Предотвращение снижения плодородия почвы за счет использования ВИЭ - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

924
Предотвращение снижения плодородия почвы за счет использования ВИЭ

Оценка систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в сравнении с традиционной энергетикой, по приведенным затратам, сроку окупаемости – это не тот единственный показатель, по которому можно судить об эффективности использования ВИЭ, поскольку, кроме всего прочего, их системами и установками вырабатывается «зеленая» энергия, не приводящая к снижению плодородия почвы. В этом показателе также заложена неопределенность – изменение цены «энергоемкости» при низком коэффициенте использования установленной мощности, изменении КПД в течение срока службы проекта (системы, установки) и т.д.

Кроме того, в этом показателе как и в остальных, не находят свое отражение дополнительные социально-экологические преимущества получаемые при использовании систем и установок ВИЭ. А ведь известно, что экспертные оценки прямых социальных-экономических затрат, связанных с вредным воздействием электростанций, вырабатывающих электроэнергию за счет сжигания органического топлива включая: болезни и снижение продолжительности жизни людей; оплату медицинского обслуживания; потери производства; снижение плодородия почв в результате загрязнения воздуха, воды и почвы в итоге дают величину, добавляющую около 75 % к мировым ценам на топливо и энергию. По источнику[1] эти затраты для угольных ТЭС выше.

Кроме того, сравнительную экономическую оценку, например, теплоснабжения от сжигания дров и солнечной энергии, очень трудно привести к одному знаменателю. Ведь экономические потери от вырубки леса выражаются в уменьшении продуцирования кислорода, поглощения вредных газов и насыщения воздуха фитонцидами. Лес дает 40% кислорода земной атмосферы, а океан 60 %. Охранно-защитные и рекреационные функции лесов, само собой, разумеется, являются не переводимыми в конкретные цифры.

В свою очередь конкурентоспособность систем энергетики ВИЭ напрямую зависит от показателя децентрализации потребителя энергии. Чем удаленнее потребитель от основных магистралей, и чем меньше у него энергопотребление, тем более выгодно использование систем работающих от ВИЭ. В этой связи может быть использовано много методик и показателей оценки эффективности использования ВИЭ в сферах сельскохозяйственного производства, быта, отдыха и т.д. не обращаясь к критерию «конкурентноспособность».

Опираясь на эти положения, рассмотрим работу отдельно взятой системы или установки энергетики ВИЭ.

 

Комплексный подход к эффективности ВИЭ

Экономическая эффективность подобных систем и установок, обычно складывается из социального, экономического и экологического эффектов, или из социально-эколого-экономической эффективности. С учетом приведенных критериев рассмотрим дополнительную эколого-социально-экономическую эффективность системы энергетики ВИЭ связанную с сохранением плодородия почв, по сравнению с традиционным энергоснабжением от топливной энергетики.

При определении для зональной экосистемы эколого-социально-экономической эффективности любой из технологий энергетики ВИЭ, нельзя пренебрегать, дополнительными показателями. На рис.1 показана структура предотвращения снижения плодородия почвы за счет использования отдельно взятой установки энергетики ВИЭ. Рис.1 содержит основные составляющие предотвращения снижения плодородия почвы почти каждой, отдельно рассматриваемой технологии ВИЭ, без учета распространения на зональную экосистему многогранных социальных и сопутствующих экономических эффектов.

Как видим народнохозяйственный эффект использования любой технологии энергетики ВИЭ, может состоять не только в производстве электроэнергии, холода и тепла, но и в сохранении при этом плодородия почвы. Это принципиальное преимущество ВИЭ, и его необходимо учитывать при определении эффективности использования её технологий по сравнению с установками, использующими органическое топливо.

Ведь при сохранении плодородия почв не растет, если можно так выразиться, гумусный «предпродовольственный долг поколения», который итак не очень мал, если учитывать современные темпы опустынивания.

Поэтому основной полезный результат от использования энергетики ВИЭ в этом ракурсе может быть представлен в виде суммы слагаемых

 

V = V1 + V2,

 

где:

V1 – полученная «зеленая» энергия;

V2– предотвращенный ущерб от деградации почвы (сохраненный гумус) при получении «зеленой» энергии.

