CC BY
31
УДК 620.91; 911.9
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-16073
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛА ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ ПРИ ПОМОЩИ БИОГАЗОВЫХ СТАНЦИЙ
С. В. Киселева, к. ф.-м. н., в. н. с.,
А. Л. Тулегенова, аспирант,
Москва, Россия,
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Работа посвящена изучению биоэнергетического потенциала сельскохозяйственных отходов Акмолинской области. Казахстан экспортирует значительные объемы сельскохозяйственной продукции за рубеж, обеспечивает продовольственную безопасность и активно развивает сельскохозяйственную отрасль. Несмотря на значительное количество отходов, их переработка находится на начальной стадии развития. Вторичное использование сельскохозяйственных отходов несет за собой ряд положительных экологических и экономических эффектов. При проектировании биогазовых станций, оценки их потенциальной производительности и рентабельности необходимо осуществление предварительного отбора территорий и с учетом доступных для переработки отходов. Для этих целей был проведен комплексный анализ крупных сельскохозяйственных предприятий Акмолинской области, рассчитан доступный валовый энергетический потенциал отходов. Использование пространственного анализа позволило рассмотреть в комплексе ряд значимых ограничивающих и способствующих развитию биоэнергетики факторов и определить территории, оптимальные для переработки отходов с получением биогаза.
The paper is devoted to the study of the bioenergy potential of agricultural waste in the Akmola Region. The Republic of Kazakhstan exports significant volumes of agricultural products abroad, provides its own food security and actively develops the agricultural sector. Despite a significant amount of waste, its processing is at the initial stage of development. The secondary use of agricultural waste results in a number of positive environmental and economic effects. To design biogas plants, to assess their potential productivity and profitability, it is necessary to pre-select territories and assess the available ones for processing waste. For these purposes, a comprehensive analysis of large agricultural enterprises of the Akmola Region was carried out, and the available gross energy potential of the waste was calculated. The use of spatial analysis made it possible to consider in the complex a number of significant factors limiting and promoting the development of bioenergy and to determine the territories that are optimal for waste processing with biogas production.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, биоэнергетика, Акмолинская область, биогазовые станции, сельское хозяйство, отходы, переработка, Казахстан.
Keywords: renewable energy sources, bioenergy, the А-kmola Region, biogas station, agriculture, waste, recycling, Kazakhstan.
Введение. Несмотря на значительные запасы нефти, сельскохозяйственный сектор Республики Казахстан (РК) играет ключевую роль при обеспечении продовольственной безопасности. РК занимает 12-е место среди мировых стран-производителей пшеницы, по данным ФАО в 2017 г. выращено 14 млн т зерна [1]. В последние годы в республике растет интерес к развитию биоэнергетики на основе сельскохозяйственных отходов.
Развитие технологий биоэнергетики позволяет использовать сельскохозяйственные отходы для получения топлива. Помимо энергетических преимуществ, переработка отходов несет за собой ряд положительных экологических эффектов и дает значительные объемы высокоэффективных удобрений.
Для проектирования объектов биоэнергетики, оценки их потенциальной производительности и рентабельности необходимо провести предварительный отбор и обоснование мест их локализации на основе оценки доступных для переработки органических отходов, учета природных, экономических и экологических факторов. В связи с этим основной задачей исследования является разработка методики отбора площадок для биогазовых станций (БГС) с использованием методов и подходов геоинформатики и с учетом природоохранных и экономических факторов.
В работе рассмотрена северная область Казахстана — Акмолинская, где традиционно выращивают зерновые культуры, а сельское хозяйство лидирует среди других областей Казахстана, формируя от 15 до 25 % валового регионального продукта. Животноводство представлено выращиванием крупного рогатого скота, птиц, овец, а также лошадей [2]. Масштабы растениеводства в области также благоприятствуют развитию биоэнергетике, так как добавление растительных остатков повышает эффективность процесса метаногенеза.
