В 2010 – 2012 гг. в Крыму были построены четыре солнечные фотоэлектрические станции (ФЭС) общей мощностью 227,5 МВт. Общая выработка электроэнергии на них в 2012 году составила 303 млн кВт•ч [3]. Из чего следует, что у крымских ФЭС К_ИУМ = 0,15.
А по данным открытых интернет-источников, для ряда территорий, расположенных вдоль южной границы России, К_ИУМ, может быть следующим (таблица 2).
Таблица 2 – Коэффициент использования установленной мощности электростанций, использующих возобновляемые источники энергии в России (экспертные оценки)

Как видно из таблиц 1 и 2 при работе от ВИЭ крайне нерационально используются мощности, в то время как на теплоэлектрических станциях (ТЭС) К_ИУМ достигает больших значений. Более высокий К_ИУМ у ВЭС, чем у ФЭС объясняется отчасти тем, что ветроколесо всегда ориентировано по направлению ветра, в отличие от фотоэлектрических панелей, когда утром и вечером солнечное излучение «скользит» по их рабочим поверхностям.
Несравненно более высокий К_ИУМ достигается на угольных и газовых электростанциях, в силу реализованных в них внешних и внутренних энергетических связей, представленных на рисунке 1.

 – поступление угля; Ф_т.вп, Ф_т.нп– тепловой поток высокого и низкого потенциала;  – сброс низкопотенциальной теплоты в окружающую среду;  – отпуск электроэнергии потребителю
Рисунок 1 – Принципиальная схема основных внешних и внутренних энергетических связей электростанции, работающей на угле.
Угольная ТЭС, используя привозное ископаемое топливо, неся расходы по снижению вредных выбросов, производит не дорогую электроэнергию. Это достигается за счет того, что при низкой стоимости 1 кВт установленной мощности ЭС, использование запасов угля со склада позволят подобрать оборудование для каждого технологического передела, работающего с номинальной нагрузкой. Особенно в периоды наибольшего потребления вырабатываемой электрической энергии. Хотя среднее значение К_ИУМ для электростанций России составляет 50 %. Для атомных электростанций — 75 – 78 %. 
Стоимость 1 кВт установленной мощности в свою очередь зависит от КПД основных технологических переделов. А, как известно высокий КПД на ТЭС, достигается за счет расширенного (по температуре) термического паросилового (термодинамического) цикла, хотя летом он несколько ниже чем зимой, из-за отсутствия больших объемов холода для снижения нижней границы паросилового цикла.
Но это не в равной степени относится ко всем ЕС, работающим, на органическом топливе. Так многие поселки Севера Европейской части России, Сибири и Дальнего Востока снабжаются электроэнергией от дизельных электростанций (ДЭС) мощностью до 1,5 МВт. Число часов использования таких ДЭС составляет около 1000 часов в год (К_ИУМ = 0,11), с продолжительностью их работы 5 – 8 часов в сутки (в утренние и вечерние часы). Поэтому вырабатываемая ими электроэнергии одна из самых дорогих.
В первом приближении схему 1 можно распространить и на ЭС, работающие на биомассе и биогазе. Этим объясняется их более высокий К_ИУМ (таблица 2).
А теперь рассмотрим на рисунке 2 внешние и внутренние энергетические связи ГЭС.

 – поступление воды в водохранилище ГЭС;  – испарение воды из водохранилища;  – поток воды к гидротурбине;  – сброс низкопотенциальной воды в русло реки;  – поток воды в нижнем бьефе;  – отпуск электроэнергии потребителю
Рисунок 2 – Принципиальная схема основных внешних и внутренних энергетических связей гидроэлектростанции.
Из рисунка 2 должно следовать, что поскольку высоконапорный поток воды поступает на турбину без затрат энергии — естественным путем, то стоимость электроэнергии ГЭС, при близких значения 1 кВт установленной мощности к ТЭС, должна быть намного меньше, чем от угольной электростанции. Однако это не всегда так.
Весной через створы существующих ГЭС проходит в среднем 60 % годового стока воды. При этом от 10 до 25 % годового стока воды ГЭС сбрасывается вхолостую из-за отсутствия регулирующей емкости водохранилища. Это, в первую очередь касается низконапорных плотин и турбин на реках Среднерусской равнины, в результате чего в течение года все гидротурбины на ГЭС работают при номинально мощности только весной. А в остальное время года часть их работает на неполную мощность или простаивает. Поэтому ГЭС не могут обеспечивать электроснабжение потребителя по потребности (номинальную выработку летом, осенью и особенно зимой).
При площади водохранилища Новосибирской ГЭС 1072 км², годовая выработка электроэнергии составляет 1,678 млрд кВт•ч. Или с 1 м² всего 1,56 кВт•ч в год, при среднегодовом К_ИУМ около 40 %. А Саяно-Шушенская ГЭС при площади водохранилища 621 км² вырабатывала в год около 23,5 млрд кВт•ч электроэнергии. Или с 1 м² 38 кВт•ч в год, при среднегодовом К_ИУМ около 42 %. Конечно в немалой степени такие низкие К_ИУМ связаны с потерей огромных объемов воды от её испарения.
На стоимость вырабатываемой электроэнергии ГЭС также влияет не высокая энергетическая плотность потока рабочего тела — воды.
Приведенные выше примеры генерации электроэнергии, показывают, что в период окупаемости проектов, на её стоимость в первую очередь влияет К_ИУМ, который зависит главным образом от запаса первичной энергии (угля, воды), от их энергетических потенциалов, возможности её (первичной энергии) равномерного по времени поступления для преобразования в электроэнергию.
В решении задач обеспечения малых потребителей бесперебойным электроснабжением часто используются схемные решения, с аккумулированием выработанной ВЭС, ФЭС или бензиновым электрогенератором электроэнергии.
На рисунке 3 представлены внешние и внутренние энергетические связи ВЭС.

 – поступление потока воздуха на турбину;  – передача крутящего момента на электрогенератор;  – поток электроэнергии для зарядки аккумулятора;  – отпуск электроэнергии потребителю
Рисунок 3 – Принципиальная схема основных внешних и внутренних энергетических связей ветроэлектрической станции.
Примерно также будут выглядеть, с учетом присущих им различий технологических переделов, схема основных внешних и внутренних энергетических связей ФЭС и схема с бензиновым электрогенератором и аккумуляторами.
Из рисунка 3 видно, что отпуск потребителю электроэнергии может осуществляться бесперебойно и при отсутствии ветра до полной разрядки аккумуляторов.
Но, такие решения однозначно приводят к резкому повышению стоимости 1 кВт•ч электроэнергии. Так для бесперебойного электроснабжения потребителя 1 кВт электроэнергии в течение 100 часов (4 суток), когда на дворе слабый ветер или нет Солнца требуется 100 кВт•ч электроэнергии, которая может быть получена от 138 аккумуляторов (обычный автомобильный аккумулятор ёмкостью 60 Ач напряжением 12 В после полной зарядки способен отдать 0,72 кВт•ч электроэнергии). А это, как правило, не по карману подавляющему большинству населения России.
Конечно, для повышения стабильности выдачи электроэнергии потребителю актуально применение других, различных накопителей, призванных обеспечивать поставку мощности не ниже минимальной; выдачу мощности в периоды максимальной нагрузки; покрытия собственных нужд; подавление кратковременных пиков вырабатываемой ВЭС мощности; выдача мощности по прогнозируемому графику, как это предусматривается для «ветровых ферм». Для решения этих задач для «ветровых ферм» кроме гидравлических накопителей используются воздушно-аккумулирующие электростанции, регенеративные батареи, водородные системы, а для средних ВЭС — маховики, индукционные СП-накопители и сверхконденсаторы.
Однако, для малых систем электроснабжения при стохастических поступлениях возобновляемой энергии применение таких накопителей обременительно, т.к. чем меньше мощность аккумулятора-накопителя тем дороже его 1 кВт установленной мощности, при резком падении его К_ИУМ, особенно при наличие одного-двух потребителей электроэнергии. Малое гарантированное электрообеспечение можно решать с помощью ГеоЭС, однако, на большей части Земли, там, где нет вулканической деятельности, слишком быстро истощаются глубинные тепловые ресурсы [4]. Из-за этого большие капитальные затраты на сооружение ГеоЭС не окупаются.
Исходя из того, что эффективность использования ВИЭ напрямую зависит от К_ИУМ, А если быть более точным, то в конечном итоге от наличия накопителя-аккумулятора первичной энергии, предлагается определять для каждой территории стоимость 1 кВт установленной мощности с учетом К_ИУМ (таблица 3).
Таблица 3 – Стоимость 1 кВт установленной мощности электрических станций, использующих возобновляемые источники энергии в России с учетом потенциала возобновляемого источника энергии (коэффициента использования установленной мощности), в долларах

	ВЭС с аккумулятором	Малые ГЭС	ФЭС	ТЭС
Условная стоимость 1 кВт установленной мощности*	2500	1500	5000	1000
КИУМ	0,25	0,30	0,13	0,5 и более
Фактическая стоимость 1 кВт установленной мощности для данной территории с учетом КИУМ	10000**	5000	38460	2000 и менее

* количество и емкость аккумуляторов напрямую зависит от К_ИУМ ЭС того или иного типа для конкретной местности.
** в ряде районов Омской области для ВЭС при К_ИУМ =0,1 фактическая стоимость 1 кВт установленной мощности, по предлагаемой методике оценки эффективности использования ЭС, составит 25000 долларов.
Предлагаемый переход на оценку фактической стоимости 1 кВт установленной мощности с учетом К_ИУМ будет способствовать более объективной оценке возможности использовании ЭС от ВИЭ для каждой конкретной территории и даже места.
Исходя из полученных результатов (таблица 3) перспективным представляется, например, для Сахалина, Калмыкии, Кавказа и т.д. гелиоэлектростанция на базе солнечного соляного пруда [5, 6], приведенная на рисунке 4.

 – световой поток прямого, отраженного и рассеянного солнечного излучения; Ф_т.вп, Ф_т.нп– тепловой поток высокого и низкого потенциала;  – отпуск электроэнергии
Рисунок 4 – Принципиальная схема основных внешних и внутренних энергетических связей гелиоэлектростанции, на базе солнечного соляного пруда.
В отличие от обычной солнечной электростанции с гелиостатами, где концентрация энергии достигается оптическими методами, солнечный соляной пруд обеспечивает гидродинамическую концентрацию солнечной энергии. При средней плотности притока солнечной теплоты в отводимый нагретый рассол 75 Вт/м² плотность потока используемой энтальпии (произведение плотности рассола — 1500 кг/м³, его скорость в трубе 1 м/с, теплоемкости — 2,3 кДж/кг•⁰С и перепада температуры 10 ⁰С) составляет 3,5•10⁷ Вт/м². Отсюда видно, что гидродинамическая концентрация повышает плотность потока энергии более чем на пять порядков, т.е. в сотни тысяч раз.
Способность к совершению работы характеризуется не потоком энергии, а потоком эксергии и поэтому следует обратить внимание на концентрацию эксергии солнечным прудом.
Плотность потока эксергии солнечного излучения не намного ниже плотности энергии (примерно вдвое), так что его можно оценить средней величиной д_о = 100 Вт/м². Это подводимая к пруду эксергия. Отводимой является эксергия горячего рассола, оцениваемая только по его температуре, т.е. термическая, а не химическая эксергия. При температуре горячего рассола 100 ⁰С и температуре холодного источника 10 ⁰С имеем
д_э = 3,5•10⁷•(100 — 10)/(100 + 273) = 0,93•10⁷ Вт/м².
Отношение плотностей потоков подводимой и отводимой эксергии
л = д_э/д_о = 10⁷/10² = 10⁵.
Иными словами, при отводе горячего рассола мы получаем гидродинамическую концентрацию потока эксергии в сто тысяч раз. Плотность потока эксергии в горячем рассоле много выше, чем при передаче энергии от горячих газов в хвостовых частях котельного агрегата, и выше, чем в океанских тепловых электростанциях. Поэтому солнечный пруд и представляется эффективным сборщиком ВИЭ благодаря высокой концентрации эксергии и ему уделяется так много внимание Е. И. Янтовским.
В пасмурную погоду при охлаждении на 10 ⁰С придонного слоя пруда площадью 78,5 м² (диаметром 10 м) выделяется примерно 3600 МДж теплоты. Если эту теплоту, с КПД = 10 %, преобразовать в электрическую энергию, то можно получить 100 кВт•ч электроэнергии. А это эквивалентно разрядке 138 дорогостоящих аккумуляторов, о которых говорилось ранее.
В немалой степени на эффективность работы данного вида электростанции сказывается слежение концентратором положения Солнца и использование холода льда котлована. Использование холода котлована позволяет снизить нижнюю границу паросилового цикла, что ведет к значительному повышению его КПД.
Раньше считалось, что климатические условия в средней полосе России уникальны, из-за аномально низких температур, только для ГеоЭС. Поскольку это позволяет снизить температуру конденсации, особенно зимой, что может дать прирост (на 20 – 40 %) в выработке электроэнергии по сравнению с ГеоЭС, которые расположены в районах жаркого и умеренного климата. Однако, это преимущество наших климатических условий, в части возможности повышения КПД выработки электроэнергии, в равной степени относится к и ЭС на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом.
Снижение установленной стоимости 1 кВт ЭС на базе солнечного соляного пруда можно добиться, если в качестве источника холода для термодинамического цикла использовать вместо холода льда котлована холод малых водотоков [7].
Если сравнить цену 1 кВт по установленной мощности, то обычные ВЭС имеют преимущество по сравнению с гелиоэлектростанцией на базе солнечного соляного пруда, но если их эффективность сравнивать с учетом аккумуляторов, входящих в состав ВЭС, обеспечивающих бесперебойность электроснабжения, то результат получается иной.
Конечно, при КПД преобразования, тепловой энергии солнечного соляного пруда в электрическую энергию, в пределах 10 – 12 %, при плотности солнечного излучения не превышающего, в больший период времени 1 кВт/м², за счет только выработки электроэнергии окупаемости проекта можно достигнуть только на децентрализованных территориях. Однако, если часть теплоты пруда использовать для горячего водоснабжения, а часть холода льда котлована для кондиционирования [6], то окупаемости можно достичь и в зонах централизованного энергоснабжения. Ведь нагрев воды в пруду в 8 – 10 раз дешевле, чем от электроэнергии. Также и кондиционирование (охлаждение воздуха) за счет естественного холода (льда котлована) в 8 – 10 раз дешевле, чем от электроприводного кондиционера.
У ГЭС и ЭС на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом/талой водой есть дополнительные, свойственные только им преимущества.
У ГЭС теплоту потока воды в нижнем бьефе, а у гелиоэлектростанции теплоту талой воды котлована и солнечного соляного пруда можно эффективно использовать зимой для теплоснабжения посредством теплонасосных установок (ТНУ).
Среднемноголетний сток Енисея в створе Саяно-Шушенской ГЭС составляет 46,7 км³/год. Среднегодовая температура воды в нижнем бьефе равна приблизительно 7 ^оС. Енисей является мощным источником низкопотенциальной тепловой энергии, удобной для использования в ТНУ. Охлаждение речной воды в теплообменных устройствах всего на 1 ^оС позволит получить 1,9614•10¹⁴ кДж/год тепловой энергии, то есть тепловая мощность Енисея составит 6220 МВт и будет близка к установленной электрической мощности Саяно-Шушенской ГЭС, равной 6400 МВт [8].
Преимущества совместного использования зимой ТНУ низкопотенциальных источников теплоты различных объемов: большого объема (котлована с замерзающей водой) с температурой ниже 0 ⁰С и малого (остывающего рассола солнечного соляного пруда) с температурой выше 0 ⁰С подробны рассмотрены в работе [5].

