CC BY
1251
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022) УДК 528.9
Геоинформационные системы в биоэнергетике
Рафикова Юлия Юрьевна!0000-0003"3204-9135]1-2 Андреенко Татьяна Ивановна[0000-0001-8678-3568]1-3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
2E-mai l:ju .rafi kova @mail. ru,3E-mail: tanyandr00@mail. ru
Аннотация. Работа посвящена использованию методов геоинформационного анализа пространственных данных для целей биоэнергетики. Описываются основные методы и тенденции развития этого направления за последние 50 лет. Проведен обзор международной и отечественной практики исследований в этой области. Представлены и систематизированы различные методики картографирования ресурсов биоэнергетики, а также инструментарий, решающий задачи поиска оптимальных мест для размещения объектов энергетики на ресурсах биомассы. Описана специфика пространственных данных, используемых в решении задач биоэнергетической отрасли и особенности работы с ними в среде геоинформационных систем (ГИС).
Ключевые слова:биоэнергетика, методы картографирования, геоинформационные системы, ресурсы, базы геоданных.
1 Введение
Картографирование ресурсов биоэнергетики является одним из направлений картографирования ресурсов возобновляемых источников энергии, активно развивающимся в мире параллельно с развитием и распространением методов получения тепловой и электрической энергии, а также биотоплив различного типа из биомассы. На протяжении последних десятилетий в мире были созданы ряд геоинформационных систем (ГИС) по биоэнергетике: Интерактивная карта ресурсов биомассы Канады, Атлас ресурсов биомассы Новой Зеландии, Балтийская сеть по биомассе [1], Глобальный атлас возобновляемой энергии Международного агентства по возобновляемой энергетике и др.
Россия для развития биоэнергетической отрасли, как и многие страны мира, обладает значительной ресурсной базой. В нашей стране основным сырьем био-
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
52
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022) энергетики являются все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности различных организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла. На основе этого можно выделить основные категории биомассы:
• отходы растениеводства (лузга, шелуха, солома, тростник и т. д.), животноводства, лесопромышленного комплекса (ЛПК);
• бытовые отходы, канализационные стоки и др.;
• сельскохозяйственные культуры (в том числе специально выращиваемые для получения биотоплива);
• древесная биомасса.
2 Методы геоинформационного анализа для биоэнергетики
В связи с этим становится актуальным развитие методов геоинформационного анализа потенциала биоэнергетики в национальном и региональном масштабе. Геоинформационные технологии способны решить следующие задачи биоэнергетической отрасли:
1. Оценка ресурсного потенциала биомассы и его распределения по территории.
2. Учет широкого спектра критериев, ограничивающих реализацию проектов биоэнергетики на выбранных территориях.
3. Оценка концентрации научно-технологического потенциала.
4. Оценка наличия опыта реализации биоэнергетических проектов
В международных и отечественных исследованиях накоплен значительный опыт в решении этих задач, который важно систематизировать с целью определения наиболее эффективных методов картографирования и актуальных направлений дальнейших исследований.
Картографирование ресурсов биоэнергетики, в целом, отличается от такового для солнечных и ветровых ресурсов в силу специфики исходных пространственных данных, на которых основывается решение задач. Наиболее распространенный в мире вид геоинформационных ресурсов по биоэнергетике (атласы, ГИС и др.) - это ресурсные ГИС с привязкой данных к административным единицам (площадным объектам). Такая форма отображения данных характерна для стран с развивающейся отраслью биоэнергетики, где пока не накоплен (или не находится в открытом доступе) объём информации о существующих объектах биоэнергетики, их выработке и т.п. ГИС этого типа, как правило, основываются на государственных статистических данных по валовым сборам культур различного
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
53
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022)
типа, а также отходам биомассы различных отраслей. Факт использования официальной государственной статистики обосновывает достоверность получаемых картографических продуктов для целей национальных и региональных оценок. Ресурсные ГИС по биоэнергетике успешно применяются в решении стратегических задач - определения энергетической стратегии регионов, поиска новых рынков и т.п.
