílově orientovaná měření přímo ve stájích a farmách. Pro časově orientovaný záznam průběhu spotřeby odebírané elektrické energie na vybraných farmách a u vybraných spotřebičů byly použity elektroměry s impulsním výstupem. Výstupní impulsy, které odpovídají kvantu 10 Wh, jsou ukládány do pro tento účel vyvinutého a vyrobeného autonomního záznamníku impulsů s dostatečně velkou pamětí a s možností komunikace s PC po standardním rozhraní RS 232 pro přenos naměřených a zaznamenaných hodnot do PC po ukončení měření. Záznamník má možnost volitelného nastavení záznamového intervalu od 1 sekundy do 60 minut. Nejčastěji byl používán záznamový interval 5 minut, který umožňuje získávat podrobnější informace než běžně používaný 15 minutový interval.
Management of Production Systems with support of Information Technologies and Control Engineering
S W 322 X
Nitra, 19.-20. september 2006
Během každého intervalu se počítá počet impulsů od elektroměru a celkový počet impulsů pro každý interval se zaznamená do paměti. Naměřené hodnoty byly řešiteli v pravidelných intervalech přenášeny z paměti záznamníků do přenosného počítače a archivovány v centrální databázi pro účely dalšího zpracování. Tímto způsobem byly získávány velice přesné a detailní informace o celkové spotřebě a průběhu spotřeby el.energie v průběhu dne, měsíce a roku. Získaná data byla s využitím běžných nástrojů programu Excel vyhodnocována a zpracovávána do tabulek a grafů. Byly zaznamenávány jednak celkové spotřeby elektrické energie na farmě během delšího časového období a jednak průběh spotřeby el.energie u dílčích technologických systémů dojení a chlazení mléka, krmení odklízení hnoje, osvětlení apod. Je důležité si uvědomit, že měrnou spotřebu el.energie je možné vyjádřit několika způsoby, z nichž každý má svou vypovídací schopnost, avšak jednotlivé hodnoty zjištěné za jinak stejných podmínek se mohou významně lišit. Měrná spotřeba el.energie na farmách pro chov dojnic je vyjádřená jednak v přepočtu na jedno ustájovací místo (UM), jednak v přepočtu na jednu fyzicky ustájenou dojnici (vychází z průměrného stavu dojnic ve stáji a farmě), případně je uváděna spotřeba na 1 krmný den (KD), která přesněji určuje skutečný stav. Vedle toho je uváděna měrná spotřeba vztažená na výrobu 100 l mléka. Údaj vztažený na 1UM vyjadřuje spotřebu elektrické energie, která do jisté míry není přímo závislá na počtu skutečně ustájených zvířat a je určitým vyjádřením charakteristických vlastností objektu. Jedná se např. o spotřebu energie na osvětlení, klimatizaci, odklízení hnoje shrnovací lopatou apod. Údaj vztažený na jednu ustájenou dojnici lépe vyjadřuje přímou spotřebu el.energie vyvolanou přítomností zvířat (dojení a chlazení mléka, přečerpávání kejdy ..) Údaj vztažený na jednotku produktu potom dobře vyjadřuje vliv užitkovosti na náklady na energii, které se promítají do výrobních nákladů jednotky produktu (100 l mléka, kg masa..). Výsledky Prvním důležitým výsledkem je skutečnost, že celková i měrná spotřeba el.energie je významně závislá na ročním období. Prakticky ve všech sledovaných případech byla spotřeba elektrické energie nižší v letním období než v zimě. To lze dokumentovat na grafu průběhu spotřeby el.energie na farmě pro 820 dojnic znázorněném na obr.1.
Spotřeba el. energie , kWh
40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000
Ju ly
gu st pt em be r O ct ob er N ov em be D r ec em be r Se
Měsíc
Au
Ju ne
ay M
ril Ap
br ua ry M ar ch
Fe
I.0 2
0
Figure1 Electric energy consumption on farm for 820 dairy cows - free box stable, herringbone parlour 2 x 2 x 6, milkstorage room for 15000 l
S
Management of Production Systems with support of Information Technologies and Control Engineering
W 323 X
Nitra, 19.-20. september 2006
800
30,0
700
25,0
600
20,0
500
15,0
400 10,0
300
5,0
200
0,0
100 9.11
31.10
22.10
4.10
13.10
25.9
7.9
16.9
1.8
23.7
14.7
5.7
26.6
17.6
8.6
30.5
21.5
3.5
12.5
24.4
6.4
15.4
28.3
19.3
1.3
-5,0 10.3
0
průměrná denní teplota [°C]
spotřeba el. energie [kWh]
Byla také prokázána významná závislost mezi průměrnou denní teplotou a celkovou spotřebou el.energie. Tato závislost je dokumentována v grafu na obr. 2 , který znázorňuje průběh spotřeby el.energie na farmě pro 360 dojnic s volným boxovým ustájením a dojením v rybinové dojírně. Tato závislost má výrazně exponenciální charakter a rozdíl mezi létem a zimou může činit až 50%.
