Эксперимент ученых Сколтеха подтвердил, что почти четверть расходов на искусственное освещение можно сэкономить без вреда для выращиваемых растений. Для этого достаточно использовать ночной тариф на электроэнергию.
Салат растет на опытной вертикальной ферме. Исследователи настроили режим освещения таким образом, чтобы оптимизировать расходы на электроэнергию / © Хавьер Пеньюела и другие, Applied Energy
Если стирать или пользоваться другой мощной бытовой техникой ночью, когда действует более дешевый тариф, потребитель экономит на коммунальных платежах, а энергетики снижают пиковую нагрузку на сеть в дневное время, а значит, затраты на ремонт и усиление инфраструктуры.
Хотя тарифы для промышленных потребителей устроены несколько сложнее, что если тот же принцип реализовать в сельском хозяйстве? На вертикальных фермах и в теплицах в северных широтах используется искусственное освещение, и ничто не мешает намеренно гасить свет при действии дорогого тарифа, а включать в часы скидок. Салату ведь без разницы, ночью его освещают или днем? Ученые из Сколтеха решили проверить. Их расчеты и описанный в журнале Applied Energy эксперимент подтверждают, что почти четверть расходов на искусственное освещение можно сэкономить без вреда для растений.
Климатические условия во многих странах позволяют выращивать овощные культуры только в парниках, причем не только из-за холода, но и из-за недостатка естественного освещения. Но если приходится полагаться на искусственное освещение, то почему бы не включать его в те часы, когда электричество стоит дешевле? А в самые дорогие часы устраивать «ночь», которая тоже необходима культурам для здорового роста. Однако с живыми организмами никогда не знаешь наверняка, не повредит ли их росту подобное нарушение режима: скажем, если вместо одной длинной ночи случатся две короткие или «ночь» будет день ото дня приходиться на разное время суток.
«Мы провели эксперимент на разных сортах салата и салатного цикория: одни и те же растения вырастили параллельно в двух одинаковых парниках и при одних и тех же условиях, не считая режима освещения. Растения в обоих парниках получали по 16 часов света рекомендованной интенсивности с той разницей, что в контрольной группе восемь часов темноты шли подряд и примерно совпадали по времени с естественной ночью. А в экспериментальной группе часы темноты могли быть разбросаны по суткам: расписание продиктовано тем, в какое время электричество стоило дороже. Ни для одного из сортов не было выявлено измеряемых различий в росте», — рассказал первый автор научной статьи, аспирант Сколтеха по программе «Инженерные системы» Хавьер Пеньюела.
«Мы рассчитываем, что такую практику можно распространить на базилик, шпинат и другие зеленые листовые культуры, поскольку наш эксперимент учитывал генетическое разнообразие при поиске возможных негативных воздействий на скорость роста», — добавила доцент Проектного центра агротехнологий Сколтеха Сесиль Бен, соавтор научной статьи.
Исследователи провели аналогичный эксперимент, в этот раз только на салате, в другой среде — четырехуровневой вертикальной ферме. И получили тот же результат: сравнение культур, выращенных на двух опытных уровнях с теми, что были собраны с контрольных уровней, не выявило значимых различий в количестве листьев, свежем и сухом весе.
Что касается возможной экономии, в исследовании приводятся расчеты на основе реальных тарифов на электроэнергию, которые показывают, что расходы на искусственное освещение можно уменьшить на 15–23 процента. Основная экономия обеспечивается оптимальным использованием почасовой тарификации: система ежедневно сверяется с завтрашними расценками и планирует «ночь» на восемь наиболее дорогих часов. Дополнительная экономия получается за счет участия в долгосрочных схемах управления спросом: потребитель заключает контракт с поставщиком, согласно которому последний имеет право несколько раз в месяц устанавливать «темные» часы по своему усмотрению. Экономия самих энергетических компаний, по расчетам авторов исследования, составит суммарно по России до 10 миллиардов рублей в год.
В конечном итоге снижение себестоимости овощей должно отразиться и на розничных ценах.
«По сути, наша работа связана с неиспользованным потенциалом синергии между пищевой промышленностью и энергетической системой в городской среде», — прокомментировал работу один из ее авторов, руководитель Проектного центра агротехнологий Сколтеха профессор Лоран Генцбиттель.
«Такого рода синергия становится возможной при цифровизации и декарбонизации энергетической системы — эта трансформация стоит дорого, зато создает множество возможностей для повышения эффективности генерирующих мощностей путем уменьшения затрат на эксплуатацию и расширение энергосети, — добавил доцент Центра системного проектирования Сколтеха Хенни Уэрдан, научный руководитель исследования. — Гибкость на стороне потребителя позволяет реализовать значительную часть возникающей выгоды в таких отраслях, как земледелие, которые эту гибкость и обеспечивают. Тем самым их высокая потребность в электроэнергии из ограничения превращается в благоприятную возможность».
По словам ученых, продемонстрированное ими экономическое преимущество может быть отчасти доступно и при выращивании помидоров, огурцов и — в меньшей степени — клубники. Поскольку все эти растения цветут и плодоносят, более половины их жизненного цикла приходится на стадии развития, которые не актуальны в контексте производства зеленых листовых овощей (их собирают до наступления цветения) и к которым результаты исследования могут быть неприменимы. Условия освещения могут иметь первостепенное значение во время и после формирования соцветия. Выведение сортов, цветение которых не зависит от длины непрерывного светового дня, позволит и эти культуры выращивать в закрытых условиях с экономией расходов на освещение.
Помимо расширения круга подходящих сельскохозяйственных культур, ученые планируют исследовать возможности оптимизации расходов на отопление.
Авторы исследования видят в управлении спросом ключевой компонент будущего энергетики. Несомненно, свой вклад в выравнивание нагрузки на сеть внесут и локальные накопители энергии высокой емкости, такие как ванадиевые проточные аккумуляторы, над которыми работают в Сколтехе. Но ту же проблему будут параллельно решать все более тонкие механизмы управления спросом: они будут стабилизировать сеть на основе рыночных механизмов, а не функционирующих на стороне потребителя массивных батарей.
