CC BY
49
Productivitatea energetica a terenurilor la suprafata
A.Gutu, E.Radjbhandari
Universitatea Tehnica a Moldovei
Rezumat. Este prezentata o incercare de apreciere a gradului de eficienta a utilizarii suprafetei solului prin diferite metode de valorificare a radiatiei solare incidente. Sunt analizate metode tehnice (colectoare solare, baterii fotovoltaice, Centrale Termoelectrice Solare), plantatii de culturi energetce §i agrotehnice (arbu§ti, grau, porumb, floarea-soarelui, rapita, sorg zaharat) §i culturi de microalge. Sunt relatate avantajele §i dezavantajele fiecarui din aceste trei grupuri. Din punct de vedere al eficientei utilizarii suprafetei de productie metodele tehnice sunt superioare, de ele se apropie metodele de utilizare a culturilor de microalge.
Cuvinte-cheie: radiatie solara, productie energetica, colectoare solare, instalatii electrogeneratoare, biocombustibili, microalge.
Энергетическая производительность поверхности почвы А.Гуцу, Э.Раджбхандари
Технический университет Молдовы
Аннотация. Представлена попытка оценки степени эффективности использования поверхности земли для освоения солнечной радиации различными методами. Проведен анализ технических методов (солнечные коллекторы, фотоэлектрические батареи, солнечные тепловые электростанции), плантаций энергетических и агротехнических культур (кустарники, пшеница, кукуруза, подсолнух, рапс, сорго) и культуры микроводорослей. Приведены преимущества и недостатки каждой из этих групп методов. С точки зрения эффективности использования производственной площади технические методы предпочтительны, к ним близок метод использования микроводорослей.
Ключевые слова: солнечная радиация, солнечные коллекторы, биотопливо, микроводоросли.
Power productivity of the ground surface A. Gutu, E. Radgbhandari
Technical University of Republic of Moldova
Abstract. There is presented an attempt to estimate the efficiency degree when working with soil surface through the different methods of valorization incident solar radiation. Such technical methods are being analyzed as (solar collectors, photovoltaic cells, solar thermal power plants), power cultures field (bushes, wheat, sunflower, maize, rape, sorghum) as well as microalgae crops. Here is the description of advantages and disadvantages for each group in part out of these three. The technical methods are up to date from the efficiency utilization view-point of industrial area. Microalgae crops are similar to technical methods from this point of view.
Key words: solar radiation, power production, solar collectors, electricity generating installations, biofuels, microalgae.
Incalzirea globala cauzata de emisiile de gaze cu efect de sera emise la arderea combustibililor fosili §i situatia economica legata de cre§terea vertiginoasa a preturilor la combustibili, rezervele carora sunt pe cale de a se iepuiza catre sfar§itul secolului trecut au impus tarile industrial dezvoltate sa-§i directioneze economiile nationale spre producerea biocombustibililor. Dublarea in anii 2007-2008 a preturilor la culturile alimentare [1, 2, 3] a atras atentia asupra altei probleme acute cu care se confrunta populatia globului - criza alimentara. Una din cauzele de baza a cre§terii pretului la alimente a fost numita de multe surse producerea biocarburantilor: bioetanolul §i biodieselul [2, 3, 4 §.a.]. In acela§i timp, Brazilia -cel mai mare exportator de bioetanol in lume, sustine ca la un management bun al solurilor §i culturilor folosite influenta excesiva a producerii de biocarburanti asupra preturilor la alimente se poate reduce la o valoare neinsemnata[5]. Necesitatea alegerii culturilor este relatata §i de alti participanti la debatele pe aceasta tema [3, 6 §.a.]. Deci se pune problema utilizarii eficiente a suprafetelor solului. Savantul ucrainean prof. L. Bozhkov propune pentru acest caz un indice denumit ponderea de putere energetica sau productivitate energetica, avand ca unitate de baza W/m2 [7].
Debátele indícate mai sus se duc numai referitor la biocarburantii folositi în transport, care în bilantul mondial de energie constituie mai putin de o treime. În plus, în transport tot mai pe larg se foloseçte energia electricâ, biogazul, pe viitor se preconizeazâ hidrogenul. De aceea, noi considerâm necesarâ includerea în analiza eficientei utilizârii suprafetelor a biomasei în integral §i, luând în consideratie câ energia biomasei are la bazâ radiatia solarâ incidentâ pe suprafata solului, de asemenea, includerea formelor tehnice de valorificare a energiei solare. Considerâm câ indicile propus de L. Bozhkov poate fi aplicat, împreunâ cu alte caracteristici, la toate aceste metode de utilizare a suprafetelor terenurilor pe care se valorificâ radiatia solarâ.
Au fost analizate urmâtoarele metode:
- încâlzirea apei în colectoare solare,
- generarea energiei electrice în baterii de elemente fotovoltaice,
- generarea energiei electrice la centrale termoelectrice solare,
- producerea combustibililor solizi în plantatii energetice de arbuçti,
- producerea combustibililor lichizi §i solizi prin cultivarea rapitei,
- producerea combustibililor lichizi §i solizi prin cultivarea sorgului zaharat,
- producerea biocombustibililor prin cultivarea microalgelor.
