CC BY
8
УДК
Прутских М.С., Ермоленко Б.В.
ЕДИНАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ, ТОПЛИВНЫХ, РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ, ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ
Прутских Максим Сергеевич, студент 2 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, e-mail: maxim.prutskikh@yandex.ru;
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент факультета биотехнологии и промышленной экологии; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Сформулирована задача разработки единой информационно-вычислительной системы на основе возобновляемых источников энергии для оценки электроэнергетического, теплоэнергетического, топливного, ресурсосберегающего и экологического потенциалов. Разработана структура системы и алгоритмы расчета потенциалов. Предусмотрена возможность оценки потенциалов для различного типа оборудования, различного вида традиционного топлива, различных временных интервалах, различных высот от уровня земли. Информационно-вычислительная система реализована на базе электронных таблиц Excel. Проведены расчеты потенциалов для ветроэнергетики, солнечной энергетики, отходов животноводства, растительных и древесных отходов, твёрдых коммунальных отходов. Ключевые слова: информационно-вычислительная система, ветроэнергетика, потенциал, электроэнергетический, теплоэнергетический, топливный, ресурсосберегающий, экологический, экономический, эколого-экономический, солнце, твёрдые коммунальные отходы, биогаз, растительные и древесные отходы
UNIFIED INFORMATION AND COMPUTING SYSTEM BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR THE ASSESSMENT OF ENERGY, FUEL, RESOURCE-SAVING, ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL-ECONOMIC POTENTIALS
Prutskikh M.S., Ermolenko B.V.,
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The task of developing a unified information and computing system based on renewable energy sources for the assessment of electric power, heat, fuel, resource-saving and environmental potentials is formulated. The system structure and algorithms for calculating potentials are developed. You can evaluate the potentialfor different types of equipment, different types of traditional fuels, different time intervals, different heights from ground level. The information and computing system is implemented on the basis of Excel spreadsheets. Potential calculations were made for wind energy, solar energy, animal waste, plant and wood waste, and solid household waste.
Keywords: information and computing system, wind power, potential, electric power, heat, fuel, resource-saving, environmental, economic, ecological and economic, solar, solid municipal waste, biogas, plant and wood waste
В настоящее время все развитые страны принимают политику для снижения выбросов углерода к 2050 году. Так как подавляющее большинство загрязнений происходит в результате производства энергии, то основные задачи по уменьшению негативного воздействия на окружающую среду решаются в этой области. Главный способ снижения выбросов - это использование вместо традиционных видов топлива возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Кроме экологической стороны, в данном вопросе играет немаловажную роль экономическая составляющая. Во-первых, освободившиеся виды традиционного топлива (нефть, уголь, природный газ, дизельное топливо) - с большей эффективностью могут применяться в других отраслях. Во-вторых, это экономия средств на импорте топлива из других стран. И, наконец, это полноценная энергетическая независимость.
В настоящее время в Российской Федерации существует программа развития возобновляемой энергетики до 2024 года, к сожалению, темпы развития значительно отстают от мировых. Один из возможных
вариантов решения проблем является задействование информационных продуктов при создании региональных программ развития, а также для принятия инвестиционных решений при строительстве станций на основе ВИЭ. Для принятия таких решений необходима информаций о величине
электроэнергетического или топливного потенциала на рассматриваемой территории. В силу размеров и неоднородности территории Российской Федерации целесообразным будет расчёт сразу для нескольких видов ВИЭ: ветроэнергетика, солнечная энергетика, энергия из отходов животноводства, твёрдых коммунальных отходов, а также растительных и древесных отходов. Для решения такой проблемы необходимо создание информационного продукта в виде единой информационно-вычислительной системы, которая позволит одновременно рассчитывать потенциала всех видов ВИЭ, а при их достаточном, для удовлетворения нужд потребителей, количестве, перейти к расчёту остальных видов потенциалов: теплоэнергетический,
ресурсосбережения, эколого-экономического.
В настоящий момент существует ряд локальных информационно-вычислительных систем, всего их 5 штук. У каждой системы свой подход к расчёту потенциалов, свои данные по используемому традиционному топливу и т.д. Такой подход крайне неудобен, так как не позволяет одновременно рассматривать несколько вариантов различных ВИЭ, а при попытке сравнения появляется проблема в подходе к оценке потенциалов из-за разного рода различий. С целью создания единой информационно-вычислительной системы было проанализировано содержимое всех локальных систем и выявлены следующие различия:
1. Масштаб расчётов. Для локальных систем ветра и солнца этот масштаб представляет собой весь земной шар с шагом в 1 градус. Российская Федерация содержит 3506 точек. Вся информация о потенциалах рассчитывается для каждой точки. Для локальных систем на основе твёрдых коммунальных отходов, отходов животноводства, растительных и древесных отходов характерен другой масштаб -административно-территориальные единицы РФ.
