Исследование растения wageninge n c02 в тепличном садоводстве

ПРИКЛАДНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТЕНИЯ

WAGENINGE N

C02 в тепличном садоводстве

3-е издание

Прикладное Исследование Растения

Прежде известно как Станция Исследования для Цветоводства и тепличных овощей

Aalsmeer/Naaldwijk 1999
Предисловие

Важность углекислого газа (CO2) в росте растения общая понятна. Отсутствие углекислого газа в атмосфере вело бы к нулевому росту растения и, следовательно, к отсутствию животной или человеческой жизни на земле. Однако углекислый газ в действительности также имеет и отрицательную сторону. Согласно экспертам, большое увеличение в углекислом газе в атмосфере в течение прошлых 150 лет, от 280 частей на миллион (ppm) до 360 ppm, будет вести к глобальным изменениям климата и значительному повышению морских уровней. Это могло быть связано с различными экологическими бедствиями. Чтобы предотвращать это, политические деятели достигли глобальных соглашений, таких как Киото (1997), для того, чтобы уменьшать эмиссию углекислого газа. Текущая норма увеличения 1.5 ppm в год должна быть уменьшена! Тепличное садоводство разделяет эту ответственность. Сокращению эмиссии углекислого газа через более эффективное использование природного газа, первичный CO2 источник в садоводстве оранжереи, дали максимальный приоритет. Эта брошюра может внести вклад в выше сказанное. Это имеет дело с ботаническими, техническими и организаторскими аспектами CO2, с целью получения понимания того, как использовать CO2 более эффективно и как улучшить производство высококачественного изделия. Если в дальнейшем у вас возникнут вопросы об использовании CO2 после чтения этой брошюры, пожалуйста, зайдите на Интернет сайт PPO: www.ppo.wur.nl.

Доктор Г.А. Ван ден Берг

Глава Отдела Климата теплицы и Технологии, PBG

Много людей были вовлечены в компонирование этой брошюры. Имена авторов и тех, кто помогал, обеспечивая важную информацию, упомянуты ниже. Соответствующая глава/главы, которым они содействовали, показаны в скобках.

Ministerie van Landbouw, Natuurbeheer en Visserij Postbus 20401 2500 EK Den Haag The Netherlands

Дозирование углекислого газа стало неотъемлемой частью тепличного садоводства. Дополнительный углекислый газ или CO2 продвигают рост урожая, увеличивают производство и/или улучшают качество. В 1995, приблизительно 80 % фирм по тепличному садоводству использовали дозирование CO2.

50 % компаний дозируют, даже если нет требования тепла.

Даже хотя дозирование CO2 использовалось в течение некоторого времени, есть все еще некоторые оставшиеся без ответа вопросы вокруг этой технологии. Некоторые вопросы новы, ответы на другие стали смутными через какое-то время. Есть много чего, что должно быть сказанным о CO2 и дозировании CO2. Со времен нашей предыдущей брошюры в 1988, произошло много новых разработок в области CO2.

Эта брошюра объясняет все последние достижения в знании о CO2 и дозировании CO2.

Авторы из широкого диапазона дисциплин были вовлечены в создание брошюры. Информация, которую она содержит, поможет Вам принимать решения по CO2 и дозированию CO2.

Брошюра состоит из пяти глав, которые детализируют ботанический, технический и экономический аспекты и аспект контроля дозирования CO2 в тепличном садоводстве, а так же обеспечивают общую информацию. Экологические и правительственные требования также играют чрезвычайно важную роль. Раздел 1.4 кратко описывает экологические аспекты дозирования CO2. Глава 2 описывает ботанические аспекты CO2. Последний раздел этой главы охватывает возможные неблагоприятные эффекты дозирования CO2, такие как повреждения, вызванные передозировкой и/или загрязнением. Глава 3 описывает технические аспекты дозирования CO2 и различные источники CO2. Глава 4 обсуждает аспекты управления дозированием CO2. Требование CO2 и требование тепла не всегда совпадают. Экономические факторы определят, как достичь равновесия в этой ситуации. Различные варианты и стратегии рассчитаны на основе двух примеров зерновых культур в главе 5.

Большинство разделов в брошюре могут читаться независимо. В результате, повторение некоторой информации неизбежно. Однако это предотвращает читателя от постоянного просматривания документа в поисках информации.

