Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВДЛЯ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Научная статья
Беспалов В.И.
Самарская Н.С.
Астафуров Р.С.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.004
Выпуск: № 4 (118), 2022
Опубликована:
2022/04/18
PDF

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.004

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВДЛЯ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Научная статья

Беспалов В.И.1, Самарская Н.С.2, *, Астафуров Р.С.3

2ORCID:0000-0003-2117-4221,

1,2,3Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия

* Корреспондирующий автор(nat-samars[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье представлены наиболее перспективные направления развития систем альтернативного энергоснабжения и использования отходов для Ростовской области. По итогам 2020 года Ростовская область стала лидером по развитию систем альтернативного энергоснабжения и заинтересовала ведущие российские и международные компании. В результате проведенного системного анализа и полевых обследований авторами определены классификационные признаки и выделены перспективные для дальнейшего развития энергетики Ростовской области системы альтернативного энергоснабжения и использования отходов. Полученные данные обоснованы природным и техногенным потенциалом рассматриваемой территории.

Ключевые слова: альтернативное энергоснабжение, энергетическая безопасность, перспективные проекты, потенциал Ростовской области.

A CLASSIFICATION OF PROMISING ALTERNATIVE ENERGY SUPPLY AND WASTE MANAGEMENT SYSTEMS FOR ROSTOV OBLAST

Review article

Bespalov V.I.1, Samarskaya N.S.2, *, Astafurov R.S.3

2ORCID: 0000-0003-2117-4221,

1,2,3Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia

* Corresponding author(nat-samars[at]yandex.ru

Abstract

The article presents the most promising directions for the development of alternative energy supply systems and the use of waste for the Rostov region. By the end of 2020, Rostov Oblast has taken a leading position in the development of alternative energy supply systems and has attracted the interest of leading Russian and international companies. As a result of the system analysis and field surveys, the authors identified classification features and alternative energy supply and waste management systems that are promising for the further development of Rostov Oblast's energy sector. The data obtained are justified by the natural and man-made potential of the territory under study.

Keywords:alternative energy supply, energy security, promising projects, the potential of Rostov Oblast.

Введение

Ежегодное увеличение мирового энергопотребления привело к необходимости тщательного рассмотрения возможных альтернатив традиционным энергоресурсам [1]. По данным международного энергетического агентства, к 2030 году мировое энергопотребление достигнет 33,4 трлн кВт*ч. Обеспечение глобальных растущих запросов в энергии возможно лишь при условии широкого внедрения в энергетику систем альтернативного энергоснабжения и использования отходов. Несмотря на достаточно длительное использование таких систем многими странами, подобные проекты по-прежнему считают весьма инновационными [2], [3].Ветряные, солнечные, приливные, геотермальные системы энергоснабжения разработаны многие десятилетия назад. Однако с каждым годом в основу проектных решений входят все более новые и совершенные технологические подходы[4], [5].При этом доля электрической энергии в мировом масштабе, получаемой от альтернативных систем энергоснабжения по-прежнему составляет всего лишь около 3,5 %[6]. Поэтому активное вовлечение в энергетику инновационных проектов строительства систем альтернативного энергоснабжения и использования отходов позволит обеспечить энергетическую безопасность и одновременно повысить экономический потенциал стран.

Основные результаты

Любой регион страны обладает своим уникальным набором природных особенностей для строительства объектов альтернативного энергоснабжения и использования отходов. Рассмотрим такие возможности для юга европейской части России, как одного из регионов, обладающего значительным природным потенциалом для инновационной энергетики[7]. Так как юг европейской части России включает в себя горную и равнинные части, а также приморские территории, которые существенно отличаются климатическими и природными характеристиками, в рамках данной работы исследуем равнинную часть, занимаемую Ростовской областью. По итогам 2020 года Ростовская область является лидером по развитию систем альтернативного энергоснабжения[8].Строительство ветроэнергетических и солнечных системстало важнейшим инфраструктурным событием за последние десятилетия. Объекты альтернативного энергоснабжения Ростовской области представляют собой, по сути, инструмент снижения углеродного следа и заинтересовывают ведущие российские и международные компании.

Солнечная и ветровая энергетика являются лишь частью потенциальных энергетических возможностей Ростовской области. Проведенный системный анализ и полевые обследования рассматриваемой территории позволили выявить достаточное количество весьма перспективных энергоресурсов, относящихся к альтернативным. Для упорядочения анализируемой информации нами введен такой классификационный признак как «характер используемого потенциала», который позволил разделить все перспективные системы альтернативного энергоснабжения на две группы:

  • системы, использующие природный потенциал;
  • системы, использующие техногенный потенциал.

