Застосування альтернативних джерел енергії в сільському господарстві

Реферат на тему : Застосування альтернативних джерел енергії в сільському господарстві

ЗМІСТ

1. Передумови застосування альтернативних джерел енергії в агропромисловому виробництві

2. Виробництво та використання біопалив

Використана література

1. Передумови застосування альтернативних джерел енергії в агропромисловому виробництві

Домінуючою світовою тенденцією в галузі енергетики є підвищення вартості природних нафтопродуктів, вугілля та газу. Тому в країнах Європи, Америки й Азії набувають поширення технології використання джерел енергії, що поновлюються (ПДЕ).

Відповідно до різних джерел інформації частка ПДЕ в загальному енергобалансі у світі складає приблизно 2…2,7%. У Європі частка ПДЕ — 6% і варіює від 1% у Великобританії до 25% у Швеції. У Європейському союзі кількість ПДЕ передбачається збільшити до 12% у 2010 р.

За питомих капіталовкладень вітрові установки й установки переробки біомаси порівнянні з вугільними. Аналізуючи вартість електроенергії, можна сказати, що всі альтернативні джерела енергії вже дають у мережу більш дешеву електроенергію, чим традиційні. Лише низька теплотворна здатність біомаси не дозволяє її конкурувати по цьому параметрі, однак установки для переробки рослинних відходів значно дешевші й екологічно чистіші.

Останнім часом відновлюється інтерес до міні-гідроелектростанцій. Принцип одержання гідроенергії відомий давно. Водяне колесо за допомогою підвищувального редуктора з коефіцієнтом 100 (що є достатнім) приводить в обертальний рух електрогенератор. Сучасні металеві турбіни, що випускаються наприклад у Німеччині, стають усе більш конкурентноздатними, особливо при малих потужностях. Вони надійні в роботі і не вимагають складного догляду. Міні-гідроелектростанції використовують в основному в сільській місцевості.

Вітряні млини як джерело, механічної енергії ефективні в сільських регіонах, однак застосування їх обмежується низькою надійністю і великими капіталовкладеннями. Мінімальна швидкість вітру, при якій вони починають робити корисну енергію, складає приблизно 2…4 м/с. Розвиток розробок вітряних машин може привести до збільшення частки енергії, що надходить в сільські регіони.

Альтернативні види палива можна підрозділити на три типи:

- біологічні (метанол, етанол, пропан чи природний газ);

- сонячна енергія;

- водневий газ.

Сонячна енергія за допомогою фотоелектричних установок перетворюється в електричну. Лідируючі позиції сонячних електростанцій пояснюються значним збільшенням коефіцієнта корисної дії сонячних батарей, що дозволяє сприймати біля третини енергії випромінювання, яке припадає на них.

Незважаючи на перспективність застосування сонячної енергії на мобільних енергозасобах, зокрема на роботах, ефективність електричної енергії, виробленої фотоелементами, дуже низька. Крім того, вартість сонячних батарей у даний час ще дуже висока.

Найбільш доступний ПДЕ — водневий газ (Н₂), що може бути використаний у двигунах внутрішнього згорання і в паливних камерах електричних мобільних энергозасобів.

Принцип одержання електроенергії в паливних камерах був відкритий у 1928 р. Паливні камери являють собою електрохімічні пристрої, що змішують водень і кисень та утворюють рідкий електроліт (розчин іонів, що проводять електричний струм і електричний заряд через мембрану). У ході реакції утворюється постійний електричний струм.

Паливні камери, що працюють на водні, не схожі на обертові генератори і не мають частин, що рухаються. Вони приблизно вдвічі ефективніше, ніж звичайні двигуни, у перетворенні палива в механічну чи електричну енергію, вимагають мінімального догляду, практично безшумні і випромінюють тільки водяну пару. Водень може бути легко отриманий з води шляхом її електролізу з використанням електрики сонячних елементів. Однак ця процедура дуже дорога через необхідність застосування двох різних типів напівпровідникових матеріалів.

Відкриття недорогих і ефективних способів здійснення реакції електролізу води може ознаменувати нову епоху постачання людства енергією. Тим часом водневий газ може бути отриманий шляхом газифікації натуральних газів, чи біомаси вугілля.

