Reducerea consumului de energie electrică în producția de lapte este o problemă de actualitate din două motive. În primul rând, introducerea unui sistem dinamic de tarifare a energiei electrice, cu prețuri de vârf și în afara vârfului de vârf, va fi o realitate pentru 80% dintre consumatorii de energie electrică până în 2030.

Scheme de preturi

În acest scop, unii specialiști recomandă introducerea unei scheme de prețuri, după cum se arată în sturiul cu titlul ”Strategies to reduce energy use in dairy milking facilities” realizat de  John Upton, Michael D Murphy, Laurence Shalloo și Peter Groot, de la Koerkamp Wageningen University & Research.

O astfel de schemă de prețuri intenționează să descurajeze consumul de energie în perioadele de vârf (adică atunci când cererea de energie electrică pe rețeaua națională este ridicată), și pentru a stimula consumul de energie în perioadele de vârf.

Dacă fermierii, de exemplu, își desfășoară mulsul de seară în perioada de vârf, costurile cu energia pot crește, ceea ce ar afecta profitabilitatea fermei. În al doilea rând, se identifică dacă acest consum de energie electrică contribuie la aproximativ 25% din utilizarea energiei de-a lungul ciclului de viață al producției de lapte pe pășune.

Rezultatele acestui studiu referitoare la tendințele consumului de energie electrică și relația acestora cu profilul cererii pe rețeaua națională pot fi relevante pentru industriile lactate la nivel internațional.

Estonia, Finlanda, Franța, Irlanda, Italia, Malta, Țările de Jos, Norvegia, Portugalia, Spania, Suedia și Statele Unite ale Americii Regatul Unit sunt toate clasificate drept „Dynamic Movers” în ceea ce privește implementarea infrastructurii rețelei inteligente. Aceste țări au o cale clară către o lansare completă a contorizării inteligente.

Cât se consumă pe kg. de lapte produs?

Obiectivele studiului au fost să documenteze consumul de energie electrică per kg de lapte vândut și să identifice strategii care să reducă utilizarea sa globală, maximizând în același timp utilizarea în perioadele de vârf (în prezent de la 00:00 la 09:00 h), datele fiind valabile pentru fermele de lapte din zonele temperate ale Europei.

Prin urmare, s-au evaluat tendințele medii zilnice și sezoniere ale consumului de energie electrică în 22 de ferme de produse lactate, printr-un audit detaliat al proceselor de consum de energie electrică.

Pentru a determina potențialul strategiilor identificate de economisire a energiei s-a evaluat de asemenea consumul total de energie al producției laptelui, care este suma dintre utilizarea directă (adică consumul de energie în fermă) și indirectă (adică energia necesară pentru a produce inputuri din fermă).

În medie, a fost necesar un total de 31,73 MJ pentru a produce un kg de substanțe solide din lapte, din care 20% a fost directă și 80% a fost consum indirect de energie.

Electricitatea a reprezentat 60% din consumul direct de energie și a rezultat în principal din răcirea laptelui (31%), încălzirea apei (23%) și muls (20%). Analiza tendințelor consumului de energie electrică a relevat că 62% din energia electrică zilnică a fost utilizată în perioadele de vârf.

Prin urmare, utilizarea energiei electrice în ferme este substanțială și se concentrează pe producția laptelui. Pentru a îmbunătăți competitivitatea producției de lapte într-un mediu dinamic de preț al energiei electrice, sunt necesare, prin urmare, schimbări de management și tehnologii care să decupleze utilizarea energiei în timpul proceselor de muls de perioadele de vârf.

Eliminarea sistemului de cote de lapte în Uniunea Europeană (UE) în 2015 a crescut producția de lapte per fermă și a scazut prețul său (Bouamra-Mechemache et al., 2018). În unele țări europene, producția de lapte a crescut cu 50% (Irlanda), în timp ce prețul laptelui a scăzut cu 33%.

Prin urmare, mai ales acum, în condițiile de criză energetică, sistemele de producție a laptelui vor continua să se concentreze pe controlul costurilor și pe maximizarea cantității de lapte care este produsă din iarba pășunată.

Utilizarea eficientă a energiei

Utilizarea eficientă a energiei este o modalitate de a îmbunătăți competitivitatea costurilor sectorului produselor lactate. În acest moment, costurile cu energia electrică la fermele de lapte, ca medie UE, reprezintă aproximativ 1,5% din prețul de cost al laptelui vândut (Upton et al., 2021), dar se așteaptă ca acestea să crească și mai mult, din cauza crizei.