Модели и методы. В области ВИЭ в настоящее время все шире используется пространственный анализ, инструментом проведения которого являются геоинформационные системы (ГИС). Пространственный анализ востребован в основном в двух направлениях: анализ ресурсов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и выбор территории для размещения энергетических систем на ВИЭ [3]. В странах Европейского союза геоинформационные методы анализа используются в связи с задачами увеличения доли ВИЭ в производстве энергии в соответствии с государственными программами и директивами [4]. Геоинформационный метод анализа позволяет комплексно оценить ресурсы ВИЭ, ограничивающие факто-
ры и те аспекты, которые благоприятствуют строительству объектов на ВИЭ [2, 5 и др.]. В России и Республике Казахстан применение пространственного анализа в области ВИЭ осуществляется в основном при разработке карт и атласов ресурсов ВИЭ и создании тематических интернет-ресурсов [5—7]. Пространственный анализ применяется также в связи с разработкой территориальных схем обращения с ТКО в РФ [8]. Биоэнергетика — одно из направлений, где решаются как задачи энергоснабжения, так и проблема утилизации органических отходов. Детальное изложение геоинформационных методов анализа при определении наиболее оптимальных площадок для получения энергии из сельскохозяйственных отходов и ТКО приведены в [8].
Во всех вышеперечисленных работах первоначальным этапом является оценка ресурсов ВИЭ — расчет природного, доступного и (или) технического потенциалов. Для анализа потенциала производства энергии из отходов животноводства и растениеводства при помощи биогазовых станций (БГС) в Акмолинской области РК в качестве методологической основы были использованы подходы, приведенные в работе [3]. Методика [3] была нами переработана и дополнена в соответствии с природными и инфраструктурными условиями выбранного региона, доступными фактическими данными. Выбор оптимальных территорий для размещения БГС на территории области включает в себя 4 этапа.
1. Сбор и подготовка статистической, картографической и пространственной информации.
Содержание статистической информации для каждого района: крупные предприятия животноводства; поголовье, половозрастной состав, особенности содержания скота; возделываемые сельскохозяйственные культуры и их урожайность. Картографическая информация включала административные границы; гидрографическую сеть; дорожно-транспортную сеть; границы особо охраняемых территорий (ООПТ); населенные пункты; линии электропередач; электроподстанции. Пространственная информация содержала координаты животноводческих предприятий.
2. Обработка первичной информации.
2.1. Количественная оценка ресурсов биомассы отходов на основе методики расчета валового энергетического потенциала биомассы отходов животноводства [9]. При оценке доступного валового потенциала отходов учитывалось число животных только в крупных хозяйствах.
2.2. Картографирование распределения ресурсов биомассы отходов и факторов, ограничивающих (территории ООПТ, населенных пунктов, водных объектов) и способствующих (близость
линий электропередач (для транспортировки получаемой энергии), электроподстанций, дорог, строительство БГС.
3. Анализ статистической и картографической информации:
• анализ картографических слоев, отражающих факторы, влияющие на размещение предприятий (см. этап 2), разработка карт территорий, оптимальных для размещения БГС;
• определение «плотности» образования отходов в пределах 10 или 40 км вокруг каждого предприятия. Это расстояние рассматривалось в дальнейшем как максимальное для транспортировки жидкого или сухого навоза. «Плотность» рассматривалась здесь как условная величина, равная отношению мощности источника отходов (тонн отходов в год) к площади круга соответствующего радиуса. Если территории с высокой плотностью отходов (зоны ВПО) радиусом 10/40 км от различных предприятий-источников отходов пересекались, то в зонах пересечения «плотность» образования отходов складывалась. Таким образом, «плотность» введена для визуальной оценки распределения отходов и определения зон с максимальным ресурсным потенциалом. Площадки, попавшие в область с ограничениями на размещение БГС, исключались из рассмотрения;
• расчет необходимого количества отходов растениеводства для оптимизации метанового сбраживания. Для этого на основе статистических данных о типах и урожайности сельскохозяйственных культур определялось количество отходов растениеводства в заданном радиусе (10/40 км) от предприятия животноводства [10]. В связи с отсутствием детальной статистической информации о координатах и специализации растениеводческих хозяйств в Акмолинской области, предполагалось, что все возделываемые культуры распределены по территории районов равномерно;
• определение достаточности отходов растениеводства вблизи каждой перспективной для строительства БГС площадки.