Біогаз останнім часом у ряді країн знаходить широке застосування (наприклад, у мобільних сушарках). Він являє собою суміш 50…70% метану (СН₄) і 30…50% діоксиду вуглецю (CO₂) та домішки сульфатних газів.

Біогаз одержують у процесі реакції анаеробних бактерій і органічної речовини в реакторах при оптимальній температурі 37°С і в середовищі нейтральної кислотності. Тривалість процесу перетворення органічної речовини (рослинних залишків, листя, відходів тварин) у біогаз 15 днів.

У світі накопичений корисний досвід виробництва рідкого палива етанолу (етилалкоголь, С₂Н₅ОН) з рослинної сировини. Зокрема, у Бразилії на транспорті широко використовується етанол із цукрової тростини, що вирощують там же у великих обсягах. Виготовлення бурякового біоетанолу на основі існуючих технологій не є рентабельне. Розробка і впровадження нових технологічних процесів можуть зробити це цілком можливим.

Наприклад, новий бактеріологічний метод, використовуваний при виробництві біоетанолу в американському штаті Луізіана замість традиційного ферментаційного, дозволяє подвоїти одержання етанолу з тієї ж біомаси.

Новий напрямок біоенергетики — виробництво біодизельного палива (біодизеля) з рослинної олії.

У структурі олійних культур, використовуваних для одержання біодизельного палива, основне місце належить насінням ріпаку (ріпак — 84%, соняшник — 13%, інші – 3%).

Біодизельне паливо на основі ріпакової олії використовується в Італії, Німеччині, Франції, Бельгії, Нідерландах, Чехії. Під ріпак відводять усі нові площі орних земель. Наприклад, у Чехії в 1997 р. під ріпаком було зайнято — 4,8% орних земель, а в 1999 р. — 14%.

Біодизельне паливо має значні екологічні переваги: зменшуються токсичні викиди вуглеводнів, сажі, оксиду вуглецю і діоксида сірки в атмосферу. Прискорення розвитку його виробництва залежить від собівартості вирощування ріпаку і від коливань світових цін на нафту.

2. Виробництво та використання біопалив

Технології використання біопалива і добрив рослинного походження набули особливого значення в Україні в зв’язку з ростом вартості енергоносіїв та зменшенням поголів’я худоби.

На підставі аналізу динаміки цін на енергетичні, промислові та сільськогосподарські види продукції в Україні відзначається перспективність розробки проблеми нехарчового використання останньої. Диспаритет цін, що існує сьогодні в Україні, обумовлює доцільність розширення використання добрив і освоєння виробництва біопалив з біомаси (рис. 1).

Рис. 1. Динаміка цін на різні види продукції в Україні в 1991 — 2000 роках

Розвиток цих двох напрямків робить сільськогосподарську продукцію аналогом енергетичної чи промислової (рис.2).

Рис.2. Структурна схема диференціації сільськогосподарської продукції для нехарчових потреб (Дубровін В.О.)

Біомаса — це маса матерії, що міститься у живих організмах або рослинах в момент вимірювання й оцінюється в одиницях маси (натуральна маса організмів), сухої маси (маса, що не містить води), в перерахунку на органічне вугілля або в одиницях енергії.

Отже, під біомасою розуміють те, з чого складаються рослини і тварини. Основа біомаси — органічні сполуки вуглецю, які в процесі з’єднання з киснем при спалюванні або в результаті природного метаболізму виділяють тепло. За допомогою хімічних або біохімічних процесів біомаса може бути трансформована в такі види палива, як газоподібний метан, рідкий метанол, тверде деревне вугілля.

Початкова енергія системи «біомаса—кисень» виникає в процесі фотосинтезу під дією сонячного випромінювання, який є природним варіантом перетворення сонячної енергії.

При спалюванні біопалива його енергія розсіюється, але продукти спалювання можуть знову перетворюватися в біопаливо шляхом природних екологічних або сільськогосподарських процесів.

Таким чином, використання промислового біопалива, добре пов’язаного з природними екологічними циклами, може не давати забруднень і забезпечувати безперервний процес отримання енергії.

За даними Дубровіна В.О. до 2010 року частка поновлюваних джерел у виробництві електричної енергії в Європейському Союзі (ЄС) зросте з 14,3 до 23,5%.

