Обеспечение растущего спроса населения на продовольствие, энергию и воду при адаптации к изменению климата является чрезвычайно сложной задачей. В этом отношении биоэнергетика в сочетании с получением, хранением или утилизацией углерода является привлекательным решением как для удовлетворения потребностей населения, так и для компенсации выбросов углекислого газа (далее CO 2 ).
Целью данной статьи является изучение методов, использующих CO 2 для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и сокращения выбросов отработанных газов в атмосферу.
Углекислый газ — это диоксид углерода, который в химии представлен формулой CO2. Это газ без запаха и цвета, незначительный процент которого содержится в воздухе. Именно он является источником чистого углерода для растений, который лежит в основе всех их процессов жизнедеятельности. СО 2 играет очень важную роль в процессе фотосинтеза, давая возможность растительному организму производить энергию, необходимую для роста и развития. Без углекислого газа растения попросту погибнут, как человек без кислорода. Обогащение углекислым газом в сельскохозяйственных теплицах — это применение биологической конверсии, которое продемонстрировало повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Процесс повышения уровня СО 2 в атмосфере в основном происходит в тепличном климате из-за его закрытой конфигурации, которая позволяет контролировать внутренние климатические условия. В различных исследованиях изучалось влияние СО 2 на урожайность в теплицах, где реакция растений различается в зависимости от типа культуры и питательной среды, и где концентрации СО 2 от 500 до 1200 ppm показали повышение урожайности. Однако после определенного уровня СО 2 , примерно 1200 частей на миллион, добавление СО 2 имеет обратный эффект и может повредить растения. Помимо улучшения скорости фотосинтеза, что отражается на повышении урожайности, повышение уровня СО 2 также влияет на площадь листа, испарение влаги и проводимость устьиц. Например, эффективность использования воды сельскохозяйственными культурами для исследования огурца была снижена на 40 % при обогащении СО 2 . При повышении уровня СО 2 на 100 ppm проводимость устьиц исследованных растений — сладкого перца, огурцов и томатов — снижалась на 3–11 %.
С повышенным содержанием СО 2 уровень испаряемости растений уменьшается, что означает, что количество воды, выбрасываемой растением в атмосферу как за счет транспирации, так и за счет испарения, уменьшается. Это явление зависит от многих параметров, а именно от климатических условий, таких как солнечная радиация, температура и влажность, а также от характеристик типа культуры, таких как устьичная проводимость, индекс площади листьев и высота кроны. Рассмотрим модель для количественной оценки испаряемости культур и исследования влияния определенных климатических и специфичных для сельскохозяйственных культур параметров на испаряемость. Предложенная модель, модель Пенмана-Монтейта, объединила баланс энергии и перенос массы в одном упрощенном уравнении. В качестве эталонного метода по расчету эвапотранспирации в России долгое время рассматривали метод, основанный на совместном решении уравнений водного и теплового балансов по данным региональных метеостанций. Можно сделать вывод, что обогащение СО 2 повышает урожайность и снижает эвапотранспирацию в различных количествах и на различных уровнях в зависимости от типа культуры, климата или микроклиматических условий, а также от других методов выращивания, таких как применяемый тип орошения.
- Применение углекислого газа в тепличных хозяйствах.
Дозирование углекислого газа стало неотъемлемой частью тепличного садоводства. Дополнительная двуокись углерода или CO2 способствует росту сельскохозяйственных культур и увеличивает урожайность и/или улучшает качество. В 1995 году примерно 80 % тепличных садоводческих предприятий использовали дозирование CO 2 . 50 % компаний дозируют даже при отсутствии потребности в тепле. Углекислый газ может поступать в теплицы либо в виде чистого коммерческого CO 2 , из горелок, работающих внутри теплицы, либо в результате другой промышленной деятельности с отходами CO 2 . Горелки оказались эффективным и экономичным вариантом для обогащения CO 2 в теплицах, однако этот подход может привести к попаданию в теплицу других компонентов, таких как загрязняющие вещества NOx и SOx, которые могут повлиять на здоровье растений. Углекислый газ требует особого ухода и обработки для безопасного обращения и транспортировки. Хотя существует несколько вариантов транспортировки CO 2 , таких как корабли и грузовики, CO 2 транспортировка по трубопроводам считается менее затратным маршрутом, при котором экономия за счет масштаба становится возможной из-за большой пропускной способности трубопроводов. Однако стоимость транспортировки CO 2 по трубопроводам различается и может варьироваться в зависимости от операционной деятельности, состава и размера трубопроводов.
Предыдущие исследования изучали использование CO 2 в сельскохозяйственных теплицах, уделяя особое внимание проектированию и оптимизации теплиц, обогащенных CO 2 , с учетом коммерческого CO 2 или внутреннего сжигания в качестве источника. Однако CO 2 может быть получен разными путями, что приводит к различным экономическим затратам и нагрузкам на окружающую среду, связанным с улавливанием, обработкой, транспортировкой и, следовательно, использованием CO 2 . Следовательно, необходимо всесторонне оценить CO 2 обогащенная тепличная система, учитывая источник CO 2 и необходимые операции для безопасной обработки и подачи CO 2 в теплицы.