Рассмотренные принципиальные схемы основных внешних и внутренних энергетических связей различных ЭС показали, что эффективность их работы зависит от многих факторов.
Проведенный анализ показал, что для расчета параметров эффективной работы ЭС от ВИЭ в условиях стохастических возмущений, для обеспечения бесперебойного энергоснабжения потребителей требуется, при разработке схемы и оборудования для аккумулирования энергии, оценка ценовых составляющих накопителей-аккумуляторов.
Фактическая стоимость 1 кВт установленной мощности установок и систем энергетики ВИЭ для бесперебойного энергоснабжения должна определяться с учетом коэффициента использования установленной мощности для конкретной территории. А количество и цены аккумуляторов первичной или выработанной энергии должны определяться исходя из присущего для данной местности непостоянства ВИЭ.
На примере схемы основных внешних и внутренних энергетических связей гелиоэлектростанции, на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом/талой водой, показано, что одним из действенных механизмов повышения эффективности работы ЭС является не только аккумулирование первичной энергии (Солнца) для паросилового цикла, но и использование для него энергии льда в котловане (холода малых водотоков).
С экономической точки зрения первостепенным фактором эффективного использования ВИЭ является аккумулирование первичной энергии на входе в систему генерации, что с избытком обеспечивается для ГЭС только весной, а для гелиоэлектростанции на базе солнечного соляного пруда, в зависимости от инсоляции, в течение всего летнего периода.

1 Газета «Энергетика и промышленность России». 2014. № 9. С. 28 – 29.
2 Филиппов С.П. Малая энергетика в России // Теплоэнергетика. 2009. № 8. С. 38 – 44.
3 Газета «Энергетика и промышленность России». 2014. № 7. С. 11.
4 Осадчий Г.Б. Солнечное излучение и геотермальное тепло — источники энергии для комбинированных систем энергоснабжения // Автоматизация и IT энергетике. 2012. № 8. С. 36 – 42.
5 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010.– 572 с.
6 Осадчий Г.Б. Технология солнечного электроснабжения и энергосбережения // Энергетик. 2014. № 3.
7 Осадчий Г.Б. Совместное использование солнечной энергии и холода малых водотоков // Автоматизация и IT энергетике. 2012. № 9. С. 48 – 52.
8 Немченко Н.И. Река Енисей – перспективный источник низкопотенциальной тепловой энергии // Современные трансформационные экономические и социально-политические процессы: тезисы докл. 4 Международ. научно-практич. конф. (23-25 мая 2013 г.). – Абакан: Ред.-изд. сектор ХТИ – филиала СФУ, 2013.- С.240-242.

Если экология все сильнее влияет на наше здоровье (как известно, здоровье человека на 20 % зависит от экологии. Это больше, чем от уровня развития медицины), то от гарантированного энергообеспечения, порой зависит сама жизнь. Однако сегодня вопросам экологии и гарантированного, доступного по цене, энергообеспечения курортных зон, малых поселений современной энергетикой в РФ, не уделяется надлежащего внимания.

Известно, что российские и зарубежные оценки прямых социальных-экономических затрат, связанных, с вредным воздействием электростанций, вырабатывающих электроэнергию за счет сжигания органического топлива: включая болезни и снижение продолжительности жизни людей; оплату медицинского обслуживания, потери производства, снижения урожая, восстановления лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы дают величину, добавляющую около 75 % мировых цен на топливо и энергию. По источнику [1] эти затраты для угольных ТЭС ещё выше.

Свой вклад в стоимость электроэнергии вносят также погодные условия и размеры России. Так тарифы на электроэнергию для промышленных предприятий в декабре 2000 г. отличались по субъектам РФ в 30 раз, а для населения в 10 раз [2].

Кроме того, сравнительную экономическую оценку (энергоемкость), например, теплоснабжения от сжигания дров и солнечной энергии, очень трудно привести к одному знаменателю. Ведь экономические потери от вырубки леса выражаются в уменьшении продуцирования кислорода, поглощения вредных газов, насыщения воздуха фитонцидами и т.д. Лес дает 40 % кислорода земной атмосферы. Охранно-защитные и рекреационные функции лесов, само собой, разумеется, являются не перевозимыми.

При нынешних темпах развития цивилизации не получается резервировать слишком большие участки Природы и тратить на её охрану слишком много средств, т.к. это приводит к большим экономическим потерям для общества. На рисунке 1 изображены вероятные сценарии развития общества (территории) в зависимости от отношения к экологии.

Рисунок 1 – Гипотетическое изменение эффективности общественного производства во времени по Н.Э. Смирнову

а) – при полном отсутствии каких-либо экологических требований к производству; б) – при запрещении всякого загрязнения окружающей среды; в) – при наличии технологического базиса, обеспечивающего удовлетворение общественных потребностей (сознательно ограниченных обществом в пользу чистой окружающей среды) и являющегося наиболее «чистым» из возможных, в экологическом смысле.

Как видно из рисунка 1 эффективное развитие общества на долгосрочную перспективу возможно только при добровольном отказе его членов от погони за одними только материальными ценностями.

К попытке решения задачи по развитию отдельной территорий по графической зависимости рисунка 1в можно отнести разработку солнечной электростанции на базе огромного ряда (количества) солнечных соляных прудов для юга Украины в СССР. Эта разработка была связана с проектированием энергетической установки на заливе Сиваш (Крым), т.к. хозяйственной деятельности в заливе нет из-за значительного засоления. А циркуляционная вода в изобилии имеется вблизи — в Феодосийском заливе. Оценка масштаба максимальной летней мощности, при допущениях:

Температура рассола, ⁰С 100 Температура воды, ⁰С 8
Температура кипения, ⁰С 94 Температура конденсации, ⁰С 16
КПД цикла Карно +273 = 0,21 Эксергетический КПД 0,5
Общий КПД 0,117 Средняя летняя инсоляция, Вт/м² 250
КПД пруда 0,3 Плотность потока теплоты, Вт/м² 75
Удельная электрическая мощность, Вт/м² 75•0,117 = 8

Максимальную мощность получаем, принимая возможность использования 50 % площади залива Сиваш. Полная площадь 2560 км², следовательно, возможная площадь пруда 1250 км² и максимальная электрическая мощность 10 ГВт.

Для справки: площадь водохранилища Красноярской ГЭС — 2000 км², при мощности ГЭС в 6 ГВт, а значит удельная электрическая мощность равна всего 3 Вт/м². За год на ГЭС вырабатывается около 20 млрд кВт∙ч электроэнергии, следовательно среднегодовой коэффициент использования установленной мощности составляет около 38 %.

При реализации проекта в заливе Сиваш, можно было, наращивать мощность постепенно, начиная с небольших южных участков залива.

Сопоставление цифр с полученными при испытании энергоустановки в Израиле вблизи Мертвого моря показывает, что эти оценки реалистичны, а принятый эксергетический КПД 0,5 существенно ниже, чем достигнутый в эксперименте — 0,6. Сезонность выдачи электроэнергии в летне-осеннее полугодие не лишает этот проект интереса, поскольку ГЭС фактически также сезонны — летом, осенью и зимой воды гораздо меньше, чем весной.

Если для приближенной оценки принять, что летняя выработка в заливе компенсирует зимнее потребление электроэнергии по расходу топлива, в итоге окажется, что все теплоснабжение региона осуществлено без затрат топлива — только за счет солнечной энергии.

Площадка возле Сиваша представлялась наилучшей для реализации, в первую очередь для решения задач энергоснабжения Крыма.

С экологической точки зрения проект представлял одним из наилучших способов энергоснабжения, ибо полностью исключает горение органического топлива летом, снижает его до минимума зимой. Проект свободен от риска аварий, поскольку температура и давление рабочего тела не превышают 100 ⁰С и 30 кгс/см² [3].

Но известные события не позволили этот проект реализовать на деле.

Сегодня такие проекты тем более не реальны поскольку экономическая ситуация не позволяет сконцентрировать большие финансовые и людские ресурсы для решения частной задачи.

Но задачи оздоровления окружающей среды и энергообеспечение того же Сочи, Алтая, Саян, Борового (Казахстан) чернолученской зоны в Омской области и всех других курортных мест, без чего невозможен надлежащий отдых, можно и нужно решать за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности — солнечной энергии.

Главенствующая роль в реализации комплексного использования потенциала Природы должна перейти к энергетике ВИЭ, которая, за счет развития инновационной базы, призвана выполнить общественное решение Всемирного конгресса по проблемам экологии в Рио-де-Жанейро в 1992 г., где было сказано, что основной целью является: «Создание условий для устойчивого развития человеческого общества, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей,
без лишения такой возможности будущих поколений».

Исходя из этого системы и комплексы энергетики ВИЭ должны быть самодостаточными на уровне высоких технологий.

В новых энергетических комплексах (системах) часть технологий может быть связана с использованием солнечной энергии, и её производных. А между собой они, в подавляющем большинстве своем, должны быть связаны таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства на достаточном удалении от границ динамической устойчивости экосистем.

По мнению экспертов ООН, именно такой подход, когда осуществляется схема подбора предприятий и производств, работающих на одном виде сырья, а отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, может полностью решить проблему устойчивого развития общества.

В группах потребителей, например, теплой воды или тепла существуют любители разного уровня её температур: а) жаролюбивые и жаростойкие; б) теплолюбивые; в) любители умеренных температур; г) холодолюбивые; д) холодоустойчивые; е) требующие сохранения в зимний период. Это дает возможность использовать весь диапазон температуры воды — от самой высокой до самой низкой (по мере её снижения). У потребителей холода также существуют потребности, на его различные температурные значения.

Комплексный подход в производственной деятельности, когда «отходы», в том числе и тепловые, водные, газо-воздушные перерабатываются в технологической цепочке производства, минимально отражается на качестве окружающей среды, на продуктивности зональных экосистем. Комплексный подход, это не что-то новое. В целом «эволюционные» и «революционные» изменения в энергетике взаимообусловлены, дополняют и нередко сменяют друг друга. Не исключаются и случаи возврата к «старым» техническим решениям на качественно новой технологической базе.

Однако если мы возьмем в качестве примера использование низкпотенциальной теплоты грунтов тепловыми насосами, то обнаруживается, что при потреблении тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта. Температура грунта в почвенно-климатических условиях большей части территории РФ не успевает восстановиться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии из грунта в течение следующей зимы вызывает дальнейшее снижение его температуры, и к началу третьего отопительного сезона температурный потенциал грунта ещё больше отличается от естественного, и т.д., т.е. образуются участки «вечной мерзлоты». Это приводит к выводу части территорий из «севооборота», что не всегда приемлемо особенно с экономической точки зрения.

Климат России определяет повышенную сезонную потребность её жителей в отдельных видах энергии. При относительно стабильном спросе в течение всего года на механическую и электрическую энергии, летом резко возрастают расходы воды и искусственного холода, а зимой тепла. Из всей потребляемой, например, в быту энергии львиная доля — 79 % идет на отопление помещений, 15 % энергии расходуется на тепловые процессы (нагрев воды, приготовление пищи и т.д.), 5 % энергии потребляет электрическая бытовая техника и 1 % расходуется на освещение радио и телевизионную технику.

Исходя из этого, летом солнечную энергию целесообразно использовать для производства теплоизоляционных строительных материалов, которыми утеплять здания, что будет способствовать снижению расхода энергии на отопление зимой.

Опираясь на эти положения, рассмотрим системы солнечного энергоснабжения, объединенные в проект «Альтернативная энергетика» («АЭ») в части энергетической и экономической эффективности.

Проект «АЭ» помимо системы электроснабжения (в отличие от проектной установки на заливе Сиваш) представлен также технологиями использования солнечной энергии, аккумулированной в солнечном соляном пруду и теплоты (талой воды)/холода (льда) котлована для бесперебойного энергоснабжения малых потребителей и производств различными видами энергии [4].