Это равенство, с соответствующей корректировкой, применимо ко всем технологиям использования ВИЭ. Оно позволяют учесть принципиальную особенность ВИЭ – возобновляемость. Обычно при сравнении энергоустановок, использующих ВИЭ и органическое топливо, учитывается тождество сопоставимых вариантов в частиV1. Например, считается, что гелиоустановка эффективна, если затраты на неё не превышают затраты на топливо, которое израсходует установка такой же мощности на органическом топливе. А такое преимущество при использовании энергии Солнца, как сохранение гумуса, остается вне поля зрения.

Экономия ресурсов Земли становится все более важной задачей, и учет многогранных последствий от их сохранения, несомненно, будет давать более объективную оценку эффективности использования ВИЭ.

Народнохозяйственный эффект от сохранения гумуса в земле при использовании ВИЭ можно оценивать как:

 

Э = Кпот • Вт • ц, USD.

 

где:

Вт – количество гумуса сэкономленного в экосистеме которое раньше расходовалось на выращивание растительной продукции, используемой в качестве топлива при самозаготовке, в год;

Кпот – коэффициент учитывающий прирост первичного гумуса (при нахождении «пашни под парами» Кпот >> 1);

ц – удельная цена сохранения гумуса в почве.

При определении эффективности системы энергетики ВИЭ требуется также учет и анализ расхода не только денежных ресурсов (капитальных вложений, текущих затрат), но также сырьевых, т.е. экономия удобрений, чистой воды на полив, а значит сопутствующих им топливных, транспортных, материальных и трудовых ресурсов в натуральном выражении, изменения которых, для сравниваемых вариантов, надо определять последовательно.

Солнечная энергия является экологически чистым видом топливно-энергетического ресурса, что необходимо учитывать в виде экологического эффекта. Воздействие выбросов (СО2) при сжигании биометана на окружающую среду условно принимаем нулевым, поскольку в природных условиях из органической биомассы (отходов), которая обеспечила получение биометана в биореакторе, в атмосферу за счет естественного брожения выделилось такое же количество биометана. А вот преобразование органических отходов в биометан и удобрения необходимо учитывать в виде экологического эффекта, уменьшающего загрязнение почвы и окружающей среды далеко не безвредными концентрированными отходами животноводства.

Использование биометана не требует очистных сооружений для биогазовых установок энергетики ВИЭ (очистка биогаза от вредных газов осуществляется в технологическом цикле биогазовой установки).

Поэтому экологический эффект Ээк (USD) может быть учтен как предотвращенный ущерб благодаря отсутствию вредных сбросов в почву и выбросов в результате использования солнечной энергии системой. Можно также определять экологический эффект Ээк.с.д. как предотвращенный ущерб почве благодаря уменьшению вредных выбросов при добыче и транспортировке энергоносителя.

При оценке ущерба водным объектам можно исходить из уровня содержания в воде растворимого кислорода (РК) и органических отходов.

Так же как и при загрязнении почвы и воздуха, почти нет предела разнообразию загрязнителей, которые могут сбрасываться, и сбрасываются в водную среду. Это термальные и радиоактивные загрязнители, производящие изменения в качестве окружающих вод. Они имеют различные последствия для человека и живого мира, тем самым сокращая ценности, которые могут быть прямо или, косвенно получены человеком из окружающей среды. Основные источники органических разлагаемых загрязнителей вод – это промышленность, ТЭЦ, ТЭС, сельское хозяйство, бытовое хозяйство и слив дождевых вод в городах. Если сброс органических загрязнителей в конкретном месте не слишком большой, содержание РК в реке (водоеме) сначала уменьшается до определенного уровня, а затем снова восстанавливается (при условии, что не происходит других сбросов по течению реки). А если объем сброшенных в воду органических веществ, превышает определенный уровень, процесс их разложения может привести к истощению РК.

Ущерб от многих промышленных стоков очень высок (содержание кислорода в воде резко снижается), т.к. эти стоки часто имеют биологическую потребность в кислороде намного выше, чем коммунально-бытовые стоки.

Высокие уровни РК –от 7 до 8 мг/л –необходимы для некоторых важных сортов рыбы (8…10 мг/л –стадия насыщения кислородом в большинстве рек и озер России в летний период). Для большинства же рыб более низкие уровни кислорода –4…5 мг/л вполне подходящие для жизненного цикла. Однако при уровне РК ниже 2…3 мг/л могут выживать только карп и некоторые другие не столь ценные сорта рыбы.

