Применение возобновляемых источников энергии в ресурсосбережении энергетики Западного Казахстана

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Применение возобновляемых источников энергии в ресурсосбережении энергетики Западного Казахстана

Сейткалиева Ж.А. 1
1Назарбаев интеллектуальная школа
Черноярова Е.А. 1
1Назарбаев интеллектуальная школа
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Актуальность темы исследования. Мир быстро превращается в глобальную деревню из-за растущего ежедневного потребления энергии всем населением во всем мире. Энергия необходима для удовлетворения различных потребностей человека. Энергообеспечение и ограничение влияния выработки энергии на изменение экологии являются двумя проблемами, стоящими перед энергетическим сектором стран мира на пути к устойчивому будущему. В сегодняшнем мире поразительно, что 1,4 миллиарда человек не имеют доступа к электричеству, а 85% из них живут в сельской местности. Исследование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) датируется концом 90-х годов прошлого столетия. Эксперты отмечают, что замена источников энергии на основе ископаемого топлива возобновляемыми источниками энергии, которые включают в себя: биоэнергию, прямую солнечную энергию, геотермальную энергию, гидроэнергетику, энергию ветра и океана (прилив и волна), постепенно поможет миру реализовать идею устойчивости.

В связи с этим целью исследования является определение перспектив использования возобновляемых источников энергии и ее получения в конкретных хозяйствах Западно-Казахстанской области.

Исходя из цели исследования, нами были решены следующие задачи: провести анализ существующего положения и перспектив развития электроэнергетики Казахстана; на основе опроса учащихся школ провести оценку экологической грамотности подрастающего поколения; на основе SWOT–анализа выявить современные тенденции и перспективы развития ВИЭ; определить экономические и социальные выгоды от их использования на примере конкретных объектов Западно-Казахстанской области; на основе 3 dвизуализации составить макет установки для получения биогаза.

Результаты данного исследования имеют определенную социально-экономическую, экологическую значимость для всей Западно-Казахстанской области и Казахстана в целом.

Основная часть

Материалы и методы исследования

В ходе выполнения проекта используются различные методы исследования: диалектический, абстрактно-логический, опрос, поисковый, аналитический и сравнительный, описательный и др.

В настоящее время важными условиями в обеспечении электроэнергией региона, страны являются: правильная оценка перспектив использования возобновляемых источников энергии. В этих целях мною был проведен SWOT-анализ развития ВИЭ в Западно-Казахстанской области. Как показали результаты проведенного исследования, наша область располагает широким набором возобновляемых источников, оценка которых позволяет наибольшие перспективы связывать с развитием ветроэнергетики и биоэнергии.

С целью выявления степени информированности учащихся по вопросу о возобновляемых источниках энергии мною было проведено анкетирование учащихся 7 «Е» класса НИШ г. Уральска. В опросе приняло участие 24 школьника. В результате анализа анкет были сделаны конкретные выводы об осведомленности подрастающего поколения о возобновляемых источниках энергии и необходимости повышения экологической грамотности.

В практической части исследования также была проведена оценка потенциала развития биогазовой энергетики в области. Дана оценка сырьевой базы для производства биогаза на основе анализа фактического и прогнозируемого поголовья животных и птиц в области. А также в целях определения потенциала выработки биоэнергии в конкретных хозяйствах Западно-Казахстанской области мною были произведены расчеты на примере ТОО «Уральская птицефабрика» и ОПХ «Атамекен» ЗКАТУ им. Жангир хана. Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследований могутпослужить практической основой для использования предлагаемой технологии на вышеуказанных и других животноводческих предприятиях с получением высокогоэкономического и экологического эффектов.

2. Экспериментальная часть по обоснованию потенциала и перспектив использования возобновляемых источников энергии в Западно-Казахстанской области.

Экономический потенциал ВИЭ в мире составляет примерно 20 млрд. т. условного топлива в год. Это в два раза больше годового объема добычи всех видов органического топлива. По данным Международного Энергетического Агентства производство электроэнергии на базе нетрадиционных источников энергии в настоящее время составляет около 5 % ее общего производства. Предполагается, что к 2060 году эта величина достигнет 33 % [1, 2].

С целью оценки перспектив использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) мною был проведен SWOT-анализ их развития ВИЭ в Западно-Казахстанской области (таблица1).

Таблица 1 - SWOT-анализ развития возобновляемых источников энергии в Западно-Казахстанской области Республики Казахстан

СИЛЬНЫЕ СТОРОНЫ

СЛАБЫЕ СТОРОНЫ

1. Высокая технологическая эффективность.

2. Экологическая эффективность (существенное снижение нагрузки на окружающую среду).