Это технологии совместного использования солнечной энергии и энергии, запасенной в котловане, которые могут обеспечить:

Летом: водоснабжение; выработку холода и электрической энергии.

Зимой: теплоснабжение.

Это технологии раздельного использования солнечной энергии и энергии, запасенной в котловане, которые могут обеспечить:

Летом: сушку торфа, нагрев воды и воздуха; производство биогаза (биометана); приготовление пищи; удовлетворение физиологических потребностей (летняя баня); охлаждение воздуха.

Зимой: подогрев воздуха.

Человечество ежегодно потребляет 7 – 8 млрд тонн минеральных ресурсов, а воды расходуется, в среднем, 8 – 7 млрд тонн ежесуточно. Наибольшее потребление воды в России, а значит и энергии на ее перекачку, приходится на летний период. Отмеченная закономерность, несмотря на короткое лето, позволяет более половины водоснабжения для сельского хозяйства, обеспечивать за счет солнечной энергии. Актуальность водоснабжения от солнечной энергии основывается на том, что чем больше солнечной энергии, тем засушливее лето, а значит, тем легче недостаток естественного увлажнения восполнить орошением. Когда же нет Солнца, дожди заливают урожай, то нет потребности в орошении.

Выработка электроэнергии летом на базе солнечного соляного пруда гарантирует малым потребителям, бесперебойное электроснабжение в любое время суток для отдыхающих, холодильного оборудования, осветительных приборов, водоснабжения, медицинского оборудования, радиоаппаратуры и электробытовых приборов.

Развитие рыночных отношений в России приведших к тому, что скоропортящиеся продукты питания и технологическое сырье уже не раскупают с «колес» резко увеличивает потребность производителей и переработчиков, в теплый период времени, в холоде. Огромные просторы России с неразвитой сетью транспортных коммуникаций предопределяют необходимость иметь значительные страховые запасы продуктов питания и технологического сырья, хранение и реализация которых также связаны со значительным потреблением холода. Главное преимущество использования солнечной энергии летом для замораживания и охлаждения состоит в совпадении максимумов ее поступления и потребления искусственного холода. При этом применение солнечной энергии для выработки холода эффективно вдвойне, так как разумно размещенная приемная часть солнечной установки, затеняя охлаждаемые объекты, уменьшает поступление в них солнечного тепла, и, следовательно, потребность в холоде.

Компоновочные решения (схемы) по повышению эффективности использования солнечной энергии представлены ниже.

На рисунке 2 приведены виды энергии, которые можно получать напрямую из солнечного соляного пруда и котлована со льдом комплекса по производству среднетемпературного холода и электроэнергии.

 Рисунок 2 – Схема интегрированного комплекса холодо, тепло и электроснабжения на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом

Потребление электроэнергии неразрывно во времени с его производством. Поэтому, малые локальные электростанции на базе солнечного соляного пруда, в которых прудом осуществляется аккумулирование тепловой энергии, и которая в любое нужное время может быть преобразована в электрическую энергию, можно по экономическим показателям сравнивать с аккумуляторами электрической энергии.

На рисунке 3 приведены установки, сооружения и системы проекта «АЭ», которые объединены в интегрированный комплекс для проживания и отдыха на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом/талой водой.

 Рисунок 3 – Схема интегрированного комплекса для проживания и отдыха на базе солнечного соляного пруда и котлована со льдом/талой водой

Комплекс по рисунку 3 может использоваться как для многочисленных видов деятельности и досуга местных жителей, так и для обслуживания большого потока прибывающих на лечение, отдых, совершающих путешествия, как правило, летом. Комплекс может быть основой энергообеспечения как военной базы так и целой курортной зоны.

К рациональному комплексному использованию потенциала Природы средней полосы России, самого широкого применения, может быть отнесен и интегрированный комплекс по сушке и производству сельскохозяйственной продукции на базе солнечного соляного пруда (рисунок 4). Этот комплекс состоит из отдельных на первый взгляд разноплановых производств (технологических переделов), связанных между собой при этом таким образом, что аккумулированная прудом солнечная энергия используется, по мере её деградации, с максимальной эффективностью.

Рисунок 4 – Схема интегрированного комплекса по сушке и производству сельскохозяйственной продукции на базе солнечного соляного пруда

Комплекс, изображенный на рисунке 4 включает в себя:

• гелиосушилку (солнечный соляной пруд и тепловой коллектор);

• теплицу;

• солнечную биогазовую установку.

В предлагаемом комплексе первоначально, аккумулированная солнечным соляным прудом солнечная энергия, обладающая наибольшим потенциалом (температурой), используется для сушки растительного сырья. В сушилке сушку и охлаждение можно объединить за счет охлаждения зерна воздухом, поступающим в тепловой коллектор из зоны выгрузки.

К рациональному комплексному использованию потенциала Природы самого широкого применения, не выходящему за пределы самовосстановительного потенциала природных систем, может быть отнесен и интегрированный комплекс по производству сельскохозяйственной продукции с солнечным соляным прудом (рисунок 5).

 Рисунок 5 – Схема интегрированного комплекса по производству сельскохозяйственной продукции с солнечным соляным прудом

В предлагаемом комплексе первоначально аккумулированная прудом солнечная энергия, обладающая наибольшим потенциалом (температурой), используется для поддержания температуры в биореакторе биогазовой установки, что очень актуально для снижения расхода газа на собственные нужды.

Теоретические и практические исследования в области биологической переработки растительной биомассы, отходов животноводства и т.д. в биогаз показали, что активность бактерий и соответственно объем биогаза, получаемого в результате переработки, при прочих равных условиях напрямую зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс переработки, больше вырабатывается биогаза, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Так, при температуре от 52 до 56 ⁰С выработка биогаза идет в 1,5 – 3 раза быстрее, чем при 30 – 40 ⁰С, и достигается эффективное обеззараживание получаемых удобрений (активность бактерий и, следовательно, выработка биогаза существенно падает в интервале температур 51,7 и 39,4 ⁰С, и в меньшей степени от 35 до 0 ⁰С).

Кроме того тепловые потери из солнечного соляного пруда поступают в траншеи где выращиваются грибы, что обеспечивает «сбор» тепловой энергии, теряемой через боковые стенки пруда и дно.

В предложенном комплексе для выработки биогаза и удобрений могут использоваться отходы полеводства, животноводства, птицеводства, грибов и т.д.

Ни для кого не секрет, что проблема размещения отходов уже сейчас вышла на первое место по своей значимости среди экологических проблем и встает в один ряд с опасностью радиоактивного заражения. По образному выражению некоторых политиков, отходы — это чума современной цивилизации. Такая же острейшая проблема — переработка жидкого навоза, на животноводческих комплексах и жидкого помета на птицефабриках, которые располагают ограниченными площадями. Навоз в этих хозяйствах обычно хранится в переполненных навозохранилищах, что создает угрозу нарушения экологии и фактически исключает из оборота ценные органические удобрения. Для предохранения животных от болезней применяют химические препараты. Однако существующие химические средства защиты животных от вредителей и болезней наносят вред экологии, загрязняют продукцию животноводства, оказывают негативное воздействие на человека и воспроизводительные качества животных и птицы. Применение различных систем вентиляции для обработки воздушной среды в животноводческих помещениях не обеспечивают требуемого качества по газовому и бактериальному составу и дают лишь небольшой выигрыш. Хранение же навоза на полевых площадках приводит к большим потерям в нем азота и способствует распространению семян сорняков и болезнетворных бактерий.

Из всех известных видов переработки органических отходов антропогенного происхождения единственным, полностью возвращающим переработанный материал в виде пригонных к применению веществ, признается биологический способ утилизации (метаногенез). Главное преимущество использование растительной биомассы как сырья — возможность применения биотехнологий для получения энергии, то есть технологий, которые не нарушают экологического состояния окружающей среды. Отходы и побочные продукты такой технологии, являясь компонентами биосферных циклов, тоже могут служить сырьем, что ведет к полностью безотходным технологиям будущего.

Это актуально также и потому, что, как правило, природные геобиоценозы имеют ограниченную продуктивность, и их производительность часто не может обеспечить необходимые потребности человека (особенно это наглядно видно в сфере производства продовольствия). Искусственные геобиоценозы (биогазовые установки) призваны обеспечивать требуемую производительность и устойчивость к вредным воздействиям, за счет повышения скорости обмена веществом и энергией, вовлекая в биотический круговорот весь объем продуцируемой биомассы.

Ещё большей эффективности использования солнечной энергии можно добиться при объединении приведенных выше комплексов, а также за счет использования энергии ветра и водных потоков.

При низкой стоимости оборудования производства энергии (при энергоснабжении традиционными методами), если отсутствует её постоянство, то для сельскохозяйственного производителя это оборудование может оказаться не всегда, приемлемым, т.к., например, при пропуске доек, увеличения интервала между ними, переходе на ручное доение снижаются удои молока, его жирность. Причем удой в, полном объеме, восстанавливается, только через 7 – 8 дней. При продолжительных перерывах возможна выбраковка коров. К снижению удоев приводят также стрессы животных, возникающие в результате отключения электроэнергии в процессе дойки. Задержка в кормлении телят свыше 12 часов приводит к потерям живой массы на 3 – 5 %, суточное прекращение кормления — на 10 %, а с прекращением поения на 12 – 13 %. У кур прекращение кормления приводит к снижению способности откладывать яйца. Сокращение количества воды на 40 % от потребного, снижает удой на 16 %. На приготовление корма для одной головы КРС в сутки требуется 20 литров воды. Автопоение коров (при равных условиях их кормления) повышает их удойность до 10 %.

К рациональному комплексному использованию потенциала Природы крайне ограниченного применения, к показателю внимания к защите окружающей среды, может быть отнесен производственный интегрированный участок по сушке изделий после покраски (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема интегрированного участка по сушке изделий после покраски на базе солнечного соляного пруда

Суть предлагаемой интеграции состоит в том, что образующаяся в процессе сушки деталей, изделий, машин горючая газо-воздушная смесь направляется в топку котла, где сгорает, обеспечивая выработку дополнительного тепла высокого потенциала, многократно превышающего температуру в придонном слое солнечного соляного пруда.

В отличие от обычной сушки, которая сопровождается выбросом в атмосферу горючих растворителей, здесь они утилизируются, вернее, используются в соответствии с тем потенциалом, которым они обладают.

Представленные технологии призваны (кроме энергоснабжения и обеззараживания курортных зон):

• способствовать в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранности зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;

• удовлетворять физиологические потребности человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;

• способствовать поддержанию транспортного сообщения на удаленных территориях за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).

Конечно, использование в качестве приемника и аккумулятора энергии Солнца солнечного соляного пруда требует отводов земли. Однако они не так велики, относительно, не только равнинных водохранилищ ГЭС, но даже горных. Так при площади зеркала водохранилища Новосибирской ГЭС 1072 км², годовая выработка электроэнергии составляет 1678 млн кВт∙ч электроэнергии, т.е. 1,56 кВт∙ч с 1 кв. м водохранилища, при среднегодовом коэффициенте использования установленной мощности около 40 % (для Саяно-Шушенской ГЭС — 38 кВт∙ч в год с 1 кв. м).

Гелиоэлектростанция на базе солнечного соляного пруда по расчетам будет вырабатывать более 60 кВт∙ч электроэнергии с 1 кв. м за лето (Омск). Конечно, в горных местностях выработка электроэнергии с 1 кв. м водохранилища намного выше, чем на равнинных ГЭС, но там и стоимость земли совершенно другая, а кроме того инсоляция более высокая, что повышает выработку электроэнергии гелиоэлектростанцией. При сооружении солнечного соляного пруда чернозем (гумус) не становится дном рукотворного моря, а используется для повышения плодородия территории.

Если мы рассмотрим Кубань, как житницу России, то можно с большой долей вероятности принять, что хлебороб с 1 га (10000 кв. м) поля получает чистый доход, примерно, 10000 рублей (рисовод, заливающий обширные поля водой («солнечный пруд», но для других целей) наверное, столько же). А если теперь рассмотрим гелиоэлектростанцию, в состав которой входит пруд и котлован со льдом площадью по 100 кв. м каждый, с которых можно «собирать» за лето до 6000 кВт∙ч электроэнергии. При минимальной стоимости электроэнергии по 3 рубля за 1 кВт∙ч (экологически чистая электроэнергия на Кубани должна стоить дороже, а вдали от цивилизации по 10 руб. за 1 кВт∙ч, и более), доход с 200 кв. м составит 18000 рублей, или если перевести на 1 га — 900000 рублей. А если рассматривать отдельно солнечный соляной пруд, используемый для выработки теплоты (нагрев воды), то с пруда площадью 78,5 кв. м (1 «сотка» с дорожкой для концентратора) можно получить за лето (Омск) более 50 тыс. кВт∙ч теплоты. При её минимальной цене 0,5 руб./кВт∙ч (для децентрализованных территорий надо принимать 2,5 – 3 рубля за 1 кВт∙ч теплоты) доход с 1 «сотки» составит 25000 рублей (с 1 га 2,5 млн рублей).

Заключение

Изложенное показывает, что установки и системы на базе солнечных соляных прудов, являясь многофункциональными источниками энергоснабжения способны в подавляющем своем большинстве с приемлемой экономической эффективностью решать частные задачи по энергообеспечению отдельных категорий населения и производств только в летний период.

Летом интегрированные комплексы солнечной энергетики будут способствовать эффективному энергосбережению, обеспечивая экономию органического топлива. Кроме этого с их помощью можно решать задачи по созданию запасов торфа и биометана для зимнего периода, с минимальным расходом топлива и электроэнергии на технологические нужды при добыче и производстве этих местных видов топлива.

