Оценка потенциала возобновляемых источников энергии. Региональный опыт

Данный пост посвящен представлению результатов по оценке потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на примере Томской области. За основу в оценке потенциала взяты результаты мониторинга, основанные на фактических данных по итогам работы экспертных групп. Авторами проекта построена геоинформационная система с использованием технологий Google.

Цель создания геоинформационной системы

Томская область ^[1] имеет ряд районов, не обеспеченных централизованным электроснабжением. Для обеспечения населения энергией применяются дизельные, угольные или мазутные станции. Данное обстоятельство приводит к существенному росту тарифов, который по некоторым населенным пунктам Томской области доходит до 90-110 рублей за киловатт. При этом социальный тариф не превышает 4 рублей за киловатт, а разницу в тарифе покрывает областной бюджет. Однако для части районов Томской области существуют перспективы внедрения альтернативных источников энергии. Целью создания геоинформационной системы (ГИС) является обобщение информации по производству и потреблению тепловой и электрической энергии в Томской области, а также о потенциальной возможности замены твердого и жидкого углеводородного топлива (нефть, мазут, дизель, уголь) на региональное органическое топливо (биогаз, отходы лесозаготовки, лесопереработки, торф) и возобновляемые источники энергии (ветровые, солнечные станции, геотермальные источники).

Исследуемая территория

ГИС построена на примере Томской области. Томская область расположена в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины, входит в состав Сибирского федерального округа Российской Федерации. Область граничит: на севере – с Ханты-Мансийским автономным округом, на востоке – с Красноярским краем, на юге – с Кемеровской и Новосибирской областями, на западе – с Омской областью.

Территория области – 316,9 тыс. кв. км. (на 1,5% больше площади Польши)

Численность населения Томской области на 1 января 2013 года составила 1064,2 тыс. человек (0,74% населения Российской Федерации), средняя плотность населения – 3,4 человек на кв. км.

Особенности природы и климата

В состав области входят 4 городских округа (Томск, Стрежевой, Кедровый, ЗАТО Северск), 16 муниципальных районов, включающих 6 городских (Томск, Стрежевой, Кедровый, ЗАТО Северск, Асино, Колпашево) и 116 сельских поселений, 1 поселок городского типа (п. Белый Яр) и 579 сельских населенных пунктов. Областной центр – город Томск. Рельеф области отличается исключительной ровностью. Самая высокая точка Томской области: +274 м от уровня моря. Самая низкая точка: +34 м от уровня моря. Большую часть территории занимают леса, болота, реки и озера. Наиболее крупные реки – Объ, Томь, Чулым, Кеть, Васюган, Тым. Вся речная система принадлежит бассейну Оби, которая пересекает область с юго-востока на северо-запад на расстоянии около 1000 километров, деля область на две почти равные части. Количество озер в Томской области достигает 95 тысяч, особенно их много в поймах рек. Крупнейшее озеро на территории Томской области – Мирное озеро расположено на плоском междуречье рек Чузик и Чижапка. Всего в области насчитывается 573 реки. Тип климата-континентальный. Зима суровая и продолжительная. Средняя температура января от -19 °С до -21 °С. Лето теплое, короткое. Средняя температура июля от +17 °С до +19 °С. Осадков 450-700 мм в год. Вегетационный период около 125 дней. Расположена в зонах средней и южной тайги и частично смешанных лесов. Почвы главным образом дерново-подзолистые и торфяно-болотные, на юго-востоке серые лесные. Леса (основные породы: береза, сосна, кедр, осина, пихта, ель) занимают около 54% территории. Область богата такими полезными ископаемыми как нефть, газ, железная руды, торф, бурый уголь.
Одним из наиболее ценных природных ресурсов Томской области является лес. Запасы древесины составляют 2,8 млрд куб. м.
Основные автомобильные магистрали расположены в южной части области с выходом в соседние регионы. Общая протяженность автомобильных дорог с твердым покрытием составляет 6278 км.

Объекты ГИС и условные обозначения

Геотермальные воды — Геотермальными водами называются воды с температурой выше 20°С расположенные в недрах Земли. В большинстве случаев они имеют температуру от 40 – 100°С и выше. Относятся к источникам энергии, которые используются как возобновляемые энергетические ресурсы для получения тепловой и/или электрической энергии.

Гибридные ветросолнечные станции — Системы, включающие в себя ветрогенераторы, солнечные панели и резервные источники дополнительного питания

ДЭС — Дизельная электростанция (дизель-генераторная установка, дизель-генератор) — стационарная или подвижная энергетическая установка, оборудованная одним или несколькими электрическими генераторами с приводом от дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Котельные на жидком топливе – здание или помещения с котлом (теплогенератором) и вспомогательным технологическим оборудованием, предназначенными для выработки тепла, топливным ресурсом которых является: дизельное топливо; мазут; сырая нефть.

