Material flow determination through agricultural machinery management

The approach of material embodiment in agricultural production systems is important because it determines the convergence of inputs (indirectly, the natural resources) to the field. Additionally, material flow is the basis for both environmental (energy analysis, emergy synthesis, life-cycle analysis and carbon inventories) and economical analyses. Since different materials cannot compose a single index, generally these flows are not shown, making comparisons among approaches difficult. Another aspect that makes comparisons difficult is the definition of the boundary of the studied system. If these boundaries differ, results will also be different, hiding actual distinctions among systems. The present study aims to suggest an arrangement of existing models to determine material flow in agricultural production systems. The following steps were considered: i) the adoption of a diagram language to represent the analyzed system; ii) determination of the material flow for directly applied inputs; iii) determination of the material flow for indirectly applied inputs, which included: determination of the effective field capacity; fuel consumption; machinery depreciation; and labor. Data on fuel consumption were compared with the models presented. The best model applied was a fixed parameter based on engine power (0.163 L kW-1 h-1). The determination of the material flow for maize silage production presented similar results as those obtained in regional databases.

A abordagem da incorporação material em sistemas agrícolas é importante, pois determina a convergência de insumos (indiretamente, de recursos naturais) no campo. Além disso, os fluxos de materiais são a base para quaisquer análises ambientais (análises de energia, síntese de emergia, ciclo de vida e inventários de carbono) e econômicas. Uma vez que diferentes materiais não podem compor um único índice, geralmente esses fluxos não são mostrados. Isso dificulta comparações entre análises. Outro aspecto que contribui para isso é a definição dos limites dos sistemas estudados. Se eles diferirem os resultados serão diferentes, disfarçando as distinções reais entre eles. O presente estudo visa sugerir um arranjo de modelos existentes para a determinação dos fluxos de energia e materiais em sistemas agrícolas. Os seguintes passos foram considerados: i) a adoção de uma linguagem de diagramação para representar o sistema analisado; ii) a determinação do fluxo de materiais dos insumos diretamente aplicados; iii) a determinação do fluxo de materiais dos insumos indiretamente aplicados, que envolve a capacidade de campo operacional dos sistemas mecanizados, o consumo de combustível, a depreciação de maquinário e a mão-de-obra. Dados de consumo de combustível foram comparados com os modelos apresentados. O melhor modelo aplicado foi o fixado em função da potência do motor (0,163 L kW-1 h-1). A determinação dos fluxos de materiais para a produção de silagem de milho apresentou resultados similares aos dados de abordagem mais ampla.

Material flow determination through agricultural machinery management

The approach of material embodiment in agricultural production systems is important because it determines the convergence of inputs (indirectly, the natural resources) to the field. Additionally, material flow is the basis for both environmental (energy analysis, emergy synthesis, life-cycle analysis and carbon inventories) and economical analyses. Since different materials cannot compose a single index, generally these flows are not shown, making comparisons among approaches difficult. Another aspect that makes comparisons difficult is the definition of the boundary of the studied system. If these boundaries differ, results will also be different, hiding actual distinctions among systems. The present study aims to suggest an arrangement of existing models to determine material flow in agricultural production systems. The following steps were considered: i) the adoption of a diagram language to represent the analyzed system; ii) determination of the material flow for directly applied inputs; iii) determination of the material flow for indirectly applied inputs, which included: determination of the effective field capacity; fuel consumption; machinery depreciation; and labor. Data on fuel consumption were compared with the models presented. The best model applied was a fixed parameter based on engine power (0.163 L kW-1 h-1). The determination of the material flow for maize silage production presented similar results as those obtained in regional databases.