В зимний период непосредственное участие установок и систем в обеспечении потребителей энергией может выражаться в использовании аккумулированной солнечным соляным прудом, в период «бабьего» лета, солнечной энергии, и низкопотенциального тепла воды в котловане, собранного летом.

Малая энергетика на базе солнечных соляных прудов месте с другими устройствами и системами солнечной энергетики (плоские солнечные коллектора, солнечные электрические станции, фотоэлектрические преобразователи и т.д.) и ветроустановками может и должна обеспечить энергией летнюю производственную деятельность малых поселений и производств практически на любой территорий средней полосы России.

В зимний период в удовлетворении возрастающего сезонного спроса на тепло и повышающегося требования к бесперебойному электроснабжению, конечно же, первое место из ВИЭ должно перейти к развивающейся ветроэнергетике.

СПИСОК   ЛИТЕРАТУРЫ

1. Копылов А.Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России / А.Е. Копылов // Энергетик. 2008. № 1– С. 7 – 10.

2. Мастепанов А.М. Экономика и энергетика регионов Российской Федерации / А.М. Мастепанов, В.В. Саенко, В.А. Рыльский и др. М.: Экономика, 2001. 476 с.

3. Янтовский Е.И. Потоки энергии и эксергии/ Е.И. Янтовский М.: Наука, 1988. 144 с.

4. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

Одним из таких видов является биогаз. Глубокие исследования в этой области, несмотря на известные трудности, проводятся в Республике Казахстан. В значительно меньшей степени это относится к России, хотя полномасштабное развитие биогазовой отрасли в России позволило бы решить ряд важных экономических задач.

Следует отметить, что основным недостатком биогазовой энергетики является значительный вес удельных капитальных затрат (в расчете на единицу мощности), невысокая рентабельность проектов, а также проблемы с организацией сбыта энергии посредством централизованных сетей.

Несмотря на это, в России наблюдается увеличение спроса на биогазовые установки (БГУ), как для малых потребителей (с объем метантенка 3 – 20 м³), так и для средних (с объемом метантенка 30 – 100 м³).

Все дело в том, что биогазовые технологии должным образом вписываются в Доктрину ОНН устойчивого развития общества. И многие, в России, привержены этой идеи. И они, руководствуясь принципом «Рассудок — это неуклюжее орудие ученого; интуиция — безошибочный руководитель провидца» пытаются, каждый по своему, решать эту проблему.

Современные технологии (производства), по возможности, должны быть связаны между собой таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства на достаточном удалении от границ динамической устойчивости экосистем.

По мнению экспертов ООН, именно такой комплексный подход, когда осуществляется схема подбора предприятий и производств, работающих на одном виде сырья, а отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, может полностью решить проблему устойчивого развития общества.

Известно, что животные не полностью усваивают энергию растительных кормов и более половины её уходит в навоз, который является, после того или иного вида переработки, ценным органическим удобрением.

Содержание животных на фермах и комплексах привело к увеличению концентрации объемов навоза и навозных стоков в хозяйствах. А это дает возможность организовать их переработку не только в удобрения, но и в биогаз, не загрязняя окружающую среду. При этом биогаз по сути своей становится рукотворным возобновляемым источником энергии (ВИЭ).

Комплексный подход в производственной деятельности, когда «отходы», в том числе органические, тепловые, водные, газо-воздушные перерабатываются в технологической цепочке производства, минимально отражается на качестве окружающей среды, на продуктивности зональных экосистем. Комплексный подход, это не что-то новое. В целом «эволюционные» и «революционные» изменения в том числе в сфере энергетики взаимообусловлены, дополняют и нередко сменяют друг друга. Не исключаются и случаи возврата к «старым» техническим решениям на качественно новой технологической базе.

Обычно под биогазовой установкой (станцией) подразумевается комплекс инженерных сооружений, состоящий из устройств:

– подготовки сырья

– производства биогаза и удобрений

– очистки и хранения биогаза

– производства электроэнергии и тепла

– автоматизированной системы управления БГУ.

Метантенк БГУ должен быть герметичен, в него не должно быть доступа кислорода, так как только при отсутствии кислорода возможна жизнедеятельность метанообразующих бактерий.

Оптимальная температура метаногенеза зависит от вида перерабатываемого установкой субстрата (органических отходов).

Контрольно-измерительные приборы, устанавливаемые на метантенке, должны обеспечивать контроль уровня субстрата в метантенке, температуры и давления внутри него.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора. При этом навоз и помет должны поступать с ферм и из хозяйств, благополучных по зооантропонозным заболеваниям, общим для животных (птицы) и человека.

Поскольку сырьем для получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов, на многих существующих биогазовых установках используется добавка к обрабатываемым отходам, так называемой зеленой массы. Конечно, измельчение зеленой массы приводит к дополнительным затратам энергии.

Активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов в метантенке достигается, за счет максимального поддерживания и непрерывного обновления величин граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств, чтобы в результате эффективного механического воздействия получить частицы возможно меньшего размера. Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для получения тщательного перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения биогаза. Современный уровень развития БГУ позволяет перерабатывать субстраты с содержанием сухого вещества до 12 %, если размер волокнистых или стеблевых элементов не превышает 30 мм.

В метантенке необходимо организовать периодическое перемешивание субстрата, которое обеспечивает эффективную и стабильную работу БГУ.

Цель перемешивания – высвобождение образованного биогаза, перемешивание свежего субстрата и бактерий (прививка), предотвращение образования корки и осадка, недопущение образования участков разной температуры внутри метантенка, обеспечение равномерного распределения популяции бактерий, предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь метантенка. При выборе метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой процесс жизнедеятельности симбиоза различных штаммов бактерий и при разрушении этого сообщества процесс ферментации будет непродуктивным до образования нового сообщества бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное перемешивание вредно. Рекомендуется медленное перемешивание субстрата через каждые 4 –6 ч.

Оптимальное перемешивание сырья повышает выход биогаза до 50%.

БГУ обеспечивают утилизацию (переработку) органических отходов 3 и 4 класса опасности согласно Постановлению от 12 июля 2003 г. №344, в следующих режимах:

- в психрофильном режиме оптимальная температура в метантенке 15 – 20 ⁰С, но может быть и ниже. В таком режиме отходы перерабатываются 30 – 40 дней. Психрофильный режим обычно используется в летнее время года в случае, когда тепло и количество субстрата (отходов) значительно меньше обычного, например, из-за выпаса скота;

- в мезофильном режиме при температуре 30 – 40 ⁰С органические отходы перерабатываются 7 – 15 дней, в зависимости от вида отходов;

- в термофильном режиме при температуре 52 – 56 ⁰С органические отходы перерабатываются за 5 – 10 дней, при этом качество газа и удобрений, по ряду показателей, обычно ниже, чем в мезофильном режиме. Кроме того в термофильном режиме традиционно потребляется больше энергии для обогрева. Такой режим подходит большего всего тем, у кого основная задача — переработать большое количество отходов. При оптимизации работы установки и состава отходов, можно ускорить переработку даже до 3 – 4 дней. Выгода от работы в термофильном режиме в том, что резко снижается стоимость 1 кВт установленной мощности БГУ.

Требования к допустимым пределам колебания температуры субстрата, для оптимального газообразования, тем жестче, чем выше температура процесса ферментации: при психрофильном температурном режиме – ± 2 ⁰С в час; мезофильном – ± 1 ⁰С в час; термофильный – ± 0,5 ⁰С в час.

Поскольку, например, в московском регионе среднегодовая температура исходного субстрата, составляет около 10 ⁰С, а температура окружающей среды, около 4 ⁰С, то необходимость в системе подогрева субстрата и поддержания его температуры в процессе ферментации очевидна. По данным А.А. Ковалева [1] до 60% полученного биогаза тратится на собственные нужды БГУ. При этом, наиболее энергоемким является процесс нагрева субстрата, суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95% энергии, расходуемой на собственные нужды установки.

Наиболее распространенной системой подогрева является внешняя система подогрева с водонагревательным котлом (котельной установкой), работающим на биогазе, электричестве или твердом топливе, где теплоносителем является вода с температурой около 60 °С. Более высокая температура теплоносителя, повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхности теплообменника — теплообменники рекомендуется располагать в зоне действия перемешивающего устройства.

БГУ должна быть автоматизирована. Объем автоматически выполняемых операций биогазовых установок различного назначения может быть различен. В обязательный объем автоматизации входят:

- для биогазовых установок небольшой мощности:

при срабатывании датчика загазованности (газоанализатора) помещения автоматически включаются системы оповещения персонала (сигнальные лампы, электрические звонки и др.) и происходит аварийное отключение систем БГУ, в частности срабатывает предохранительный клапан, перекрывающий подачу газа;

при срабатывании любого теплового реле в цепях питания насосов циркуляционного, водяного или загрузочного включаются системы аварийного оповещения персонала.

По данным И. Егорова, директора биогазовых проектов AEnergy, составляющие положительного денежного потока биогазовых проектов могут быть следующими (таблица 1), при гарантированной надежности и долговечности надежной работы БГУ, за счет использования метантенка из эмалированной стали, в течение 40 лет.

Таблица 1 – Составляющие положительного денежного потока биогазовых проектов

Мы рассмотрим традиционную БГУ и БГУ метантенк, которой размещен на дне солнечного соляного пруда (ССП) [2].

Сравнительному анализу видов затрат, связанных с сооружением БГУ, будет подвергнуты метантенки этих БГУ и сооружения и оборудование (устройства) непосредственно с ними связанные.

В качестве исходных данных для анализа принимаем следующее.

В состав биогаза входит, примерно, 55 – 60% биометана и 40 – 45% углекислого газа. На этом газу могут работать бытовые газовые приборы, включая газовые водонагреватели, обогреватели воздуха и газогенераторы.

Биометан – продукт, получаемый путем очищение биогаза от СО₂, используемый как биотопливо (ГОСТ Р 52808-2007).

Биогаз легче воздуха (1,05 – 1,2 кг/м3), поэтому стремится вверх.

Роспотребнадзор регламентирует, к какому классу принадлежат те или иные виды отходов, образованные вследствие выращивания животных и производства продукции животноводства и птицеводства. Все отходы производства и потребления делят на 4 класса опасности: 1 – чрезвычайно опасные, 2 – высоко опасные, 3 – умеренно опасные и 4 – малоопасные.

Органы ФНС осуществляя плановые проверки объектов хозяйственной и иной деятельности независимо от форм собственности с целью государственного экологического контроля, принимают решения по отчислениям, по уплате экологического налога. Несмотря на то, что экологический налог нельзя считать обременительным, и он существенно не влияет на конкурентоспособность отечественной животноводческой продукции, для отдельных категорий товаропроизводителей (животноводческих комплексов и птицекомбинатов) экологический налог является одним из основных видом обязательных платежей государству.

Удобрения (эффлюент), получаемые при термофильном режиме ферментации экологически чистые, лишенные нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Для остальных режимов перечисленные характеристики удобрений значительно ниже.

Оборудование по подготовке и предварительной обработке сырья для: перемешивания субстрата; измельчения; сепарации примесей на входе в реактор; загрузки (подача и дозирование) сбраживающей суспензии у сравниваемых метантенков условно принимаем одинаковым.

В комплект этого оборудования для традиционной БГУ может входить агрегат для размораживания сырья (навоза).

В помещении, где размещен традиционный метантенк, по ГОСТ Р 53790-2010 должны находиться:

- комплект противопожарного инвентаря;

- диэлектрические перчатки и ковры у щитов управления электроагрегатами;

- газоанализаторы или газосигнализаторы;

- средства индивидуальной защиты;

- взрывобезопасные аккумуляторные фонари;

- аптечка первой доврачебной помощи.

Не допускается нахождение работников и проведение любых работ в помещении метантенка при неработающей вентиляции.

Электротехническое оборудование и обслуживающее помещение метантенка должны быть оборудованы резервным электропитанием, чтобы обеспечить постоянную работу вентиляторов с необходимой кратностью воздухообмена.

Контролировать концентрацию газов в воздухе помещения метантенка с помощью газоанализаторов.

В обслуживающем помещении метантенка электрическое освещение, электродвигатели, пусковые и токопитающие устройства и аппаратура должны выполняться во взрывозащищенном исполнении в соответствии с классом взрывоопасной зоны (категории помещения).

Отвод газа от метантенка, устройство и эксплуатация газгольдеров и газовой сети метантенка должны проводиться в соответствии с требованиями Правил безопасности в газовом хозяйстве и Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

Оптимальный способ накопления биогаза зависит от того, для каких целей будет использован биогаз. При прямом сжигании биогаза в горелках котлов и двигателях внутреннего сгорания не требуются большие газгольдеры. В этих случаях газгольдеры должны обеспечивать выравнивание неравномерностей газовыделения и улучшения условий последующего горения, в зависимости от типа газгольдера и выдерживаемого им давления объем газгольдера составляет от 1/5 до 1/3 объема реактора. Пластиковые газгольдеры применяют для сбора биогаза в простых, совмещенных установках, где пластиком покрывают открытую емкость, служащую в качестве реактора, или отдельный пластиковый газгольдер соединяют с реактором. Газгольдер должен вмещать суточный объем, вырабатываемого биогаза. Стальные газгольдеры делят на газгольдеры низкого (0,01-0,05 кгс/см²), среднего (8-10 кгс/см²) и высокого (200 кгс/см²) давления. Стальные газгольдеры низкого давления оправданы только в случае большого расстояния (минимум 50-100 м) от установки до использующих биогаз приборов. В других случаях следует рассматривать возможность использования более дешевого пластикового газгольдера.

