Kasvinviljelyn energiankulutus Tapani Jokiniemi

Transkriptio

1 Kasvinviljelyn energiankulutus Tapani Jokiniemi Maataloustieteiden laitos / Tapani Jokiniemi /

2 Energia ja maatalous Energiasuhde kuvaa tuotteiden sisältämän energian suhdetta tuotannossa käytettyyn energiaan: = Maatalous on harvoja tuotannonaloja, joissa energiasuhde voi olla yli yhden Viljanviljelyssä energiasuhde on selvästi yli 1 Kotieläintaloudessa usein alle 1 Auringon säteilyenergiaa ei yleensä oteta huomioon Energia-analyysit eivät useinkaan ole yksiselitteisiä, vaan tulokset riippuvat systeemirajauksista

3 Energia ja maatalous Kasvit muuttavat auringon säteilyenergiaa kemialliseksi sidosenergiaksi noin prosentin hyötysuhteella, kun aurinkosähkökennojen hyötysuhde lähentelee jo 20 % Mitä tästä voi päätellä peltobioenergian tuotannon järkevyydestä? Kun maatalous tuottaa ruokaa, on hyväksyttävää että tuotannossa kuluu enemmän energiaa kuin syntyy (E R < 1)

4 Maatalouden energian käyttö Maa- ja puutarhatalouden osuus suorasta energiankulutuksesta on noin 3 % Osuus BKT:stä noin 2 % Eniten energiaa kuluttaa lypsykarjatalous Myös siitä valtaosan kuluttaa nurmen ja rehuviljan viljely Lähde: Tike, 2010

5 Maatalouden energian käyttö Tuotannon hallinta, esim.: Viljelytoimien ajoitus, ajallisuus Kasvinsuojelu Maan kasvukunnosta huolehtiminen jne. Iso vaikutus energiataseeseen Menetelmätason valinnat, esim.: Muokkausintensiteetti Perinteinen kyntöön perustuva, kevennetty muokkaus, suorakylvö Viljansäilöntä Kuivaus vs. tuoresäilöntä Iso vaikutus suoraan energiankulutukseen Sovellustason toiminta, esim.: Tietotaito olemassa olevan teknologian käyttöön Työkoneiden käyttö ja säädöt Traktorin ajotapa Koneiden ja laitteiden energiatehokkuuden parantaminen Kohtalainen vaikutus suoraan energiankulutukseen

6 Energiankulutuksen ilmoittaminen Pinta-alayksikköä kohti Hyvä tapa esim. työmenetelmien vertailuun Yleisluontoisiin energia-analyyseihin käyttämällä keskimääräisiä lukuja Esim. polttoaineen kulutus l/ha Ilmoittaa energiankulutuksen mutta ei kerro mitään energian käytön tehokkuudesta Tuotettua yksikköä kohti Energiatehokkuuden mittari Esim. polttoaineen kulutus l/t, J/kg, kwh/kg Kertoo energiasuhteen kun ilmoitetaan tuotteen energiasisältöä kohti, esim. J/J

7 Energian käyttö kasvinviljelyssä Suora energia Polttoaineet Polttoaineet Sähkö Viljelytoimet Sadon säilöntä ja varastointi Epäsuora energia Kemikaalit Siemenet Lannoitteet Koneet Kalkki Valmistus Kasvinsuojeluaineet Ylläpito Laitteet ja rakennukset Valmistus Ylläpito Säilöntäaineet

8 Energian käyttö kasvinviljelyssä Energian kulutuksen jakautuminen ohran, säilörehun ja sokerijuurikkaan tuotannossa (Mikkola & Ahokas, 2009)

9 Ohran viljelyn energiapanosten jakauma, kokonaispanos kwh/ha Ruiskutus (2 x) 2 % Kylvö 2 % Kuljetus pellolta talouskeskukseen 0 % Puinti 11 % Kuivaus 11 % N 30 % P 3 % K 3 % Kalkin levitys 0 % Siemen 7 % Agrokemikaalit 49 % Kalkin valmistus 8 % Kylvömuokkaus 5 % Tasausäestys 2 % Kyntö 11 % Kasvunsääde 1 % Rikkakasvien torjuntaaine 3 % Tautien torjunta-aine 1 %

10 Keskimääräisiä polttoaineenkulutuksia Polttoaineen kulutus eri peltotöissä Pyöröpaalaus Heinän niitto Leikkuupuinti Kasvinsuojeluruiskutus Lannoitteen levitys Suorakylvö Kylvölannoitus Äestys Tasausäestys Lautasäes Kultivaattori Kyntö l/ha Vaihtelu polttoaineen kulutuksessa on suurta Maalajit, olosuhteet ja sato vaikuttavat

