Αξιοποίηση των υπολειμμάτων καλλιεργειών για παραγωγή ενέργειας

Abstract

The aim of this study was to investigate the movements of the machinery which were involved in the cotton residues collection. The cotton residues were used by a cement factory as a raw material for energy production.The fleet management of the machinery which was involved in the cotton residues collection was studied. The cotton residue collection is mainly based on the experience of the contractor. The study was designed to determine if the contractor's experience perform the collection efficiently or scheduling tool is needed to organise work more efficiently as regards the cost and timeThe purpose was to create suitable prediction tools for the time and the costs of the cotton residue collection.For this purpose a cotton residue contractor was chosen and the work of his machinery was recorded. The collected data refered to the performance of the machines of the process of harvesting of cotton residue. Two experiments were took place in Almiros Magnesia region. A preliminary experiment took place to determine if the collection procedure was efficient. The operational data of the machines were collected during the main experiment. During the second experiment, data were collected from 41 fields in 30 days.The data collection for the movement of machinery was recorded with low-cost GPS receivers. The data recorded was for the field work and the overall work i.e. including travelling from the depot to the field and from field to field. The cotton residue collection process consists of four sub-work 1) The cutting 2) the raking 3) the baling 4) the loading. The GPS receivers were able to record the operational times of machinery during their work. Data analysis followed:An algorithm was developed to estimate the operational times of the machinery during the cotton residues collection. The field time, the field preparation time, the working time, the turning time, the delay time ,the baling time, the field capacity of the machines were estimated.An algorithm was developed to optimize the total time of the collection. The whole process was considered as a flow shop problem. The data of the first experiment was analyzed and a software was developed. The software created a sequence scenarios for the machines itinerary to harvest a number of geographically dispersed fields. The biomass collection sub-operations were conducted sequentially. The aim was to find the scenario which the collection of residue was carried out at the minimum total time.The mathematical models were created for the prediction of the field time for each machine. The creation of the models was developed with tools as regression analysis. Regression analysis is a linear model and was used for modeling and analysis of numerical data of a quantitative dependent variable and some independent variables. The model is a correlation function of the dependent variable and the independent variables. As dependent variable was the field time. As independent variables were the area of the field, the perimeter, the complexity of the field, the cotton yield and the amount of the residue (number of bales).The results of the implementation of the algorithm were compared with the contractor's strategy. The total collection time was improved 9.8%The field capacity was compared with data available in the databases of ASABE and Kuratorium fu¨r Technik und Bauwesen inder Landwirtschaft (KTBL).The measured capacity of cutting was 20% higher than the average of the results of KTBL and 15% lower than the average of the results ASABE. The measured capacity of raking was 16% higher than the average of the results as estimated by the KTBL and 21% lower than the average of the results as estimated from the data of ASABE . The measured capacity of baling was 8% higher than the average of the results as estimated by KTBL details and 2% higher than the average of the results as estimated of ASABE details.Finally, three different scenarios for the process of cotton residue collection were studied. The three scenarios were concerning on the availability of tractors carrying out the sub operations of the collection of cotton residues. In the first scenario, the availability concerned four tractors. Therefore, all four sub-operations were executed sequentially. In the second two operations (cutting and raking) were executed. Then the baling and the loading operations were executed. The availability concerned two tractors. The third scenario concerned the availability of three tractors. Firstly, the cutting, raking and baled were executed and then the loading operations was executed. The cost for the each scenarios was estimated. The structure of the study is as follows:The study consists of seven chapters.In the first chapter, the introduction, reference is made to the importance of biomass as raw material for energy production. Also reference is made to environmental problems resulting from the use of fossil fuels.In the second chapter, the literature of the biomass from agriculture and the literature of biomass properties were analyzed.In the third chapter, the literature on the general principles of the supply chain to the factors that influence it were presented. Particularly, the chapter refers to the stages of the supply chain of biomass from the field to the power plant and the machinery which was used to collection of the cotton residues.In the fourth chapter, the experiments and the methods used for data analysis were described .In the fifth chapter, the results of experiments and the creation of forecasting models were described .In the sixth chapter (case study), three different scenarios for the cotton residue collection were described. The scenarios were concerned to the availability of tractors that carrying out the work of cutting , raking , baling and loading.In the seven chapter, the conclusions and proposals to extend the research were presented.

Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν να μελετηθεί η κίνηση των μηχανημάτων που συμμετέχουν στη συγκομιδή των υπολειμμάτων βαμβακιού. Τα υπολείμματα του βαμβακιού χρησιμοποιήθηκαν από μία εταιρία παραγωγής τσιμέντου ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ενέργειας. Επίσης αντικείμενο ήταν να μελετηθεί η διαχείριση του στόλου των μηχανημάτων. Η διαδικασία της συλλογής βασίζεται κυρίως στην εμπειρία του εργολάβου, υπευθύνου για τη συλλογή. Η μελέτη είχε ως σκοπό να διαπιστωθεί αν η εμπειρία του εργολάβου είναι αρκετή για να εκτελεστεί αποτελεσματικά η εργασία ή πρέπει να χρησιμοποιηθούν υπολογιστικά εργαλεία προγραμματισμού εργασιών ώστε η εργασία να είναι πιο αποτελεσματική όσο αφορά στο κόστος συγκομιδής των στελεχών και το χρόνο εκτέλεσης της εργασίας.Αντικείμενο ήταν να δημιουργηθούν κατάλληλα εργαλεία πρόβλεψης για το χρόνο εκτέλεσης, την παραγωγικότητα των μηχανημάτων και το κόστος της όλης εργασίας ώστε η διαχείριση του στόλου των μηχανημάτων να είναι τέτοια ώστε είναι πιο αποτελεσματική.Για την εργασία επιλέχθηκε ένας εργολάβος συλλογής υπολειμμάτων στην περιοχή του Αλμυρού Μαγνησίας και συλλέχθηκαν στοιχεία που αφορούσαν την κίνηση των μηχανημάτων που συμμετέχουν στην διαδικασία της συλλογής υπολειμμάτων βαμβακιού. Πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα. Ένα προκαταρκτικό ώστε να διαπιστωθεί αν η διαδικασία συλλογής είναι η αποτελεσματικότερη και ένα κύριο πείραμα που συλλέχθηκαν επιχειρησιακά στοιχεία των μηχανημάτων. Συλλέχτηκαν στοιχεία από 41 αγροτεμάχια σε διάστημα 30 ημερών.Η διαδικασία συλλογής των υπολειμμάτων συνίσταται σε τέσσερις υπό-εργασίες: την κοπή των υπολειμμάτων, την χορτοσυλλογή των υπολειμμάτων, τη δεματοποίηση και τη φόρτωση. Οι συλλογή των στοιχείων για την κίνηση των μηχανημάτων εντός αγρού αλλά και συνολικά η εργασία της συλλογής των υπολειμμάτων βαμβακιού καταγράφηκε με δέκτες GPS χαμηλού κόστους. Οι δέκτες GPS εκτός των στοιχείων της κίνησης, είχαν τη δυνατότητα για καταγραφή και των επιχειρησιακών χρόνων των μηχανημάτων. Η ανάλυση των δεδομένων έγινε στα εξής στάδιαΔημιουργήθηκε αλγόριθμος και υπολογίστηκαν οι επιχειρησιακοί χρόνοι των μηχανημάτων (συνολικός χρόνος εργασίας, χρόνος προετοιμασίας , χρόνος εργασίας, χρόνος στροφών, χρόνος καθυστερήσεων και χρόνος δεματοποίησης) καθώς και η παραγωγικότητα των μηχανημάτων Δημιουργήθηκε αλγόριθμος βελτιστοποίησης του χρόνου συλλογής των υπολειμμάτων και εξετάστηκε η όλη διαδικασία ως πρόβλημα ροής (flow shop problem). Ο προγραμματισμός που εξετάστηκε για την ανάλυση των στοιχείων του πρώτου πειράματος αφορά τη δημιουργία ενός λογισμικού που δημιουργεί σενάρια αλληλουχίας για την διαδρομή των μηχανημάτων για ένα αριθμό αγροτεμάχιων γεωγραφικά διασκορπισμένων στα οποία οι εργασίες συγκομιδής της βιομάζας διεξάγονται διαδοχικά. Αντικειμενικός σκοπός είναι να βρεθεί το σενάριο ώστε η συλλογή των υπολειμμάτων να γίνεται στον ελάχιστο συνολικό χρόνο ολοκλήρωσης της όλης εργασίας (δηλαδή η εκτέλεση όλων των εργασιών σε όλα τα χωράφια). Δημιουργήθηκαν μαθηματικά μοντέλα πρόβλεψης του συνολικού χρόνου εργασίας για το κάθε μηχάνημα στα αγροτεμάχια. Η δημιουργία των μοντέλων έγινε με ανάλυση παλινδρόμησης κατά το γραμμικό υπόδειγμα που είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση και την ανάλυση αριθμητικών δεδομένων, μιας ποσοτικής εξαρτημένης μεταβλητής και κάποιων ανεξάρτητων μεταβλητών. Το μοντέλο είναι μια συνάρτηση συσχέτισης της εξαρτημένης μεταβλητής από τις ανεξάρτητες. Στα μοντέλα προσδιορισμού του συνολικού χρόνου εργασίας των μηχανημάτων, οι μεταβλητές που εισήχθησαν στο μοντέλο είναι δείκτες που αφορούν την επιφάνεια (μέγεθος) του αγροτεμαχίου, την περίμετρο, την πολυπλοκότητα του σχήματος, την παραγωγή και την παραγωγή του υπολείμματος (αριθμός δεμάτων).