В завершение третьего этапа производилась ручная выборка территорий с максимальной «плотностью» образующихся отходов при наличии транспортной доступности. Выборка территории осуществлялась исходя из условия рентабельности транспортировки отходов животноводства на расстояния, не превышающие 40 км [3].
4. Поиск оптимальных площадок для переработки отходов от нескольких животноводческих предприятий на БГС проводился в пределах ранее выделенных территорий с максимальной «плотностью» отходов животноводства с учетом количества образующихся отходов растениевод-
Рис. 1. Факторы, ограничивающие (а) и способствующие (б) строительству БГС на территории Акмолинской области
ства. Этот поиск проводился по критерию минимальных затрат на транспортировку отходов от тех животноводческих предприятий, которые потенциально могут быть объединены для переработки отходов.
Результаты и их обсуждение. Описанная выше методика была апробирована для территории Акмолинской области с использованием статистических, картографических и пространственных данных [11] и информации официальных сайтов районов области об инфраструктуре сельскохозяйственного производства. В качестве ограничивающих факторов для размещения БГС были учтены ООПТ (таблица), водные объекты, территории населенных пунктов (рис. 1, а). К способствующим факторам отнесены дорожная сеть, электрические сети и подстанции (рис. 1, б). На территории Государственного национального парка «Бурабай» с заказным режимом регулирования находится две фермы КРС и две птицефабрики.
Наличие источника отходов повышает риск нарушения природной среды национального парка. Поэтому переработка отходов на БГС может предотвратить складирование отходов и загрязнение ими.
Далее, в соответствии с принятой методикой, были построена карта 40-километровых зон вокруг предприятий животноводства с указанием «плотности» образования отходов (рис. 2, а). Наложение зон с различной «плотностью» отходов позволило выделить территории с максимальным ресурсным потенциалом (рис. 2, б). Максимальное количество отходов дали птицефабрики в связи с высоким поголовьем и высоким энергетическим потенциалом отходов, превышающим потенциал отдельных ферм КРС.
Для учета транспортной доступности на основе карт дорожной сети и распределения «плотности» отходов была построена карта территорий
наложения зон ВПО с учетом дорог (рис. 3, а). На основе этого были определены полигоны, вершины которых располагаются на расстоянии не более 40 км по дорогам от животноводческих предприятий. Подобная карта позволяет выбрать конкретные участки с максимальным сырьевым потенциалом и с учетом транспортной доступности (рис. 3, б). Если оказывается возможным и рентабельным совместная переработка животноводческих отходов от двух и более предприятий, наиболее оптимальной площадкой следует рассматривать территорию «пересечения» построенных для этих предприятий полигонов.