Внешнее значение

Брошюра относится к внешнем значении CO2. Эта концентрация повышается ежегодно на 1 - 1.5 %. Ежегодным национальным средним числом за внешнюю концентрацию в 1996 были 0.036 % или 360 ppm согласно данным от KNMI (Королевский голландский Метеорологический Институт). Внешнее значение CO2 сильно колеблется и в течение дня и в продолжение сезонов. Зимой внешняя концентрация выше, чем 360 ppm, но в течение лета она ниже. Цифра 1 показывает среднее число еженедельного значения в промежутке 1992-1996, измеренное в PBG в Naaldwijk. На внешнюю концентрацию также влияет направление ветра, скорость ветра и выхлопные пары, так что могут быть огромные различия между местными значениями и национальным средним числом. Большинство вычислений, данных как пример, в этой брошюре базируется на внешнем значении в 350 ppm. В терминах заключений, которые могут быть получены, это более или менее несоответствующее, используются ли 340, 350 или 360 ppm как директива. 350 ppm - близко к летнему внешнему значению.

CO2 или углекислый газ – это бесцветный, неогнеопасный, неядовитый газ с пощипывающим вкусом и запахом, он используется в газированных безалкогольных напитках и в других применениях. Он встречается естественно в воздухе в концентрациях 350-360 ppm (частиц на миллион или ppm). Эта концентрация увеличивается на 1-1.5 % каждый год, в особенности в результате высокой CO2 эмиссии от мира, который становится все больше и больше индустриализированным! Говоря химическими терминами, CO2 – состав, состоящий из 1 углеродного атома и 2 атомов кислорода. В газовой форме CО2 легко растворим в воде (сверкающая вода). Жидкий CO2 сохраняется в стальных резервуарах. Когда жидкость испаряется, при контакте с воздухом, внезапное увеличение в объеме вызывает эффект охлаждения, который производит белые хлопья. Это называют снегом углекислого газа или сухим льдом. Определенная тяжесть CO2 в 0 °C и 1013 kPa (1 атмосфера) – 1,97 кг/м3. Его точка кипения (в 1013 kPa) - 78.5 °C.

CO2 - приблизительно 1.5 раза веса воздуха. Это – не проблема, поскольку газ стремится достичь сбалансированного распределения на месте. CO2 не падает на землю. Один m3 внешнего воздуха содержит приблизительно 0.7 г CO2.
Расчет CO2
В 20 °C и 1013 kPa применяется следующее:

СО2 в воздухе

1 ppm = 1 vpm = 1.53 мг CO2/kg воздуха = 1.83 мг CO2/m3 воздуха

= 41.6 uniol/m3 = 0.101 Pa

1 vpm (часть объема на миллион) = 0.0001 % объема = 1ml/m3 = 1uJ/l 1 ppm (часть на миллион) = 1mmol/kmol 1 мг/кг (миллиграмм на килограмм) = 0.0001 % веса

Полностью выращенные активные культуры поглощают до 5-8 г CO2 на m2 в час.

1 г / (m2.h) « 6.3 u,mol/(m2.s)

Дозирование СО2

1 литр CO2 весит 1.78 г в 20 °C

1 кг CO2 эквивалентен 555 литрам в 20 °C

1 м3 природного газа производит 1.78 кг C02, округленного к 1.8 кг (основанный на голландском Slochteren природном газе)

1 кг CО2 происходит из 0.56 м3 газа

Теплица со средней высотой 5 м имеет объем 50 000 м3

и, при такой же концентрации CO2, как у обычного внешнего воздуха, содержит приблизительно 35 кг

CO2. Это то же самое, поскольку количество CO2 в 20 м3 воспламеняло природный газ.

Тепличные овощи: 40 – 80 м3 на га в час; с буфером 80 - 120 м3

Срезанные цветы:

40 – 60 м3 на га в час; с буфером 40 - 90 м3

Горшечные растения:

так же, как срезанные цветы

Потребление газа 60 м3/(га/час) равняется 100 кг CO2/(га/час)

Низкое положение горелки; 25 м3 газа/(га/час) = 45 кг/(га/час) = 4.5 г/(м2/час) обычно достаточно для поддержки 350 ppm.

Приблизительно 32.3 кг/м2 дозируется ежегодно.
1.4 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ CO2

В 1993, было установлено долгосрочное энергетическое соглашение (MJA-E) между правительством и промышленностью садоводства. Цель энергетического соглашения состояла в том, чтобы улучшить эффективность энергии на 50 % к 2000 году с 1980 как основным уровнем. Эффективность энергии была определена как первичное потребление топлива на единицу изделия. Цель энергетического соглашения базировалась на национальной цели CO2 в национальном Экологическом Плане Политики голландского правительства Плюс (NMP +). Правительство хотело, чтобы абсолютная CO2 эмиссия в 2000 была на 3 % ниже, чем в 1990. Цель на 2010 – 10%-ое сокращение по сравнению с уровнями 1990. Если попытки, сделанные сектором, не достаточны, чтобы оправдать надежды, есть реальный шанс того, что правительство наложит обязательные требования. Для того чтобы оправдать цели и избежать наложения принудительных требований, необходимо, чтобы CO2 и энергия использовались бережно. К концу 1997, результатом энергетического соглашения были 42 %. Это означало, что были другие 8 %, которых нужно было достичь к 2000. В результате, эффективность CO2 (то есть эмиссия CO2 на единицу изделия) также улучшается и поэтому способствует национальной цели CO2. Таблица 1 показывает различные источники эмиссии углекислого газа с их ежегодной выработкой CO2. Тем временем, долгосрочные соглашения были установлены с множеством этих производителей для того, чтобы ограничить эмиссию CO2.