Котельные на твёрдом топливе – здание или помещения с котлом (теплогенератором) и вспомогательным технологическим оборудованием, предназначенными для выработки тепла, топливным ресурсом которых является: щепа; дрова; уголь.

Объекты животноводства – сельхозпроизводители, имеющие животноводческие комплексы крупного рогатого скота (в геоинформационной системе указаны хозяйства с поголовьем свыше 500 голов). Отходы производства рассматриваются как биоресурс для получения биогаза ^[2].

Очистные сооружения – комплекс инженерных сооружений населённого пункта, предназначенный для очистки сточных вод от содержащихся в них загрязнений. Отходы очистных сооружений могут рассматриваться как ресурс для получения биогаза.

Пивоваренные заводы и предприятия пищевой промышленности – предприятия с высокими отходами пищевой промышленности. Отходы производства рассматриваются как сырье для получения биогаза.

Полигоны ТБО – места накопления твёрдых бытовых отходов (предметы или товары, потерявшие потребительские свойства) жизнедеятельности человека. Рассматриваются как места размещения сырья для получения свалочного газа (за счет сбора газа, получившегося в результате естественного биохимического разложения органических отходов), а также для получения биогаза и для вторичной переработки и использования.

Птицефабрики –предприятия птицеводческой отрасли Томской области. Отходы производства рассматриваются как сырье для получения биогаза.

Районы лесозаготовки – районы, где ведётся лесозаготовительная деятельность, состоящая из комплекса лесосечных работ и вывозки леса.

Свинокомплексы – предприятия, предназначенные для полного технологического цикла — от воспроизводства до убоя и переработки мяса свиней. Отходы производства рассматриваются как сырье для получения биогаза.

Теплоэлектростанции – крупные станции Томской области, вырабатывающие электрическую энергию за счет преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора с получением тепла.

Торфяные месторождения осушенные – торфяная залежь от поверхности до минерального дна или до отложений сапропеля состоит как правило из нескольких видов торфа с проведённым комплексом гидротехнических мероприятий по созданию осушительной системы и имеющая различную степень готовности к началу добычи торфа.

Торфяные месторождения (перспективные для разработки в энергетических целях)– торфяная залежь с низкой степенью зольности до 15% и большими запасами торфа, такие месторождения могут быть вовлечены в эксплуатацию в короткие сроки из-за относительной транспортной доступности и расположения вблизи населённых пунктов.

ГИС включает в себя изолинии ^[3] ветра, изолинии солнца, карту дорог, существующих газопроводов, ЛЭП (при необходимости). Все объекты имеют географическую привязку и подробное описание. Описание включает в себя открытую информацию об объекте генерации или экспертное заключение о потенциале возобновляемого источника энергии. В ГИС использованы технологии Google. Вид ГИС представлен на рисунке.

ГИС построен «послойно». Можно временно отключить какие либо слои и поработать с информацией, к примеру, о торфяных месторождениях.

Можно комбинировать слои, тем самым оценить логистические возможности и удобное место потенциального размещения объекта генерации на альтернативном топливе с учетом соответствующего топливного ресурса (опилки, торф, щепа, биомасса и т.д.).

Основания для внесения информации в ГИС

Основная задача этой работы получить максимально достоверные данные о потенциале ВИЭ и самую актуализированную информацию об объектах генерации. В этой связи использовались данные из как минимум нескольких независимых источников, либо данные экспертных заключений непосредственно на объектах. Для этого были сформированы группы экспертов, которые были командированы в соответствующие районы Томской области. Также в ГИС были использованы

1. Данные региональных отчетов по объектам генерации
2. Тренды многолетних метеонаблюдений
3. Экологические исследования территории
4. Научные данные по публикациям независимых групп исследователей НИИ и ВУЗов г. Томска и России
5. Лабораторные исследования биомассы различного происхождения (навоз, пивная дробина, стоки очистных сооружений)
6. Результаты геологоразветки различных лет для нанесения информации по торфяным месторождениям.

