ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ОМСКОМ РЕГИОНЕ

Зиновьев Е.В.¹, Мумладзе Д.Г.¹, Бубенчиков А.А.², Бубенчикова Т.В.³

¹Магистрант, ²кандидат технических наук, ³аспирант,

Омский Государственный Технический Университет в г. Омске

ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ОМСКОМ РЕГИОНЕ

Аннотация

Тематика данной статьи является весьма актуальной, поскольку довольно серьезно встал вопрос об уровне загрязнения окружающей среды вредными выбросами.

Целью статьи является оценка ситуации с точки зрения энергетической экономики в Омской области. В качестве задач выступает анализ различных вариантов применения нетрадиционных (альтернативных) источников энергии в Омском регионе. В статье также представлен обзор предложений, способствующих развитию альтернативной энергетики. Данная статья позволяет сделать вывод о целесообразности использования альтернативных источников энергии.

Ключевые слова: ветроэнергетика, солнечная энергетика, биотопливо.

Zinoviev E.V.¹, Mumladze D.G.¹, Bubenchikov A.A.², Bubenchikova Т.V.³

¹Master“s degree student, ²PhD in Engineering, ³Postgraduate student,

Omsk State Technical University in Omsk

POSSIBILITY OF APPLICATION OF ALTERNATIVE ENERGY SOURCES IN OMSK REGION

Abstract

The subject of this paper is very relevant, since the question of environmental pollution with harmful emissions has become quite serious. The goal of this article is to assess the situation from the point of view of the energy economy in the Omsk region. The problem lies in the analysis of various options for the use of alternative energy sources in the Omsk region. The article also provides an overview of proposals that promote the development of alternative energy. This article allows us to draw a conclusion about the advisability of using alternative energy sources.

Keywords: wind power industry, solar energy, biofuel.

В настоящее время вопрос о переходе к нетрадиционным (альтернативным) источникам энергии от традиционных источников приобрел достаточную актуальность. В связи с этим стало возможным говорить о перспективах широкого применения альтернативных источников, что является важным, так как запасы невозобновляемых источников энергии ограничены. Наряду с этим еще одним немаловажным вопросом остается экологическая обстановка в отдельных регионах, которая непосредственно связанна с выбросами тепловых электростанций (ТЭС), работающих на органическом топливе. Если оценить удельные выбросы продуктов сгорания при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива, то не составит особого труда сделать вывод о величине загрязнения [1, C. 9]; [2, С. 1513]. Далее более подробно будет рассматриваться экологическая ситуация в Омском регионе, а также вместе с этим потенциальные альтернативные источники энергии и возможности их применения на территории региона, и Сибири, в целом. Поскольку прежде чем переходить к оценке целесообразности внедрения таких источников энергии, необходимо проанализировать географическую зону расположения региона, оценить эффективность каждого из возобновляемых ресурсов, ведь каждый регион имеет свои особенности. Данная статья направлена на анализ существующих альтернативных источников энергии и на рассмотрение вопроса о возможности их применения в Омском регионе.

Во-первых, следует проанализировать научную литературу, посвященную проблемам перехода традиционной энергетики региона на энергетику, обладающую рядом преимуществ, нетрадиционную. Примерами таких преимуществ является использование возобновляемых, а значит неиссякаемых источников энергии и, безусловно, наименьшее загрязнение окружающей среды. Во-вторых, необходим анализ целесообразности применения этих источников в целях получения электроэнергии [3, C. 420].

Биомасса – термин, используемый для всего органического материала, который происходит из растений, в том числе и водорослей, а также деревьев и т.п., по сути, представляющее собой сбор и хранение солнечной энергии посредством фотосинтеза.  Энергия биомассы или биоэнергия – это преобразование биомассы и продуктов ее переработки в прочие полезные виды энергии (тепловую, электрическую). Наука, которая исследует это преобразование, называется биоэнергетикой.

Биомасса – это один из основных перспективных источников возобновляемой (альтернативной) энергии, поскольку ее основными отличительными чертами являются легкая возобновляемость и достаточно большой энергетический потенциал. Существует три вида биотоплива:

- твердое, например, смола, дрова;

- жидкое, к которому относятся биодизель, метанол и этанол;

- газообразное, такое как водород и биогаз.

Самым энерго потенциальным биотопливом можно считать: траву, как отход растениеводства; твердый осадок сточных вод, относящийся к твердым бытовым отходам и канализационным стокам, а также сосновые иглы, как отходы лесопромышленного комплекса. Так как у этих видов биотоплива максимальный процент содержания метана (68 – 72 %) [4, С. 568-569]; [5, С. 292-293].