Из-за неорганических загрязнителей, не разлагаемых в водоемах, вода, в ряде случаев становится непригодной для орошения и полива, причем, не только, для выращиваемого урожая, но её гнилость наносит ущерб почве, снижая её плодородие в будущем и выводя целые поля из севооборота.

Как видно из анализа определяющих экологическую эффективность показателей, использование ВИЭ позволяет существенно уменьшить нагрузку на биосферу, понизить эргодемографический индекс территории.

Вот наглядный примертому, что способность экосистем к самоочищению и самовосстановлению неодинакова. На Крайнем Севере самоочищение рек происходит фактически на расстоянии до 2000 км от источника загрязнения, в то время как в умеренной зоне этот процесс может завершиться всего в пределах 200…300 км.

И в тоже время, определенный интерес представляет использование отходов сжигания, например, угля, торфа и сланцев. Зола угольная и сланцевая широко используется для раскисления почв и производства углетуков (удобрений) стимуляторов роста растений. Зола подмосковных углей содержит 37…38 % окиси алюминия, а нефелиновый концентрат кольских апатитовых месторождений – всего 29,5 %. Зола торфа востребована в фармакологии.

Эффект от использования этих отходов (угля, сланцев) может быть учтен следующим образом (если на них есть покупатель)

 

4053_form1 USD,

 

где:

Вуг = Вуг.т + Вуг.тр - (т)— годовая экономия угля в натуральном выражении (Вуг.т - экономия угля при получении энергии; Вуг.тр - экономия угля за счет отказа от транспорта высвобожденного угля Вуг.т);

цз - цена заменяемого сырья, массой равной количеству отходов образовавшихся, при сжигании 1 т угля (сланца), USD/т;

Сотх и Сз - содержание полезного компонента соответственно в отходах и в заменяемом кондиционном сырье, %;

кзам - коэффициент замены.

При использовании солнечной энергии, энергии воды и биометана отсутствуют риски, возникающие, например, при использовании угля, сжиженного газа, мазута, когда при их доставке возможно проникновение, закрепление или распространение вредных организмов (в том числе колорадских жуков, саранчи), заболеваний, переносчиков болезней или болезнетворных организмов, а также сорных растений транспортными средствами. Не нужны обязательные и дорогостоящие, при их надлежащем исполнении, ветеринарно-санитарные и фитосанитарные меры и процедуры.

При нынешних темпах развития цивилизации не получается резервировать слишком большие участки Природы и тратить на её охрану слишком много средств, т.к. это приводит к большим экономическим потерям для общества. На рис.2 изображены вероятные сценарии развития общества (территории) в зависимости от отношения к экологии во времени по Н.Э. Смирнову:

а) при полном отсутствии каких-либо экологических требований к производству;

б) при запрещении всякого загрязнения окружающей среды;

в) при наличии технологического базиса, обеспечивающего удовлетворение общественных потребностей (сознательно ограниченных обществом в пользу чистой окружающей среды) и являющегося наиболее «чистым» из возможных, в экологическом смысле.

Как видно из рис.2, эффективное развитие общества на долгосрочную перспективу возможно только при добровольном отказе его членов от погони за одними только материальными ценностями.

Более 99 % всех выбросов ТЭС поступает в атмосферу из высоких дымовых труб, создавая «пятнами» наибольшие приземные концентрации на расстоянии нескольких километров от ТЭС, в зависимости от скорости ветра и его направления. В настоящее время самым мощным источником поступления естественных радионуклидов в окружающую среду являются объекты ТЭК на органическом топливе: угле, сланце, мазуте. При сгорании органического топлива в атмосферу с дымовыми выбросами поступают радиоактивные элементы 40К, 238U, 226Ra, 232Thи продукты их распада. При зольности угля 10 % и коэффициенте очистки образующейся золы 0,975 объекты ТЭК, согласно расчетным данным, выбрасывают в атмосферу за год, ГБк: 4,0 (40К), 1,5 (238226Ra), 5,0 (210Pbи радония-210), 1,5 (232Th) с продуктами их распада.

Эффективная эквивалентная доза в результате выбросов угольной ТЭЦ существенно (в 5…40 раз) больше, чем АЭС равной мощности, даже если принять коэффициент очистки выбросов золы ТЭЦ равным 0,975. А очистка дымовых газов это дорогое удовольствие, так капитальные затраты на сооружение блоков очистки дымовых газов при переводе ТЭС с газа на уголь составляют 186…264 тыс. USDна 1 МВт установленной мощности.