denní spotřeba el. energie
průměrná denní venkovní teplota
Polynomický (denní spotřeba el. energie )
Polynomický (průměrná denní venkovní teplota)
Figure 2 – Course of daily electric energy consumption on the farm for 360 dairy cows with free litter box stand and milking in the herringbone parlour
To je způsobeno zejména nižší spotřebou energie na osvětlení, vytápění a chlazení a skladování mléka. Tento poznatek je velice důležitý např. pro stanovování normativů spotřeby energie. Pokud by byla prováděna jen krátkodobá měření bez zohlednění vlivu ročního období, byl by stanovený normativ chybný. Pro jeho správné a objektivní určení je dlouhodobé měření spotřeby energie nezbytné. Celková spotřeba el.energie je ovlivněna i celou řadou místních vlivů a specifik. Jedná se např. stavebně technické řešení farmy a stájí, použitou technologii, způsob řízení a organizace práce na farmě. Důležité může být i řešení sociálního zázemí pro obsluhu, osvětlení farmy a některých dalších nezbytných zařízení. Z doposud získaných výsledků je možné stanovit, že celková roční spotřeba el.energie ve vazné stáji s dojením na stání mobilním dojením a stacionární krmnou linkou vč. přípravny krmiva se pohybuje kolem 900 kWh/UM a 925 kWh/dojnici. Ve vazné stáji s dojením do potrubí a mobilní krmnou linkou je celková roční spotřeba el.energie nižší a činí 640 kWh/UM a 700 kWh/dojnici. Při ustájení dojnic ve volné boxové stáji a dojení v dojírně se zjištěná průměrná roční spotřeba el. energie pohybuje v rozmezí 365-900 kWh/UM a 420–1060 kWh/dojnici. Poměrně velký rozdíl ve spotřebě el. energie naměřený v praxi by mohl být zavádějící. Horní naměřené hodnoty ukazují na značně neefektivní využití el.energie pro výrobu mléka. Většina měřených stájí se vejde do hodnoty 700 kWh/UM. I tak je tato hodnota příliš vysoká a nesvědčí o velké péči managementu o úspory energie. Obdobné údaje publikované v odborné literatuře udávají spotřebu el.energie také ve velmi širokém rozmezí. Společnost pro elektrifikaci zemědělství AEL (Arbeitsgemeinschaft für Elektrizitätsanwendung in der Landwirtschaft) doporučuje jako kalkulační hodnotu používat spotřebu el.energie ve výši 5 kWh/100 kg mléka, tj. (při roční užitkovosti 7000 l/dojnici ) spotřeba 350 kWh/dojnici a rok. Naproti tomu měření provedená na sasských mléčných farmách, které se
Management of Production Systems with support of Information Technologies and Control Engineering
S W 324 X
Nitra, 19.-20. september 2006
svou velikostí a používanou technologií podobají českým mléčným farmám, byla zjištěna spotřeba el.energie na jednu dojnici/rok v rozmezí 253-1200 kWh a průměrná spotřeba činila 535 kWh/dojnici/rok. Vedle měření celkové spotřeby el.energie na výrobu mléka byla prováděna podrobnější měření spotřeby energie vybranými technickými systémy s cílem prohloubit poznání o průběhu této spotřeby, zjistit její podíl na celkové spotřebě a hledat cesty a místa, kde je spotřeba energie největší a tedy i úsporná opatření budou mít největší efekt. Jednoznačně největším spotřebitelem el.energie je dojírna s mléčnicí, která spotřebuje až 80 % celkové el.energie potřebné pro provoz farmy dojnic. Zajímavý je také podíl jednotlivých technických systémů na celkové spotřebě energie. Na obr. 3 je znázorněn výsečový graf podílu jednotlivých technických systémů na farmě pro 613 dojnic.