Исследование, оценивающее технические, экономические и экологические аспекты, а также охватывающее все сегменты и подсистемы этого пути (например, биоэнергетическая система, система улавливания углерода, транспортировка CO 2 , теплицы), является полезным и может способствовать лучшему пониманию перспектив коммерциализации этого направления использования. Таким образом, целью данного исследования является оценка технико-экономических и экологических характеристик интегративной системы CO 2 использование в сельскохозяйственных теплицах, от источника до поглотителя, в рамках более широкой взаимосвязи.
Помидоры выбраны в качестве культуры, выращиваемой в теплицах для количественной оценки воздействия обогащения CO 2 на сельскохозяйственные теплицы. В этом исследовании выбраны томатные культуры, так как они составляют одну из наибольшей доли среди овощей, выращиваемых в нашей стране. Однако методология, представленная в этой работе, является общей, поэтому ее можно распространить на другие культуры и другие культуры, географические местоположения. Размеры теплицы предполагаются 50х50х8 м.
Оптимальная дневная температура для выращивания помидоров составляет от 18 до 25 °C, поэтому необходимо поддерживать внутреннюю температуру в пределах рекомендуемой. Рассматриваемая в данном исследовании теплица имеет размеры 50 м в ширину и 8 м в высоту, имеет скатную крышу, в качестве укрывного материала используется. Считается, что изменение средней наружной температуры и солнечной радиации для каждого месяца года в зависимости от местоположения отражает изменения, воспринимаемые во внутреннем климате теплицы. Соответственно, солнечная радиация и температура наружного воздуха подаются на границу системы в виде теплового потока, а внутренняя температура воздуха оценивается для каждого месяца. Метод решения, выбранный в этом исследовании, отражает изменение температурного градиента в теплице на разных уровнях от земли и по горизонтальной оси в течение 7 часов. Это особенно полезно для обеспечения однородности температуры по всем тепличным растениям.
2. Физиология растений
Углекислый газ (CO 2 ) и вода (H 2 O) являются основой всех органических соединений. Растения поглощают
CO 2 через устьица в листьях. Затем вода и углекислый газ превращаются в сахар (C 6 H 12 О 6 ) в зеленых листьях. Этот процесс генерирует кислород (О 2 ). Это процесс преобразования происходит с помощью энергии, обеспечиваемой (солнечным) светом. Весь процесс преобразование световой энергии в химическую энергию (сахар) называется фотосинтезом.
Формула ниже показывает этот процесс в очень упрощенном виде (исходит слева направо):
Формула 1. 6 H 2 О + 6 CО 2 •=> C 6 Hi 2 О 6 + 6 О 2
3. Техническая оценка
Техническая оценка включает в себя всю энергетическую ценность всех произведенных товаров из системы, электроэнергии и помидоров, за вычетом всех энергетических потребностей интегрированной системы. Установлено, что предлагаемая система с обогащением CO 2 имеет чистую энергию 2,62 × 10 6 МДж/год. Было отмечено, что эта энергия ниже, чем у системы без обогащения CO 2 (1,37 × 10 7 МДж/год).
Это несоответствие можно объяснить дополнительными энергетическими потребностями системы, использующей CO 2 , в основном связанными с энергией для улавливания углерода. Эти результаты показывают, что значительная часть энергетических потребностей энергетической подсистемы этого пути компенсируется улучшениями в водной подсистеме за счет улучшения продовольственной подсистемы, что усиливает важность оценки связь.
Содержание CO 2 в атмосферном воздухе сравнительно невелико и составляло в 2000 г. 0,037 % по объему. Однако в посевах, лесах, травостое, на плантациях, на различных высотах от поверхности почвы в разные часы суток происходит то уменьшение количества CO 2 за счет фотосинтеза, то увеличение его концентрации за счет дыхания растений и особенно почвы. Ночью CO 2 накапливается в припочвенном слое воздуха. В естественных условиях при внесении органических и минеральных удобрений в почву усиливается жизнедеятельность бактерий (например, их дыхание), поэтому они выделяют больше CO 2 . В межклетниках листьев концентрация CO 2 может быть значительно ниже, чем в атмосфере.
Рис. 1. Зависимость интенсивности фотосинтеза хвои сосны от концентрации углекислого газа в воздухе
При концентрации С0 2 , равной 0,005 %, у С 3 -растений и при концентрации 0,0005 % у С 4 -растений скорость фотосинтеза равна скорости дыхания. Концентрация С02, при которой наступает равенство этих процессов, называется углекислотной компенсационной точкой.
4. Выводы
Таким образом, мы видим положительные стороны данного метода.
С одной стороны, решается проблема парниковых газов, а с другой стороны, увеличивается скорость роста растений.
Необходимо и дальше продолжить исследования в данном направлении, ведь используя бесплатный источник углекислого газа в виде отработанных паров котельной или другого производства связанного с выделением углекислого газа, можно существенно решить продовольственную проблему в нашей стране.