Ветер является широкодоступным, не загрязняющим, в процессе выработки электроэнергии, окружающую среду, энерго потенциальным источником чистой энергии. Однако в ходе индустриализации энергию ветра вытеснило органическое топливо (уголь, нефть), как более дешевый и надежный источник энергии. Тем не менее, из-за нефтяных кризисов к ветроэнергетическим технологиям, служащим для производства электроэнергии, перекачки воды и энергоснабжения в отдаленных районах, возобновился интерес, способствуя возрождению ветроэнергетики.

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, связанная с преобразованием энергии ветра в механическую, тепловую и электрическую. На земном шаре общая мощность энергии ветра оценивается в 2,43∙10¹⁵ МВт. По данным «Green peace» за счет энергии ветра человек, за год, способен получить 530 000 ТВт∙ч энергии.

Солнечная энергетика – это область энергетики, которая связанна с преобразованием энергии солнца в тепловую и электрическую. Количество энергии, которое поступает к Земле от Солнца, составляет 123 трлн. т у.т. в год – это в 3000 раз больше, чем энергия, получаемая из всех видов топлива. Если от всей энергии, поступающей от Солнца использовать только 0,0125 %, то даже этого более чем достаточно, чтобы удовлетворить нынешние потребности всех стран в энергетике [6, С. 3-5]; [7, С. 23-25].

Исходя из анализа научной литературы, следует отметить присутствие перспектив для развития и использования энергии Солнца на территории г. Омска. Для Омского региона и Омска, в частности, характерным является движение Солнца, а именно то, что оно набирает наибольшую высоту и, оставаясь на ней в течение всего дня, опускается только к вечеру. Проще говоря, движение Солнца, в данной местности, происходит вокруг объекта. В день зимнего солнцестояния (22 декабря) продолжительность дня в Омске составляет 6 часов 48 минут, тогда как в день летнего солнцестояния (22 июня) продолжительность дня равна 17 часам 08 минутам. Взяв во внимание эти данные, можно сделать вывод, что продолжительность (средняя) солнечного сияния равна 2223 ч/год. Среднее количество дней «без Солнца» в Омске составляет пятьдесят семь за год. Из этих пятидесяти семи дней сорок семь – зимние дни. Исходя их этого, следует вывод, что Омск является пригодным для развития солнечной энергетики, так как имеет большие запасы энергии Солнца и достаточную длительность солнечных суток.

На данный момент солнечные и ветросолнечные электростанции не пользуются огромным спросом, однако количество потребителей с каждым годом все же растет. К основным потребителям подобных электростанций относятся, в первую очередь, объекты в отдаленных районах, где отсутствует энергоснабжение. Также потребители, финансирующие данные мероприятия для того, чтобы сэкономить в дальнейшем на традиционных ресурсах, так как такие системы имеют срок окупаемости от четырех до двенадцати лет. Помимо прочих есть потребители, относящиеся к основным, которые в силу своего интереса к новым технологиям, создают спрос на солнечные и ветросолнечные электростанции [8, С. 748]; [3, С. 421].

Благодаря значительной производительности солнечного сияния, а также средней по России скорости ветра, в Омской области возможно комбинированное использование этих двух ресурсов. Примером может послужить Алтайский край, в котором разработали ветросолнечную станцию вблизи базы отдыха. Данная станция обеспечивает эту базу необходимой электроэнергией, служащей для освещения и питания бытовых приборов, а благодаря солнечному коллектору поддерживается горячее водоснабжение (ГВС). Помимо этого предусмотрена также аккумуляция тепловой энергии.

Подводя итог вышесказанному, можно сказать, что на территории Омской области возможно применение всех источников энергии, упомянутых выше, в частности энергии Солнца. Так как Омский регион располагает достаточным количеством незадействованных ресурсов, которые необходимы для выработки электроэнергии. Однако нужны значительные финансовые вложения, заинтересованность, как производителей, так и потребителей для того, чтобы осуществить это.

Самая распространенная конструкция ветроустановок – это конструкция с тремя лопастями, горизонтальной и вертикальной осями вращения. Ветроустановки, имеющие вертикальную ось вращения обладают преимуществом, которое заключается в том, что им для начала работы необходимы довольно малые скорости ветра. Однако такие ветрогенераторы не получили широкого распространения из-за трудностей с механизмом торможения.

