Практична робота №6

Тема: “Біоенергетичний потенціал регіону”.

Форма виконання – індивідуальна і колективна робота в аудиторії за варіантами розрахункових завдань, оформлення письмового звіту.

Виснаження запасів викопних видів палива зважаючи на зростання їх вжитку визначає неминучість переходу до альтернативних джерел енергії. Необхідність економії природних ресурсів в умовах глобальних змін клімату і загострення екологічних проблем (забруднення атмосфери СО₂, СН₄ і ін. парниковими газами, руйнування озонового шару і так далі) стає найважливішою умовою екологізації природокористування. Концепція екологічно збалансованого (стійкого) розвитку грунтується на збільшенні долі використання поновлюваних джерел енергії, серед яких біоенергетика грає усе більш значну роль.

Використання біоенергетичного потенціалу в багатьох державах здійснюється на основі Киотського протоколу, згідно з яким промислово-розвинені країни і країни з перехідною економікою до 2012 рр. повинні скоротити сукупні викиди парникових газів щонайменше на 5% в порівнянні з рівнем 1990 р. У країнах Західної Європи, США, Бразилії, Японії, Китаї все ширше, поряд з енергією сонця, вітру, води, використовується біопаливо.

Біопаливо (по Н.Ф. Реймерсу, 1990) – будь-яка біомаса (органіче-ськие речовини рослинного і тваринного походження), що перетворюється при згоранні в теплову енергію. У цю категорію входять також органічна частина твердих побутових відходів (ТПВ), відходи тваринництва і птахівництва і ін., що виділяють теплову енергію при бродінні.

З біомаси в світі щорічний отримують порядка 2 млрд. т у.т. енергії, що складає близько 14 % загального вжитку первинних енергоносіїв. У країнах, що розвиваються, цей показник перевищує 30%, (інколи доходить до 50-80%), проте в промислово розвинених державах він складає в середньому 2-3%. Вклад біомаси в загальний енергобаланс Європейського Союзу в 2004 р. складав 3,6%, а до 2010 р. його планується збільшити до 12%. У Фінляндії біопаливом покривається 19,6% загального вжитку первинної первинній енергії, в Швеції –16,1%, у Австрії - 11%, в Данії – 10,3%, в Польщі – 4,5%, в Германії – 2,1% і так далі Значних успіхів досягли Латвія (28%), Естонія (10,5%), Литва (7,6%). В Україні доля біоенергетики в загальному балансі складає всього лише 0,56 %.

Під біоенергетичним потенціалом розуміється кількісно виражений ресурс енергії, ув'язнений в біопаливі (біомасі), який може бути реально залучений в господарську діяльність при існуючих технічних і соціально-економічних можливостях суспільства з умовою збереження сприятливого місця існування.

Використання біомаси в Україні здійснюється при: термохімічній конверсії дрів і деревних відходів, з твердих побутових відходів, полігонів ТПВ (біогаз), торфу (пряме спалювання, газифікація, піроліз і ін.) і біотехнічної конверсії відходів сільського господарства, осадів каналізаційних очисних систем.

Енергія [МДж], накопичена в процесі фотосинтезу, для однорідних по властивостях фракцій лісової біомаси оцінюється по формулі:

E = V ∙ ρ ∙ Q_Н, (6.1)

де V - об'єм деревної біомаси [м3](по районам) ; ρ - щільність деревини (0,52 г/см³);Q_Н – нижча (корисна) теплота згорання вологого палива [МДж/кг].

Нижча теплота згорання залежно від вмісту вологи і золи розраховується по методиці, запропонованій шведським стандартом SS 187182, згідно якої нижчу теплоту згорання (Q_Н) вологого палива (деревне паливо і торф) обчислюють шляхом зменшення вищої теплоти згорання на кількість енергії, що витрачається на випар вологи, що міститься в паливі, при його подачі в котельну.

, (6.2)

де – вища теплота згорання в обеззоленном сухій речовині (19,2-9) [МДж/кг]; W – вміст вологи (50-12)%; А^С – вміст золи в сухій речовині (10-1,5%); 2,442 – теплота паротворення води [МДж/кг].

Близько 50% об'єму стічних вод і відходів тваринницьких ферм, зверохозяйств і птахофабрик використовується як добриво, останні вивозяться на поля без обробки, створюючи загрозу поширення інфекційних хвороб. В той же час, на крупних птахофабриках (при поголів'ї птиць 600-650 тис. штук) вихід біогазу від зброджування посліду досягає 120 тис. м³ в добу. Основа здобуття біогазу - процес анаеробної ферментації органічної речовини під дією бактерій. Метанове бродіння протікає при температурах від 10 до 55°С. В результаті утворюється газова суміш, що містить 60-70% метану, 30-35% вуглекислого газу, 2-3% азоту, 1-2% водню і ін., з нижчою теплотою згорання 18,0-27,5 МДж/м3, а також екологічно чисте органічне добриво. При цьому можлива кількість біогазу від відходів тваринних ферм (Р) розраховується по формулі:

Р [м³ СН₄/год] = N ∙ C [т/год] ∙ 0,62 ∙ В [м³ СН₄/т], (6.3)

де N – кількість голів худоби і птиць, С – кількість органічної речовини (гною, посліду) на 1 голову в рік, В - кількість біогазу на одну тонну органічної речовини (гною, посліду) (таблиця 6.1). Для виключення з розрахунку органічних відходів, непридатних для анаеробного зброджування, введений коефіцієнт доступності (0,62).

Енергетичний потенціал біогазу від відходів тваринних ферм (Q) розраховується по формулі:

Q [МДж] = Р [м³ СН₄/год] ∙ 22 [МДж/м³], (6.4)

де 22 МДж/м³ - теплотворна здатність біогазу.