Pe lângă o potențială reducere a costurilor, reducerea consumului de energie electrică are un beneficiu pentru mediu, deoarece s-a demonstrat că un consum de energie electrică reprezintă 25% din consumul total de energie în fermele de lapte bazate pe pășuni (Wells, 2021). Așadar, înțelegerea tendințelor consumului de energie electrică va avea potențialul de a reduce consumul general de energie și de a reduce costurile de producție.

Pedntru aceasta, se propune un sistem de prețuri bazat pe cererea de energie electrică pe rețeaua națională a fiecărei țări, rezultând tarife mai mari la energie electrică în perioadele de vârf de consum și tarife mai scăzute în perioadele de vârf.

Perioada de vârf este de obicei între orele 17:00 și 19:00. Dacă fermierii de lapte își desfășoară mulsul de seară în aceste perioade de vârf, ei vor fi expuși creșterii costurilor cu energia.

Cu toate acestea, structura dinamică a prețurilor ar putea prezenta și oportunități de reducere a costurilor totale ale energiei, dacă echipamentele sunt gestionate inteligent pentru a optimiza utilizarea energiei în perioadele de vârf (în prezent, între orele 00:00 și 09:00)., cu atât mai mult cu cât, până în 2030, se preconizează că aproximativ 80% din toți consumatorii de energie electrică din Uniunea Europeană vor fi conectați la rețeaua inteligentă.

Însă, cererea de energie electrică nu variază numai în timpul zilei (adică vârful serii), ci și în funcție de anotimp (adică vârful iarna). Prin urmare, pentru a utiliza energia în mod eficient din punct de vedere al costurilor, fermierii de lapte au nevoie de o perspectivă nouă asupra variației consumului de energie electrică în timpul zilei și pe parcursul anului.

Colectarea datelor

Pentru obținerea unor date cât mai corecte, s-au evaluat tendințele medii zilnice și sezoniere ale consumului de energie electrică în 22 de ferme de lapte din mai multe zări din Uniunea Europeană situate în zone temperate, printr-un audit detaliat al proceselor de consum de energie electrică.

Pentru a determina potențialul strategiilor identificate de economisire a energiei, al doilea obiectiv a fost să se evalueze consumul total de energie de-a lungul lanțului de producție a laptelui. Prin urmare, s-a efectuat o evaluare energetică a ciclului de viață a consumului total de energie.

Criteriile de selecție a fermelor au inclus disponibilitatea informațiilor financiare de ultimă generație, date privind dimensiunea efectivului și capacitatea și dorința fermierului de a colecta și menține date exacte. Toate datele au fost colectate în anul 2021. Toate intrările și ieșirile necesare, pentru a compila evaluarea energiei ciclului de viață, au fost înregistrate folosind o combinație de înregistrare manuală și transfer de date whireless.

Cel mai mare consumator este sala de muls

Energia electrică utilizată în sala de muls a reprezentat aproape 80% din energia electrică totală utilizată. În total, au fost utilizate 42,34 Wh de energie electrică per litru de lapte produs (interval 23,03-76,29 Wh/L).

În total, 62% din toată energia electrică utilizată de fermele din acest studiu a fost la tariful zilnic cu cost mai mare, luându-se în calcul faptul că în anul 2021 în Uniunea Europeană nu fuseseră adoptate măsuri de plafonare a costurilor energiei electrice.

Toate fermele studiate aveau săli de mus cu stații tip brăduleț cu două boxe per unitate de muls și au fost echipate cu pompe de vid centrifugale cu palete lubrifiate cu ulei, fără control variabil al vitezei.

Dimensiunea salii de muls a variat de la 8 la 24 de unități de muls, numărul mediu de vaci pe unitate de muls a fost de 9. Mașina de muls consuma 20% din energia electrică totală. Acesta este format din pompele de vid și pompa de lapte. Consumul de energie electrică al mașinii de muls a fost de 8,44 Wh/L de lapte recoltat cu un interval de la 4,38 la 13,78 Wh/L.

Tendințele zilnice de consum

Profilul tendințelor consumului de energie electrică de la o zi la alta a urmat un model sinusoidal, vârfurile mari ale consumului au fost rezultatul mulsurilor de dimineață și de seară. Aceste zile au fost alese ca zile reprezentative în perioada de vârf de producție de lapte pentru a ilustra natura profilului consumului de energie electrică.