11 Polttoaineiden kulutus viljanviljelyssä Esimerkki tavanomaisesta, kyntöön perustuvasta viljantuotantoketjusta: 20 l/ha 10 l/ha 5 l/ha 2 l/ha l/ha 5 l/ha 55 l/ha + + = 107 l/ha

12 Polttoaineiden kulutus viljanviljelyssä Esimerkki suorakylvöön kyntöön perustuvasta viljantuotantoketjusta: 8 l/ha 2 x 2 l/ha = 4 l/ha 10 l/ha l/ha 55 l/ha + = 82 l/ha (- 25 l/ha, 23 %) Kevennetyn muokkauksen energiankulutus on yleensä jotain näiden väliltä.

13 Koneiden kunto, säädöt ja käyttö Koneiden kunto, säädöt ja käyttötapa vaikuttavat polttoaineen kulutukseen Työkoneiden yhteensopivuus traktorin kanssa (teho, paino ) Esim. leikkuupuinti tarpeettoman lyhyeen sänkeen lisää puimurin läpi kulkevaa massavirtaa ja polttoaineen kulutusta Kyntövastus kn Kyntövastus N/dm2 Multamaa Hiesusavi ,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 Kyntösyvyys cm Auran sivuttaiskallistus º

14 Traktorin ajotapa Traktorinmoottorien hyötysuhteet ovat parhaimmillaan lähes 40 % Vastaa noin 210 g/kwh ominaiskulutusta Hyötysuhde ( = 1/ominaiskulutus) riippuu voimakkaasti moottorin kuormituksesta ja pyörimisnopeudesta Pienillä kuormilla moottorin hyötysuhde voidaan valita voimansiirron välitystä muuttamalla Moottorin ominaiskulutusta kuormituksen ja pyörimisnopeuden suhteen kuvataan ominaiskulutuskäyrästöllä

15 Ominaiskulutuskäyrästö Valtra T163e Direct, specific fuel consumption map Piste 1: n = /min q om = 350 g/kwh η = 24 % Piste 2: n = /min q om = 240 g/kwh η = 35 % Teho on sama molemmissa pisteissä! 2 1

16 Traktorin ajotapa Ominaiskulutus on pienimmillään kun pyörimisnopeus on lähellä suurinta vääntöä vastaavaa nopeutta ja moottorin kuormitus on korkea Teho = vääntö x pyörimisnopeus Kun pyörimisnopeus pienenee, mutta tehontarve pysyy samana, kasvaa moottorin vääntö samassa suhteessa Moottorin kuormitus (vääntö) nousee ja ominaiskulutus alenee Moderneissa traktoreissa automatiikka huolehtii samanaikaisesti moottorin nopeuden ja välityssuhteen valinnasta Toimii väsymättä ja paljon tarkemmin kuin ihminen

17 Leikkuupuinti Puinnin tehontarve on lähes suoraan verrannollinen puimurin läpi kulkevaan massavirtaan Vaikutus polttoaineen kulutukseen jopa kymmeniä prosentteja Sopivalla ajonopeudella saavutetaan riittävä moottorin kuormitus Vaikutus ominaiskulutukseen sama kuin traktorilla

18 Energian säästö viljan kuivauksessa Savukaasujen lämpöhäviöt, 0 15 % Polttimen säädöt, suuttimien kunto Lämmön talteenotto, jopa 50 % Poistoilman lämpö, vapaa + latentti, viljaan sitoutunut lämpö Kuivurin eristäminen, % Konvektion ja säteilyn aiheuttamat lämpöhäviöt Kuivauslämpötilan nostaminen, 0 10 % Kosteusyhtälöiden epälineaarisuuden hyödyntäminen Yökuivauksen välttäminen, 0 20 % Ylikuivaamisen välttäminen, %

19 Savukaasujen lämpöhäviöt Polttimen säädöt ja suuttimien kunto vaikuttavat palamisen tehokkuuteen Kuivurinuunien hyötysuhteet normaalisti noin 90 % luokkaa Polttimen ilmamäärän säätö vaikuttaa Savukaasujen lämpötilaan CO 2 pitoisuuteen häviöihin Energiansäästö 0 15 %

20 Lämmön talteenotto Siirretään lämpöä kuivurin poistoilmasta imuilmaan Voidaan saavuttaa jopa yli 50 % säästö energiankulutuksessa Lämpöpumppu? Suhteellisen monimutkainen rakenne Kallis, takaisinmaksuaika? Poistoilmassa on runsaasti pölyä ja roskia lauhdutin höyrystin kompressori