По оценкам специалистов Института проблем рынка РАН, прямой годовой экономический ущерб, вследствие, негативных антропогенных воздействий на окружающую среду в России в середине 1990-х годов составлял порядка 10 % от величины ВВП.

Сейчас часть мирового сообщества обеспокоенная выбросами СО2 усиленно пропагандирует использование биомассы. Мотивация – при сжигании биомассы действительно выделяется СО2, но он ранее был поглощен растениями из атмосферы. Поэтому биомасса считается нейтральной с точки зрения выбросов СО2 при условии возобновления зеленых насаждений в достаточном объеме.

Однако, не все так просто и здесь. Использование биомассы в качестве энергоресурса биологи считают следствием невежества, ибо изъятие биомассы из общей цепи взаимосвязанных биопроцессов на Земле нарушает равновесие биосистемы (продуктивности зональных экосистем), что может повлечь за собой непредсказуемые негативные последствия.

Нетронутая тайга сохраняется тысячелетиями, а систематическая рубка деревьев превращает могучие леса в чахлое редколесье (лесостепи), лесостепи в степи и так далее. То же самое происходит и при культурном земледелии. Ежегодное удаление с полей не только урожая, но и соломы снижает плодородие почвы, её природно-ресурсный потенциал. Его приходится восстанавливать внесением искусственных удобрений, затраты энергии на производство которых превосходят количество энергии, получаемой от использования соломы в энергоустановках.

Кроме этого для исключения распространения пыли от промышленных предприятий, ТЭЦ, ТЭС и т.д. необходимо восстанавливать леса, а не пропагандировать использование древесины в качестве возобновляемого органического топлива, и вот почему. Листовая поверхность в 1 м2 задерживает 1,5…3,0 г пыли. Корневая система растений закрепляет почву и тем самым уменьшает площадь, которая может быть источником запыления среды.

Зеленые насаждения на площади в 1 га за год очищают воздух от 50…70 т пыли, уменьшая её концентрацию на 30…40 %. Зелень на улицах города может в 2 – 3 раза снизить запыленность атмосферы по сравнению с улицами без зелени. Распространению или движению пыли препятствуют не только деревья и кустарники, но и газоны, которые задерживают поступательное движение пыли, перегоняемой ветром из различных мест.

Пылезадерживающие свойства различных пород деревьев и кустарников неодинаковы и зависят от морфологических особенностей листьев. Лес отфильтровывает из воздуха даже радиоактивную пыль. Установлено, что листья и хвоя деревьев могут захватывать до 50 % этой пыли, защищая посевы от радиоактивных загрязнений. Полезащитные полосы могут задерживать содержащиеся в воздухе радиоактивные аэрозоли, снижая плотность загрязнений полей и пастбищ.

 

Сжигание биогаза и соломы

Биогазовые установки, использующие вырабатываемый биогаз (до 30 %) на технологические нужды (для поддержания температуры в биореакторе), и лишающие дождевых червей части пищи, нельзя рассматривать как экологически чистые технологии.

А вот сжигание соломы – мера вынужденная. На её уборку с поля по традиционной технологии приходится затрачивать труда и средств значительно больше, чем на уборку основной продукции, т.е. зерна.

Мировое сообщество к самым негативным факторам воздействия ТЭК на биосферу относит: выбросы СО2 (ежегодно количество углекислого газа в атмосфере продолжает увеличиваться на 0,002 %), сжигание кислорода, снижение энергии фотосинтеза за счет загазованности воздуха. А также кислотные дожди, деградация лесов и земель, которые способствуют дальнейшему техногенному опустыниванию. В целом в мире глобальное сокращение лесов в 18 раз опережает их восстановление. Сохранение этих тенденций представляет большую экологическую угрозу.

Использование энергетики ВИЭ, в том числе в качестве вторичного инструмента, для обеспечения бесперебойной «обработки» почвы сегодня выходит на одно из первых мест. Это связано с тем, что экономические потери при отсутствии бесперебойного энергоснабжения, например, в сельском хозяйстве, сродни потерям, которые будут наблюдаться на любом производстве непрерывного цикла, будь то металлургический завод или нефтеперерабатывающая установка при отключении электроэнергии. В силу биологических особенностей сельскохозяйственного производства восполнить в таких случаях потери продукции нельзя ни за счет сверхурочной работы, ни за счет форсированных режимов. Потерь продукции можно не допустить только путем ввода дополнительных производственных мощностей при надежном энергообеспечении производства, хранения и переработки.