Под альтернативными системами энергоснабжения и использования отходов подразумеваем комплекс устройств и сооружений, позволяющих получать требуемый вид энергии (чаще электрическую) и заменяющий собой традиционные системы получения энергии, функционирующие на нефти, газе и угле. Учитывая, что термин «техногенный» означает созданный человеком в результате производственно-хозяйственной деятельности и являющийся потенциально вредным и причиняющим ущерб социально-экономической и природной среде, отнесем к техногенному энергетическому потенциалу Ростовской области твердые коммунальные отходы. Твердые коммунальные отходы образуются в жилых помещениях и представляют собой бытовой мусор, содержащий пластик, бумагу, остатки деревянных изделий, резину, органические отходы, текстильные изделия, стеклянный лом и другие отходы жизнедеятельности [9]. Как показывает опыт европейских стран такого рода отходы весьма перспективно использовать в качестве источника получения энергии [10], [11].

 В качестве систем, использующих природный потенциал, для получения энергии в Ростовской области считаем наиболее целесообразным рассматривать ветроэнергетические, гелиоэнергетические, низкопотенциальные и гибридные системы.

 Все вышеперечисленные перспективные системы альтернативного энергоснабжения на втором уровне классификации можно разделить на группы по классификационному признаку «источник получения энергии». Источником получения энергии для природных и техногенных условий Ростовской области может быть энергия ветровая, солнечная, низкопотенциальная, энергия от биогаза и т.д. Также следует особо отметитьпетротермальные источники энергии, которые создают значительные предпосылки для того, чтобы считать этот источник весьма перспективным для южного региона. Данный факт связан, прежде всего, со сравнительной близостью прикавказских изломов земной коры.

 При выборе источника получения энергии для системы следует учитывать, что Ростовская область обладает умеренно-континентальным климатом. Продолжительность солнечного сияния 2050-2150 часов в год, продолжительность периода с температурой выше 10 0С – 160-180 дней в году. Преобладающее направление ветра за период июнь-август северо-восточное, а за период декабрь-февраль восточное [12].

 Каждый источник энергии обладает своими характеристиками, позволяющими осуществлять оценку потенциала. Если в качестве источника энергии рассматривать ветер, то под ветроэнергетическим потенциалом понимают, как правило, полную энергию ветрового потока рассматриваемой территории на определенной высоте над поверхностью земли. Энергию ветра характеризует скорость, которая в свою очередь является переменной величиной во времени и пространстве. Пример записи скорости ветра во времени показан на рис.1.

1

Рис. 1 – Пример записи скорости ветра во времени

Очевидно, что получение достоверных данных о средних скоростях ветра территории возможно при анализе измерений за достаточно большой промежуток времени.

Для оценки ветрового режима и ветроэнергетического потенциала Ростовской области нами использованы данные гидрометеорологической станции за период с 2010 по 2020 г. По статистическим данным метеостанций Ростовской области среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м составляет в среднем 2,8-3 м/с, а максимальная скорость ветра 25,2 м/с при преобладающей повторяемости восточного направления ветра как в теплый, так и в холодный периоды года.

Как известно, условия экономически оправданной эксплуатации ветроэнергетических систем предполагают среднегодовую скорость ветра: Vc³ 5,5 м/с для всех видов ветроэнергетических систем; 4 £Vc< 5,5 м/с – перспективны для систем малой и большой мощности; 3,5 £Vc< 4 м/с – перспективны для систем малой мощности.

Исходя из этих условий, можно заключить, что для эффективного использования ветроэнергетических систем средней и большой мощности в Ростовской области следует располагать данные объекты на высотах более 30-100 м, это обеспечит увеличение скорости ветра. Согласно проведенным расчетам, скорость ветрового потока на высоте более 30 м увеличивается в 1,7 раза, а скорость на высоте 100 м превышает 7 м/с. Поэтому, безусловно, проектирование ветроэнергетических систем для Ростовской области является перспективным.

Любая альтернативная система, использующая природный или техногенный потенциал для получения энергии, обладает своим набором конструктивных особенностей, позволяющих учитывать потребности энергопотребителей и особенности параметров энергоресурса. В связи с этим, на третьем уровне классификации нами введен классификационный признак «технология получения энергии».