От диаметра лопастей ротора и скорости ветра зависит производимая ветроустановкой энергия. Например, ВЭУ мощностью 10 КВт в год производит около 16000 кВт∙ч, тогда как около 130000 кВт∙ч способна производить ВЭУ мощностью 600 кВт. Горизонтальную ось вращения двигателя имеет значительная часть ВЭУ, примерно 90 %, и лишь только 10 % – вертикальную ось вращения [9, C. 42-43]; [3, C. 422].

Что касается работы биогазовых установок, то она может использоваться везде, где есть энергетическая биомасса и органические отходы, но в достаточном количестве. То есть целесообразно вырабатывать энергию из биомассы на территориях юга Сибири, центральной России и Краснодарского края.

Однако оптимальные разработки по производству биотоплива на территории России и, в частности, Омской области, основываются на его получении из микроводорослей и мицелиальных грибов. Так как производство биотоплива из технических культур (рапса, кукурузы и т.д.) нецелесообразно, поскольку они занимают крупные площади для посева, а также уступают в простоте их выращивания и дальнейшего производства биотоплива из них.

На территории Российской Федерации возможность применения ветроэнергетики так же не одинакова. Что касается Сибири, то на ее территории скорость ветра (среднегодовая) находится в пределах от 3 до 5 м/с. Это позволяет использовать ветроэнергетику в данном регионе достаточно эффективно.

Наряду с Сибирью, для построения ВЭУ также подходят северные и восточные регионы России, где скорость ветра составляет более 5 м/с.

Но для того, чтобы построить ВЭУ на территории Сибири нужно учесть немалое количество природных факторов, таких как, например, рельеф. Омская область географически расположена на юге Западно-Сибирской равнины в среднем течении Иртыша. Местность относительно плоская (преобладают абсолютные отметки 100 – 140 м.). Также в Сибири скорости ветра (среднегодовые) редко превышают пределы 4,5 – 5 м/с, то есть для Омского региона предпочтительнее ВЭУ малой мощности.

В Омске большую часть года, с сентября по апрель, преобладает ветер юго-западного направления с периодичностью 25 – 35 % за месяц. В летнее время преобладает северо-западный ветер 20 – 23 % за месяц. Северный ветер и западный, в летнее время года, 16 – 19 % и 15 %, соответственно. В летнее время скорости ветра минимальные в году, и составляют менее 4 м/с. Поэтому для Омского региона больше всего подходят ВЭУ малой мощности, как было сказано выше, и с вертикальной осью вращения.

На территории России можно выделить регионы наиболее пригодные для, развития солнечной энергетики. Западная и Восточная Сибирь, а также Дальний Восток являются такими регионами. Годовая солнечная радиация в этих регионах составляет примерно 1300 кВт·ч/м². Такое количество энергии превосходит значения для южных регионов России, поэтому использование установок для преобразования солнечной энергии в этих районах наиболее целесообразно.

В заключение следует отметить, что практически вся территория Российской Федерации, в частности, Омский регион, подходит для того, чтобы использовать все вышеперечисленные источники энергии, а особенно, энергию Солнца, так как располагает достаточным количеством незадействованных ресурсов, которые необходимы для выработки энергии. Нельзя упускать и тот факт, что для осуществления всего вышесказанного нужны значительные финансовые вложения со стороны производителей и, соответственно, заинтересованность со стороны потребителей [10, C. 182-183]; [3, C. 423-424].