3. Снижение цен на тепло- и электроэнергию.

4. Масштабируемость.

5. Наличие возможностей для развития ветровой энергии и биоэнергии (ресурсы ветровой энергии, большое поголовье животных и его рост, наличие земель для выращивания сельхоз культур для биотоплива и т.д.).

5. Социальные эффекты ВИЭ (создание рабочих мест, рост налоговых поступлений).

1. Низкий уровень практики управления ВИЭ.

2. Слабая производственно-инжиниринговая база.

ВОЗМОЖНОСТИ

УГРОЗЫ

1. Ресурсосбережение.

2.Энергетическая независимость

3. Инвестиционная привлекательность.

4. Использование местных энергетических ресурсов.

5. Применение инновационных технологий.

6. Создание рынка индивидуальных потребителей в отдаленных районах ЗКО (сельхоз фермах ) в соответствии с Государственными программами «Цифровой Казахстан» и «Национальная идея развития мясного скотоводства» на 2018-2027гг. (SMART дома, фермы и т.д.)

1. Монополизм и давление структур традиционной энергетики

2. Недостаточно проработанная нормативно-правовая база развития ВИО

Как показал проведенный мною анализ, наша область располагает большими перспективами использования возобновляемых источников. Наибольшие перспективы связываются с развитием ветроэнергетики и биоэнергии.

Однако, на наш взгляд, для того, чтобы успешно работать над проблемой энергосбережения, необходима не только материально-техническая база, интеллектуальные ресурсы, но и желание этим заниматься. Необходимы государственная поддержка и льготное финансирование развития ВИЭ [2, 3].

Целесообразно информировать население, в частности, молодое поколение о состоянии энергоресурсов у нас в стране и области. С целью выявления степени информированности учащихся по вопросу о возобновляемых источниках энергии мною было проведено анкетирование учащихся 7 «Е» класса НИШ г. Уральска. На основании анализа результатов анкетирования можно сделать следующие предложения: 1) повышение экологической грамотности и степени информированности школьников через интересные уроки, учебные конференции и различные конкурсы и выставки; 2) привлечение учащихся к научно-исследовательской деятельности.

Казахстан богат ветроэнергетическими ресурсами. По данным Казахстанского НИИ «Казсельэнергопроект», республика занимает первое место в мире по количеству ветроэнергетических ресурсов на душу населения. Так, скоростной напор ветра в среднем на высоте 15 м составляет 27-36 м/с. Имеется не менее 10 районов с большим ветропотенциалом со средней скоростью ветра 8-10 м/с.Технически возможный к использованию ветроэнергетический потенциал Казахстана при использовании традиционных ветроэнергоустановок оценивается в 3 млрд. кВт/ч. Наиболее значительными являются ветроэнергетические ресурсы Джунгарских ворот (17000 кВтч/кв.м.). Из других перспективных районов можно отметить Ерментау (Акмолинская обл.), Форт-Шевченко (побережье Каспийского моря), Курдай (Жамбылская обл.) и некоторые другие. В настоящее время в стране суммарная мощность ветроэлектрических установок, интегрированных в сеть, составляет 1 МВт.

Казахстан обеспечен инфраструктурой и необходимыми материалами для изготовления ветровых электростанций всего диапазона мощностей, применяемых на практике. В стране имеются специалисты, обладающие опытом разработки всего комплекса оборудования, которое включают ветроэлектростанции, опытом создания установок и наладки ветроэлектростанций различной мощности.

Ресурсы ветровой энергии по территории Казахстана приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Ресурсы ветровой энергии по территории Казахстана 

Регионы

Занимаемая площадь, тыс. га

Потенциальные ресурсы, млрд. кВтч

Потенциал с учетом КПД ВЭУ, млрд. кВтч

1

Западный Казахстан

7292

8800

87

2

Восточный Казахстан

277,1

3000

30

3

Юго-Восток

223,2

3100

31

4

Северный Казахстан

237

2700

27

5

Центральный Казахстан

762,2

9100

91

6

Южный Казахстан

499,9

560

56

         

7

Итого по Казахстану

27181

32200

322

Несмотря на весьма значительный потенциал ветровой энергии, в настоящее время на территории Казахстана, отсутствует заметное присутствие ветровой электроэнергетики. Ветровые агрегаты в основном используются в качестве привода насосов для поднятия воды на поверхность для нужд сельского хозяйства.

Биоэнергетика. Имеющийся опыт создания биогазовых установок и потенциал для получения биотоплива позволяет считать возможным экспорт установок и широкое применение их для внутренних нужд.