Osvětlení stáje Osvětlení dojírny 3% Manipulace s 2% kejdou Přihřívání 12% napajecích žlabů 3% Vytápění dojirny a soc. zázemí 21% Ohřev teplé vody 5%
Dojení 24% Chlazení mléka 30%
Figure 4 Share of technical system on electric energy consumption on the farm for 613 dairy cows free box stable, 24- rotary parlour, milkstorage room for 25 000 l
Nejvíce energie (30%) z celkové spotřeby činí spotřeba el.energie pro chlazení a skladování mléka. 24% celkové spotřeby jde na úkor provozu vývěv a sanitace dojicího zařízení, 21% el.energie je spotřebováno pro vytápění dojírny a sociálního zázemí, 5% je spotřebováno pro ohřev teplé vody v dojírně, 12 % na manipulaci s kejdou, 3% pro osvětlení stáje a 2 % na osvětlení dojírny dojírny Je tedy zřejmé, že hlavní podíl na celkové spotřebě el.energie na mléčné farmě činí spotřeba na chlazení a skladování mléka. Zde je také potřebné hledat a nejúčinněji realizovat opatření na spotřebu el.energie. Provozním měřením bylo zjištěno, že zatímco v zimním období (prům.teplota vzduchu kolem 5 oC) činí spotřeba el.energie na chlazení a skladování 5000 l mléka přibližně 80 kWh, vzrůstá tato spotřeba v letním období (prům.teplota vzduchu kolem 18 oC) na 115 kWh, tj. o více než 40%. To je důležitý poznatek pro projektanty. Chladící kondenzační jednotky zařízení pro chlazení mléka by měly být z toho důvodu umísťovány výhradně do míst s nejchladnějším okolním vzduchem (severní strana objektu, stín ..). Velký podíl na celkové spotřebě mléka na mléčné farmě má ohřev teplé vody. Pro ohřev teplé vody je velmi výhodné využívat teplo získané při chlazení mléka. To bylo prokázáno pokusem, kdy byla zjišťována průměrná spotřeba el.energie na ohřev vody bez rekuperace a při využití tepla získaného při chlazení mléka. Zatímco v prvním případě byla průměrná denní spotřeba el.energie na ohřev vody 101 kWh, klesla tato spotřeba na 51 kWh při využití vody
Management of Production Systems with support of Information Technologies and Control Engineering Nitra, 19.-20. september 2006
S W 325 X
ohřívané rekuperačními výměníky chladících kondenzačních jednotek pro napájení elektrických bojlerů . Voda ohřátá v zásobníku teplé vody rekuperačního výměníku je v tomto případě připojena na vstup studené vody el.bojleru. V bojlerech je potom tato voda jen dohřívána na potřebnou teplotu. Je tedy zřejmé, že rekuperace tepla při chlazení mléka je vede k významným úsporám (až 50%) el.energie potřebné pro ohřev teplé vody v dojírně a mléčnici. Z toho vyplývá jednoznačný požadavek, že žádné chladící zařízení by na mléčných farmách nemělo být instalováno a provozováno bez zařízení pro rekuperaci tepla odebíraného mléku při chlazení. Relativně malý podíl na celkové spotřebě el.energie v objektu dojírny má osvětlení dojírny (15-20 kWh/den), a spotřeba na sanitaci dojícího zařízení a chladících tanků. Spotřeba el.energie na osvětlení stájového prostoru je významně závislá na stavebnětechnickém řešení stáje (šířka, výška počet a velikost oken, velikost světlíku ..), množství a typu osvětlovacích těles a množství venkovního světla. Při našich měřeních byla prokázána významná závislost mezi spotřebou el.energie na osvětlení stáje a délkou dne (kolerační koeficient –0,807). V průběhu dalšího řešení bude spotřebě el.energie pro osvětlení stájových i jiných objektů věnována bližší pozornost s cílem nalézt, specifikovat a kvantifikovat opatření vedoucí k úsporám. Spotřeba el.energie na odklízení hnoje shrnovací lopatou je významně ovlivněna počtem vyhrnování (tj.počtem sepnutí) během dne. Zjištěná průměrná spotřeba el.energie na jeden vyhrnovací cyklus (krmiště a hnojná chodba o celkové ploše 445,5 m2 činila 0,95 kWh, tj. 0,21 kWh/100 m2 . ZÁVĚR Z doposud provedených měření spotřeby el,energie na mléčných farmách vyplývá, že celková spotřeba el.energie je závislá na použitých technologických systémech chovu a kolísá v průběhu roku především v závislosti na průměrné venkovní teplotě a délce dne. Rozhodující podíl na spotřebě el.energie činí spotřeba na dojení a chlazení mléka a ohřev teplé vody, která činí až 80 % z celkové spotřeby el.energie na farmě. Významným zdrojem úspor el.energie je zejména rekuperace tepla získávaného v průběhu chlazení mléka, kdy je možné ušetřit až 50 % el.energie potřebné pro ohřev vody. Abstract Spotřeba elektrické energie na mléčných farmách je závislá na jejím technickém vybavení a realizované technologii chovu. Měrná spotřeba energie je vedle toho závislá i na užitkovosti chovaných zvířat. Pro zjištění skutečné spotřeby energie a vody bylo provedeno více než jednoroční měření průběhu a spotřeby energie a vody na několika farmách dojnic a sledována jejich změna v průběhu roku v závislosti na venkovní teplotě, délce dne a použité technologii chovu. Byla zjištěno, že v letním období klesá spotřeba el.energie až o 35 % ve srovnání se zimním obdobím. Klíčová slova: spotrěba energie, mléčne farmy, technologii Tento příspěvek byl zpracován v souvislosti s řešením projektu NAZV MZe ČR č.QF 4145
Contact adress : Doc. Ing. Jiří Vegricht, CSc. Výzkumný ústav zemědělské techniky Drnovská 507 161 01 Praha 6 – Ruzyně Czech Republic E-mail:
[email protected],