Данный подход позволил получить ГИС с высокой степенью валидации. Для примера можно видеть, что данные экспертных заключений по потенциалу ветросолнечной энергетики отлично укладываются в изолинии ветра, устойчиво сформированные в течение многих лет метеонаблюдений (на рисунке изолинии устойчивого ветра нанесены синими линиями в центре)

Пример экспертного заключения

Рассмотрим более подробно пример работы экспертной группы. Для получения фактических данных с предприятий были сформированы группы экспертов из 2-3 человек, имеющие соответствующие профессиональные компетенции. Также для работы использовались специальные лабораторные установки для проведения дополнительных исследований образцов сырья. Так как я возглавлял одну из групп экспертов ^[4] — опишу более подробно методики работы специалистов нашего направления.
В работе нашей экспертной группы подлежали оценке

1. Предприятия сельскохозяйственного профиля
2. Птицефабрики
3. Свинокомплексы
4. Пивные заводы

Также частично эксперты работали по оценке потенциала очистных сооружений. Предмет оценки — биомасса и производственные биологические отходы указанных предприятий. Все группы экспертов работали на основании соответствующих письменных запросов собственникам (или высшим руководителям) предприятий, которые (на удивление) активно содействовали работе специалистов.
Работу эксперта регламентировали методики ^[5] работы экспертов, включающие в себя все необходимые действия и манипуляции. Каждая экспертная группа имела

1. Образцы документов для заполнения в виде опросных листов ^[6].
2. Фотоаппарат, настроенный на автоматический вывод даты и времени
3. GPS, диктофон
4. Емкости для отбора проб биомассы для лабораторных исследований
5. Дополнительные материалы (мешки, бирки, затяжки, перчатки одноразовые, заборники проб, маркеры)

Задача эксперта состояла в четком заполнении информации в опросный лист, знакомство с предприятием, технологическим процессом, системой управления отходами, бойней и т.д. в соответствие с алгоритмом действия эксперта. Все действия четко регламентированы, поэтому не было допущено существенных ошибок и недочетов. Проводилась фотосъемка и вычисление географических координат предприятия. Эксперты также производили выборочные отборы образцов биомассы для дальнейшего лабораторного исследования. Время работы экспертной группы (в зависимости от предприятия) занимало 3-5 часов.

Лабораторные исследования

Образцы биомассы направлялись на лабораторные исследования. Цель исследования заключалась в анализе структуры биомассы, наличием примесей, тяжелых металлов, а также общих химических показателей, таких как зольность, pH, соотношение C:N:P. Анализы проводились в независимой аккредитованной лаборатории.

Пример протокола испытаний

Эта исходная информация была необходима для проведения экспериментов для сбраживания биомассы в лабораторных биогазовых установках, с целью выяснения предельной калорийности сырья для выхода биогаза. Вид и технические характеристики лабораторных установок представлены на фото.

Результаты лабораторных испытаний, анализ информации опросных листов и вся собранная экспертами информация обобщалась в окончательное экспертное заключение, которое являлось основанием для внесения информации в ГИС. При этом учитывались лишь крупные предприятия сельскохозяйственной отрасли, в частности, с поголовьем скота не менее 500 голов.

Примерно аналогичным образом работали другие группы экспертов при анализе потенциала ветровой нагрузки, солнечной инсоляции, потенциала торфа, геотермальных источников и т.д. Безусловно, использовались иные инструменты и лабораторные установки в соответствии с задачами экспертных групп.

Анализ и перспективы использования ГИС

Были обобщены и актуализированы большие объемы информации. ГИС позволила получить единый информационный ресурс для анализа потенциала возобновляемого сырья для альтернативных источников энергии. С учетом развития технологий ВИЭ это позволит в среднесрочной перспективе формировать проекты по созданию объектов генерации на альтернативном топливе. При этом уже сейчас существенным является потенциал торфа и отходов деревоперерабатывающего производства. На данный момент ведутся работы по анализу перспективных технологий для решения этих задач. Подходы к оценке потенциала ВИЭ и компетенции томских экспертных групп могут быть использованы для подобной работы в других регионах России и мы готовы делиться своим опытом в этом направлении.

Ссылка на ГИС здесь ^[7]. Реакцию на Хабр-эффект оценить не могу. Возможны сбои.

Благодарности

Эту работу вели десятки людей из различных организации, ВУЗов и НИИ Томска. Работа заняла примерно полтора года. Я благодарю всех своих коллег, кто работал в этом проекте. ГИС была построена в интересах Томской области и на данный момент поддерживается и развивается Центром энергоэффективности и энергосбережения Томской области. Руководитель Центра Александр Дмитриев и его сотрудники активно участвовали в этой работе и я также выражаю им свою признательность.

Многие могут крайне скептически отнестись к перспективам использования биогазовых технологий в Сибирских условиях. Это, действительно, интересная тема для анализа и дискуссий. В ближайшие дни мною будет опубликован соответствующий пост и я приглашаю всех желающих подискутировать на эту тему подробнее.

Автор: Uris

Источник ^[8]