Одним из источников получения биогаза в условиях Казахстана, и Западно-Казахстанской области в частности, является птицеводство. Для крупных птицеводческих предприятий перспективно получение биогаза с применением анаэробного сбраживания органических отходов в метантанках. Как показывают расчеты, с 1 т куриного помета можно получить моторное топливо, эквивалентное 800 литрам бензина. В нашей области при имеющемся уже сегодня поголовье птиц (1367,9 тыс. гол.) выход биогаза от сбраживания всего помета может составить до 274 тыс. куб. м в сутки, что вполне достаточно для питания газовой электростанции мощностью свыше 13 МВт или получения моторного топлива, эквивалентного 190 тыс. л бензина.

Также не менее значимым источником получения биогаза является животноводство. Из 1 тонны сухого вещества навоза в результате анаэробного сбраживания при оптимальных условиях можно получить 350 куб. м биогаза, или в пересчете на одну голову крупного рогатого скота в сутки 2,5 куб. м, а в течение года - примерно 900 куб. м. Рассчитав эквивалент получаемого по данной технологии биогаза к традиционному моторному топливу, можно констатировать достаточно парадоксальный на первый взгляд факт, что одна корова в год, кроме молока, дает еще около 600-700 л бензина. Как свидетельствуют расчеты, в сельских местах производство биогаза может считаться рентабельным при наличии 20 коров, 200 свиней или 3500 кур.

Как показали результаты проведенного нами анализа, на территории Западно-Казахстанской области существуют огромные возможности для производства биоэнергии, а именно, большое поголовье животных и птиц, а также его рост (рисунок 1).

Рисунок 1 – Оценка сырьевой базы для производства биогаза (фактическое и прогнозируемое поголовье животных и птиц) в ЗКО, тыс. гол.

Агропромышленный комплекс области сегодня сталкивается с проблемой утилизации огромного количества БИОотходов - чаще всего они просто вывозятся с территорий ферм и загрязняют окружающую среду (прилегающие земли, водоемы и т.п.). Таким образом, развитие биогазовой энергетики это не только возможное решение проблемы отходов, но и еще решение энергетических проблем сельского хозяйства. Кроме вышеуказанного, биогазовая энергетика – это еще и источник дешевых комплексных органических удобрений, которые образуются как субпродукт при производстве биогаза.

В целях определения потенциала выработки биоэнергии в конкретных хозяйствах Западно-Казахстанской области мною были произведены расчеты на примере ТОО «Уральская птицефабрика» и ОПХ «Атамекен» ЗКАТУ им. Жангир хана.

1) В ТОО «Уральская птицефабрика» в настоящее время содержится около 250 000 кур несушек, получают 70 млн яиц и 200 тонн мяса в год. Сегодня предприятие является основным производителем продукции птицеводства в Западно-Казахстанской области, а также поставляет яйца в Россию, Узбекистан и ряд регионов Казахстана. В планах Уральской птицефабрики – дальнейшее расширение и увеличение производства. Являясь поставщиком товара в другие города Казахстана и соседние страны, предприятие планирует провести модернизацию и в три раза увеличить производительность. Уже в этом году будет построен новый корпус птицефабрики. Благодаря этому, увеличится мощность предприятия на 20%.

В настоящее время основной проблемой является утилизация отходов. Руководство птицефабрики обратилось в городской акимат для предоставления полигона для помётохранилища, чтобы это было подальше от жилых домов. На сегодняшний день на существующемпомётохранилище работы не ведутся. Городской акимат предоставил земельный участок для нового помётохранилища в километре от жилого сектора. Сегодня на предприятии необходимо начать применять современные технологии обработки птичьего помета.

Так, если ежегодно от 1 курицы накапливается 50-60 кг помета, то от 250 000 голов – 15 000 тонн. Учитывая выход биогаза и содержание в нем метана при использовании птичьего помета, можно рассчитать потенциальную годовую мощность (объем выработки газа) данной птицефабрики.

Подсчитать какое количество свежего навоза с определенной влажностью будет соответствовать 1 кг сухого вещества можно следующим образом:

от 100 отнимаем значение влажности навоза в процентах (для птичьего помета в среднем 70 %), а затем делим 100 на это значение: 100: (100% - 70 %) = 3,3 килограмм свежего навоза.

Значит, с 3,3 килограммов свежего помета мы получаем 0,310-0,620 мᵌ биогаза, а с 1 килограмма свежего помета птиц можно получить в 3,3 раз меньше: 0,094 - 0,188 м3 биогаза.

При расчете приняты во внимание выход биогаза и содержание в нем метана (таблица 3).