Садоводческая промышленность была ответственна за испускание 8.0 миллионов тонн CO2 в 1996. Это на 12 % больше, чем в 89/90! (источник: LEI-DLO).

Таблица 1 Ежегодная эмиссия CO2 из различных источников в миллионах кг (1000 тонн) источник: CBS 1995

Оценено, что CO2 ответственен за 55 % парникового эффекта. Это происходит, когда вещества в атмосфере сохраняют тепло, излучаемое землей, результатом чего является увеличение температуры и возможные изменения в климате. Подсчеты показали, что увеличение CO2 во внешнем воздухе приблизительно к 600 ppm имеет результатом повышением температуры от 1.5 к 4.5 °C. В 1987, среднее ежегодное увеличение концентрации CO2 в воздухе было 1.5 ppm, которое основывалось на глобальном потреблении энергии в то время.

CО2 также действует как слабая кислота. Она растворяет известь, что приводит к эрозии памятников и зданий. Другие элементы в эмиссии дымоходного газа такие, как CO, NO и NO2, также имеют отрицательное воздействие на окружающую среду. Окиси азота повреждают растения и содействуют кислотному дождю. Этиленовые и взаимодействующие вещества способствуют формированию смога. Смог может причинить проблемы с дыханием у людей.

CO2 всегда выпускается в сгорании углеродистых составов, таких, как газ, для того, чтобы генерировать электричество и/или тепло. Лучший способ ограничивать эмиссию CO2 состоит в том, чтобы использовать энергию настолько эффективно насколько это возможно и ограничивать использование энергии в максимально возможной степени.

Важная разработка в этой области – использование Связей-энергии-тепла (H/PL или H/P) с очисткой дымоходного газа. Они позволяют электричеству, теплу и CO2 быть полученными из природного газа и затем использоваться, приводя к уменьшению загрязнения воздуха. Необходимо, чтобы H/PL и сочетание буфера тепла, и успешные соглашения с поставщиками электричества было способным использовать эти продукты (тепло, электричество и CO2) для максимального эффекта. Использование чистых методов сгорания, таких, как горелки Низкого-NOx, является также существенным.

Использование дозирования CO2 может быть разделено на две общих ситуации. В первой ситуации, используется CO2, выпущенный от топлива, сжигаемого, чтобы нагревать теплицу. Во второй ситуации, нет потребности в тепле, но все еще есть потребность в CO2.

Это часто имеет место в первой ситуации, что выпускается слишком много CO2: например, интенсивность света

может быть низкой, или урожай не может использовать весь доступный CO2. Идеальное решение было бы хранить этот излишек CO2 для более солнечных периодов. К сожалению, этот тип Хранения - Все еще слишком дорогой, в этой ситуации, единственный способ ограничить эмиссию CO2 – это экономить энергию. Есть множество способов эффективного использования энергии, включая:

- использование остаточного тепла от третьих лиц;

- использование или улучшенное использование экранов энергии;

- достижение хорошего распределения климата в теплице;

- использование самого подходящего операционного оборудования. Во второй ситуации, где требования энергии не достаточно для того, чтобы обеспечить требование CO2, казалось бы, единственным способом ограничивать эмиссию CO2 было бы уменьшение или прекращение дозирования. Однако, это не всегда желательно. Эта ситуация происходит при условиях, где есть очень высокая интенсивность света. Дозируя при этих условиях, производство на единицу используемой энергии увеличивается и, в результате, повышается эффективность энергии. CO2 производится дополнительным сжиганием топлива или снабжением чистого CO2, а не очищением дымоходных газов откуда-нибудь еще. В течение сжигания топлива, тепло выпускается, что может не всегда использоваться. В этом случае, улучшение эффективности энергии расходится с экономией энергии и ограничением эмиссии CO2. К счастью, есть различные варианты для того, чтобы решить эту дилемму.

Использование тепло хранения представляет самое простое решение. Газ сжигается в течение дня. Дымоходные газы используются для дозирования CO2, и тепло сохраняется в буферном баке. Это тепло используется ночью для отопления теплицы. Использование буфера имеет много преимуществ и с экономической и с экологической точки зрения, если для дозирования CO2 используется минимальная температура воды. В последнем случае, тепло, которое является бесполезным, в той специфической точке вовремя выпускается. Однако, несколько садоводческих предприятий имеют буфера тепла с достаточной вместимостью. Исследование, выполненное Институтом Сельскохозяйственной Экономики (ИСЭ) показало, что в 1995 только 14 % предприятий по садоводческим теплицам имели буфер, главным образом используемый производителями овощей. Четверть производителей овощей имела буфер, но три четверти буферов были слишком маленькие для самого эффективного использования. Это означает, что есть дальнейшие возможности для сектора, чтобы делать сбережения, если больше компаний купят буфер или установят буфер с адекватной вместимостью. Пока, только тепло хранение в период 24 часов экономически выгодно. Это не вопрос во время хранения летнего тепла для использования в течение зимы, но мы работаем над этим.

Вторая опция – использование очищенных дымоходных газов от системы H/P. H/P система производит меньше тепла на единицу CO2 по сравнению со стандартным котлом. Это означает, что излишек тепла происходит менее часто. Этот метод работает только, если электричество, которое вырабатывается в то же самое время, также используется, или в самом рассаднике, или обеспечивая третьи лица. Очистка дымоходных газов H/P также вносит вклад в сокращение эмиссии NO_X. В будущем, инструкции, касающиеся поставок электричества, будут расширены, так, чтобы внутреннее управление станции H/P в соединении с коллегами или даже в садоводческой области стало более привлекательным предложением.

В ситуациях, где нет буфера и/или нет очистки дымоходного газа на H/P, вентиляция может быть ограничена, если есть много света. Это уменьшает потерю вентиляции и увеличивает концентрацию CO2 в воздухе теплицы. В результате немного поднимается температура, но это может часто быть компенсированным путем поддерживания немного более низкой температуры ночью. Тогда незначительно меньше топлива должно быть сожжено ночью, чтобы достигнуть требуемой температуры за период 24 часов. Это называется как температурная интеграция. И снова это вносит вклад в снижения в потреблении энергии и эмиссии. Исследование показало, что для большинства культур средняя 24-часовая температура более важна для роста и развития растения, чем точный день и ночные температуры.

Четвертая опция – использование чистого CO2. Одно из главных преимуществ этого метода – то, что риск повреждения урожая (например, от NO_X и этилена) минимизирован. Чистый CO2 – все еще дорогой, но предпринимаются основные шаги для того, чтобы получать и/или распределять более дешевый CO2. Большие отрасли промышленности в 'Rijnmondgebied' (область дельты Рейна) интересуются поставкой их излишка CO2 в Уэстленд. Они вкладывают капитал в исследование новых методов получения чистого CO2 от промышленных дымоходных газов (например, мембранная технология) и в новые распределительные методы, такие как трубопровод ниже 'Nieuwe Waterweg¹.
Новые садоводческие области имеют существенные возможности экономии энергии и уменьшения эмиссии CO2, путем использования остаточного тепла и очищенных дымоходных газов от электростанций или других промышленных производителей. Фактически, должны быть наложены ограничения, чтобы предотвратить проекты по остаточному теплу от запуска, если не было найдено решение об обеспечении CO2. Объединенный проект остаточного тепла (тепло и CO2) превращает рыночного садовода в потребителя, который тратит энергию впустую, вместо производителя, тратящего энергию впустую. Использование первичной энергии в садоводстве уменьшается, поэтому;

улучшается эффективность энергии и сокращается эмиссия CO2. Это – очень привлекательная опция с экологической, финансовой и социальной точек зрения.

В 1996 доля тепла от третьих лиц была 8 %, так что была хорошая экономия 5 % на первичном использовании сектором (Источник: LEI-DLO).

Пункт часто сделан так, что садоводческая промышленность, по сравнению с другими 'энергетическими горелками', имеет возможность использовать немного из выпущенного CO2. В самых благоприятных обстоятельствах, это только приблизительно 10 % CO2, произведенного садоводством через год, остальное вытекает через оконные вентили или дымоходы. CO2 сохраняется растениями и не выпускается в атмосферу непосредственно. Однако, это не может рассматриваться как сокращение эмиссии. Когда разрушается урожай (например, на куче компоста, в сгорании отбросов или в животе), CO2 все еще выпускаются. В терминах парникового эффекта не имеет значения, выпущен ли CO2 непосредственно в течение сгорания или позже, когда материал растения распадается. Питание растений с CO2 не ограничивает эмиссию, а просто откладывает её.