Гелиоэнергетические системы, позволяющие преобразовать солнечную радиацию в тепловую или электрическую энергию, по третьему классификационному признаку можно разделить на тепловые и фотоэлектрические [13]. Причем для Ростовской области, на наш взгляд, перспективными являются как тепловые, так и фотоэлектрические гелиоэнергетические системы. Типичная тепловая гелиоэнергетическая система предполагает работу в режиме горячего водоснабжения и отопления. Фотоэлектрическая система, в свою очередь, преобразует солнечную энергию в электрическую благодаря солнечным панелям. Оба вида гелиоэнергетических систем требуют относительно небольшого набора условий, которые можно реализовать на территории Ростовской области. Так, для тепловой гелиоэнергетической системы важным является южная ориентация солнечных коллекторов, которые размещают чаще всего на кровле зданий и наличие дублера на случай длительного отсутствия солнечной радиации с 10% покрытием тепловой нагрузки здания. Для фотоэлектрической гелиоэнергетической системы важным условием эффективной работы является поступление солнечной энергии под прямым углом на фотоэлектрическую панель. Для Ростовской области пик интенсивности солнечного излучения приходится на июнь-июль. Однако в осенне-весенний период согласно данным метеостанций немало пасмурных и облачных дней. В эти дни выработка энергии фотоэлектрической системой будет снижена. Поэтому применение фотоэлектрических систем со ступенчатым расположением модулей и электронно-механической системой слежения за Солнцем будет весьма оправдано для территории Ростовской области.

Для автономного энергоснабжения с использованием солнечной энергии в Ростовской области, наиболее перспективными, по нашему мнению, являются гибридные солнечно-ветровые энергосистемы. В большинстве районов области приход солнечной радиации и наличие ветра находятся в противофазе. Поэтому для бесперебойного обеспечения электроэнергией автономного потребителя во многих случаях целесообразно использование гибридной солнечно-ветровой энергосистемы.

Еще одним из наиболее динамично развивающихся направлений альтернативной энергетики считают использование низкопотенциального тепла земли. Значительная часть низкопотенциальных энергосистем успешно функционирует в Канаде, Австрии, Германии, Швеции. В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии для Ростовской области можно рассмотреть грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам. Такие системы называют открытыми низкопотенциальными энергосистемами [14]. Замкнутые низкопотенциальные энергосистемы в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используют тепло грунта. Тепловая энергия от грунта поступает через расположенные в нем теплообменники. Сезонные и суточные колебания температуры наружного воздуха, несомненно, вызывают изменения в нагреве верхних слоев грунта. Однако глубина такого влияния для почвенно-климатических условий Ростовской области не превышает, как правило, 15-20 м. Температурный режим слоев, расположенных ниже этой глубины, формируется под воздействием тепловой энергии из недр земли и практически не зависит от сезонных и суточных колебаний климатических параметров. Важным параметром при проектировании низкопотенциальных закрытых энергосистем будет являться величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. В среднем такая величина составляет 0,003-0,012 Вт/м2.

На территории Ростовской области ежегодно образуется около 2 млн тонн твердых коммунальных отходов. Несмотря на внедренную в 2019 году новую систему обращения с отходами, согласно которой бытовой мусор теперь не только захоранивают, но и сортируют с целью дальнейшей переработки, рассматриваемые в работе варианты утилизации отходов являются, на наш взгляд, весьма перспективными. Энергетическая утилизация отходов происходит путем их сжигания или анаэробного брожения биомассы, в результате чего вырабатывается энергия, пригодная для использования в различных сферах.Поскольку значения теплотворной способности (удельная теплота сгорания) каждого вида отходов, рассматриваемых в качестве топлива, зависят от количества горючих компонентов и изменяются в достаточно широком диапазоне, можно предложить классифицировать отходы по группам (табл.1) в соответствии со значениями теплотворной способности.

Таблица 1 – Энергетическая классификация групп твердых коммунальных отходов по величине их теплотворной способности

Группа ТКО Диапазон значений теплотворной способности, МДж/кг Примеры видов отходов
1 менее 5 Пищевые отходы растительного происхождения
2 5-10 Пищевые отходы животного происхождения
3 10-20 Бумага, текстиль, дерево
4 более 20 Кожа, резина, полиэтиленовая пленка, ПЭТФ- и ПВХ-бутылки

Учитывая вышесказанное на основе предлагаемых классификационных признаков разработана классификационная схема перспективных систем альтернативного энергоснабжения и использования отходов для Ростовской области (рис.2).