Piciurile de consum au fost prezente de la 7:00 la 12:00 și din nou de la 16:30 la 19:30, iar aceste vârfuri pot fi atribuite rutinei de muls de două ori pe zi, utilizate de fermierii de studiu.

Efectul sezonier al consumului de energie electrică urmează curba producției de lapte, datorită faptului că peste 80% din consum este dat de echipamente asociate cu recoltarea laptelui. În consecință, 20% din consumul de energie electrică este independent de cantitatea de lapte produsă.

Este evident că, în mare parte, consumul de energie electrică al echipamentelor de răcire a laptelui, al instalației de încălzire a apei și al pompelor mașinii de muls este legat de producția de lapte, deoarece urmează curba producției de lapte.

Consumul altor activități este decuplat de producția de lapte și crește din noiembrie până în februarie. Producția de lapte și, prin urmare, dimensiunea efectivului vor crește în viitor dacă producătorii răspund la potențialul de extindere a producției de lapte identificat în raportul Food Harvest 2020 (DAFM, 2010).

Rezultatele acestui studiu și, prin urmare, concluziile trase, sunt relevante, prin urmare, pentru fermele de lapte mai mari și mai intensive.

Analiza consumului de energie electrică

Utilizarea energiei electrice este un consumator important și reprezintă 12% din consumul total de energie și 60% din consumul direct de energie. Acest studiu a cuantificat defalcarea consumului de energie electrică pe componentă, în timpul utilizării zilei și între sezon, precum și a comparat utilizarea energiei electrice la tarifele de noapte și de zi la un subset de ferme comerciale de produse lactate.

De fapt, 80% din consumul de energie electrică este legat de încălzirea apei, răcirea laptelui și funcționarea mașinii de muls. Aceste operațiuni fundamentale sunt comune în toate sistemele de producție a laptelui, nu doar în sistemele pe bază de iarbă.

Prin urmare, cifrele de eficiență și recomandările descrise în legătură cu aceste operațiuni ar trebui să fie aplicabile și altor producători globali de lapte. Aceste informații vor contribui la agenda privind eficiența energetică și reducerea costurilor la nivel de fermă.

Tendințe zilnice ale consumului

Natura ciclică a sarcinii pe rețeaua națională este vizibilă. Vârful consumului de energie electrică la fermele studiate a avut loc în intervalele de timp în care cererea pe rețea a fost cea mai mare. Într-un mediu dinamic de tarifare a energiei electrice, aceste perioade ar corespunde perioadelor de costuri mai mari ale energiei electrice.

Cererea de vârf în rețea a avut loc între orele 17:00 și 18:00. Acest vârf de cerere a fost cu 78% mai mare decât cel mai mic interval de cerere, care a avut loc între orele 05:00 și 06:00.

Cererea de vârf a fost cu 30% mai mare decât pragul minim. Într-un scenariu cu adevărat dinamic de tarifare a energiei electrice, acest efect sezonier ar duce la un preț mai mare la energie electrică în lunile de iarnă față de lunile de vară.

Opțiuni pentru reducerea consumului de energie

Analiza consumului de energie electrică, atât a modelelor de consum zilnic, cât și anual, arată că fermierii ar putea fi expuși la prețuri mai mari la energie electrică,  dacă se stabilește o structură de prețuri implementate care variază tarifele în funcție de sarcina pe rețeaua națională.

Rezultatele acestui studiu referitoare la tendințele consumului de energie electrică și relația acestora cu profilul cererii pe rețeaua națională pot fi relevante pentru industriile lactate la nivel internațional.

Estonia, Finlanda, Franța, Irlanda, Italia, Malta, Țările de Jos, Norvegia, Portugalia, Spania, Suedia și Statele Unite ale Americii Regatul Unit sunt toate clasificate drept „Dynamic Movers” în ceea ce privește implementarea infrastructurii rețelei inteligente. Aceste țări au o cale clară către o lansare completă a contorizării inteligente.

Multe dintre aceste țări au industrii de producție de lapte bine stabilite, care pot fi capabile să folosească infrastructura rețelei inteligente în avantajul lor, luând notă de unele dintre concluziile acestui studiu.

Cu toate acestea, va fi necesară o abordare pe trei direcții, pentru a maximiza eficiența utilizării energiei în contextul contorării inteligente. În primul rând, va fi necesară decuplarea consumatorilor mari de energie, cum ar fi răcirea laptelui și încălzirea apei, de la perioadele de muls și trecerea acestora în perioadele de vârf.