Таблиця 6.1

Біоенергетичний потенціал відходів тваринництва і птахівництва (умовна вологість 90-95%)

Показники	Велика рогата худоба	Свині	Вівці і кози	Коні	Кури
С	0,6	0,4	0,35	0,5	0,2
В	200

Більшість видів діяльності людини в тій чи іншій мірі супроводжуються впливом на навколишнє середовище. Забруднюючі речовини, що в результаті утворюються, потрапляють в атмосферу, в поверхневі і підземні водні об’єкти, накопичуються в землі. Тверді відходи знешкоджуються, знищуються, захороняються на звалищах та полігонах, але все це не забезпечує виключення негативного впливу шкідливих речовин на довкілля.

Для визначення кількісних характеристик викидів забруднюючих речовин в атмосферу від полігонів та звалищ відходів першочергово визначається кількість полігонного газу (біогазу). Питомий об’єм біогазу складає:

V_р.б.=P_тпв·K_л.о. · ( 1-Z) · K_р (6.5.)

де V _р.б. – розрахункова кількість біогазу, м³;

Р _ТПВ – загальна маса ТПВ, які складуються на полігоні, кг;

К _л.о. – вміст органіки, що легко розкладається, в 1 т відходів (К л. о. = 0,5-0,7);

Z – зольність органічної речовини (Z = 0,2-0,3);

К _р – максимально можливий ступінь анаеробного розкладання органічної

речовини за розрахунковий період (К р = 0,4-0,5).

На практиці, для прогнозу газоутворення використовують залежність:

, (6.6)

M - теоретичний потенціал утворення метану з органічної складової ТПВ, м³/рік;

М_k – маса органічної складової у загальному обсягу відходів, т/т за рік, що визначається розрахунковим методом виходячи із морфологічного складу відходів;

Li — теоретичний потенціал утворення метану з відходів, м3 /рік;

k₁ — константа (безрозмірна) утворення метану з органічних відходів;

t — час з моменту відкриття полігону, років;

К_t – безрозмірний коефіцієнт, що враховує щільність відходів і визначається

К_t =1,625-0,015ρ, (6.7)

де ρ - щільність відходів, кг/м³.

Константу утворення метану з органічних відходів (k₁) та теоретичний (Li) приведено в таблиці 6.2.

Таблиця 6.2

Значення констант, що характеризують утворення біогазу із ТПВ

Компонент	% у загальній масі	Кі	Li
Папір	19%	0,03	250
Харсові відходи	25%	0,2	250
Дерево, листя (біомаса)	2,5	0,1	140
Горючі залишкові продукти	1,6	0,03	250

ЗАВДАННЯ. Згідно варіанту провести розрахунок біоенергетичного потенціалу для певного району.

№ п/п	Район	Обєм деревини, тис. м3				Кількість голів (N) , тис. голів
		Всього з лісового фонду	Від рубок	З відходів	Маса видаляємих ТПВ (м3)
						Велика рогата худоба	Свині	Вівці і кози	Коні
1	Великобагачанський	9160,0	150,8	43,92	20056	14,8	17,2	1,4	8,6
2	Гадяцький	433,26	-	0,0528	42728	45,6	26,0	1,9	7
3	Глобинський	968,12	28,1	13,096	37561,4	27,2	29,1	3,1	11,2
4	Гребінківський	226,79	-	0,00184	17287,4	9,4	9,1	0,8	2,5
5	Диканський	94,76	12,5	0,000768	14529	15,4	9,4	1,7	2
6	Зіньківський	233,54	15	3,16	27413,5	26,4	19,6	2,2	18,5
7	Карлівський	649,91	-	0,0096	27468	18,4	12,0	1,7	5,2
8	Кобеляцький	138,76	0,1	0,0208	34989	21,9	18,9	3,9	5,6
9	Козельщинський	666,79	1,8	0,028	15805	12,0	10,0	1,1	1,5
10	Котелевський	131,9	1,1	0,0088	14203	22,3	13,3	2,1	8,5
11	Кременчуцький	585,51	1,6	0,00336	29681	9,7	10,7	1,1	490,9
12	Лохвицький	416,16	-	0,00184	33659	19,3	14,9	1,5	4,35
13	Лубенський	443,30	3,5	0,0012	26651	21,1	13,5	1,9	58,8
14	Машівський	507,56	2,5	0,0088	15107	7,9	6,7	2,0	5,2
15	Миргородський	84,42	5,8	0,000568	26356	23,8	17,7	2,6	17,5
16	Новосанжарський	494,02	10,1	0,0032	26792	11,8	11,6	1,9	2,2
17	Оржицький	722,93	35,5	10,744	19151	29,3	35,0	1,5	1,3
18	Пирятинський	152,12	-	0,00112	24274	11,2	10,5	0,9	1,3
19	Полтавський	317,0	2,4	0,1	46227	23,0	18,1	1,8	7,7
20	Решетилівський	646,30	4,7	8,44	20797	24,0	10,8	1,2	1,5
21	Семенівський	172,23		0,0028	20688	17,8	11,8	1,9	6,1
22	Хорольський	97,16	-	0,000768	29855	34,8	22,1	2,5	2,2
23	Чорнухинський	155,71	2,5	0,00288	9865	10,3	5,7	0,8	1,3
24	Чутовський	358,76	-	0,0012	17505	11,7	7,6	1,0	1,1
25	Шишацький	223,21	4,1	0,0088	15957	32,0	12,2	1,5	1

Питання до самоконтролю:

1. Що таке біоенергетичний потенціал?

2. Які види біомаси використовують в Україні?

3. Який стандарт використовують при оцінці енергетичного потенціалу деревини?

4. Як розраховують енергетичний потенціал сільськогосподарських відходів?

5. Як розраховують потенціал звалищного газу?