1

Рис.2 – Классификационная схема перспективных систем альтернативного энергоснабжения и использования отходов для Ростовской области

Заключение

Анализируя вышесказанное, можно заключить, что Ростовская область обладает значительным природным и техногенным потенциалом, позволяющим проектировать и развивать перспективные системы альтернативного энергоснабжения и использования отходов.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Списоклитературы / References

  1. Мастепанов А. М. Прогнозы развития мирового нефтегазового комплекса как отражение глобальных проблем и тенденций энергопотребления / А. М. Мастепанов //Нефтяное хозяйство. – 2018. – №. 5. – С. 6-11.
  2. Масюков И. К. Альтернативные источники энергии как инновации в топливно-энергетическом комплексе/ И. К. Масюков //Современные тенденции развития в области экономики и управления. – 2018. – С. 91-94.
  3. Руди Д. Ю. Биоэнергетика как альтернатива традиционным источникам энергии/ Д. Ю. Руди, Н. А. Халитов, Е.Е. Нурахмет и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 5 (47) Часть 3. – С. 162-163. –[Электронный ресурс]. URL: https://research-journal.org/technical/bioenergetika-kak-alternativa-tradicionnym-istochnikam-energii/ (дата обращения: 08.01.2022. ). DOI: 10.18454/IRJ.2016.47.074
  4. Немченко А. В. Особенности инновационного развития возобновляемых источников энергии на примере солнечных электростанций/ А. В. Немченко, Р. П. Короткий, Ю. И. Ханин и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2021. – № 6 (108) Часть 1. – С. 129. 131. DOI: 10.23670/IRJ.2021.108.6.020
  5. Варавва М. Ю. Инновации альтернативного ресурсозамещения / М. Ю. Варавва //Прогнозирование инновационного развития национальной экономики в рамках рационального природопользования. – 2020. – С. 64-70.
  6. Суслов Н. И. Информационные и методические аспекты моделирования распространения возобновляемой энергетики с использованием ОМММ-ТЭК / Н. И. Суслов, В. Ф. Бузулуцков //Мир экономики и управления. – 2020. – Т. 20. – №. 2. – с. 24-49.
  7. Природный потенциал ландшафтов Ростовской области / А. М. Иванченко, А. И. Коновалов, И. В. Бессмертный и др. //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. – 2019. – №. 4 (204). – С. 62-70.
  8. Таращенко П. В.Перспективы «Зеленой» энергетики в Ростовской области/ П. В. Таращенко, С. А. Шептиев //Наука и молодёжь. – 2021.–С. 135-139.
  9. Полыгалов С. В. Исследование свойств крупных и мелких фракций твердых коммунальных отходов / С. В. Полыгалов, Г. В. Ильиных, Н. Станисавлевич //Экология и промышленность России. – 2021. – Т. 25. – №. 6. – С. 26-31.
  10. Gasificationofrefuse-derivedfuelfrommunicipalsolidwasteforenergyproduction: areview / Y. Yangetal. //Environmental Chemistry Letters. – 2021. – pp. 1-14.
  11. Gholizadeh H. Preventive maintenance for the flexible flowshop scheduling under uncertainty: a waste-to-energy system / Gholizadeh H. et al. //Environmental Science and Pollution Research. – 2021. – pp. 1-20.
  12. Иванов Е. С.Оценка ветрового подъема радионуклидов на территориях степных регионов в условиях умеренно континентального климата/ Иванов Е. С. и др. //Экологические проблемы. Взгляд в будущее. – 2015. – С. 177-180.
  13. Бойназаров Б. Б.Анализ систем производства солнечной энергии / Б. Б. Бойназаров, Ф. Н. Насретдинова //Universum: технические науки. – 2021. – №. 11-5 (92). – С. 28-33.
  14. Васильев Г. П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах / Г.П. Васильев, Н. В. Шилкин //АВОК. – 2003. – №. 2. – С. 52.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Mastepanov A. M. Prognozy razvitija mirovogo neftegazovogo kompleksa kak otrazhenie global'nykh problem i tendencijj ehnergopotreblenija [Forecasts of the development of the global oil and gas complex as a reflection of global problems and trends in energy consumption] / A. M. Mastepanov // Neftjanoe khozjajjstvo [Oil industry]. – 2018. – №. 5. – pp. 6-11 [in Russian]
  2. Masyukov I. K. Al'ternativnye istochniki ehnergii kak innovacii v toplivno-ehnergeticheskom komplekse [Alternative energy sources as innovations in the fuel and energy complex] / I. K. Masyukov // Sovremennye tendencii razvitija v oblasti ehkonomiki i upravlenija [Modern development trends in the field of economics and management]. – 2018. – pp. 91-94 [in Russian]