Tabelul 1. Analiza comparativâ a metodelor de utilizare a energiei solare
Metoda Productivita te anualâ, GJ/ha Intensitate energeticâ, W/m2 Randament, % Intensitate exergetica, W/m2
Colectoare solare 22000 70 47 6,3
Instalatii fotovoltaice 7300 23 15 23
CTE solare 9300 30 20 30
Plantatii energetice 140 0,44 0,32 0,50
Grâu bioetanol 35 0,11 0,075 0,115
solid 25 0,08 0,05 0,084
total 60 0,190 0,129 0,198
Porumb biodiesel 6 0,019 0,013 0,020
solid 31 0,098 0,07 0,102
total 37 0,117 0,079 0,122
Floarea- soarelui biodiesel 35 0,106 0,07 0,111
solid 18 0,058 0,04 0,061
total 53 0,164 0,110 0,171
Rapitâ biodiesel 42 0,13 0,09 0,14
solid 80 0,25 0,1 7 0,26
total 112 0,38 0,26 0,40
Sorg zaharat bioetanol 66 0,21 0,14 0,23
solid 320 1,02 0,68 1,07
total 386 1,23 0,82 1,30
Micro- alge obtinut 605 1,92 1,3 2,0
teoretic 1600...5000 5.16 ,0 0, ,5 C*"T 5, <N, 5,
S-au determinat: productia anualâ de energie la un hectar, intensitatea energeticâ medie anualâ în W/m2 (indicele Bozhkov), randamentul utilizârii energiei solare incidente. Deoarece avem de a face cu productie de calitate foarte diferitâ: câldurâ, energie electricâ §i combustibil, s-a determinat §i intensitatea exergeticâ.
Energia solarâ incidentâ pe o suprafatâ orizontalâ timp de un an în conditiile zonei de centru a Republicii Moldova s-a considerat, conform [8], 4676 MJ/m2, sau 46,76 TJ/ha.
Productivitatea câmpurilor de colectoare solare pentru apâ caldâ s-a determinat pentru energia incidentâ pe o suprafatâ amplasatâ sub un unghi optim - 4871 MJ/m2 [8] §i randamentul captatoarelor 0,45. Productivitatea baterielor fotovoltaice s-a calculat pentru aceeaçi cantitate de energie la randamentul de 0,15. Energia produsâ de CTE solare s-a calculat la acelaçi randament de 0,15, dar la radiatia incidentâ pe heliostate - 6230 MJ/m2 pe an.
Productivitatea plantatiilor energetice de arbuçti s-a considerat de 10 t/ha [9; 10] de biomasâ cu câldura de ardere la masa fixâ de 15 MJ/kg.
Productivitatea de masâ solidâ pentru culturile agricole, conform [11], s-a considerat: grâu - 1,8 t/ha, porumb - 2,2 t/ha, floarea-soarelui - 1,3 t/ha, iar productia de biocarburanti, conform [12], respectiv, - 980 l/ha, 168 l/ha §i 953 l/ha.
Pentru plantatiile de sorg zaharat, conform [13], s-au considerat: productia de bioetanol - 3500 l/ha, productia de masâ solidâ - 20 t/ha, pentru plantatiile de rapitâ, conform [13] §i [14] - productia de biodiesel - 0,9 t/ha, productia de masâ solidâ - 5 t/ha.
Datele pentru microalge au fost luate de pe site-ul Permaculture Activist [12].
Exergia apei calde s-a determinat, considerând temperatura ei 65 0C iar temperatura mediului înconjurâtor - 9 0C. Pentru electricitate exergia §i energia sunt numeric egale. Având în vedere continutul foarte mic sau lipsa practicâ a sulfului, cenuçii §i umiditâtii în biocombustibili, s-a luat în calcul numai raportul hidrogen/carbon (pentru combustibilii solizi calculele s-au efectuat la masa fixâ).
Rezultatele sunt prezentate în tabelul de mai sus.
Dupâ cum se vede din tabel, eficienta metodelor tehnice este cu mult superioarâ celor fitotehnice: productivitatea anualâ a primelor este de ordinea miilor §i chiar zecilor de mii de GJ la un hectar, pe când cea a ultimilor - de ordinea sutelor de GJ/ha. Eficienta energeticâ cea mai mare o are încâlzirea apei în colectoare solare, însâ eficienta exergeticâ cea mai mare este la instalatiile electogeneratoare. Un alt avantaj al acestor metode constâ în faptul câ ele nu prezintâ careva cerinte fatâ de sol §i nu afecteazâ fertilitatea lui. Dezavantajele lor sunt: investitiile initiale mari §i imposibilitatea de stocare pe o perioadâ îndelungatâ a energiei obtinute.