A abordagem da incorporação material em sistemas agrícolas é importante, pois determina a convergência de insumos (indiretamente, de recursos naturais) no campo. Além disso, os fluxos de materiais são a base para quaisquer análises ambientais (análises de energia, síntese de emergia, ciclo de vida e inventários de carbono) e econômicas. Uma vez que diferentes materiais não podem compor um único índice, geralmente esses fluxos não são mostrados. Isso dificulta comparações entre análises. Outro aspecto que contribui para isso é a definição dos limites dos sistemas estudados. Se eles diferirem os resultados serão diferentes, disfarçando as distinções reais entre eles. O presente estudo visa sugerir um arranjo de modelos existentes para a determinação dos fluxos de energia e materiais em sistemas agrícolas. Os seguintes passos foram considerados: i) a adoção de uma linguagem de diagramação para representar o sistema analisado; ii) a determinação do fluxo de materiais dos insumos diretamente aplicados; iii) a determinação do fluxo de materiais dos insumos indiretamente aplicados, que envolve a capacidade de campo operacional dos sistemas mecanizados, o consumo de combustível, a depreciação de maquinário e a mão-de-obra. Dados de consumo de combustível foram comparados com os modelos apresentados. O melhor modelo aplicado foi o fixado em função da potência do motor (0,163 L kW-1 h-1). A determinação dos fluxos de materiais para a produção de silagem de milho apresentou resultados similares aos dados de abordagem mais ampla.

Capacity of the mechanical harvesting process of sugar cane billets

The mechanized harvest of sugar cane (Saccharum officinarum L.) in Brazil is an irreversible trend and it comes with a great concern about the quality of the cane delivered to the industry. A key component to quality is the billet length which affects the processing of raw material, cane deterioration, invisible losses and load density of transport vehicles. Thus, due to the importance of the billet standard in quality and cost of raw material, this study aimed to evaluate if the mechanized harvesting of sugar cane can supply the quality requirements for the crushing process, regarding the billet length. A plot with burnt sugar cane (3.2 ha) and another one with green sugar cane (8.0 ha) were selected to be harvested by two (2) self-propelled sugar cane harvesters. For each harvested 0.4 ha a sample from each infield wagon was collected. The sample was composed by ten billets. The variability in burnt sugar cane was higher than in green sugar cane, and both harvesters did not present the capacity of keeping the billets with similar lengths when operating either in burnt or green conditions.

A colheita mecanizada de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.) no Brasil é uma tendência irreversível e junto a ela vem à preocupação com a qualidade da matéria-prima que chega à indústria. O tamanho de rebolos tem influência nessa qualidade por afetar o processo de deterioração da cana, perdas invisíveis e a densidade de carga no transbordo e transporte. Considerando-se a importância do padrão do rebolo na qualidade e custo da matéria-prima, avaliou-se se a colheita mecanizada de cana-de-açúcar pode atender às exigências de qualidade da moagem no que se refere ao indicador tamanho de rebolo. Para tanto, uma área de cana queimada (3,2 ha) e outra de cana crua (8,0 ha) foram selecionadas. As áreas foram colhidas por duas colhedoras automotrizes. Para cada colhedora e área, uma amostra a cada 0,4 ha colhidos foi coletada, junto ao conjunto de transbordo e cada amostra era composta por dez rebolos. Os resultados foram analisados por meio de gráficos de controle, e a capacidade do processo de corte foi determinada. Houve maior variabilidade na condição de cana queimada em relação à cana crua, e que ambas as colhedoras não têm a capacidade de manter os rebolos em tamanhos semelhantes, quando operando nessas duas condições diferentes.

Energy flow in castor bean (Ricinus communis L.) production systems

Although energy analysis is a way to evaluate the sustainability of production systems, this practice is not often used in the agribusiness. In this context, the castor bean (Ricinus communis L) is an agricultural crop not yet well studied despite its great potential in the Brazilian energetic scenario. This article aimed to evaluate the productive potential of the castor bean oil, using an energetic view applied to two management systems: low (System 1) and medium (System 2) technologies. The quantification of the used material fluxes was made converting these factors in energy units. The input energy fluxes were 3,170.6 MJ ha¹ and 10,366.0 MJ ha¹ for Systems 1 and 2, respectively. The energy balance of System 1 was 11,938.2 MJ ha¹ and that of System 2 16,296.5 MJ ha¹. The net energetic gain or the energy gain over the invested energy (EROI) of System 1 was 3.8 and of System 2, 2.6. Although presenting a greater energy demand and a lower EROI, System 2 had a greater energy balance, demonstrating a better viability of this cultivation system for the production of castor bean oil.