Таблица 3 - Выход биогаза и содержание в нем метана при использовании разных типов сырья

Тип сырья

Выход газа (м3 на килограмм сухого вещества)

Содержание метана (%)

 

Навоз КРС

0,250 - 0,340

65

Свиной навоз

0,340 - 0,580

65-70

Птичий помет

0,310-0,620

60

Конский навоз

0,200 - 0,300

56-60

Овечий навоз

0,300 - 0,620

70

Значит 15 000 тонн свежего птичьего помета выделяет до 2 820 000 м3 биогаза в год. А при условии планируемой на птицефабрике модернизации и расширения производства выработка биогаза может увеличиться в 3 раза и достигнуть 8 460 000 м3. На производство одного киловатта уходит порядка 100 килограммов куриного помета. Учитывая, что предприятие перерабатывает в год около 15 000 тонн птичьих отходов, будет получено 150 000 киловатт"зеленой" электроэнергии из возобновляемых источников - куриного помета. Электричество можно продавать по «зеленому» тарифу – 32 тенге за кВт/ч, при этом доход от реализации составит – 4 800 000 в год.

2) На базе опытно-производственного хозяйства «Атамекен» Западно-Казахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана в текущем году проводятся мероприятия по подготовке к созданию модельной фермы по разведению полутонкорунных овец акжаикскоймясо-шерстной породы (таблица 4).

Таблица 4 – Основные параметры модельной фермы ОПХ «Атамекен»

Генотип

овец

Полутонкорунные овцы акжаикской породы

комбинированного мясо-шерстного направления продуктивности

Направление

деятельности

- Выращивание племенного молодняка овец для разведения

- Производство молодой баранины и кроссбредной шерсти

Место

расположения

ч/т «ҮшТілек»

Казахстанского с.о. Таскалинского р-на Западно-Казахстанской обл.

Поголовье

овец

Всего на начало года 2 250 голов, в т.ч. маток 70%

Способ

содержания

Пастбищно-стойловое

(стойловый период длительностью до 180 дней)

Кормовая

база

7 000 га пастбищ и 4 000 га сенокосов

Источник

водопоя

Шахтные колодцы-скважины для подземных грунтовых вод,

а также естественные и искусственные водоемы

Современные технологии (производства), по возможности, должны быть связаны между собой таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства.По мнению экспертов ООН, именно такой комплексный подход, когда отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, может полностью решить проблему устойчивого развития общества.

С учетом норм выхода навоза принято считать, что можно получить в год: от 1 головы взрослой овцы - 1 т навоза.  

Значит от 2 250 голов овец можно получить - 2 250 тонн навоза.

Учитывая выход биогаза и содержание в нем метана при использовании, можно рассчитать потенциальную годовую мощность (объем выработки газа) данной модельной фермы.

Подсчитаем,какое количество свежего навоза с определенной влажностью будет соответствовать 1 кг сухого вещества:

от 100 отнимаем значение влажности навоза в процентах (для овечьего навоза в среднем 65 %), а затем делим 100 на это значение: 100: (100% - 65 %) = 2,9 килограмм свежего навоза.

Значит, с 2,9 килограммов свежего навоза мы получаем 0,300-0,620 мᵌ биогаза, а с 1 килограмма свежего навоза овец можно получить в 2,9 раз меньше: 0,103 - 0,214 м3 биогаза.

При расчете были приняты во внимание выход биогаза и содержание в нем метана, приведенные ранее в таблице 3.

Значит 2 250 тонн свежего овечьего навоза выделяет до 481,5 м3 биогаза в год.

По данным экспертов составляющие положительного денежного потока биогазовых проектов могут быть следующими (таблица 5).

Таблица 5 – Оценка эколого-экономических выгод (составляющих положительного денежного потока биогазовых проектов)

Составляющая

Доля в структуре выручки

Продажа электроэнергии

60-75%

Продажа тепловой энергии

10-20%

Снижение платы за технологическое присоединение (для новых и расширяющихся предприятий)

0-50%

Продажа мощности

0-30%

Продажа удобрений

10-30%

Снижение экологических платежей

0-20%

Продажа углеродных квот

0-10%*

*Производство 1000 м куб. биогаза обеспечивает замещение 10 т выбросов СО2.

Рассмотрим устройство и принцип работы биогазовой установки. Это специальный агрегат, который позволяет перерабатывать отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности в газ и биологические удобрения. Именно на принципах брожения и распада создается любая биогазовая установка. Можно выделить следующие основные этапы работы биогазовой установки: 1) доставка продуктов переработки и отходов в установку; 2) переработка в реакторе; 3) Выход готового продукта.