Для выбранных территорий с максимальным ресурсным потенциалом, транспортной доступностью и отсутствием экологических ограничений для размещения БГС было рассчитано необходимое количество растительных остатков с целью максимально эффективного метанового сбраживания отходов. В качестве основной культуры растениеводства рассмотрена пшеница, при этом предполагалось, что пашня зерновых рас-
Особо охраняемые территории Акмолинской области
Район Название объекта ООПТ Статус ООПТ Площадь, км2 Доля площади ООПТ в площади района
Бурабайский, Бурабай Нацио- 835,1 14 %
Енбекшил- нальный
дерский парк
Зерендинский Кокшетау То же 1820,76 23 %
Ереймен- Буйратау То же 889,7 5 %
тауский
Коргал- Коргал- Запо- 5432 58 %
жынскии жынский ведник
a) б)
Рис. 2. «Плотность» образования отходов (а) и суммарная «плотность» (б) образования отходов
в результате наложения зон ВПО
а) б)
Рис. 3. Результаты наложения дорожной сети на зоны ВПО (а) и потенциальные участки для строительства БГС (б)
пределена равномерно по территории области. Для 9 крупнейших сельскохозяйственных предприятий области сопоставлялось количество животноводческих отходов, необходимое и реально образующееся количество соломы в радиусе 20 и 40 км. Потребность большинства предприятий в соломе полностью может быть удовлетворена растительными отходами в пределах 20 км от предприятия, кроме крупной птицефабрики (необходимый сбор отходов с площади в пределах 40 км). Таким образом, для Акмолинской области при выборе оптимальных площадок определяющими факторами являются ресурсный потенциал, транспортная доступность и отсутствие экологических ограничений; растительных отходы достаточны и не являются лимитирующим фактором для размещения БГС.
Заключение. С помощью инструментов пространственного анализа осуществлен поиск оптимальных территорий для размещения производств по переработке сельскохозяйственных отходов в Акмолинской области. Критериями выбора пос-
лужили: наличие постоянных источников отходов (птицефабрики и фермы КРС; растениеводческие хозяйства), ограничивающие (территории ООПТ, водных объектов, населенные пункты) и способствующие факторы (ЛЭП, дороги, электрические подстанции) развития биогазового производства. Наиболее значимым ограничивающим фактором стало наличие ООПТ, что привело к исключению из рассмотрения значительных территорий. Был рассчитан валовый энергетический потенциал отходов животноводства и растениеводства наиболее крупных сельскохозяйственных предприятий, учтен период стойлового содержания скота.
Для доступных территорий введено понятие «плотность» образования отходов и определены зоны высокой плотности вокруг крупных животноводческих предприятий. С учетом расстояний максимальной рентабельной транспортировки отходов (40 км) построены полигоны, которые являются наиболее оптимальными для размещения предприятий переработки отходов. Показа-
но, что наличие отходов растениеводства для переработки отходов животноводства не является лимитирующим фактором на территории Акмолинской области. Таким образом, применение геоинформационного подхода позволило определить ресурсный потенциал переработки отходов
сельского хозяйства, а также создать методику выбора площадок для утилизации отходов животноводства путем метанового сбраживания с учетом ограничивающих и способствующих факторов. Апробация методики показала ее возможное практическое применение.
Библиографический список
1. Сайт продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН. Режим доступа: http://www.fao.org. — (Дата обращения: 21.08.2018).
2. Статистический сборник. Сельское, лесное и рыбное хозяйство в РК за 2014 год. Астана. — 248 с.
3. Sliz-Szkliniarz B., Vogt J. A GIS-based approach for evaluating the potential of biogas production from livestock manure and crops at a regional scale: A case study for the Kujawsko-PomorskieVoivodeship // Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012). Р. 752—763.
4. Gormally A. M., Whyatt J. D., Timmis R. J., Pooley C. G. A regional-scale assessment of local renewable energy resources in Cumbria, UK // Energy Policy. 50 (2012). Р. 283—293.
5. Картографирование ресурсов возобновляемых источников энергии (на примере энергии ветра) // Б. А. Новаковс-кий, А. И. Прасолова, С. В. Киселева, Ю. Ю. Рафикова // Геодезия и картография. — 2012. — № 11. — С. 31—39.
6. Атлас солнечных ресурсов РК. Режим доступа: http://atlassolar.kz/ — (Дата обращения: 12.09.2018).
7. Атлас ресурсов возобновляемой энергии на территории России: науч. издание / Т. И. Андреенко, Т. С. Габдерах-манова, О. В. Данилова и др. — РХТУ им. Д. И. Менделеева Москва, 2015. — 160 с.