A análise energética é uma forma de se avaliar a sustentabilidade de um sistema produtivo, apesar de ainda pouco utilizada no setor agropecuário. Inserida neste setor encontra-se a produção da mamoneira (Ricinus communis L.), cultura ainda pouco estudada e que apresenta grande importância para o agronegócio brasileiro. Avaliou-se sob a ótica energética a produção potencial de óleo de mamona em dois sistemas de cultivo: com baixa (Sistema 1) e média (Sistema 2) tecnologias. Foi realizada a quantificação dos fluxos de materiais empregados nos dois sistemas de produção e conversão destes fatores em unidades de energia. Os fluxos de energia de entrada foram de 3.170,6 MJ ha¹ e 10.366 MJ ha¹ para os sistemas 1 e 2, respectivamente. O balanço de energia foi de 11.938,2 MJ ha¹ no sistema 1 e 16.296,5 MJ ha¹ no sistema 2. A lucratividade energética, retorno em energia sobre energia investida (EROI) do sistema 1 foi de 3,8 e no sistema 2 de 2,6. Apesar de apresentar uma maior demanda energética e menor EROI, o sistema 2 obteve maior balanço energético, demonstrando a maior viabilidade deste tipo de cultivo para a cultura da mamoneira.

Energy flow in castor bean (Ricinus communis L.) production systems

Although energy analysis is a way to evaluate the sustainability of production systems, this practice is not often used in the agribusiness. In this context, the castor bean (Ricinus communis L) is an agricultural crop not yet well studied despite its great potential in the Brazilian energetic scenario. This article aimed to evaluate the productive potential of the castor bean oil, using an energetic view applied to two management systems: low (System 1) and medium (System 2) technologies. The quantification of the used material fluxes was made converting these factors in energy units. The input energy fluxes were 3,170.6 MJ ha¹ and 10,366.0 MJ ha¹ for Systems 1 and 2, respectively. The energy balance of System 1 was 11,938.2 MJ ha¹ and that of System 2 16,296.5 MJ ha¹. The net energetic gain or the energy gain over the invested energy (EROI) of System 1 was 3.8 and of System 2, 2.6. Although presenting a greater energy demand and a lower EROI, System 2 had a greater energy balance, demonstrating a better viability of this cultivation system for the production of castor bean oil.

A análise energética é uma forma de se avaliar a sustentabilidade de um sistema produtivo, apesar de ainda pouco utilizada no setor agropecuário. Inserida neste setor encontra-se a produção da mamoneira (Ricinus communis L.), cultura ainda pouco estudada e que apresenta grande importância para o agronegócio brasileiro. Avaliou-se sob a ótica energética a produção potencial de óleo de mamona em dois sistemas de cultivo: com baixa (Sistema 1) e média (Sistema 2) tecnologias. Foi realizada a quantificação dos fluxos de materiais empregados nos dois sistemas de produção e conversão destes fatores em unidades de energia. Os fluxos de energia de entrada foram de 3.170,6 MJ ha¹ e 10.366 MJ ha¹ para os sistemas 1 e 2, respectivamente. O balanço de energia foi de 11.938,2 MJ ha¹ no sistema 1 e 16.296,5 MJ ha¹ no sistema 2. A lucratividade energética, retorno em energia sobre energia investida (EROI) do sistema 1 foi de 3,8 e no sistema 2 de 2,6. Apesar de apresentar uma maior demanda energética e menor EROI, o sistema 2 obteve maior balanço energético, demonstrando a maior viabilidade deste tipo de cultivo para a cultura da mamoneira.