Список литературы / References

1. Antonia V. Herzog Renewable Energy Sources / Antonia V. Herzog, Timothy E. Lipman, Daniel M. Kammen // Encyclopedia of life support systems. – 2014. – Vol. “Perspectives and Overview of life Support Systems and Sustainable Development”, Part 4C. – P. 9 – 38.
2. N.L. Panwar Role of renewable energy sources in environmental protection: A review / N.L. Panwar, S.C. Kaushik, Surendra Kothari // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2011. – Vol. 15. – P. 1513 – 1524. doi:10.1016/j.rser.2010.11.037
3. Белоглазов В. П. Использование нетрадиционных источников энергии на территории омской области / В. П. Белоглазов, Л. В. Белоглазова, А. В. Булова и др. // Материалы Международной научно-практической конференции “Актуальные вопросы энергетики”. 2017. – Омск Издательство ОмГТУ. – С. 420–425.
4. Roberts J.J. Assessment of dry residual biomass potential for use as alternative energy source in the party of General Pueyrredón, Argentina / Roberts J.J., Cassula A.M., Prado P.O. and others // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 41. – P. 568 – 583. doi:10.1016/j.rser.2014.08.066
5. Herbert J. Quantifying environmental performance of biomass energy Herbert J., Krishnan U. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 59. – P. 292 – 308. doi:10.1016/j.rser.2015.12.254
6. Ney M. Technological center for research of renewable resources and accumulation of electric power / Ney M., Hradilek Z., Minarik D. and others // Environment and Electrical Engineering. – 2014. 14th International Conference. – P. 3 – 86. doi:10.1109/EEEIC.2014.6835838
7. Khare V. Solar–wind hybrid renewable energy system: A review / Khare V., Nema S., Baredar P. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 58. – P. 23 – 33. doi:10.1016/j.rser.2015.12.223
8. Ellabban O. Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology / Ellabban O., Abu-Rub H., Blaabjerg F. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 39. – P. 748 – 764. doi:10.1016/j.rser.2014.07.113
9. Heier S. Wind Energy Conversion Systems, in Grid Integration of Wind Energy: Onshore and Offshore Conversion Systems / Heier S. – UK: John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2014. – 494 p.
10. Фомичев В. К. Использование оборудования, работающего на возобновляемых источниках энергии (солнце и ветре) в условиях Сибирского региона / В. К. Фомичев, И. В. Церегородцева // Возобновляемая энергетика XXI Век энергетическая и экономическая эффективность 2016. – М.: ОИВТ РАН, 2016. – С. 177–183.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Antonia V. Herzog Renewable Energy Sources / Antonia V. Herzog, Timothy E. Lipman, Daniel M. Kammen // Encyclopedia of life support systems. – 2014. – Vol. “Perspectives and Overview of life Support Systems and Sustainable Development”, Part 4C. – P. 9 – 38.
2. N.L. Panwar Role of renewable energy sources in environmental protection: A review / N.L. Panwar, S.C. Kaushik, Surendra Kothari // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2011. – Vol. 15. – P. 1513 – 1524. doi:10.1016/j.rser.2010.11.037
3. Beloglazov V.P. Ispol'zovanie netradicionnyh istochnikov jenergii na territorii omskoj oblasti [Use of non-traditional energy sources in the Omsk region]/ V.P. Beloglazov, L.V. Beloglazova, A.V. Bulova and others // Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii “Aktual'nye voprosy jenergetiki” [Materials of the International Scientific and Practical Conference "Actual Energy Issues"]. – 2017. – Omsk Izdatel'stvo OmGTU. – P. 420–425. [in Russian]
4. Roberts J.J. Assessment of dry residual biomass potential for use as alternative energy source in the party of General Pueyrredón, Argentina / Roberts J.J., Cassula A.M., Prado P.O. and others // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 41. – P. 568 – 583. doi:10.1016/j.rser.2014.08.066
5. Herbert J. Quantifying environmental performance of biomass energy / Herbert J., Krishnan U. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 59. – P. 292 – 308. doi:10.1016/j.rser.2015.12.254
6. Ney M. Technological center for research of renewable resources and accumulation of electric power / Ney M., Hradilek Z., Minarik D. and others // Environment and Electrical Engineering. – 2014. 14th International Conference. – P. 3 – 86. doi:10.1109/EEEIC.2014.6835838
7. 7. Khare V. Solar–wind hybrid renewable energy system: A review / Khare V., Nema S., Baredar P. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 58. – P. 23 – 33. doi:10.1016/j.rser.2015.12.223
8. Ellabban O. Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology / Ellabban O., Abu-Rub H., Blaabjerg F. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 39. – P. 748 – 764. doi:10.1016/j.rser.2014.07.113
9. Heier S. Wind Energy Conversion Systems, in Grid Integration of Wind Energy: Onshore and Offshore Conversion Systems / Heier S. – UK: John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2014. – 494 p.
10. Fomichev V. K. Ispol'zovanie oborudovanija, rabotajushhego na vozobnovljaemyh istochnikah jenergii (solnce i vetre) v uslovijah Sibirskogo regiona [Use of equipment working on renewable energy sources (sun and wind) in the Siberian region] / V. K. Fomichev, I. V. Ceregorodceva // Vozobnovljaemaja jenergetika XXI Vek jenergeticheskaja i jekonomicheskaja jeffektivnost' 2016. [Renewable Energy XXI Century Energy and Economic Efficiency 2016]. – M.: OIVT RAN, 2016. – P. 177–183