8. Территориальная схема обращения с отходами производства и потребления, в том числе с твердыми коммунальными отходами Кемеровской области. Режим доступа: http://www.kemobl.ru — (Дата обращения: 12.09.2018).
9. Безруких П. П. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива / показатели по территориям / — М.: «ИАЦ Энергия», 2007. — 272 с.
10. Официальный сайт Росбиогаза. Режим доступа: http://www.rosbiogas.ru — (Дата обращения: 12.09.2018).
11. Сайт министерства национальной экономики РК. Комитет по статистике. Режим доступа: http://stat.gov.kz. — (Дата обращения: 21.08.18).
SPATIAL ANALYSIS METHODS FOR ESTIMATING THE POTENTIAL OF ENERGY PRODUCTION USING BIOGAS STATIONS
S. V. Kiseleva, Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Renewable Energy Sources Laboratory, [email protected];
А. А. Tulegenova, Postgraduate, Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Moscow. Russian Federation References
1. Food and Agriculture Organization. [Electronic resource] Available at: https://fao.org — (date of access: 21.08.2018).
2. Statisticheskii sbornik. Sel'skoe, lesnoe i rybnoe khozyaistvo v Respublike Kazakhstan za 2014 god [Statistical sourcebook. Agriculture, forestry and fisheries in the Republic of Kazakhstan for 2014]. Astana. 248 p. [in Russian]
3. Sliz-Szkliniarz B., Vogt J. A GIS-based approach for evaluating the potential of biogas production from livestock manure and crops at a regional scale: A case study for the Kujawsko-Pomorskie Voivodeship. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. No. 16. P. 752—763.
4. Gormally A. M., Whyatt J. D., Timmis R. J., Pooley C. G. A regional-scale assessment of local renewable energy resources in Cumbria, UK. Energy Policy. 2012. No. 50. P. 283—293.
5. Kartografirovanie resursov vozobnovlyaemyh istochnokov energii (na primere yuga Rossii) [Geoinformation cartography of resources of renewable sources of energy: a case study of the south of Russia]. Novakovskii B. A., Prasolova A. I., Kiseleva S. V., Rafikova Yu. Yu. Geodesy and cartography. 2012. No. 11. P. 31—39. [in Russian]
6. Atlas solnechnyh resursov Respubliki Kazakhstan [The Atlas of the solar resource of the Republic of Kazakhstan]. [Electronic resource]. Available at: http://atlassolar.kz/. (Date of access: 21.08.2018). [in Russian]
7. Atlas resursov vozobnovlyaemoj ehnergii na territoriii Rossii: nauchnoe izdanie [Atlas of Renewable Energy Resources in the Territory of Russia: scientific publication]. T. I. Andreenko, T. S. Gabderakhmanova, O. V. Danilova et al. RCTU D. I. Men-deleyev. Moscow, 2015. 160 p. [in Russian]
8. Territorial'naya skhema obrasheniya s othodami proizvodstva i potrebleniya, v tom chisle s tverdymi kommunal'nymi otkhod-ami Kemerovskoi oblasti [Territorial scheme of the management of production and consumption wastes, including solid municipal waste of the Kemerovo Region]. [Electronic resource]. Available at: http://www.kemobl.ru. (Date of access: 21.08.2018). [in Russian]
9. Bezrukikh P. P. Spravochnik po resursam vozobnovlyaemyh istochnikov energii Rossii I mestnym vidam topliva / pokazateli po territoriyam [Sourcebook on Renewable Energy Resources of Russia and Local Fuels / Indices by Territories]. Moscow, PAC Energy. 2007. 272 p. [in Russian]
10. Rosbiogas. [Electronic resource]. Available at: www.rosbiogas.ru (Date of access: 21.08.2018).
11. The Web site of the Ministry of National Economy of the Republic of Kazakhstan. [Electronic resource]. Available from: http://stat.gov.kz. (Date of the access: 21.08.2018).