Ресурсные ГИС площадного типа традиционно включают в себя следующие виды данных:
1) валовый энергетический потенциал, выраженный в тоннах условного топлива (рис. 1);
2) технический потенциал, выраженный в энергетических единицах соответствующего вида энергии;
3) также на картах данного типа могут быть отражены данные о потреблении энергии по административным единицам карты, взятые из официальных источников или рассчитанные на основе данных о численности населения и потреблению энергии на душу населения.
4)
Рис. 1. Пример карт валового энергопотенциала отходов растениеводства Краснодарского края (слева, составлена авторами) и штата Аризона, США (справа, источник - Атлас возобновляемой энергии США [2]).
Ресурсные ГИС с локализованными данными характерны для стран, где уже есть опыт развития проектов в области биоэнергетики. Данные в таких информационных системах привязаны к источникам отходов - производственным предприятиям, предприятиям по переработке сырья (рис. 2). Слои интерактивных карт могут делиться по видам отходов. Атрибутивные таблицы содержат в
Добавлено примечание ([S1]): Предлагаю - с локализованными данными.
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
54
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022)
себе информацию об объёмах, качестве, весе, стоимости отходов, распределенные по временным диапазонам (по сезонам, месяцам и т.п.). Инструментарий данного вида ГИС позволяет производить экономические, логистические, экологические оценки.
Рис. 2. ГИС биоэнергетики Ирландии [3].
Особого внимания заслуживает опыт создания синтетических карт, объединяющих в себе площадные и точечные объекты. Например, в «Интерактивной ГИС планирования и поддержки объектов биоэнергетики Белоруссии» [4] картографические слои включали в себя: слой котельных, слой лесных ресурсов, слой деревоперерабатывающих предприятия, слой структуры лесосечного фонда, а также другие инфраструктурные и экологические слои, позволяющие анализировать транспортные затраты, экологические нагрузки, делать предварительное заключение о целесообразности перевода на древесное топливо того или иного объекта (рис. 3).
Рис. 3. Фрагмент карты распределения количества древесных отходов (центры лесных кварталов) и котельных мощностью более 0,5МВт.[4]
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
55
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022)
3 Геинформационный анализ в биоэнергетике на региональном уровне
Развитие методов геоинформационного анализа для оптимизации территориальных схем переработки органических отходов на региональном уровне в последние десятилетия стали актуальным направлением исследований [5,6,7, 8]. В работах этой направленности учитываются пространственное распределение ресурсов, экологические и технические аспекты. Результатом такого анализа становятся оптимальные территории для размещения объектов биоэнергетики (рис.
4).
Рис. 4. Результаты выбора наиболее оптимальных участков территории Акмолинской области для строительства биогазовых станций (БГС) на отходах животноводства и растениеводства. [5]
В последние 5 лет в использовании методов ГИС для целей возобновляемой энергетики наметилась тенденция к поиску комплексных интегральных показателей, привязанных к пространственной сетке определенного разрешения. Это связано с необходимостью учёта в анализе ресурсов ВИЭ большого количества разнородных пространственных факторов, которые составляют собой в проектах
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
56
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022) национального и регионального масштаба объёмы информации, измеряемой в терабайтах, работа с которой становится затруднительной в геоинформационной среде. Для решения этой проблемы разрабатываются модели, позволяющие представить потенциал территории как комплекс факторов, привязанных к ячейке (рис. 5). ГИС-инструментарий при этом позволяет задавать внутри ячеек разнообразные сценарии - в зависимости от изменения политики региона, стоимости энергии и т.п.
