IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Применение возобновляемых источников энергии в ресурсосбережении энергетики Западного Казахстана

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сейткалиева Ж.А. 1

---

1Назарбаев интеллектуальная школа

Черноярова Е.А. 1

---

1Назарбаев интеллектуальная школа

Работа в формате PDF

202.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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

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 

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

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»

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)

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.