Більш ніж у два рази зросте виробництво теплової енергії, а використання поновлюваних рідких палив зросте у 60 разів. За прогнозами ЄС найбільше значення серед поновлюваних джерел енергії має біомаса. Максимально зросте її частка у виробництві рідких біопалив (40…60 разів), електричної (10 разів) та теплової енергії (2 рази).

Ці прогнози також характеризують світову тенденцію розвитку використання ПДЕ (рис..).

Поновлювані джерела енергії можуть складати значну частку в енергетичному балансі окремих районів та областей України.

За даними Корчемного М.О. щорічно в Україні споживається близько 200 мільйонів тонн умовного палива, при цьому видобуток з природних джерел країни становить лише 80 млн. т.

Важливим потенційним ресурсом при такому балансі власної та імпортної енергосировини стає енергетична біосировина. Можливості сільськогосподарського виробництва і використання біомаси в основному визначаються рослинництвом, основу якого в Україні складає вирощування зернових.

Енергетична біосировина умовно поділяється на первинну (солома, стебла, торф, відходи деревини) та вторинну (гній, гноївка). В Україні вільні ресурси первинної та вторинної енергетичної біосировини складають 9,33 мільйона тонн умовного палива.

Рис. 3. Прогноз структури світового виробництва енергії на період до 2020 року

Біомасу як первинну енергетичну сировину використовують у незмінній формі для прямого спалювання або ж попередньо піддають хімічній та біохімічної переробці. Останнє стосується насіння олійних рослин, що переробляється на етерифіковані олії; картоплі та зерна, які є сировиною для виробництва етилового спирту як добавки у бензини тощо.

Основними видами твердого біопалива є:

- солома зернових, що попередньо пресується в рулони або великогабаритні тюки, залишки стеблової маси кукурудзи та соняшнику;

- відходи лісового виробництва та деревообробної промисловості, обрізки гілок і крон дерев, що швидко ростуть і вирощуються в так званих енергетичних лісах (верба, тополя);

- продукція енергетичних сільськогосподарських культур із відносно високим вмістом цукру та крохмалю (зернові, зерно кукурудзи, картопля, буряки, та ін.), що використовуються для виробництва етанолу;

- продукція олійних культур, з яких виробляють рослинну олію (ріпак, соняшник, олійний льон).

Солома, залишки стеблової маси кукурудзи та соняшнику є основним джерелом біомаси. Якщо прийняти, що для енергетичної мети можна використовувати біля 20% загальної кількості соломи, то на цій основі може бути заміщено певну частку загального споживання первинних енергоносіїв в Україні.

Структура використання соломи та відходів лісового виробництва, наприклад в Данії, така: фермерські котли споживають — 57,6%, теплові станції — 33,6% і решту електростанції.

Основними технологіями термічної переробки твердого палива є пряме спалювання і газифікація, яка полягає в хімічному розпаді органічних компонентів біомаси в умовах обмеженого доступу кисню з повітря. Отриманий газ використовується як моторне паливо для приводу електричних генераторів.

Вторинна енергетична сировина включає в себе головним чином біомасу рослинного або тваринного походження, яка утворилася в результаті «попередньої переробки» рослинних продуктів у процесі життєдіяльності тварин (гноївка, гній). Ця сировина використовується для виробництва біогазу методом безкисневої ферментації (сухого бродіння). При цьому 60% органічних речовин біомаси перетворюється на біогаз, залишок використовується як органічне добриво.

За прогнозами спеціалістів, в найближчому майбутньому передбачається до 12% світової потреби в дизельному паливі задовольняти за рахунок рідкого біопалива (біодизелю і біоетанолу).

Рослинні олії можуть використовуватись як рідке біопаливо для дизельних двигунів у непереробленій або переробленій (до ефірів) формі. Основними виробниками біодизелю в Європі є:

Німеччина— 450 тис. т.;

Франція— 364 тис. т.;

Італія— 210 тис. т. (2002 рік).

У 2006 році планується збільшення цієї продукції понад 6 млн. тонн.

Ефіри ріпакової олії служать для виготовлення паливних сумішей з мінеральним дизельним паливом як після метилової (RME), так і після етилової (КУА) переробки.