Dintre plantele agricole eficientâ mai mare o are sorgul zaharat, atât în privinta carburantului cât §i a combustibilului solid, productia câruia este superioarâ inclusiv §i celeia a plantatiilor de arbuçti. El este urmat de rapitâ. Trebuie însâ sâ mentionâm câ destinatia bioetanolului §i a biodieselului sunt diferite, de aceea abordarea problemei va fi separatâ. Culturile alimentare traditionale grâul, porumbul §i floarea-soarelui se evidentiazâ cu o productivitate energeticâ net mai micâ. Prin urmare, cultivarea lor în scopuri pur energetice nu poate fi consideratâ ca rationalâ. Dacâ randamentul utilizârii radiatiei solare incidente în cazul plantelor energetice este de douâ ordine mai mic decât a metodelor tehnice, referitor la microalge, rezultatele obtinute sunt cu mult mai superioare celorlalti biocombustibili, iar cele teoretice se apropie de eficienta metodelor tehnice. De mentionat, câ, spre deosebire de celelate culturi energetice, din microalge se obtin numai combustibili de calitate superioarâ: carburanti §i biogaz. Un alt avantaj fatâ de acestea este raportul cu solul: ca §i metodele tehnice, cultivarea microalgelor nu prezintâ careva cerinte fatâ de acesta §i nu afecteazâ fertilitatea lui. Avantajele microalgelor fatâ de metodele tehnice constau în posibilitatea stocârii energiei prin pâstrarea îndelungatâ a combustibilului §i utilizarea lui în cantitatea necesarâ la vremea necesarâ. Deoarece cercetârile în acest domeniu sunt la faza initialâ §i instalatie industrialâ nu existâ, este complicat de apreciat partea financiarâ a metodei, dar investitiile probabil vor fi de ordinea celor din metodele tehnice, iar cheltuielile de întretinere §i exploatare - nu mai mici decât ale metodelor agricole.
Trebuie sâ mentionâm câ productivitatea energeticâ a suprafetei este una din ansamblul de caracteristici ale metodelor de valorificare a radiatiei solare. La selectarea metodei potrivite în fiecare caz va fi necesar de asemenea de luat în consideratie felul çi destinatia energiei sau combustibilului, terenul çi solul disponibil, volumul investitiilor necesare, cheltuielile de întretinere çi exploatare ç.a.
Concluzii
1. Una din conditiile compromisului în solutionarea problemelor globale ale energiei çi hranei este utilizarea eficientâ a suprafetelor solului.
2. Productivitatea energeticâ a suprafetei solului la valorificarea radiatiei solare prin metode tehnice este de ordinea miilor çi chiar zecilor de mii de GJ/ha, pe când prin metode agricole se poate obtine o productie de ordinea sutelor de GJ/ha.
3. Culturile alimentare traditionale grâul, porumbul çi floarea-soarelui au productivitatea energeticâ cu mult inferioarâ celei a rapitei çi sorgului zaharat.
4. Rezultatele obtinute la cultivarea microalgelor sunt cu mult superioare celorlalti biocombustibili, iar cele teoretice se apropie de eficienta metodelor tehnice.
Bibliografie
1. Food prices. The end of cheap food. Dec 6th 2007. From The Economist print edition. http://www.economist.com/research/
2. Donald Mitchell. A Note on Rising Food Prices. The World Bank Development Prospects Group. WPS4682, 2008/07/01. http://www-wds.worldbank.org/external
3. Food vs fuel. http://en.wikipedia.org/wiki/Food_vs_fuel.
4. Грант Феррет. Эксперт ООН: биотопливо вместо еды - это преступление. Би-би-си, Нью-Йорк. http://news.bbc.co.uk/hi/russian/sci/tech
5. Brazil says biofuel production not to blame for food crisis. Rainforest Portal. June 2, 2008 http://www.rainforestportal.org/
6. Fuel vs. Food: Debate Flares. By Seth Borenstein, Associated Press 29 April 2008, http://www.livescience.com/environment/080429-ap-biofuels-food.html.
7. Humboldt Kolleg. Integrating science and technology for a sustainable and secure future:energy, environment, informatics and human health. SSF-2008, Minsk.
8. C.Gutu Caracteristicile radiatiei solare pe teritoriul Republicii Moldova. "PRÓBLEMELE ENERGETICII REGIONALE " Revista electronica № 1 (2007), IE ASM, p.655-659.
9. Энергетический лес. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%
10. Д.Стребков. Энергетическое использование биомассы. http://www.nestor.minsk.by/sn/2006/26/sn62607.html
11. V.Arion, C.Bordeianu ç.a. Biomasa çi utilizarea ei în scopuri energetice. Ch. Ed.”Garomond-Studio” SRL, 2008, -268 p.
12. http://www.permacultureactivist.net/Holmgren/holmgren.htm
13. I.Hâbâçescu. Biomasa - sursâ energeticâ de perspectiva pentru Moldova.
INTERNATIONAL CONFERENCE ENERGY OF MOLDOVA - 2005 September 2124, 2005 - Chisinau, Rep.Moldova. p.727-729.
14. T.Bounegru, N.Barbâ, V.Botan. Cu privire la producereabiocombustibilului din ulei de rapitâ în Republica Moldova. Lucrârile Conferintei Çtiintifice “Sporirea eficientei de utilizare a Energiei çi apei în agricultura Moldovei. Chiçinâu, 2001, p.38-47.