Capacity of the mechanical harvesting process of sugar cane billets

The mechanized harvest of sugar cane (Saccharum officinarum L.) in Brazil is an irreversible trend and it comes with a great concern about the quality of the cane delivered to the industry. A key component to quality is the billet length which affects the processing of raw material, cane deterioration, invisible losses and load density of transport vehicles. Thus, due to the importance of the billet standard in quality and cost of raw material, this study aimed to evaluate if the mechanized harvesting of sugar cane can supply the quality requirements for the crushing process, regarding the billet length. A plot with burnt sugar cane (3.2 ha) and another one with green sugar cane (8.0 ha) were selected to be harvested by two (2) self-propelled sugar cane harvesters. For each harvested 0.4 ha a sample from each infield wagon was collected. The sample was composed by ten billets. The variability in burnt sugar cane was higher than in green sugar cane, and both harvesters did not present the capacity of keeping the billets with similar lengths when operating either in burnt or green conditions.

A colheita mecanizada de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.) no Brasil é uma tendência irreversível e junto a ela vem à preocupação com a qualidade da matéria-prima que chega à indústria. O tamanho de rebolos tem influência nessa qualidade por afetar o processo de deterioração da cana, perdas invisíveis e a densidade de carga no transbordo e transporte. Considerando-se a importância do padrão do rebolo na qualidade e custo da matéria-prima, avaliou-se se a colheita mecanizada de cana-de-açúcar pode atender às exigências de qualidade da moagem no que se refere ao indicador tamanho de rebolo. Para tanto, uma área de cana queimada (3,2 ha) e outra de cana crua (8,0 ha) foram selecionadas. As áreas foram colhidas por duas colhedoras automotrizes. Para cada colhedora e área, uma amostra a cada 0,4 ha colhidos foi coletada, junto ao conjunto de transbordo e cada amostra era composta por dez rebolos. Os resultados foram analisados por meio de gráficos de controle, e a capacidade do processo de corte foi determinada. Houve maior variabilidade na condição de cana queimada em relação à cana crua, e que ambas as colhedoras não têm a capacidade de manter os rebolos em tamanhos semelhantes, quando operando nessas duas condições diferentes.

Energy balance methodology and modeling of supplementary forage production for cattle in Brazil

Cattle is the main protein source in Brazil and cattle production depends on preserving forage in order to decrease the influence of dry periods on grass production. To minimize such problems, some new techniques have been created to increase the yield which also leads to energy demand increase. Energy balance is a vital tool to evaluate the efficiency of energy consumption in production systems. There is no standard methodology established for this determination. It is also difficult to analyze different management options because of the complexity of the production systems and the interactions among variables. Therefore the purpose of this study is to develop a methodology that supports the development of a model, using a spreadsheet, and to use it to analyze the energy balance of production systems. The model was applied to a traditional production system of maize (Zea mays L.) silage and a Bermuda grass (Cynodon spp.) haylage. The gross energy balance presented was 14.1 energy units of output per energy units of input for maize silage and 0.98 for haylage. For the digestible energy balance, the values were 9.1 and 0.99, respectively. The total energy demanded was 74.3% in maize silage fertilizations and 99.7% in haylage irrigation. Yield and dry matter contents were indicated in a sensitivity analysis as the main critical variables for maize, whereas for haylage, it was not possible to indicate any. The best alternative scenarios for improving energy efficiency in maize silage and haylage production were the reductions of fertilizer concentration and irrigation use, respectively.