2. Первоначальный потенциал. Если набор данных у всех систем абсолютно разный, то первый потенциал, который рассчитывается в системах поддаётся классификации. В системах для вычислений потенциалов ветра и солнца первым рассматривается электроэнергетический потенциал, в то время как в остальных базах за отправную точку берётся топливный потенциал.
3. Изначальные данные. Ветер и солнце берут свои данные со спутниковых наблюдений NASA, которые содержат в себе многолетние исследования, а другие базы строятся на основе ежегодной отчётности и справочных данных о различных удельных показателях.
4. Эколого-экономический потенциал. Ещё одна отличительная способность состоит в учёте негативного воздействия на окружающую среду. При эксплуатации ветра и солнца негативное воздействие на окружающую среду, в случае с системой, на атмосферу, отсутствует, а сжигание отходов животноводства, растительных и древесных отходов, твёрдых коммунальных отходов сопровождается выбросами загрязняющих веществ. Исходя из этого условия расчёт ведётся по-разному. В первом случае учитывается только ущерб при использовании традиционной энергетики, а во втором случае в расчёте учитывается выбросы, которые образуются при сжигании отходов.
Таким образом, на основе имеющихся данных была создана классификация внутри единой информационно-вычислительной системы:
«Топливный» блок (отходы животноводства, растительные и древесные отходы, ТКО) и «Не топливный» блок (солнечная и ветряная энергетика). В общем виде, все данные, которые содержатся в пяти локальных системах представлены на рисунке 1.
СТРУКТУРА ( :ЙСТЕМЫ
Статистическая база лапша о СифОстох негра ■ УЗЛОВЫХ течки территориальной сетки
на nam пай iiurtn* для i ода, суток каждого места, pakitiMHM* MimfiKLUHi
Т™"
Параметры фуккши плотностей вероятностей ckujiorirft Петра для мех территориальных точек, периодов еусмсш! н разных высот от уровня земли
Кривые мощности для
балл датпах о5 уровне ннсолямии в
базовой высоте для года, суток каадаго мн'япл, рлл.игсшах интервалов суток:
КПД различных воов
фотоэлектрических панелей в другие их технические н
Твердое (шшнф н дргаггнмх и сельскохозяйственных отходов
Слагал иг отходов
древесных н еельскохомйпвенныя
огаодов животноводства различных
Технологии н техннко-
Объем производства твердого iMiLiidtLtitJu Eipii iH-jtrpjotu ir I i
КПД различная видов солипшах кОллалОрШ.
И др)тне их технические и
ПалдеАплим на окру-хавоогую среду при переработке 1 т различных
Воздействия на окружающую срез}' при сжигании 1 т твердого
Теялотаорная способность различных видов твердого
ппшы на территории различных
Технологии н; женомэгчеенк
1ЧНЯгшодггва i
элспричсской энергии и удоорений
Ооьет-i иронныдстш ииогаза, тепловой, vieпрической энергии и удобрений из 1 т отходов_
Геп-ю гнгцшая пгопкшость ошгхм
Тншии ■ i.inrrpiwui энергии от сжигания ТКО
'[жленность населен)« в* ггррнлцшш |ьа Ltii'iaiJi административных образований
Млрфплллрнгс кий п
Технологии и тепшко-экиюютеенк
Нолдгйгпшя на Окружающую среду при сжигании 1 т ТКО разного яорфолотческого состава
Теплотворна» способность различных пило" (kuujioiirati ТКО_
Тенлосгорлая UKKoiniocib
Электроэнергетический потенциал
: с
Потенциал ресурсосбережения Уголь различных месторождений
Потенциал ресурсосбережения.
M.VIV1, fltl L Un IIUC пиди
Теплотворная способность различных видов ископаемого
Возд;йс твне на окружающую сред}' при сжигании 1 т разного ископаемого топлива
Стоимость различных видов ископаемого топлива в разных регионах_
Потенциал ресурсосбережения. Диэел.
Потенциал регуреш-перелеш
Уголь. Мплуг. Д||
г
"Экономический потенциал Уголь, Мазут, Дг
1
Рис. 1. Структура данных локальных информационно-вычислительных систем
Построение единой системы происходило с помощью MS Excel. Для создания единой структуры было принято решение выделять разделы в информационные блоки. Данный подход позволяет в один блок группировать, в целом, разрозненные данные, но которые имеют единую идею для расчёта потенциалов. В итоге были созданы следующие блоки: «Подготовка данных», «Исходные данные», «Первичный потенциал», «Оборудование», «Технический потенциал», «Потенциал
ресурсосбережения», «Эколого-экономический
потенциал».
Подготовка данных. Данный блок содержит абсолютно разную информацию: валовый сбор сельскохозяйственных культур, поголовье разных видов крупнорогатого скота, морфологический состав ТКО и население области, повторяемость скоростей ветра, среднемесячные данные по солнечной радиации. Однако, все эти данные являются одинаковыми по своей сути. Именно в этом блоке имеется возможность задать данные по тому сколько
видов животных буду участвовать в расчёте или выбрать повторяемость скоростей ветра из необходимого временного интервала. Стоит отметить, что математическая составляющая в блоке остаётся оригинально й, так расчёт коэффициентов функции Вейбулла-Гудрича проводится согласно
разработанной ранее методике [1].