Следует учитывать, также, что при применении предлагаемых новых ресурсосберегающих технологий отпадает необходимость в геолого-разведочных работах. Отпадает необходимость в увеличении пропускной способности транспортной инфраструктуры, т.к. при сооружении, например, солнечных соляных прудов и котлованов будут использоваться в основном природные «готовые и вечные» материалы, и не требуется транспорт и топливо в прежних объемах.

 

Фондоотдача и фондоемкость

Оценка методов, способствующих полному использованию солнечной энергии, может производиться на основе показателя фондоотдачи. Однако, если фондоотдача рассматривается применительно к одному изолированному технологическому производству, то, как правило, когда комплексность (полнота) использования, например, сырья (за счет попутного извлечения компонентов) возрастает, фондоотдача падает. И на основании этого комплексность использования сырья, ошибочно считается экономически не целесообразной. Подобные заключения не вызывают сомнения, если рассматривается «локальная» фондоотдача без учета экономии капитальных вложений в результате отказа от сооружения специализированных производств.

В случае комплексного использования солнечной энергии коэффициент фондоотдачи Фн следует рассчитывать с учетом экономии капитальных вложений в топливную базу, транспорт топлива и в сооружение специализированных производств по формуле:

 

4053_form2,

 

где:

Тк –конечная продукция (теплота и холод различных температурных диапазонов, востребованные в зависимости от времени года) в денежном выражении;

Ок –основные фонды предприятия при комплексном использовании солнечной энергии;

К1 –удельные капитальные затраты на производство единицы энергии (продукции) с учетом вложений в топливную базу, транспорт топлива и в сооружение специализированных производств при получении этой энергии из солнечной энергии;

zi –количество дифференцированных видов энергии получаемых из солнечной энергии (i = 1, 2, 3…);

m–порядковый номер дифференцированного вида энергии.

Таким образом, с учетом перечисленных выше факторов фондоотдача имеет другую «положительную» тенденцию –возрастает на каждый процент повышения комплексности использования ВИЭ.

Сооружение, например, пруда и котлована, и использование аккумулированных видов энергии, фондоемкость и фондоотдача также находятся в зависимости от коэффициента комплексности полученной энергии:

 

D Ф0 = Qи.э./ Ф,

 

где:

 

D Ф0 –фондоотдача;

Qи.э.–объем полученной энергии;

Ф –основные фонды.

Как видно, полное определение эколого-социально-экономической эффективности любой системы энергетики ВИЭ должно рассматриваться с учетом приведенных зависимостей, охватывая многие отрасли промышленности, сельского хозяйства, транспорта, экономики, социальной сферы и т.д.

Приведенная структура составляющих дополнительного социально-эколого-экономического эффекта отдельно взятой системы энергетики ВИЭ показывает, как взвешенно нужно подходить к анализу эффективного использования новых технических решений.

 

Выводы

Использование ВИЭ способно не только обеспечить человечество необходимой электрической и тепловой энергией, но также и сохранить окружающую среду. Однако не все ВИЭ в одинаковой степени экологичны. Так биогазовые установки, лишающие дождевых червей части пищи, не могут считаться безопасными для окружающей среды.

Ветроэлектростанции (ВЭС) производят инфразвуковое излучение губительное для всего живого, к тому же об их лопасти разбивается масса перелетных птиц.

Фотоэлектростанции (СЭС), из-за небольшой высоты своих солнечных панелей, занимают значительные площади, которые приходится выводить из сельскохозяйственного оборота.

В связи с явлением дегазицией водорода, открытым в последние десятилетия, нефть и природный газ оказались полностью возобновляемыми источниками энергии неорганического происхождения. При этом себестоимость электроэнергии полученной из них на ТЭС во много раз ниже, чем на ВЭС или на СЭС. Все это делает перспективы развития СЭС и ВЭС более чем сомнительными.

 

Литература

1. Копылов А.Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России / А.Е. Копылов // Энергетик. 2008. № 1– С. 7 – 10.

2. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010.– 572 с.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus