Энергия хмеля. В Чувашии учатся добывать электричество на хмельниках

В Чувашском государственном университете тестируют собственную агровольтаическую систему для выращивания хмеля. Группа аспирантов под руководством доктора технических наук, зав. кафедрой робототехники и прикладной механики Сергея Васильева трудится над проектом автономного хмельника, оборудование которого работает на энергии от солнечных панелей. Ученые рассказали Profibeer, как может выглядеть агропредприятие будущего.

Хмельники под солнечными панелями 

Агровольтаика — это перспективный способ совместить выращивание различных культур с выработкой электроэнергии при помощи солнечных панелей. Они затеняют растения, решая проблему засушливых регионов и сезонных засух, экономят воду для полива, а также аккумулируют электроэнергию и позволяют использовать ее на благо предприятия и даже продавать. Растения же охлаждают панели своим испарением, повышая их КПД.

Возможности агровольтаических систем используют за рубежом. 

— За границей лет десять назад стали появляться такие  опыты. Однако в растениеводстве технология пока не так часто встречается, — говорит Сергей Васильев.

Пожалуй, активнее всего ее применяют в Японии. Здесь действует целая государственная программа, которая позволяет фермерам зарабатывать на выработке электроэнергии. Например, в префектуре Тиба солнечные панели установлены на рисовых и овощных полях.

Во Франции солнечные панели тестируют в качестве замены затеняющим сеткам над виноградниками. Такой эксперимент с 2023 года проходит недалеко от Бордо, его курирует компания EDF Renewables, поставляющая решения для внедрения возобновляемой энергии, и французский Научный институт виноградарства и виноделия.

Непосредственно для выращивания хмеля солнечные панели первым начал тестировать немецкий производитель Hallertauer Handelshaus. Фермер Йозеф Виммер признался, что теперь он больше зарабатывает на электричестве, чем на хмеле: с одного гектара установка дает 840 МВт/ч в год. Согласно недавним подсчетам, она экономит 30-40% воды, препятствуя ее испарению, и не вредит выработке альфа-кислоты.

В условиях глобального потепления

Актуальность исследования, проводимого в ЧГУ им. Ульянова, объясняется глобальным потеплением. Из-за жары и засухи у хмеля замедляется рост лоз, а в шишках может нарушаться синтез альфа-кислоты. Не обошла эта проблема и Чувашию, хотя острее она стоит на юге страны:

— За последние годы заметно выросла среднегодовая температура, — говорит Сергей Васильев. — Хмельники страдают от глобального потепления повсюду — и в Европе, и в России. Особенно наша разработка может пригодиться в Краснодарском крае, где летом бывает экстремальная жара. Однако и в средней полосе агровольтаической системе найдется применение: у нас в республике лето все чаще выдается жарким и засушливым.

Действительно, каждые десять лет среднегодовая температура в Чуваши повышается на 0,25°C. С 1950-х по 2010-е она выросла с 2,8°C до 5°C* Заметнее других сезонов потеплело лето — на 2 градуса за 70 лет. В июне и июле все чаще случаются аномально жаркие дни.

Дозы солнца

В теории, излишнее затенение может повредить выработке «альфы», как и палящее солнце. Найти решение и просчитать, как хмель будет развиваться, получая большие или меньшие «дозы солнца»  — актуальная научная задача, которую ставит перед собой Сергей Васильев и его коллеги.

— С одной стороны, хмель — растение влаголюбивое, предпочитающее небольшое затенение. Если обратить внимание, в природе он растет в оврагах и вдоль речек — там, где прохлада и хорошая влажность. С другой стороны, тень должна быть оптимальной. Сейчас мы ждем самых главных результатов — замера концентрации альфа-кислоты. Это даст понимание, как солнечные панели над хмельником влияют на качество хмеля. Также мы замерили урожайность, зеленую массу и длину лозы. Оказалось, что затененные лозы дали на 5% меньше шишек, но, возможно, это произошло в рамках погрешности. Для получения более точного результата нам нужно оборудовать солнечными панелями большей участок и вывести среднее арифметическое. 

Как пояснил ученый, проблему излишнего затенения можно решить, если сделать солнечные панели частично пропускающими солнечный свет.

— Солнечная панель состоит из ячеек, которые расположены очень близко друг к другу для максимального эффекта. Как следствие, она практически светонепроницаемая. Но если мы расположим ячейки не столь плотно, она будет пропускать какой-то свет, но увеличится в размерах.  Совместно с чувашским заводом «Хевел», который специализируется на производстве панелей, мы задумали оптимизировать их специально под наши цели. В своих исследованиях мы используем их продукцию.

Если добиться оптимальной освещенности, можно добиться хороших результатов. Так, в немецком  институте солнечной энергетики Fraunhofer ISE тень от панелей помогла увеличить урожайность картофеля на 10% во время аномальной жары.

Установка солнечных панелей на опытном участке

«Система способна обеспечить электричеством коттеджный поселок»

Сергей Васильев рассказал о возможностях агровольтаической системы, разработанной в ЧГУ им. Ульянова. При установке 4 592 фотоэлектропанелей на площади 400 кв. хмельника она позволит аккумулировать 3 134 МВт/ч в год и обеспечить электричеством коттеджный поселок, небольшой отель, ферму или производственный цех. Этой электроэнергии хватит для питания систем освещения, кондиционирования, отопления (если оно электрическое), водоснабжения.

При таком сценарии агропредприятие станет на 90% более автономным в использовании электричества. Панели сэкономят 30% воды для орошения хмельника. А еще — снизят выбросы CO2. 

— Мы работаем над проектом автономного хмельника, который можно будет расположить вдали от электросетей, — говорит Сергей Васильев. — Агровольтаическая система сократит применение ручного труда, которого так много требуется для возделывания хмеля, и поможет ввести в эксплуатацию электромашины — например, дроны для опрыскивания, насосы, электрические трактора — такие как раз выпускает наш «Чебоксарский завод силовых агрегатов» (ЧЗСА). Все это можно заряжать при помощи солнечных панелей. Например, мы с аспирантами подсчитали, что для зарядки аккумулятора трактора производства ЧЗСА потребуется десять панелей и пять-шесть часов даже при условии небольшой облачности. Заряда хватит на весь день работы машины.

Выработка электроэнергии держится близко к пиковым значениям с марта по сентябрь — в тот период года, на который приходится основной объем работ. С октября по февраль установка переходит в «энергосберегающий режим».

«Разработка экономит 20 км проводов»

Автономный хмельник может быть экономически выгодным вложением для агропредприятий, если панели монтируются на этапе закладки насаждений. В этом случае хмельник должен окупиться за восемь лет.

— Стоимость одной панели — 10000-15000 рублей. Примечательно, что вся разработка довольно недорогая и выгодная до для использования именно в условиях хмельника, а не поля, ведь панели можно монтировать на шпалеры. В случае с другими культурами источником дополнительных затрат будет установка специальных столбов. Кроме того, мы просчитывали экономику и пришли к выводу, что установить панели при закладке хмельника будет проще и экономнее, чем на действующие насаждения. Если только речь не идет о небольшом участке, которого хватит, чтобы, например, обеспечить работу того же электрического насоса.

Помимо агровольтаической системы в ЧГУ под руководством Сергея Васильева разработали информационно-следящую систему для выращивания хмеля. При помощи оптических средств она будет отслеживать погоду, оценивать состояние насаждений и подсказывать, когда техника должна выходить в поле. Обе разработки планируется запатентовать, университет уже подал заявки в патентный отдел.

— Теперь дело за тем, чтобы найти заказчика который захотел бы внедрить нашу разработку у себя. Нашим заказчиками могут стать как производители сельскохозяйственных машин, так и агропредприятия, мы открыты для сотрудничества.

Сергей подчеркивает перспективность выбранного направления:

— Нашими разработками уже заинтересовалась компания, которая планирует оборудовать картофельные плантации в Нижегородской области. Наши решения помогут сэкономить 20 километров проводов.

* — отчеты швейцарской метеорологической службы Meteoblue, собирающей данные об изменении климата на всем земном шаре.

Яна Таранова