Από τα αποτελέσματα συγκρίθηκε η τακτική που ακολουθούσε ο εργολάβος κατά τη συγκομιδή με τα αποτελέσματα από τη εφαρμογή του αλγορίθμου και παρατηρήθηκε βελτίωση του χρόνου εκτέλεσης των εργασιών.Συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα της παραγωγικότητας των μηχανημάτων με στοιχεία που είναι διαθέσιμα στις βάσεις δεδομένων της ASABE και του Kuratorium fu¨r Technik und Bauwesen inder Landwirtschaft(KTBL). Η μετρούμενη παραγωγικότητα της εργασίας της κοπής ήταν 20% υψηλότερη από τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων του KTBL και 15% χαμηλότερη από τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων ASABE. Η μετρούμενη παραγωγικότητα του χορτοσυλλέκτη στη διάρκεια της συγκομιδής των υπολειμμάτων βαμβακιού ήταν 16% υψηλότερη από τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων όπως υπολογίστηκαν από το KTBL και 21% χαμηλότερα από το μέσο όρο των αποτελεσμάτων όπως υπολογίστηκαν από τα στοιχεία της ASABE. Η μετρούμενη παραγωγικότητα για δεματοποίηση ήταν 8% υψηλότερη από το KTBL και 2% από τα στοιχεία της ASABE.Τέλος, μελετήθηκαν σε τρία διαφορετικά σενάρια για τη διαδικασία της συλλογής των υπολειμμάτων αναλόγως με τη διαθεσιμότητα των ελκυστήρων που εκτελούν τις εργασίες που εμπλέκονται στη συλλογή των υπολειμμάτων. Στο πρώτο σενάριο η διαθεσιμότητα αφορούσε τέσσερις ελκυστήρες συνεπώς και οι τέσσερις εργασίες εκτελεστήκαν διαδοχικά. Στο δεύτερο διαθέσιμοι ήταν δύο ελκυστήρες οπότε εκτελεστήκαν πρώτα οι κοπή και η χορτοσυλλογή και στη συνέχεια η δεματοποίηση και η φόρτωση. Στο τρίτο η διαθεσιμότητα αφορούσε τρεις ελκυστήρες για αυτό το λόγο εκτελεστήκαν πρώτα οι εργασίας τις κοπής , της χορτοσυλλογής και της δεματοποίησης και μετά η εργασία της φόρτωσης. Επίσης εκτιμήθηκε το κόστος του κάθε σεναρίου με διαθέσιμες εξισώσεις και στοιχεία από την βιβλιογραφία.Η δομή της εργασίας που αποτελείται από εφτά κεφάλαια είναι η εξής:. Στο πρώτο κεφάλαιο, στην εισαγωγή, γίνεται αναφορά στη σημασία της βιομάζας ως πρώτης ύλης για την παραγωγή ενέργειας και στα περιβαλλοντικά προβλήματα που πηγάζουν από την χρήση των ορυκτών καυσίμων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της βιβλιογραφίας που αφορά τη βιομάζα που προέρχεται από την αγροτική παραγωγή σε μορφή υπολειμμάτων καλλιεργειών και τις ιδιότητες της. Αναλύεται η βιβλιογραφία για τα πρότυπα συγκομιδής βιομάζας.Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της βιβλιογραφίας για της γενικές αρχές της εφοδιαστικής αλυσίδας στους παράγοντες που την επηρεάζουν. Ιδιαιτέρως γίνεται αναφορά στα στάδια της εφοδιαστικής αλυσίδας της βιομάζας από το χωράφι στο εργοστάσιο παράγωγής ενέργειας και στα μηχανήματα που χρησιμοποιούνται για την συλλογή. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται τα πειράματα και οι τρόποι που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση των δεδομένων. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων και η δημιουργία των μοντέλων πρόβλεψης. Στο έκτο κεφάλαιο (μελέτη περίπτωσης) παρουσιάζονται τρία διαφορετικά σενάρια που αφορούν τη συλλογή των υπολειμμάτων αναλόγως της διαθεσιμότητας των ελκυστήρων που εκτελούν τις εργασίες της κοπής , χορτοσυλλογής, δεματοποίησης και φόρτωσης. Τα σενάρια αναλύονται ως προς το κόστος και ως προς το χρόνο. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και η προτάσεις για επέκταση της έρευνας.