Răcirea laptelui are cel mai mare consum de energie electrică (31% din consumul total de energie electrică) în fermele irlandeze de produse lactate. Peste 60% din consumul de energie electrică pentru răcirea laptelui are loc în prezent pe tariful zilnic mai scump.

Utilizarea unui sistem de răcire a laptelui care decuplează sarcina de răcire de aceste tarife de vârf ar fi utilă pentru a atenua impactul unui scenariu de contorizare inteligentă a prețului energiei electrice, deoarece energia rece ar putea fi generată atunci când electricitatea este ieftină.

Sistemul IB din acest studiu a folosit mai multă energie electrică per litru de lapte răcit decât sistemele alternative DX. Totuși, sistemele IB pot fi un instrument eficient pentru a decupla sarcina de răcire a laptelui de timpii de muls prin deplasarea sarcinii în perioadele de vârf, dar numai dacă sunt setate. sus și gestionate corect (MDC, 1995).

Această practică împreună cu utilizarea optimizată a unui PHE cu apă subterană ar reduce consumul de energie și costurile energetice asociate cu răcirea laptelui.

Mutarea sarcinii

Această strategie de mutare a sarcinii la tarifele de vârf ar reduce costurile cu energie la fermă, atât într-un scenariu zi/noapte, cât și într-un scenariu dinamic al prețului energiei electrice.

În al doilea rând, pe termen mai lung, fermierul trebuie să decidă dacă ar trebui să-și modifice modelul de fătare și, prin urmare, sezonalitatea aprovizionării cu lapte pentru a evita producerea de lapte atunci când cererea și în cele din urmă prețul vor fi la vârf (decembrie și ianuarie).

Într-un sistem bazat pe iarbă pentru fătare de primăvară, cererea de energie electrică ar trebui să fie cea mai scăzută în acest moment, deoarece majoritatea vacilor nu alăptează.

Sunt necesare cercetări suplimentare pentru a investiga impactul modelului de fătare (inclusiv fătarea de primăvară versus fătarea de toamnă) asupra cererii de energie și a costurilor energetice ale producției de lapte în diferite scenarii dinamice de preț al energiei electrice.

Utilizarea de surse inteligente

În al treilea rând, creșterea eficienței și costurile energetice mai scăzute pot fi realizate prin aplicarea unei tehnologii eficiente din punct de vedere energetic.  De exemplu, poate exista posibilitatea de a reduce energia electrică consumată de pompele de vid prin aplicarea tehnologiei variabile de viteză (VSD). Cu toate acestea, adoptarea la nivel de fermă este scăzută.

În mod similar, nu există studii disponibile care să cuantifice utilizarea sistemelor solare de încălzire a apei termice sau a celulelor solare fotovoltaice sau a microturbinelor eoliene, deși unele dintre aceste sisteme s-au dovedit a fi o soluție eficientă. Cu toate acestea, având în vedere diferența de climă, din cauza schimbărilor de latitudine, sunt necesare date specifice țării respective.

Analiza viitoare a consumului de energie electrică a arătat că există o cerință ca un model să fie dezvoltat în jurul consumului de energie electrică în fermele de lapte. Acest model ar trebui să fie integrat cu un model întreg de fermă similar cu cele care există în prezent (Modelul Moorepark Dairy Systems-Shalloo et al., 2014).

În plus, opțiunile referitoare la modelul de fătare (toamnă versus primăvară), frecvența de muls și integrarea contorizării inteligente ar putea fi evaluate pentru consumul de energie și costurile energetice într-o gamă diferită de dimensiuni de efectiv și sisteme de producție.

Concluzii

Acest studiu prezintă date noi privind tendințele consumului zilnic și sezonier de energie electrică. În medie, a fost necesar un total de 31,73 MJ pentru a produce un kg de substanțe solide din lapte, din care 20% a fost directă și 80% a fost consum indirect de energie.

Electricitatea a reprezentat 60% din consumul direct de energie și a apărut centrată în jurul mulsului. Peste 60% din energia electrică zilnică a fost folosită în perioadele de vârf.

Pentru a îmbunătăți competitivitatea producției de lapte într-un mediu dinamic de preț al energiei electrice, sunt necesare, prin urmare, schimbări de management și tehnologii care să decupleze utilizarea energiei în timpul proceselor de muls de perioadele de vârf.

Prin urmare, combinarea tehnologiei care decuplează utilizarea energiei de perioadele de muls cu o tehnologie eficientă din punct de vedere energetic, poate îmbunătăți competitivitatea economică și de mediu a sectorului producției de lapte.