Рис. 5. Пример карты биоэнергетического потенциала Ирландии с учетом различных сценариев развития использования территорий[9]
Наиболее актуальным направлением исследований на сегодняшний день является разработка инструментов геоинформационного моделирования возможности использования ресурсов биоэнергетики. Примером является инструмент «Биоэнергетический симулятор» (BioenergySimulator), созданный в рамках проекта Глобального атласа возобновляемой энергетики Международного агентства по возобновляемой энергетике (IRENA) [10]. Инструмент позволяет для выбранной пользователем территории земного шара определять возможную выработку тепловой, электрической энергии или топлив различных типов в зависимости от заданного типа ресурса (отходы или специально выращенные культуры). При этом в модели учитываются географические и климатические особенности тер-
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
57
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022)
ритории (рис. 6). Также в симуляторе представлена возможность выбора технологии переработки исходного ресурса в энергетический продукт - это может существенно влиять на стоимость и энергетическую ценность.
Рис. 6. Алгоритм геоинформационного инструмента BioenergySimulator Глобального атласа IRENA [10]
Несмотря на значительный мировой опыт в развитии ГИС для целей биоэнергетики, пока еще остаются нерешенными задачи геоинформационного моделирования и визуализации следующих типов пространственной информации:
- ресурсов смешанного типа (возможности использования в энергетических целях различных видов отходов биомассы совместно);
- учёт энергетических потерь в сетях при переработке отходов биомассы в энергетические продукты;
- учёт социального-экономического и экологического эффекта от использования отходов биомассы или специального выращивания сельскохозяйственных культур в энергетических целях.
4 Заключение
В настоящее время в решении задач биоэнергетики во многих странах мира и в России наиболее востребован детальный мультикритериальный анализ территорий средствами ГИС, учитывающий ресурсные, инфраструктурные, эконо-
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
58
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022) мические, экологические факторы. В связи с проблемами накопления органических отходов в РФ, декларацией государственных целей в области утилизации отходов производства и потребления, наиболее актуальным для нашей страны представляется разработка методов оптимизации размещения объектов переработки органических отходов с получением энергии, а также анализ средствами ГИС потенциальных потребителей такой энергии и комплекса социально-экономических факторов, оказывающих влияние на перспективы использования отходов биомассы в энергетических целях в региональном масштабе.
Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-010-00981).
Литература
1. Официальный сайт проекта «Балтийская сеть по биомассе». Электронный ресурс. Режим доступа: https://balticbiomass4value.eu/biomass-resources-data/. Дата обращения: 15.06.2022
2. Официальный сайт Национальной лаборатории по возобновляемой энергетики США. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.nrel.gov/gis/. Дата обращения: 15.06.2022
3. Геоинформационная система биоэнергетики Ирландии. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.seai.ie/technologies/seai-maps/bioenergy-map/. Дата обращения: 15.06.2022
4. Применение биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь. Проект ПРООН ГЭФ. Электронный ресурс. Режим доступа: https://energoeffect.gov.by/bioenergy/htdocs/seminari.htm. Дата обращения: 15.06.2022
5. Dagnall S, Hill J, Pegg D. Resource mapping and analysis of farm livestock manures— assessing the opportunities for biomass-to-energy schemes. Bioresource Technology 2000;71:225-34
6. BatziasFA, SidirasDK, SpyrouEK. Evaluating livestock manures for biogas next term production: a GIS based method. Renewable Energy 2004;30:1161-76
7. GomezA, ZubizarretaJ, RodriguesM, DopazoC, FueyoN. Anestimationoftheenergypoten-tialnexttermofagro-industrialresiduesinSpain. Resources, Conservation and Recycling 2010;54(11):972-84