В газгольдеры среднего и высокого давления газ закачивается с помощью компрессора. Газгольдеры высокого давления используют для заправки автомашин и баллонов. Контрольно-измерительные приборы, устанавливаемые на газгольдеры, должны включать в себя водяной затвор, предохранительный клапан, манометр и редуктор давления. Стальные газгольдеры должны быть заземлены.

Привлекательно применение биогаза для факельного обогрева теплиц. Кроме поступления углекислого газа из газгольдера происходит образование углекислого газа при сгорании биометана, производится освещение теплиц и одновременно образуется вода, увлажняющая воздух.

Еще одно направление использования составных компонентов биогаза — утилизация углекислого газа, содержащегося в нем в количестве около 40 %. Извлекая углекислый газ путем отмывки (в отличие от биометана он растворяется в воде), можно подавать его в теплицы, где он служит «воздушным удобрением», увеличивая продуктивность растений.

В таблице 2 приведен перечень основных видов сооружений, оборудования и контрольно-измерительных приборов, входящий в зависимости типа метантенка в БГУ, затраты (стоимость) на которые должны учитываться при выборе БГУ.

Таблица 2 – Перечень основных необходимых для размещения и работы метантенка сооружений, оборудования, контрольно- измерительных приборов и их технические характеристики.

**Категория помещения А — взрывопожароопасная (НПБ 105-95 Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. НОРМЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МВД РОССИИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАТЕГОРИЙ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ). Характеристика веществ и материалов, находящихся (обращающихся) в помещении: Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28 °С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа.

Биогазовая котельная установкатрадиционная

Да

Должна быть в отдельном помещении

с ССП

Нет

 Система подогрева субстрата от теплоносителя биогазовой котельной установкитрадиционная

Да

*

с ССП

Нет

**

*непрямой подогрев через теплообменник, где подогревающий теплоноситель, обычно горячая вода, подогревает субстрат, не смешиваясь с ним.

**требуется система подогрева субстрата от теплоты рассола солнечного соляного пруда.

Система вентиляции с резервным электропитаниемтрадиционная

Да

 с ССП

Нет

 Система механизации и автоматизациитрадиционная

Да

Вся во взрывозащищенном исполнении

с ССП

Да

Часть во взрывозащищенном исполнении

Система контроля концентрации газов в воздухе помещения метантенкатрадиционная

Да

 с ССП

Нет

*

*контроль герметичности метантенка осуществляется по отсутствию/наличию пузырьков биогаза, поднимающегося на поверхность зеркала ССП.Солнечный соляной прудтрадиционная

Нет

 с ССП

Да

*

Дополнительные функции, в примечании к таблице ᵜ

*категория размещения 1 (от минус 10 до +40 ⁰С) по ГОСТ 15150-69
(эксплуатация на открытом воздухе (воздействие совокупности климатических факторов, характерных для данного макроклиматического района))Оборудование для размораживания сырья зимойтрадиционная

Да

 с ССП

Нет

 Система пожаротушениятрадиционная

Да

 с ССП

Нет

Для БГУ в целом с учетом ᵜ

Навес (помещение) для пульта управлениятрадиционная

Нет

В здании где размещен метантенк

с ССП

Да

 Соответствие перечня сооружений, оборудования, контрольно-измерительных приборов

назначению, исходя из конструктивных особенностей БГУ

традиционная

Да

 с ССП

Да

Примечание
ᵜ Поскольку солнечный соляной пруд может одновременно являться и противопожарным водоемом, изменение потребности в капитальных вложениях, для биогазовой установки может быть учтено как предотвращенный расход части средств на водоем, благодаря использованию для этих целей пруда. Так к пожароопасным помещениям: класса П-II относятся малозапыленные помещения мельниц и элеваторов, зернохранилища; класса П-IIа относятся складские помещения для хранения горючих материалов, коровники, свинарники и другие животноводческие помещения при хранении на чердаках сена и соломы и т.д.

Ущерб от лесных пожаров в 2010 г., с учетом уничтоженных огнем деревень, составил свыше 15 млрд рублей.

Объем противопожарного водоема для сельского дома должен быть таким, чтобы при тушении пожара расход воды был не менее 10 л/с в течение 3 часов. Объем воды в водоеме должен быть более 100 м³.

Поскольку БГУ должна располагаться, по возможности, ближе к источникам перерабатываемого сырья (местам содержания животных, складирования отходов и т.д.), то тепловую энергию ССП можно будет использовать для горячего водоснабжения ферм, предотвращая использование биогаза для этих целей.

Примечание: Например, выгоднее, если емкость для смешивания сырья напрямую соединяется с полом фермы. Транспорт биогаза дешевле, чем транспортировка сырья.

Надежное, круглосуточное горячее водоснабжение будет исключать разрастания колоний возбудителя легионеллеза (Legionella pneumophil). По санитарным нормам СанПиН 2.1.4.2496-09 «Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» температура воды в системе горячего водоснабжения должна быть более 60 ⁰С. В системе холодного водоснабжения менее 20 ⁰С.

Примечание: Легионнелы — это бактерии, которые живут в естественных источниках воды. Даже самая совершенная система водоочистки не способна защитить от их возникновения. Попадая в благоприятные условия водопровода (температура 25 – 45 ⁰С), они начинают размножаться. Заражение человека происходит при вдыхании мелких капель воды, содержащих бактерии, в том числе, например, при принятии душа.

Это позволяет существенно снизить суточную потребность домашнего хозяйства в биогазе для приготовления пищи и подогрева воды, Обычно она составляет 2 – 3 м³ природного газа, в сутки. Это эквивалентно 3,5 – 5 м³ и биогаза.

Поскольку подогрев субстрата в метантенке, размещенном на дне ССП осуществляется от теплоты рассола пруда, то режимы ферментации в нем в течение летнего периода различны. Они зависят от температуры, которой обладает рассол (рисунок 1).

а – точка окончания ферментации в термофильном режиме при температуре 53 ⁰С,

б – точка окончания ферментации в мезофильном режиме при температуре 35 ⁰С.

Рисунок 1 – Гипотетическое изменение режимов ферментации в метантенке биогазовой установки на базе солнечного соляного пруда в России в течение летнего периода

Весной при переходе с мезофильного на термофильный режим (левая часть рисунка 1), для повышения температуры субстрата в метантенке объемом 20 м³ с 35 до 53 ⁰С требуется около 420 кВт∙ч теплоты. При использовании для этой цели теплоты рассола пруда площадью 78,5 м² (диаметр пруда 10 м) температура рассола понизится примерно на 6 ⁰С.

Осенью, когда температура в ССП понижается, для поддержания эффективного температурного режима анаэробной обработки отходов животноводства к ним можно добавлять высокоэнергетические компоненты, увеличивающие выделение экзотермической теплоты при ферментации (сахарный жом, отходы пищевой промышленности с высоким содержанием жиров, силос, клеверозлаковая смесь и т.п.). Положение точек а и б (рис. 1) зависит от экзотермической теплоты ферментации (от деятельности бактерий).

То, что работа в термофильном режиме и использование теплоты рассола ССП, вместо биогаза, для поддержания температуры ферментации имеет свои неоспоримые преимущества, подтверждается результатами испытаний БГУ в фермерском хозяйстве Республики Казахстан.

Испытания были проведены сотрудниками Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства (КазНИИМЭСХ),
Барковым В.И., Токмолдаевым А.Б., Аблинановым В.А. и Сарыбаевым Б.А. [3]

Поскольку эти испытания наглядно отражают приведенные выше плюсы и минусы традиционных БГУ, приведем их максимально подробно.

Биореактор испытывался в режиме биообработки жидкого навоза КРС, поступающего на обработку из коровника на 40 голов. Технология содержания животных — смешанная (стойлово–выгульная).

Результаты испытаний и определения технологических параметров БГУ приведены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – Зависимости параметров метантенка от времени при нагреве в термофильном режиме

 Рисунок 3 – Выход биогаза в мезофильном и термофильном режимах

Анализ данных испытаний метантенка показывает, что время нагрева субстрата до мезофильной температуры составляет – 46 часов, а до термофильной температуры – 68 часа. Суточный расход твердого топлива (кизяка) составляет – 31 кг/сут., КПД топливного котла – 78,5 %. Производительность по навозу составляет 0,5 – 0,7 т/сут., по биогазу – 6,5…11,5 м³/сут. Выход биогаза в мезофильном режиме составляет 6,5 м³/сут., в термофильном режиме – 11,5 м³/сут. (рисунки 2 и 3).

При работе гидрозатвора в режиме теплообменника температура теплоносителя в нем колеблется в пределах 49 – 65 ⁰С, температура в загрузочной камере — 34 – 40 ⁰С, а в разгрузочной камере —– 32 – 40 ⁰С.

Исследования зависимости расхода биогаза при установке в топливном котле факельной и керамической горелок показали, что суточный расход биогаза с факельной газовой горелкой составляет 6,17 м³/сут (0,257 м³/час), а с керамической газовой горелкой – 4,8 м³/сут (0,2 м³/час).

Химический анализ проб органического удобрения, отобранных в процессе работы биогазовой установки (проба №1 – исходный навоз с влажностью 90 %, проба №2 – готовое органическое удобрение) показал высокое содержание питательных веществ (таблица 3).

Таблица 3 – Содержание питательных веществ в органическом удобрении

В 1 т сухого органического удобрения содержится: 16,52 кг азота (N), 23,2 кг фосфора (Р₂О₅), 21,6 кг калия (К₂ О). 

Анализ патогенной микрофлоры в органическом удобрении и эффективность обеззараживания, наличие яиц гельминтов и семян сорняков приведены в таблице 4.

Общее микробное обсеменение исходного навоза (коли-индекс) – 10⁹ КОЕ, после анаэробного сбраживания в биогазовой установке общее микробное обсеменение готового органического удобрения снизилось до 10⁷ КОЕ, таким образом, степень обеззараживания навоза в биогазовой установке составляет 99%. В органическом удобрении отсутствуют яйца гельминтов, а семена сорных растений полностью потеряли всхожесть.

Таблица 4 – Анализ патогенной микрофлоры в органическом удобрении и эффективность обеззараживания, наличие яиц гельминтов и семян сорняков

*коли-индекс: количество бактерий группы кишечных палочек в 1 дм³ воды.

По результатам авторами сделаны Выводы. В результате испытаний установлено, что биогазовая установка соответствует требованиям ГОСТ 31343-2007.

Производительность установки по биогазу составляет — 6,5 – 11,5 м³/сут., по удобрению — 0,5 – 0,7 т/сут., объем биореактора — 5 м³ , температура субстрата в биореакторе соответствует термофильному режиму — 52 – 54 ⁰С, расход биогаза на нагрев — 6,2 м³/сут, доза загрузки — 10 %, плотность полученного удобрения — 964,9 кг/м³, массовая доля сухого вещества — 4,7 %, эффективность обеззараживания навоза — 99 %.

По результатам приведенной в Казахстане работы следует, что для БГУ метантенк, которой размещен в ССП, для ускорения начала термофильного режима весной и мезофильного осенью (рисунок 1), снижения времени перерыва в выработке биогаза, целесообразно готовить в термостатированной емкости субстрат с колонией термофильных (мезофильных) бактерий анаэробного вида.

Наиболее типичными видами термофильных бактерий являются Methanobacterium soehngenii и Methanobacillus omelianskii.
Термофильные метановые бактерии обычно сопутствуют анаэробным целлюлозным бактериям или культивируются совместно с ними. Температурная граница их развития 45 – 69 °С. Особенность этих бактерий — их высокая скорость роста благодаря ускоренному обмену веществ. Наступление неблагоприятной (низкой) температуры переводит их в стадию покоя, в которой они могут пребывать неопределенное время.

А мезофильные бактерии, лучше всего растут (их оптимум для роста)
в температурных пределах 20 – 45 ⁰С. Свободноживущие мезофилы в холодные сезоны года неактивны. Ниже и выше температуры 20 – 45 ⁰С они находятся в состоянии покоя или смерти в зависимости от видовой принадлежности.

Поскольку в соответствии с таблицей 2 метантенки рассматриваемых БГУ различны, то различны и устройства (сооружения) непосредственно с ними связанные. Исходя из этого необходимые, для эксплуатации этих различных БГУ, разрешительных документов должны быть различны, как по видам (структуре), так и по стоимости.

В связи с тем, что БГУ обоих типов могут работать как в мезофильном, так и в термофильном режимах ферментации, вырабатываемые ими 2 вида удобрений будут одинаковы (таблица 5).

Различие будет в товарных объемах этих видов удобрений и биогаза (биометана), поскольку в традиционной БГУ значительная часть биогаза используется на поддержание температуры термофильного режима, а это не всегда приветствуется в хозяйствах и часто будет вынуждать собственника БГУ переходить на мезофильный режим работы.

Таблица 5 – Перечень видов продукции (удобрений), вырабатываемой при эксплуатации биогазовых установок, и области их использования.

Одним из аргументов повышения стоимости эффлюента, полученного при термофильном режиме является потеря всхожести семян сорняков

В таблице 6, из ГОСТ 31343-2007, приведены оценки всхожести семян сорняков, и далее приведены примеры по методам оценки.

Таблица 6 – Шкала оценки по запасам всхожести семян сорняков

Многократные анализы навоза, компостов и других удобрений показывают, что всхожесть семян основных видов сорняков составляет от 10% до 30%. Поэтому в отдельных случаях допускается оценка органических удобрений по общему запасу семян. Для этого может быть использована предложенная шкала (таблица 6). При этом полученный результат анализов необходимо разделить на 10.

Пример – В 1 т подстилочного навоза содержится 5,1 млн семян сорняков. Для оценки качества такого навоза по предлагаемой шкале 5,1 млн разделить на 10, получим 510 тысяч. Содержание семян сорных растений в таком навозе оценивается в 3 балла (высокий запас семян). Следовательно, внесение такого навоза в почву создает сильную засоренность посевов.