Исходные данные. Следующий блок содержит информацию, которая непосредственно влияет на расчёт потенциалов: объём биогаза, масса отходов ТКО (по компонентам и общая), масса растительных и древесных отходов, годовая сумма солнечной радиации, значения функции Вейбулла-Гудрича. Начиная с этого блока проявляется первая важная особенность системы, а именно, автоматическое обновление данных. Например, при изменении в первом блоке информации, вносить эти изменения в исходные данные не требуется, они обновятся автоматически. Расчёт всех объёмов и масс происходит с применением коэффициентов, которые находятся в этом же блоке и при необходимости могут быть заменены, что также изменит рассчитанные значения.
Первичный потенциал. Этот блок системы и является одним из ключевых различий для созданий классификации. Растительные и древесные отходы, отходы животноводства, твёрдые коммунальные отходы эти системы рассчитывают изначально топливный потенциал, а ветер и солнце электроэнергетический. Этот блок аналогичен предыдущему в плане автоматического обновления. В блоке также имеются новые справочные данные, такие как: энергосодержание, количество образованной энергии при сжигании ТКО. Но несмотря на всю разрозненность данных, они соединены с предыдущим разделом и выполняют единую функцию расчёта своего первичного потенциала.
Технический потенциал и оборудование. Эти два блока являются взаимосвязанными напрямую. Так как без информации о применяемом оборудовании расчёт технического потенциала невозможен. В технический потенциал входят: теплоэнергетический, топливный, электроэнергетический. В самом блоке для технического потенциала главным шагом к унификации процесса является применение одинаковых переводных коэффициентов. Но главная особенность заключается всё-таки в блоке «Оборудование». Данные блок взаимосвязан с «Первичным потенциалом», в нём содержится информация о КПД солнечных панелей, коллекторов, мини-ТЭЦ, кривых мощностей для различных высот. Для изменения информации достаточно лишь вставить необходимые данные по КПД установки или же другую кривую мощности ветроустановки и технические потенциалы будут пересчитаны без лишних усилий. Данный блок, как и предыдущие полностью связан ссылками и автоматически обновляется.
Потенциал ресурсосбережения. Единственный блок, который является одинаковым абсолютно для всех систем. Рассматриваются только 4 вида
традиционного топлива: природный газ, уголь, мазут, дизельное топливо. Потенциал рассчитывается в натуральном и стоимостном выражении. Его несомненным плюсом является вариативность видов топлива. При необходимости достаточно сменить коэффициенты на тот вид угля, газа или мазута, который используется в непосредственной местности и в итоге будут получены необходимые данные.
Эколого-экономический потенциал. Самый объёмный блок системы. Объём состоит из расчёта в натуральном и стоимостном выражении, а также в количестве компонентов выброса. Разделы в блоке построены следующим образом. Для «Не топливного» блока происходит только расчёт эколого-экономического потенциала при использовании природного газ, угля, мазута и дизельного топлива. А для «Топливного» блока все перечисленные выше разделы, но и ещё эколого-экономический ущерб при сжигании самого ВИЭ. Сам расчёт негативного воздействия производится по стандартной методике [2], а затем приведённые массы вычитаются и высчитывается сам эколого-экономический ущерб. Глобальное воздействие оценивается исходя из потенциальных ставок платы за выбросы парниковых газов в т СО2-экв. Взяв во внимание проводимые изменения в законодательстве по установлению платы за выбросы CO2, расчёт этого показателя проводится по среднеевропейской ставке платы за выбросы - 30 EUR/т СО2-экв. [3].
Таким образом, впервые была разработана единая информационно-вычислительная система для эколого-экономического обоснования программы развития региональной энергетики на базе ВИЭ и инвестирования средств в строительство станций на основе ВИЭ. Система содержит информацию о пяти видах ВИЭ, имеет возможность добавления различного оборудования, изменения коэффициентов, расчёт для различных временных интервалов, различных высот. Система имеет возможность автоматического обновления при изменении данных в том или ином разделе. Разработанная ИВС реализована на основе электронных таблиц Excel. Планируется переход к использованию метеорологических баз данных с более мелким шагом, создание многослойной карты с помощью ГИС-технологий.
Список литературы
1. Фетисова Ю.А., Ермоленко Б.В., Ермоленко Г.В., Киселева С.В Определение параметров функции Вейбулла для оценки ветроэнергетического потенциала в условиях ограниченных исходных метеорологических данных // Теплоэнергетика. - 2017. - №4. - С. 13-20.
2. Н.П. Тарасова, Б.В. Ермоленко, В.А. Зайцев, С.В. Макаров. Оценка воздействия промышленных предприятий на окружающую среду. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 230 с.
3. Институт комплексных стратегических исследований. Плата за выбросы парниковых газов по странам мира // События и комментарии. - 2016. -№10. - С. 1-2.