8. Тулегенова А. А., Киселева С. В. Использование методов пространственного анализа для оценки потенциала производства энергии при помощи биогазовых станций // Проблемы региональной экологии. — 2018. — № 6. — С. 73-77
9. SustainableBioenergyforHeat. Spatial Assessment of Resources and Evaluation of Costs and Greenhouse Gas Impacts. Report 7 of the National Heat Study, February 2022, V1.0, Sustainable Energy Authority of Ireland. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.seai.ie/publications/Sustainable-Bioenergy-for-Heat.pdf. Дата обращения: 15.06.2022
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
59
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2022)
10. BioenergySimulator. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.irena.org/renew-aMes/Knowledge-Gateway/weHnars/2017/Jul/Launch-Webinar-for-the-IRENA-Global-Atlas—Bioenergy-Simulator. Дата обращения: 15.06.2022
References
1. Official website of the Baltic Biomass Network project. Electronic resource. Access mode: https://balticbiomass4value.eu/biomass-resources-data/. Dateofaccess: 06/15/2022
2. Official website of the US National Renewable Energy Laboratory. Electronic resource. Access mode: https://www.nrel.gov/gis/. Date of access: 06/15/2022
3. Bioenergy Geographic Information System of Ireland. Electronic resource. Access Mode: https://www.seai.ie/technologies/seai-maps/bioenergy-map/. Dateofaccess: 06/15/2022
4. Application of biomass for heating and hot water supply in the Republic of Belarus. UNDP GEF project. Electronic resource. Access mode: https://energoeffect.gov.by/bioen-ergy/htdocs/seminari.htm. Date of access: 15.06.2022
5. Dagnall S, Hill J, Pegg D. Resource mapping and analysis of farm livestock manures— assessing the opportunities for biomass-to-energy schemes. Bioresource Technology 2000;71:225-34
6. BatziasFA, SidirasDK, SpyrouEK. Evaluating livestock manures for biogas next term production: a GIS based method. Renewable Energy 2004;30:1161-76
7. GomezA, ZubizarretaJ, RodriguesM, DopazoC, FueyoN. Anestimationoftheenergypoten-tialnexttermofagro-industrialresiduesinSpain. Resources, Conservation and Recycling 2010;54(11):972-84
8. Tulegenova A. A., Kiseleva S. V. Ispol'zovaniyemetodovprostranstvennogoana-lizadlyaotsenkipotentsialaproizvodstvaenergiipripomoshchibiogazovykhstan-tsiy // Prob-lemyregional'noyekologii. — 2018. — № 6. — S. 73-77. In Russian
9. SustainableBioenergyforHeat. Spatial Assessment of Resources and Evaluation of Costs and Greenhouse Gas Impacts. Report 7 of the National Heat Study, February 2022, V1.0, Sustainable Energy Authority of Ireland. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.seai.ie/publications/Sustainable-Bioenergy-for-Heat.pdf. Дата обращения: 15.06.2022
10. Bioenergy Simulator. Electronic resource. Access Mode: https://www.irena.org/renewa-bles/Knowledge-Gateway/webinars/2017/Jul/Launch-Webinar-for-the-IRENA-Global-Atlas---Bioenergy-Simulator . Date of access: 15.06.2022
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
60
^ypHa^ «OKpy^arorn;afl cpega u энерговеfценне» (ОСЭ) №2(2022)
Geoinformation systems in bioenergy
Julia Rafikova1,2 Tatiana Andreenko1,3
1Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
2E-mail: ju.rafikova@mail.ru, 3E-mail: tanyandrQQ@mail.ru
Abstract. The work is devoted to the use of methods of geoinformatics for the purposes of bioenergy. The main methods and trends in the development of this scientific area over the past 50 years are described. A review of international and domestic practice of research in this area has been carried out. Various methods of mapping bioenergy resources are presented, as well as tools that solve the problem of finding optimal places for placing energy facilities on biomass resources. The specifics of spatial data used in solving the problems of the bioen-ergy industry and the features of working with them in the environment of geographic information systems (GIS) are described.
Keywords:bioenergy, mapping methods, geoinformation systems, resources, geodatabases
Acknowledgement. Work is executed at financial support RFBR (project #20-01000981)
Journal of Environmental Earth and Energy Study (JEEES) №2(2022) DOI: 10.24412/2658-6703-2022-2-51-60