Исходя из этого самое главное — разработка и регистрация стандарта предприятия на эффлюент (effuent) — органическое удобрение, полученное в результате анаэробной переработки органических отходов в метантенках (фугата (fugat) – жидкой фракции эффлюента, шлама (schlam) – твердой фракции эффлюента) (ГОСТ Р 52808-2007).

Ведь только при условии надлежащей реализации эффлюента возможен коммерческий успех любого биогазового проекта.

Для успешной эксплуатации БГУ, необходимо:

заключение долгосрочного договора на утилизацию органических отходов 3 и 4 класса опасности согласно Постановлению от 12 июля 2003 г. №344;

заключение долгосрочного договора с сетью оптовой и розничной торговли на покупку органических удобрений по ценам, соответствующим цене замещаемым минеральным удобрениям с учетом класса опасности (гигиенический сертификат) в т.ч. для комнатных растений.

Для этого необходимы разрешительные документы (таблица 7).

Таблица 7 – Перечень необходимых разрешительных документов (гигиенических сертификатов) для использования в личных целях и реализации на потребительском рынке продукции, вырабатываемой биогазовыми установками.

В качестве разрешительных документов (заключений, рекомендаций) ряд организаций использует:

санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека;

протоколы испытаний аккредитованных лабораторий и центров экспертизы;

рекомендации и заключения ведущих научно-исследовательских организаций, в том числе Заключение Российского Государственного Аграрного Университета – МСХА имени К.А.Тимирязева;

заключение экологического факультета Российского Университета Дружбы Народов.

Исходя из проведенного анализа, перспективным представляется, более расширенное использования солнечной энергии, аккумулированной солнечным соляным прудом, по сравнению с приведенным в [4].

Энергию солнечного соляного рва (пруда в форме кольца, охватывающего придонную боковую поверхность метантенка) можно использовать для подогрева субстрата и для больших биогазовых установок (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема метантенка большого объема с солнечным соляным рвом

1 – метантенк, 2 – солнечный соляной ров ( кольцевой пруд), 3 – прямое солнечное излучение, 4 – отраженное солнечное излучение, 5 – субстрат, 6 – наружный кольцевой зазор между солнечным соляным рвом 2 и внутренним объемом метантенка 1, 7 – внутренний кольцевой зазор между солнечным соляным рвом 2 и внутренним объемом метантенка 1, 8 – теплоизоляция метантенка 1, 9 – отражатель солнечного излучения.

Метантенк 1 (рис. 4) размещен на дне пруда 2, в который поступает прямое солнечное излучение 3 и отраженное от боковой наружной поверхности метантенка 1 солнечное излучение 4.

Поддержание необходимой температуры ферментации в метантенке 1, за счет использования солнечной энергии (теплоты рассола рва 2) обеспечивается следующим образом.

При заполнении наружного 6 и внутреннего 7 кольцевых зазоров водой поступление тепла из солнечного соляного пруда 2 к субстрату 5 в метантенке 1 максимально. Это обеспечивает, при необходимости, ускоренный нагрев сырья до требуемой температуры ферментации. После нагрева субстрата до требуемой температуры, производится слив воды из наружного 6 или внутреннего 7 зазоров, и их осушение. В результате интенсивность поступления тепла из солнечного соляного пруда 2 через воздушные зазоры 6 и 7 уменьшается в десятки-сотни раз, по сравнению с тем, когда они были заполнены водой. Можно осушать и один из зазоров.

Дальнейшее поддержание температуры субстрата в требуемых пределах можно обеспечивать как за счет синхронного регулирования подачи «горячего» сырья и отвода эффлюента, так и за счет периодического заполнения зазоров 6 и 7 водой и создания в этих зазорах низкого вакуума.

Такая комбинированная установка генерации биогаза может обеспечить работу метантенка 1 в термофильном режиме, в первую очередь в странах с жарким климатом (Кыргызстан, Узбекистан, Таджикистан) без затрат вырабатываемого биогаза на собственные технологические нужды. Это очень актуально, если затем биометан используется в качестве моторного топлива, для обжига кирпича, освещения, для производства асфальта, выработки пара и для других технологических процессов, где нужна температура намного превышающая 100 ⁰С.

В зазоре 6, при осушенном зазоре 7, в течение всего летнего периода можно подогревать воду для приготовления субстрата.

Кроме того в зазоре 6, при осушенном зазоре 7, можно подогревать воду весной, для использования при поливе в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемую температуру не только воздуха но и грунта, т.к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 м составляет 8,7 ⁰С, на глубине 0,8 м — 5,1 ⁰С, а на глубине 1,6 м — всего 0,9 ⁰С.

При осушенном зазоре 6, прокачкой холодной воды по зазору 7 можно охлаждать субстрат.

Для более эффективного аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным рвом, с северной стороны метантенка 1 (рисунок 4) надо установить отражатель 9 (концентратор солнечной энергии), который будет направлять отраженное солнечное излучение в северную часть рва (пруда) в наиболее солнечное, полуденное, до и послеполуденное время.

Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из-за разлива рек, бездорожья и т.д.

БГУ такого типа позволят более эффективно обеспечивать, за счет вырабатываемого удобрения подержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.

Прибыть от эксплуатации БГУ зависит от многих факторов, включая продажи «побочных» продуктов. Самую значительную прибавку к прибыли от продажи биометана можно получать от реализации жидких удобрений, поскольку это высоколиквидная продукция, пользующая постоянным спросом. Спрос на удобрения есть всегда, поскольку непреложным фактором функционирования аграрной биосистемы является баланс между внесением в почву и выносом из неё энергии в виде питательных веществ: внесение их должно быть не менее выноса.

При выработке биогаза использование солнечной энергии для подогрева субстрата в большом метантенке позволит летом и осенью применять термофильный режим ферментации, В этом случае при том же объеме метантенка выход биогаза увеличится в 1,5 – 2 раза.

Выводы

Стоимость БГУ с солнечным соляным прудом значительно ниже стоимости традиционной БГУ, при одинаковых объемах метантенков. При этом использование термофильного режима ферментации в них дополнительно ведет к снижению стоимости 1 кВт их установленной мощности.

За летний период эксплуатации БГУ с ССП, при работе большую часть времени в термофильном режиме, можно получать больше товарного биогаза, по сравнению с традиционной БГУ.

Поскольку эффективность обеззараживания удобрения у БГУ с ССП выше, то и доход от реализации удобрений будет также выше.

Модернизация с использованием солнечного соляного пруда БГУ, позволит уменьшить вес удельных капитальных затрат в 1,5 – 2 раза (в расчете на единицу мощности) и повысить рентабельность биогазовых проектов.

Перспективным представляется использования энергии солнечного соляного рва, пруда — в форме кольца, для подогрева и поддержания температуры ферментации субстрата в БГУ больших размеров.

Список использованной литературы

1 Ковалев А.А. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва – 2014.

2 Осадчий Г.Б. Гелиометантенк-реактор биогазовой установки // Промышленная энергетика. 2006, №12, С. 42 – 43.

3 rusnauka.com›6_PNI_2011/Agricole/2_79078.doc.htm

4 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

Однако все эти методики и показатели обходят стороной (не учитывают) воздействие технологических переделов на основу основ физиологического существования человека — поверхностный слой почвы.
Оценка систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сравнении с традиционной энергетикой по приведенным затратам, сроку окупаемости — это не тот единственный критический показатель, по которому можно судить об эффективности использования ВИЭ, поскольку кроме всего прочего её системами и установками вырабатывается «зеленая» энергия, не приводящая к снижению плодородия почвы. В этом показателе также заложена неопределенность — изменение цены «энергоемкости» при низком коэффициенте использования установленной мощности, изменении КПД в течение срока службы проекта (системы, установки) и т.д. Кроме того в нем (показателе) как и в остальных, не находят свое отражение дополнительные социально-экологические преимущества получаемые при использовании систем и установок энергетики ВИЭ. А ведь известно, что российские и зарубежные оценки прямых социальных-экономических затрат, связанных, с вредным воздействием электростанций, вырабатывающих электроэнергию за счет сжигания органического топлива: включая болезни и снижение продолжительности жизни людей; оплату медицинского обслуживания, потери производства, снижения плодородия почв, а значит и урожая в обозримом будущем, восстановления лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы дают величину, добавляющую около 75 % мировых цен на топливо и энергию. По источнику [1] эти затраты для угольных ТЭС выше.
Кроме того, сравнительную экономическую оценку (энергоемкость), например, теплоснабжения от сжигания дров и солнечной энергии, очень трудно привести к одному знаменателю. Ведь экономические потери от вырубки леса выражаются в уменьшении продуцирования кислорода, поглощения вредных газов, насыщения воздуха фитонцидами и т.д. Лес дает 40 % кислорода земной атмосферы, а океан 60 %. Охранно-защитные и рекреационные функции лесов, само собой, разумеется, являются не перевозимыми.
В свою очередь конкурентноспособность — экономическая эффективность систем энергетики ВИЭ напрямую зависит от показателя децентрализации потребителя энергии — чем удаленнее потребитель от основных магистралей, и чем меньше энергопотребление, тем более выгодно освоение систем работающих от ВИЭ. В этой связи может быть использовано много методик и показателей оценки эффективности использования ВИЭ в сферах сельскохозяйственного производства, быта, отдыха и т.д. не обращаясь к критерию конкурентноспособность.
Опираясь на эти положения, рассмотрим работу отдельно взятой системы или установки энергетики ВИЭ.
Экономическая эффективность подобных систем и установок, обычно складывается из социального, экономического и экологического эффектов, или из социально-эколого-экономической эффективности.
С учетом приведенных критериев рассмотрим дополнительную эколого-социально-экономическую эффективность системы энергетики ВИЭ связанную с сохранением плодородия почв, по сравнению с традиционным энергоснабжением от топливной энергетики и самозаготовок на селе местных видов топлива.
При определении для зональной экосистемы эколого-социально-экономической эффективности любой из технологий энергетики ВИЭ, нельзя пренебрегать, дополнительными показателями приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура предотвращенного снижения плодородия почвы за счет использования отдельно взятой системы и установки энергетики ВИЭ

Рисунок 1 содержит основные составляющие предотвращения снижения плодородия почвы почти каждой, отдельно рассматриваемой технологии энергетики ВИЭ, без учета распространения на зональную экосистему многогранных социальных и вторичных (сопутствующих) экономических эффектов (результатов).
Как видим народнохозяйственный эффект использования любой технологии энергетики ВИЭ, может состоять не только в производстве электроэнергии, холода и теплоты, но и в сохранении при этом плодородия почвы (в том числе за счет использования зимой биометана). Это — принципиальное преимущество энергетики ВИЭ, и его необходимо учитывать при определении эффективности использования её технологий по сравнению с установками, использующими органическое топливо.
Ведь при сохранении плодородия почв не возникает (не растет) в этой сфере, если можно так выразиться, гумусный «предпродовольственный долг поколения», который не так уж и мал, если учитывать современные темпы опустынивания.
Поэтому основной полезный результат от использования энергетики ВИЭ в этом ракурсе может быть представлен в виде суммы слагаемых

,

где  — полученная «зеленая» энергия;  — предотвращенный ущерб от деградации почвы (сохраненный гумус) при получении «зеленой» энергии.
Методологию оценки эффективности энергоснабжения в части  можно свести к сравнению с соразмерными установками, вырабатывающими для него, электроэнергию и ЛЭП и т.п..
Это равенство, с соответствующей корректировкой, применимо ко всем технологиям использования ВИЭ. Оно позволяют учесть принципиальную особенность ВИЭ — возобновляемость. Обычно при сравнении энергоустановок, использующих ВИЭ и органическое топливо, учитывается тождество сопоставимых вариантов в части . Например, считается, что гелиоустановка эффективна, если затраты на неё не превышают затраты на топливо, которое израсходует установка такой же мощности на органическом топливе. А такое преимущество при использовании, например, энергии Солнца, как сохранение гумуса, остается вне поля зрения.
Экономия ресурсов Земли становится все более важной задачей, и учет многогранных последствий от их сохранения, несомненно, будет давать более объективную оценку эффективности использования ВИЭ и энергосбережения.
Народнохозяйственный эффект от сохранения гумуса в земле при использовании ВИЭ можно оценивать как

, руб.

где  — количество гумуса сэкономленного в экосистеме которое раньше расходовалось на выращивание растительной продукции, используемой в качестве топлива при самозаготовке, в год;  – коэффициент учитывающий прирост первичного гумуса при нахождении «пашни под парами» ();  — удельная оценка (цена) сохранения гумуса в почве.
При определении эффективности системы энергетики ВИЭ требуется также учет и анализ расхода не только денежных ресурсов (капитальных вложений, текущих затрат), но также сырьевых – экономия удобрений, чистой воды на полив, а значит сопутствующих им топливных, транспортных, материальных и трудовых ресурсов в натуральном выражении, изменения которых для сравниваемых вариантов надо определять последовательно.
Солнечная энергия является экологически чистым видом топливно-энергетического ресурса, что необходимо учитывать в виде экологического эффекта. Воздействие выбросов (СО₂) при сжигании биометана на окружающую среду условно принимаемнулевым, поскольку в природных условиях из органической биомассы (отходов), которая обеспечила получение биометана в биореакторе, в атмосферу за счет естественного брожения выделился бы биометан. А вот преобразование органических отходов в биометан и удобрения необходимо учитывать в виде экологического эффекта, уменьшающего загрязнение почвы и окружающей среды далеко не безвредными концентрированными отходами животноводства.
Использование биометана не требует очистных сооружений для биогазовых установок энергетики ВИЭ (очистка биогаза от вредных газов осуществляется в технологическом цикле биогазовой установки).
Поэтому экологический эффект  (руб.) может быть учтен как предотвращенный ущерб благодаря отсутствию вредных сбросов в почву и выбросов в результате использования солнечной энергии системой (дезинфекция отходов животноводства при получении биометана условно не учитывается).