Отдельно следует сказать, что для поддержания работы биогазовой установки требуется около 10-15% получаемого газа. Биогумус составляет всего лишь около 5% от общего количества получаемых удобрений. Собственно, удобрения сразу могут быть использованы по назначению. Более того, в Европе существуют целые поточные линии, которые запаковывают полученные биологические удобрения в пластиковые емкости.

Как показывает практика, биогазовые системы, начинают себя окупать уже через 2 года после установки. Учитывая, что средний срок службы установки – 25 лет, то не сложно подсчитать прибыль, которую принесет подобное оборудование.

Заключение

Энергетика сегодня является важнейшей движущей силой мирового экономического прогресса, и от ее состояния напрямую зависит благополучие миллиардов жителей планеты. В целом состояние энергетической отрасли Казахстана зависит от природных ископаемых: нефти, газа, угля и урана.

В настоящее время важными условиями в обеспечении электроэнергией региона, страны являются: правильная оценка перспектив использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В этих целях мною был проведен SWOT-анализ развития ВИЭ в Западно-Казахстанской области. Как показали результаты проведенного исследования, наша область располагает широким набором возобновляемых источников, оценка которых позволяет наибольшие перспективы связывать с развитием ветроэнергетики и биоэнергии.

С целью выявления степени информированности учащихся по вопросу о возобновляемых источниках энергии мною было проведено анкетирование школьников. В результате анализа анкет были сделаны конкретные выводы о слабой осведомленности подрастающего поколения о возобновляемых источниках энергии и необходимости повышения экологической грамотности.

В практической части исследования также была проведена оценка потенциала развития биогазовой энергетики в области. Дана оценка сырьевой базы для производства биогаза на основе анализа фактического и прогнозируемого поголовья животных и птиц в области. А также в целях определения потенциала выработки биоэнергии в конкретных хозяйствах Западно-Казахстанской области мною были произведены расчеты на примере ТОО «Уральская птицефабрика» и ОПХ «Атамекен» ЗКАТУ им. Жангир хана. Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследований могут послужить практической основой для использования предлагаемой технологии на вышеуказанных и других животноводческих предприятиях с получением высокого экономического и экологического эффектов.

Список использованной литературы

1. Низамутдинова, Н.С. Мировой и российский опыт применения государственной поддержки возобновляемой энергетики / Н.С. Низамутдинова, И.М. Кирпичникова, О.С. Пташкина-Гирина // [Электронный ресурс] – 2019. - Режим доступа:https://cyberleninka.ru/journal/n/vestnik-yuzhno-uralskogo-gosudarstvennogo-universiteta-seriya-energetika?i=1046486

2. Коновалова, О.Е. Государственная поддержка возобновляемых источников энергии на розничном рынке и изолированных территориях / О.С. Коновалова // [Электронный ресурс] – 2018. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/gosudarstvennaya-podderzhka-vozobnovlyaemyh-istochnikov-energii-na-roznichnom-rynke-i-izolirovannyh-territoriyah

3. Закон РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» № 210-VI (с изменениями и дополнениями по состоянию на 28.12.2018 г.), А, 2019 г.

Приложение А

Анкета для опроса учащихся

1. Знаете ли Вы, что такое возобновляемые источники энергии?

2. Что такое ветряной генератор?

3. Считаете ли Вы, у альтернативных источников энергии есть будущее?

4. Что вы знаете о положительных и отрицательных сторонах использования возобновляемых источников энергии?

5. Хотелось бы Вам узнать подробнее о возобновляемых источниках энергии?

6. Хотели бы участвовать в научных исследованиях?

Приложение Б

Устройство и принцип работы биогазовой установки (3 dвизуализацияв программе ArchiCad, видеоролик)

Конструкция биогазовой установки:

- Переходная емкость, в которую попадает сырьё в самом начале переработки для подогрева.

- Миксеры, для измельчения крупных частиц травы и навоза.

- Емкость для газа (газгольдер), в которой хранится полученный газ, необходима для поддержания запасов и давления в системе.

- Биореактор, самая главная часть биогазовой установки, в которой происходит брожение сырья и вырабатывается газ.

- Газовая система, набор труб и шлангов подачи и отвода полученного газа.

- Сепараторы сортируют переработанное сырьё на твёрдые и жидкие удобрения.

- Насосы для перекачки сырья и воды.

- Приборы измерения и контроля за давлением в реакторе и температурой подогревающей жидкости.

- Когенерационная станция, служит для распределения полученного газа.

- Аварийные горелки для стравливания лишнего газа из реактора и газгольдера, необходимы для поддержания заданного давления.

Просмотров работы: 48