  3. Rudy D. Yu. Bioehnergetika kak al'ternativa tradicionnym istochnikam ehnergii [Bioenergy as an alternative to traditional energy sources] / D. Yu. Rudy, N. A. Khalitov, E. E. Nurakhmet et al. // Mezhdunarodnyjj nauchno-issledovatel'skijj zhurnal [International Research Journal]. – 2016. – № 5 (47) Part 3. – pp. 162-163. - [Electronic resource]. URL: https://research-journal.org/technical/bioenergetika-kak-alternativa-tradicionnym-istochnikam-energii / (accessed: 08.01.2022). DOI: 10.18454/IRJ.2016.47.074 [in Russian]
  4. Nemchenko A. V. Osobennosti innovacionnogo razvitija vozobnovljaemykh istochnikov ehnergii na primere solnechnykh ehlektrostancijj [Features of innovative development of renewable energy sources on the example of solar power plants] / V. Nemchenko, R. P. Korotkiy, Yu. I. Khanin et al. // Mezhdunarodnyjj nauchno-issledovatel'skijj zhurnal [International Research Journal]. – 2021. – № 6 (108) Part 1. - pp. 129-131. DOI: 10.23670/IRJ.2021.108.6.020 [in Russian]
  5. Varavva M. Yu. [Innovations of alternative resource substitution] / M. Yu. Varavva // Prognozirovanie innovacionnogo razvitija nacional'nojj ehkonomiki v ramkakh racional'nogo prirodopol'zovanija [Forecasting of innovative development of the national economy within the framework of rational nature management]. – 2020. – pp. 64-70 [in Russian]
  6. Suslov N. I.Informacionnye i metodicheskie aspekty modelirovanija rasprostranenija vozobnovljaemojj ehnergetiki s ispol'zovaniem OMMM-TEhK [Informational and methodological aspects of modeling the spread of renewable energy using OMMM-TEK] / N. I. Suslov, V. F. Buzulutskov // Mir ehkonomiki i upravlenija [The world of economics and management]. – 2020. – Vol. 20. – No. 2 [in Russian]
  7. Ivanchenko A. M. Prirodnyjj potencial landshaftov Rostovskojj oblasti [Natural potential of landscapes of the Rostov region] / A. M. Ivanchenko et al. // Izvestija vysshikh uchebnykh zavedenijj. Severo-Kavkazskijj region. Estestvennye nauki. [Bulletin of higher educational institutions. The North Caucasus region. Natural sciences]. – 2019. – №. 4 (204) [in Russian]
  8. Tarashchenko P. V. Perspektivy «Zelenojj» ehnergetiki v Rostovskojj oblasti [Prospects of "Green" energy in the Rostov region] / P. V. Tarashchenko, S. A. Sheptiev // Nauka i molodjozh' [Science and youth]. - 2021. - pp. 135-139 [in Russian]
  9. Polygalov S. V.Issledovanie svojjstv krupnykh i melkikh frakcijj tverdykh kommunal'nykh otkhodov [Investigation of properties of large and small fractions of municipal solid waste] / S. V. Polygalov, G. V. Ilyinykh // Ehkologija i promyshlennost' Rossii [Ecology and industry of Russia]. - 2021. - Vol. 25. - No. 6. - pp. 26-31 [in Russian]
  10. Yang Y. Gasification of refuse-derived fuel from municipal solid waste for energy production: a review / Y. Yang et al. //Environmental Chemistry Letters. - 2021. - pp. 1-14 [in Russian]
  11. Gholizadeh H. Preventive maintenance for the flexible flowshop scheduling under uncertainty: a waste-to-energy system / H. Gholizadeh et al. //Environmental Science and Pollution Research. – 2021. – pp. 1-20 [in Russian]
  12. Ivanov E. S, et al Ocenka vetrovogo pod"ema radionuklidov na territorijakh stepnykh regionov v uslovijakh umerenno kontinental'nogo klimata [Assessment of the wind rise of radionuclides in the territories of steppe regions in a temperate continental climate] / E. S. Ivanov // Ehkologicheskie problemy. Vzgljad v budushhee [Environmental problems. A look into the future]. – 2015. – pp. 177-180 [in Russian]
  13. Boynazarov B. B.Analiz sistem proizvodstva solnechnojj ehnergii [Analysis of solar energy production systems] / B. Boynazarov, F. N. Nasretdinova // Universum: technical sciences. – 2021. – №. 11-5 (92). – Pp. 28-33 [in Russian]
  14. Vasilyev G. P.[The use of low-potential thermal energy of the earth in heat pump systems] / G. P. Vasilyev, V. Shilkin // ABOK. – 2003. – No. 2. – p. 52 [in Russian]