A pecuária é a principal fonte de proteína no Brasil, e sofre pela estacionalidade das chuvas, necessitando-se da suplementação alimentar. Para amenizar tais problemas surgem técnicas visando o aumento da produtividade, porém demandando mais energia. O balanço energético é uma importante ferramenta para avaliar a eficiência com que um sistema de produção utiliza os insumos, pois relaciona os fluxos de energia de entrada (input) e a energia disponibilizada pelo sistema (output). No entanto, não há uma metodologia padrão para tal análise, e ainda analisar diferentes opções não é uma tarefa fácil, pela complexidade de sistemas agrícolas e pelas interações de suas variáveis. Sendo assim, o presente trabalho objetivou propor uma metodologia de determinação do balanço energético, que desse suporte ao desenvolvimento de um modelo em planilha eletrônica. Este foi utilizado para avaliar dois sistemas: um de produção de silagem de milho (Zea mays L.) e um de silagem emurchecida de Tifton 85 (Cynodon spp.). A silagem de milho apresentou balanços energéticos bruto de 14,08 e a emurchecida 0,98, já para o balanço de energia digestível foram 9,12 e 0,99, respectivamente. As adubações demandaram 73,4% do total de energia na silagem de milho e a irrigação 99,7% na emurchecida. A análise de sensibilidade indicou produtividade e teor de matéria seca como variáveis críticas do balanço energético para a silagem de milho. Na emurchecida tal análise não indicou variável alguma. Reduções da concentração do fertilizante e uso de irrigação foram as melhores alternativas para o milho e o Tifton 85, respectivamente.

Energy balance methodology and modeling of supplementary forage production for cattle in Brazil

Cattle is the main protein source in Brazil and cattle production depends on preserving forage in order to decrease the influence of dry periods on grass production. To minimize such problems, some new techniques have been created to increase the yield which also leads to energy demand increase. Energy balance is a vital tool to evaluate the efficiency of energy consumption in production systems. There is no standard methodology established for this determination. It is also difficult to analyze different management options because of the complexity of the production systems and the interactions among variables. Therefore the purpose of this study is to develop a methodology that supports the development of a model, using a spreadsheet, and to use it to analyze the energy balance of production systems. The model was applied to a traditional production system of maize (Zea mays L.) silage and a Bermuda grass (Cynodon spp.) haylage. The gross energy balance presented was 14.1 energy units of output per energy units of input for maize silage and 0.98 for haylage. For the digestible energy balance, the values were 9.1 and 0.99, respectively. The total energy demanded was 74.3% in maize silage fertilizations and 99.7% in haylage irrigation. Yield and dry matter contents were indicated in a sensitivity analysis as the main critical variables for maize, whereas for haylage, it was not possible to indicate any. The best alternative scenarios for improving energy efficiency in maize silage and haylage production were the reductions of fertilizer concentration and irrigation use, respectively.

A pecuária é a principal fonte de proteína no Brasil, e sofre pela estacionalidade das chuvas, necessitando-se da suplementação alimentar. Para amenizar tais problemas surgem técnicas visando o aumento da produtividade, porém demandando mais energia. O balanço energético é uma importante ferramenta para avaliar a eficiência com que um sistema de produção utiliza os insumos, pois relaciona os fluxos de energia de entrada (input) e a energia disponibilizada pelo sistema (output). No entanto, não há uma metodologia padrão para tal análise, e ainda analisar diferentes opções não é uma tarefa fácil, pela complexidade de sistemas agrícolas e pelas interações de suas variáveis. Sendo assim, o presente trabalho objetivou propor uma metodologia de determinação do balanço energético, que desse suporte ao desenvolvimento de um modelo em planilha eletrônica. Este foi utilizado para avaliar dois sistemas: um de produção de silagem de milho (Zea mays L.) e um de silagem emurchecida de Tifton 85 (Cynodon spp.). A silagem de milho apresentou balanços energéticos bruto de 14,08 e a emurchecida 0,98, já para o balanço de energia digestível foram 9,12 e 0,99, respectivamente. As adubações demandaram 73,4% do total de energia na silagem de milho e a irrigação 99,7% na emurchecida. A análise de sensibilidade indicou produtividade e teor de matéria seca como variáveis críticas do balanço energético para a silagem de milho. Na emurchecida tal análise não indicou variável alguma. Reduções da concentração do fertilizante e uso de irrigação foram as melhores alternativas para o milho e o Tifton 85, respectivamente.