21 Lämmön talteenotto Passiivinen lämmönvaihdin Luokkaa % energiansäästöt mahdollisia Yksinkertainen rakenne mahdollinen Viikin tutkimuskuivuriin rakennettiin yksinkertainen aaltopeltilämmönvaihdin Energian säästö noin 15 % luokkaa Toimiva rakenne, pöly ja roskat eivät aiheuttaneet ongelmia

22 Kuivurin eristäminen Kuivurin lämpöeristyksen vaikutusta tutkittiin Viikin koetilan kuivurissa Energian säästö noin % eristämättömään kuivuriin verrattuna Kannattaa harkita etenkin jos Käytetään normaalia korkeampia kuivauslämpötiloja Kuivuri sijaitsee ulkoilmassa

23 Kuivauslämpötilan nostaminen Kuivausilman lämpötilan nostaminen alentaa energian ominaiskulutusta (kwh / haihdutettu vesikilo) Merkittävää vasta kun käytetään huomattavan korkeita lämpötiloja Energiansäästö n. 10 % luokkaa max. Ei sovellu leipä-, mallas- tai siemenviljalle Viljan elinvoimaisuus tuhoutuu Lämpöhäviöt lisääntyvät, eristäminen!

24 Yökuivauksen välttäminen Kuivauksen energiankulutus on suoraan verrannollinen ilman lämpötilan nousuun uunissa Kaksiliekkipolttimet pyrkivät pitämään kuivausilman säädetyssä lämpötilassa Jos ilmaa joudutaan lämmittämään x % enemmän, nousee energian kulutus x % Jos lämpötila päivällä on 20 C ja yöllä 10 C, ja kuivausilman lämpötila on 70 C, kuluu yöllä 20 % enemmän energiaa päiväkuivaukseen verrattuna

25 Ylikuivaamisen välttäminen Esim. 19 % vilja kuivataan 14 % kosteuteen => 33 l/ha, 16 % kosteuteen 20 l/ha. Säästetään lähes 40 %.

26 Viljankuivauksen haasteita energiankäytön kannalta Viljankuivurin käyttökausi on lyhyt Kiinteät kustannukset korkeat suhteessa käyttökustannuksiin Vuonna 2011 muuttuvat kustannukset olivat % kokonaiskustannuksista (Maatalouskalenteri 2014) Energian säästötoimiin ei kannata investoida paljoa, sillä investoinnit eivät useinkaan ehdi maksaa itseään takaisin Vertaa esim. puutavaran kuivaaminen Jos viljankuivureita käytettäisiin ympäri vuoden, olisi niissä kaikissa luultavimmin lämmön talteenotto ja lämpöeristys Kuivauksen tehontarve on suuri mutta hetkellinen Vaikeuttaa yhdistämistä muihin lämmitysjärjestelmiin Edullisinta viljan kuivaaminen on pellolla Aikainen kylvö, aikaiset lajikkeet

27 Vaihtoehtoiset viljansäilöntämenetelmät Pääasiassa tilan oman rehuviljan säilöntään Murskesäilöntä (naudat, siipikarja) Kokoviljasäilöntä (lihanaudat) Ilmatiivis säilöntä (naudat, siat) Jyväsäilöntä hapolla (naudat, siat, siipikarja) Vaihtoehtoiset säilöntämenetelmät tuovat usein myös merkittäviä taloudellisia säästöjä Vilja voidaan usein korjata tuoreempana -> joustavuutta sadonkorjuuseen

28 Vaihtoehtoiset viljansäilöntämenetelmät 0,25 Energian kulutus, kwh/kg (viljan kuiva-ainetta kohti) 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Kuivaus Ilmatiivis siilo Jyväsäilöntä vanhaan varastoon Jyväsäilöntä uuteen laakasiiloon Murskevilja, happo, laakasiilo Murskevilja, happo, tuubi, käytetty muovi energiaksi Polttoaine (suora) Sähkö (suora) Rakenteet (epäsuora) Säilöntäaine (epäsuora) Muovi (epäsuora) Kuivauksen energiankulutus viljan eri säilöntämenetelmistä on ylivoimaisesti suurin!

29 Lopuksi Tilojen energiansäästötoimissa kannattaa panostaa win-win tilanteisiin energian ja rahan suhteen Energiansäästö tuottaa myös taloudellisia hyötyjä Lukuisia mahdollisuuksia Vaihtoehtoisten viljansäilöntämenetelmien käyttöönotto Suorakylvö Typensitojakasvien käyttö (naudan)rehuntuotannossa (vähentynyt lannoitustarve + pienempi valkuaisrehulasku) Lämmön talteenotto maidon jäähdytyksessä Tehokas tuotanto = hyvät sadot ja tuotokset = onnistunut tuotannon hallinta Tarkoittaa usein myös tehokasta energiankäyttöä!