где , — количество вредных выбросов различных видов  в атмосферу, почву и воду соответственно, при сжигании 1 т топлива;  — удельный ущерб от этих выбросов в атмосфере, почве и воде (минус это когда выбросы положительно влияют, например, на почву — для известкования кислых почв и удобрения используется зола, которая имеет полезные микроэлементы и соединения калия).
Удельный ущерб () при одинаковых выбросах в атмосферу для каждой экосистемы свой, он зависит от предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ , которые зависят от двух факторов:

где  — предельно допустимый выброс в q-вещества в атмосферу r-пункта;  — предельно допустимая концентрация q-вещества в атмосфере r-пункта;  — метеорологический коэффициент разбавления q-вещества в воздухе r-пункта (если котельная расположена на берегу моря, то днем, когда дуют морские бризы (ветер с моря на сушу) будет «закрываться» выбросами одна и та же часть суши, что резко уменьшает фотосинтез. На удалении от берега ветер часто меняет направление, из-за этого удельный ущерб за счет разбавления будет другим);
Считается, что оба фактора в большинстве случаев количественно известны. Задача стоит в определении достаточно обоснованных величин . От достоверности этих показателей, зависит надежность расчетов.
Также можно определять удельные ущербы , при этом при одинаковых выбросах в почву и воду для каждого вида почв и водного объекта они будут свои в зависимости от коэффициентов разбавления и т.д.
Аналогично можно определять экологический эффект  как предотвращенный ущерб почве благодаря уменьшению вредных выбросов при создании и добыче и транспортировке энергоносителя.
При оценке ущерба водным объектам можно исходить из уровня содержания растворимого кислорода (РК) в воде и органических отходов.
Так же как и при загрязнении почвы и воздуха, почти нет предела разнообразию загрязнителей, которые могут сбрасываться, и сбрасываются в водную среду. Это термальные и радиоактивные загрязнители; производящие изменения в качестве окружающих вод. Они имеют различные последствия для человека и живого мира, тем самым сокращая ценности, которые могут быть прямо или, косвенно получены человеком из окружающей среды. Основные источники органических разлагаемых загрязнителей вод — это промышленность, ТЭЦ, ТЭС, сельское хозяйство, бытовое хозяйство и слив дождевых вод в городах. Если сброс органических загрязнителей в конкретном месте не слишком большой, содержание РК в реке (водоеме) сначала уменьшается до определенного уровня, а затем снова восстанавливается (при условии, что не происходит других сбросов по течению реки). А если объем сброшенных в воду органических веществ, превышает определенный уровень, процесс их разложения может привести к истощению РК.
Ущерб от многих промышленных стоков очень высок — содержание кислорода в воде резко снижается, т.к. эти стоки часто имеют биологическую потребность в кислороде намного выше, чем коммунально-бытовые стоки.
Высокие уровни РК — от 7 до 8 частей на миллион (мг/л) — необходимы для некоторых важных сортов рыбы (8 – 10 мг/л — стадия насыщения кислородом в большинстве рек и озер России в летний период). Для большинства же рыб более низкие уровни кислорода — 4 – 5 мг/л — вполне подходящие для жизненного цикла. Однако при уровне РК ниже 2 – 3 мг/л могут выживать только карп и некоторые другие не столь ценные сорта рыбы.
Кроме уменьшения РК как такового, сброс органических отходов может иметь и другие нежелательные последствия для водных источников. В ходе их разложения образуются питательные вещества для водорослей, и стимулирующие их рост. Опасность чрезмерного роста водорослей и эвтрофикации водоемов — одна из наиболее трудноразрешимых задач в управлении качеством водной среды, особенно в озерах, заливах и эстуариях.
Неразлагаемые загрязнители вод не перерабатываются речной биотой. Для большинства из этих загрязнителей единственные существенные изменения, которые могут происходить в поверхностных водах — растворение и осаждение, в подземных водах — осаждение и абсорбция. Эта группа состоит из различных неорганических химикатов, включая тяжелые металлы, частицы почвы и разные типы коллоидных веществ. Когда все эти вещества накапливаются в достаточно больших объемах, они могут оказаться ядовитыми по отношению к некоторым формам жизни, привести к помутнению вод, порождать неприятные запахи, увеличивать жесткость воды и, особенно в присутствии хлоридов, вызывать коррозию металлов.
Вода, в ряде случаев становится непригодной для орошения и полива, причем, не только, для выращиваемого урожая, но её гнилость наносит ущерб почве снижая её плодородие в будущем, выводя целые поля из севооборота.
Как видно из анализа определяющих экологическую эффективность показателей, использование ВИЭ позволяет существенно уменьшить нагрузку на биосферу, понизить эргодемографический индекс территории.
Однако, природа слишком сложна чтобы можно было однозначно утверждать, что ущерб можно достоверно определять по таким простым параметрам, и вот почему. Потенциальное генетическое разнообразие особей внутри любого вида животных и растений равно 10⁵⁰. Приблизительно тем же числом (10⁴⁵ – 10⁴⁸) оценивается количество всевозможных вариантов окружающей эти виды среды. Любой практически неповторимый организм может попасть во все многообразие ситуаций среды жизни, не только абиотической, но и внутри своего вида (в микропопуляциях, популяциях), а также внутри минузии, консорции, биоценоза. Даже если считать несущественной генетическую разнокачественность организмов, а пытаться управлять лишь средой жизни, то в каждый из моментов придется перебирать около 10⁵⁰ вариантов. Для управления необходимо знать то, что есть сейчас и что будет в ближайшем и отдаленном будущем, то есть если принять на себя прогноз развития природных систем, то число вариантов безмерно возрастает.
Вот наглядный пример тому, что способность экосистем к самоочищению и самовосстановлению неоднозначна.
На Крайнем Севере самоочищение рек происходит фактически на расстоянии до 2000 км от источника загрязнения, в то время как в умеренной зоне этот процесс может завершиться всего в пределах 200 – 300 км.
И в тоже время, определенный интерес представляет использование отходов сжигания, например, угля, торфа и сланцев. Зола угольная и сланцевая широко используется для раскисления почв и производства углетуков (удобрений) стимуляторов роста растений. Зола подмосковных углей содержит 37 – 38 % окиси алюминия, а нефелиновый концентрат кольских апатитовых месторождений — всего 29,5 %. Зола торфа востребована в фармакологии.
Эффект от использования этих отходов (угля, сланцев) может быть учтен следующим образом (если на них есть покупатель)

 руб.

где  (т)— годовая экономия угля в натуральном выражении ( — экономия угля при получении энергии;  — экономия угля за счет отказа от транспорта высвобожденного угля );  — цена заменяемого сырья, массой равной количеству отходов образовавшихся, при сжигании 1 т угля (сланца), руб./т;  и  — содержание полезного компонента соответственно в отходах и в заменяемом кондиционном сырье, %;  — коэффициент замены.
При сооружении, например, для системы энергоснабжения котлованов под солнечный соляной пруд и котлован со льдом верхний плодоносный слой земли (чернозём, гумус) может быть продан, а значит эффект от его реализации будет снижать стоимость системы энергетики ВИЭ. А если он будет использован для улучшения плодородия почвы собственника системы энергетики ВИЭ, то годовой эффект от этого будет выражаться в повышении урожая выращиваемых культур, компенсируя уменьшение площади участка, использованной под пруд и котлован.
При использовании солнечной энергии, энергии воды/льда и биометана отсутствуют риски, возникающие, например, при использовании угля, сжиженного газа, мазута, когда при их доставке возможно проникновение, закрепление или распространение вредных организмов (в том числе колорадских жуков, саранчи), заболеваний, переносчиков болезней или болезнетворных организмов, а также сорных растений транспортными средствами. Не нужны обязательные и дорогостоящие, при их надлежащем исполнении, ветеринарно-санитарные и фитосанитарные меры и процедуры.
В качестве примера важности фитосанитарного контроля можно привести следующий факт, правда, не касающийся поставок топлива.
В июле 2012 г. в Омскую область на Лузинский комбикормовый завод доставили партию шрота соевого из Приморского края железнодорожным транспортом, в которой специалистами Россельхознадзора при проведении карантинного фитосанитарного досмотра партии были обнаружены семена амброзии полыннолистной. Вес груза — 126 тонн. Данный сорняк опасен как для растений (амброзия засоряет все полевые культуры, подавляя их рост и развитие), так и для здоровья человека. В период цветения сорняк выделяет огромное количество пыльцы, которая, попадая в организм человека, вызывает аллергию. Чтобы предотвратить распространение этого сорняка по области, было принято решение отправить засоренные партии шрота соевого на промышленную переработку, в ходе которой семена карантинного сорняка будут лишены жизнеспособности.
Поэтому ветеринарно-санитарный эффект  может быть учтен как предотвращенный ущерб благодаря отсутствию завоза топлива, а с топливом вредных организмов и переносчиков болезней, сорных трав при использовании системами солнечной энергии и биометана:

 руб.

где  — количество вредных живых существ, сорных растений различных видов , могущих проникнуть на территорию, при завозе 1 т топлива;  — удельный ущерб от этих вредных живых существ и сорных растений различных видов .
Кратко перечислим некоторые факты [2], которые подтверждают обоснованность приведенных в разноцветных рамках на рисунке 1 утверждениях, и нераскрытых далее, в виде математических зависимостей, которые (факты) также будут их (зависимости) дополнять и разъяснять.
При нынешних темпах развития цивилизации не получается резервировать слишком большие участки Природы и тратить на её охрану слишком много средств, т.к. это приводит к большим экономическим потерям для общества. На рисунке 2 изображены вероятные сценарии развития общества (территории) в зависимости от отношения к экологии.

Рисунок 2 – Гипотетическое изменение эффективности общественного производства во времени по Н.Э. Смирнову

а) – при полном отсутствии каких-либо экологических требований к производству; б) – при запрещении всякого загрязнения окружающей среды; в) – при наличии технологического базиса, обеспечивающего удовлетворение общественных потребностей (сознательно ограниченных обществом в пользу чистой окружающей среды) и являющегося наиболее «чистым» из возможных, в экологическом смысле.
Как видно из рисунка 2 эффективное развитие общества на долгосрочную перспективу возможно только при добровольном отказе его членов от погони за одними только материальными ценностями.
Резкое ухудшение экологической обстановки в России связано с тем, что многие выбрасываемые в окружающую среду вещества, в том числе канцерогенные, в форме твердых частиц или в растворенном состоянии накапливаются в ней. В связи с этим на установленные сегодня уровни предельно-допустимых концентраций (ПДК) постоянно ориентироваться нельзя. Для поддержания качества окружающей среды на приемлемом уровне необходимо через все более суживающиеся отрезки времени изменять ПДК в сторону ужесточения, что, не практикуется.
Более 99 % всех выбросов ТЭС поступает в атмосферу из высоких дымовых труб, создавая «пятнами» наибольшие приземные концентрации на расстоянии нескольких километров от ТЭС в зависимости от скорости ветра и его направления.
В настоящее время самым мощным источником поступления естественных радионуклидов в окружающую среду являются объекты ТЭК на органическом топливе — угле, сланце, нефти. При сгорании органического топлива в атмосферу с дымовыми выбросами поступают радиоактивные элементы ⁴⁰К, ²³⁸U, ²²⁶Ra, ²³²Th и продукты их распада. При зольности угля 10 % и коэффициенте очистки образующейся золы — 0,975 объекты ТЭК, согласно расчетным данным, выбрасывают в атмосферу за год, ГБк: 4,0 — ⁴⁰К, 1,5 — ²³⁸U и ²²⁶Ra, 5,0 — ²¹⁰Pb и радония-210, 1,5 —²³²Th с продуктами их распада. В действительности объекты ТЭК дают более высокое значение выбросов естественных радионуклидов в окружающую среду. Эффективная эквивалентная доза в результате выбросов угольной ТЭЦ существенно (в 5 – 40 раз) больше, чем АЭС равной мощности, даже если принять коэффициент очистки выбросов золы ТЭЦ равным 0,975. А очистка дымовых газов это дорогое удовольствие — капитальные затраты на сооружение блоков очистки дымовых газов при переводе ТЭС с газа на уголь составляют 186 – 264 тыс. $ на 1 МВт установленной мощности.
Кроме того уголь чрезвычайно грязен, его добыча опасна и наносит вред, окружающей среде, т.к. при его сжигании выделяется больше СО₂ на единицу полученной энергии, чем от других ископаемых видов топлива. Существует значительное нарушение почвенного покрова при добыче угля. Хороший, «экспортный» уголь часто дефицитен. Так, в Омске его можно приобрести только с мая по август. А при растопке печей с рядовым углем чрезмерное использование дров приводит к тому, что большая часть горючей массы (летучие вещества) угля просто возгоняется и выносится с продуктами сгорания дров, т.е. много энергии бесполезно уходит в трубу. И только при использовании высококачественного сортового угля можно сократить в 2 раза количество дров при растопке, т.к. качество угля гарантировано и постоянно. В ряде случаев необходим подогрев угольный пыли перед сжиганием. А хранение угля приводит к значительным его потерям. Явление самопроизвольного возгорания угля при хранении имеет довольно широкое распространение. Основной причиной этого является адсорбция углем кислорода и повышение его температуры за счет процессов окисления (медленного горения).
По оценкам специалистов Института проблем рынка РАН, прямой годовой экономический ущерб, вследствие, негативных антропогенных воздействий на окружающую среду в России в середине 90-х годов составлял порядка 10 % от величины ВВП.
На государственном уровне годовой экономический результат  от энергетики ВИЭ может проявляться в стоимости сохраненных для будущих поколений природных ресурсов  (нефти, угля, газа), в возможном увеличении прибыли от продажи экспортно-ориентированных видов природных ресурсов , а также в выручке от продажи квот на выброс парниковых газов (СО, СО₂) в соответствии с Киотским протоколом ():