На підставі проведених порівняльних досліджень науковцями встановлено, що біопаливо марки RME є найбільш придатним паливом для дизельних двигунів. При його використанні вагомо знижуються димність, емісія твердих часток, вуглеводів, альдегідів і сірки. Вплив на навколишнє середовище спеціальних біодизельних сумішей є більш ощадним, ніж чистих дизельних палив.

У 2006 році в Україні ріпак вирощується на 800 тис. га. При сучасному рівні вирощування насіння ріпаку, яке зараз вивозиться за кордон, в Україні можливим є створення господарських та малих заводів — виробників біодизелю на районному рівні. З розвитком сировинної бази доцільним буде розширення виробництва на обласному рівні.

Повний технологічний процес переробки насіння ріпаку у біодизельне паливо включає три етапи:

- приймання сировини — насіння ріпаку, його зберігання та подача до ділянки пресування;

- пресування насіння на лінії вижимки, фільтрування олії, її зберігання та подача до ділянки етерифікації;

- виробництво біодизельного палива з олії на лінії етерифікації, його зберігання і відправка.

Вижимки (шроти) є цінним кормом для всіх видів тварин. Реакція етерифікації виконується під впливом каталізатора при додаванні метанола. Олія етерифікується метанолом у метилові ефіри зі звільненням гліцерину, який являє собою цінний продукт, придатний для харчових, фармацевтичних, косметичних та інших потреб. Ріпакове біодизельне паливо перемішується з традиційним дизельним паливом із додаванням певних присадок для стабілізації його якості.

Завод із виробництва біодизельного палива потужністю до 1000 т/рік реалізують в Україні фахівці Національного аграрного університету, Національного наукового центру „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” та “Борзна-Агроінвест” Чернігівської області. Із проведених розрахунків випливає, що при витратах на вирощування і збирання ріпаку на рівні 525 грн./т собівартість біодизельного палива складе 1,75 грн./л, що практично дорівнює ринкової вартості дизельного палива в Україні.

Одним із шляхів доповнення і часткової заміни традиційних видів палива є використання біогазу. Важливим аргументом на користь даного джерела енергії є необхідність вирішення на сучасному рівні екологічних проблем, що виникають при утилізації відходів у сільському господарстві. Виробництво біогазу з різних видів сільськогосподарських відходів, головним чином гною, є традиційною технологією в ряді країн, що розвиваються.

В останні роки біогазові установки отримали розповсюдження і в промислово розвинутих країнах, особливо в Західної Європі, де використовуються невеликі установки з ємкістю реакторів від 100 до 300 м³, утилізуючих в основному відходи тваринництва. Зараз загальна кількість промислових біогазових установок близько 750 одиниць.

Досвід впровадження біогазових технологій в сільськогосподарську практику показує, що в ієрархії складових ефективності цього методу перше місце займає його екологічний ефект, потім реалізується ефект від отримання високоякісних добрив і тільки третє місце займає енергетична складова. Перероблені в біогазової установці органічні відходи практично не мають неприємного запаху і водночас є цінними за вмістом в них поживних речовин добривами. В Україні вже створено дослідні та промислові зразки обладнання для реалізації основних елементів систем екологічно енергійного тваринництва та рослинництва.

Використана література

1. Медведовський О.К., Іваненко П.І. Енергетичний аналіз інтенсивних технологій в сільськогосподарському виробництві.- К.: Урожай, 1988.— 208 с.

2. Л.В. Погорелый, В.Г. Бильский, Н.П. Кононенко Научные основы повышения производительности сельскохозяйственной техники. — К.: Урожай, 1989. — 240с.

3. Саакян Д.Н. Система показателей комплексной оценки мобильных агрегатов. — М., «Машиностроение», 1969. — 256с.

4. В.В. Гришко, В.І. Перебийніс та В.М. Рабштина /Енергозбереження в сільському господарстві (економіка, організація, управління). – Полтава: «Полтава», 1996. – 280 с.

5. В.В. Гришко / Проблеми управління ресурсовикористанням у галузях агропромислового комплексу /енергетичні аспекти/. – К. Інститут економіки Міністерства економіки України, 1997. – 188 с.

6. Медведовський О.К., Іваненко П.І. Енергетичний аналіз інтенсивних технологій в сільськогосподарському виробництві.- К.: Урожай, 1988.— 208 с.

7. Корчемний М. та інши. Енергозбереження в агропромисловому комплексі. – Тернопіль: 2001 – 657 с.