Vliv technologických systémů na spotřebu energie na farmách pro

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],