где   ;
– цена единицы природных ресурсов;  – количество сберегаемых природных ресурсов;  – рыночная цена экспортируемого природного ресурса;  – объем (масса) экспортируемого ресурса;  – затраты, связанные с экспортом;  – цена на выброс единицы парникового газа;  – масса выброса загрязняющих веществ, передаваемых по Киотскому протоколу другим странам.
Кроме этого в этот годовой экономический эффект должны включаться выгоды, связанные с пропорциональным уменьшением образования отходов.
Сейчас часть мирового сообщества обеспокоенная выбросами СО₂ усиленно пропагандирует использование биомассы. Мотивация — при сжигании биомассы действительно выделяется СО₂, но он ранее был поглощен растениями из атмосферы. Поэтому биомасса считается нейтральной с точки зрения выбросов СО₂ при условии возобновления зеленых насаждений в достаточном объеме.
Однако, не все так просто и здесь. Использование биомассы в качестве энергоресурса биологи считают следствием невежества, ибо изъятие биомассы из общей цепи взаимосвязанных биопроцессов на Земле нарушает равновесие биосистемы (продуктивности зональных экосистем), что может повлечь за собой непредсказуемые негативные последствия. Например, если в лесу старое дерево падает и гниет, то на его месте вырастает новое такое же дерево. Но если упавшее дерево убирают из леса, то вследствие истощения почвы второе дерево будет хуже первого, третье второго и так далее.
Нетронутая тайга сохраняется тысячелетиями, а систематическая рубка деревьев превращает могучие леса в чахлое редколесье (лесостепи), лесостепи в степи и так далее. То же самое происходит и при культурном земледелии: Ежегодное удаление с полей не только урожая, но и соломы снижает плодородие почвы, её природно-ресурсный потенциал. Его приходится восстанавливать внесением искусственных удобрений, затраты энергии на производство которых превосходят количество энергии, получаемой от использования соломы в энергоустановках.
Кроме этого для исключения распространения пыли от промышленных предприятий, ТЭЦ, ТЭС и т.д. необходимовосстанавливать леса, а не пропагандировать использование древесины в качестве возобновляемого органического топлива, и вот почему.
Листовая поверхность в 1 м² задерживает 1,5 – 3,0 г пыли. Корневая система растений закрепляет почву и тем самым уменьшает площадь, которая может быть источником запыления среды.
Зеленые насаждения на площади в 1 га за год очищают воздух от 50 – 70 т пыли, уменьшая её концентрацию на 30 – 40 %.
Пыль в лесу, высота которого 23 м, распространяется следующим образом: до 100 м вглубь леса — 65 %, до 400 м — 38, до 1000 м — 25, до 2000 м — 10, до 3000 м — 5 %.
Зелень на улицах города может в 2 – 3 раза снизить запыленность атмосферы по сравнению с улицами без зелени. Распространению или движению пыли препятствуют не только деревья и кустарники, но и газоны, которые задерживают поступательное движение пыли, перегоняемой ветром из различных мест.
Пылезадерживающие свойства различных пород деревьев и кустарников неодинаковы и зависят от морфологических особенностей листьев. Лучше всего задерживают пыль шершавые листья, а также с поверхностью, покрытой ворсинками. Гладкие, глянцевые листья осины и тополя бальзамического задерживают в 6,3, а дуба в 2,3 раза меньше пыли, чем шероховатые листья вяза. На верхушке вяза высотой 13 м пыли остается в 8 раз меньше, чем на высоте 1,5 м. Это объясняется сдуванием пыли ветром и смыванием её дождем с вершин деревьев. Ежегодно фильтруется сквозь кроны еловых древостоев 32 т, сосновых — 36 т, дубовых — 54 т, а сквозь кроны буковых древостоев — до 68 т пыли. Березняки за вегетационный период сдерживают 1 – 2,3 т пыли. Молодые тополевые насаждения, в которых на 1 га приходится всего 400 деревьев, способны собирать на листьях в течение того же периода около 340 кг пыли.
Для пылезащитных посадок целесообразно применять кроме лиственных также устойчивые хвойные растения — ель колючую и белую, сосну черную, можжевельники — обыкновенный, вергинский. На единицу массы хвои оседает пыли примерно в 1,5 раза больше, чем на единицу массы листа. Кроме того, в зимнее время эффективность хвойных посадок намного выше, чем лиственных.
Лес отфильтровывает из воздуха даже радиоактивную пыль. Установлено, что листья и хвоя деревьев могут захватывать до 50 % этой пыли, защищая посевы от радиоактивных загрязнений. Полезащитные полосы могут задерживать содержащиеся в воздухе радиоактивные аэрозоли, снижая плотность загрязнений полей и пастбищ.
Зональные экосистемы равномерно изменяются по природным зонам РФ, и характеризуются интенсивностью биогеохимических процессов в окружающей среде. Поддержание этих процессов на типичном для природной зоны уровне является важным условием нормального функционирования природных систем, сохранения их устойчивости. Продуктивность в экологических исследованиях отражает скорость образования органического вещества в процессе усвоения живыми организмами (главным образом, зелеными растениями) лучистой энергии Солнца. При этом она выступает как результат совокупного воздействия на биоту различных факторов: солнечного излучения, газового состава атмосферы, водного режима, минерального состава почв. Трансформация этих факторов под влиянием антропогенной деятельности, меняя интенсивность природных процессов, отражается на продуктивности зональных экосистем. Причем любое неконтролируемое изменение зональной продуктивности экосистемы (природных комплексов) в конечном счете, ведет к её деградации.
Даже искусственное повышение продуктивности зональных экосистем за счет трансформации в сельскохозяйственные угодья, вызывая рассогласование эволюционно сложившихся биогеохимических процессов, приводит к нежелательным социально-экономическим последствиям. Так, расширение площади пахотных земель в лесостепной зоне Сибири послужило причиной активизации эрозионных процессов. В настоящее время более 6 млн га пахотных угодий зоны эродировано. Наиболее угрожающие размеры эрозия приобретает в Алтайском крае, Новосибирской и Кемеровской областях. Как, видим — это экологическое бедствие вызвано; не вредными выбросами, а желанием «бесплатно» взять от природы много и сразу.
Расчеты, выполненные Ю. Одумом, свидетельствуют, что человек не должен стремиться получать более ⅓ «валовой» (или половины «чистой») продукции экосистемы, если не в состоянии компенсировать те «механизмы самообслуживания», которые развились в природе. Только в этом случае можно обеспечить долговременное поддержание продуктивности в природных системах. Таким образом, ориентация планирования на показатели продуктивности зональных экосистем является необходимым условием оптимизации использования природно-ресурсного потенциала регионов. Это позволит не только предвидеть возможные изменения качества природной среды, но и принимать меры по предотвращению её деградации, основываясь на зональных особенностях воспроизводства биологических ресурсов. Это ещё раз убедительно подтверждает правоту В.И. Вернадского, в том, что именно биологические, а не физико-химические и геологические закономерности определяют темпы и масштабы трансформации вещества и энергии в природной среде.
Решением самого нижнего уровня жизнеобеспечения, как отдельного человека, так и мирового сообщества является решение проблемы голода.
Поскольку экологически чистые продукты можно получить только на землях, не отравленных золой ТЭЦ, пестицидами, излишним количеством минеральных удобрений, нитратами, то в этой связи на первое место, кроме наличия соответствующей техники, выходит вопрос о ресурсе земли и поддержании её плодородия в настоящее время и на дальнейшие периоды.
Земледельцам и науке давно известно, что одним из важнейших показателей плодородия является содержание в почве органического вещества или гумуса. Чем больше его, тем лучше водный, воздушный и тепловой режимы плодородного слоя земли, тем богаче он основными элементами питания растений, тем активнее в нем идет процесс создания живого, из «неживого».
Известно также, что почва — это живой организм, комплекс микро-и макрофауны (микроорганизмов и почвенных животных) в сочетании с элементами «неживого» минерального и органического вещества, находящийся в тесном взаимообменом процессе. Почвенная микро-и макрофауна является создателем почв. В числе многих гумифакторов главная роль в этом процессе, несомненно, принадлежит дождевым червям, как массовым животным, мощным землероям и поглотителям почвы.
Вес червей составляет от 50 до 72 % всей биомассы почвы; общее их количество в почве (в период до химизации ее) составляло от 500 тыс. до 20 млн особей/га, а всей биомассы их — от 250 до 10000 кг/га (это в десятки раз больше, чем наземных животных на той же площади). Ведущая роль дождевых червей в процессе почвообразования состоит в следующем. Поглощая вместе с минеральной частью почвы огромное количество мертвых растительных остатков (пожнивных, корневые остатки, опавшие листья), микробов, грибов, водорослей, нематод и прочих органических соединений, эти черви уничтожают и переваривают их.
При этом в пищеварительном тракте червей формируются гумусные вещества. Они отличаются по химическому составу от гумуса, образующегося в почве при участии только микрофлоры. В пищеварительном канале червей развиваются процессы полимеризации низкомолекулярных продуктов распада органических веществ и формируются молекулы гуминовых кислот, которые вступают в комплексные соединения с минеральными компонентами почвы (гуматы лития, калия, натрия, кальция и т.д.), образуя стабильные агрегаты, долго сохраняющиеся в почве. Все это поступает в почву в виде копролитов (копрос — испражнения, литос — камень) — гранул, отличающихся прочностью, водоёмкостью, водостойкостью, гидрофильностью, содержащих огромное количество собственной кишечной микробной флоры, ферментов, витаминов, гармонов, антибиотиков, подавляющих развитие патогенной (болезнетворной) микрофлоры и грибов. Почва обеззараживается и приобретает тот неповторимый и приятный запах земли, который мы привыкли ощущать с детства. В копролитах червей естественных популяций содержится 11 – 15 % гумуса на сухое вещество, а в копролитах культивируемых червей содержится гумуса вдвое больше и составляет от 25 до 35 % на сухое вещество.
«Производство» гумуса происходит ежегодно в огромных количествах. Пик переработки приходится на осень, когда растения в большинстве своем погибают и падают на почву. Вся эта огромная масса мертвых растений, содержащих большое количество различных питательных веществ, достается на переработку, почвенным микроорганизмам и животным — червям, которые перерабатывают их в гумус. Из каждой тонны такого сухого материала образуется 600 кг гумусного органического удобрения, включающего в себя все необходимые минеральные элементы питания для растений, вновь появляющихся, весной. Именно здесь, в почве, свершается это удивительное таинство Природы — появление живого из неживого с помощью сообщества почвенных бактерий и животных (главным образом червей).
В природе нет других столь мощных гумусообразователей. Создать гумус другими способами пока невозможно. Гумус — это «хлеб для растений». В нем сосредоточено 95 % запасов почвенного азота, 60 — фосфора, 80 — калия, содержатся все другие минеральные элементы питания растений в сбалансированном состоянии по природной технологии.
Гумус — это «консервы почвенного плодородия». Он накапливался и сохранялся в черноземах весь послеледниковый период, т.к. гуматы кальция, магния и других металлов не растворимы и не вымываются из почвы водой, но расходуются только корневой системой растений по мере необходимости. Он создает зернистую структуру почвы, предохраняет её от ветровой и водной эрозии, обеспечивает снабжение растений необходимой для фотосинтеза углекислотой, биологически активными ростовыми веществами.
Плодородие полей напрямую связано с количеством и качеством гумуса в почвах. В знаменитых черноземах Центрального и Северокавказского регионов содержалось 10 – 14 % гумуса, а мощность слоя чернозема достигала 1м.
Исследованиями установлено, что каждый червь ежедневно пропускает, через себя столько почвы, смешанной с остатками растительных тканей, сколько весит сам. Средний вес червя равен 0,5 г. При плотности популяции червей в почве 500 тыс. на 1га (50 шт. на 1 м²) они превращают её в копролиты со скоростью 250 кг/га в сутки. В земледельческой полосе Сибири черви «работают» таким образом, 150 дней в году и обогащают за это время 15 % гумуса 37,7 т почвы на гектар.
Нет таких средств, которые бы могли сравниться с работой, проделываемой на полях червями. Сравниться с земляными червями в этой их благородной деятельности, ничто и никто не может.
Из сказанного видно, что самым естественным признаком здоровья почвы, её плодородия является наличие в ней червей. Чем больше дождевых червей в почве, тем она более функционально здорова.
Продукция полей и огородов, выращенная на такой почве, является экологически чистой (безнитратной, безпестицидной), оздоровляющей организмы всех, кто ею пользуется — животных и людей.
Однако надо иметь в виду и следующее: с почвы полей, садов и огородов мы ежегодно снимаем урожай, унося вместе с ним часть питательных веществ, которые не возвращаются в почву. От недополучения этой части органики почвы истощаются и теряют плодородие. Химические удобрения не могут в полной мере восполнить эту убыль питательных элементов и совершенно не компенсируют потерю гумуса из почвы (этого «хлеба для растений»). Более того, химические удобрения в почве способствуют усилению распада (минерализации) гумуса, они же совместно с пестицидами травят (убивают) червей — основных производителей гумуса в почве. Переработка мертвых остатков растений в гумус прекратилась, а почвы истощились, перестали быть плодородными. Вот почему нередко случается так, что вывозка навоза на поля не может поднять их плодородия — перерабатывать навоз в почве уже некому.
Использование больших доз химических удобрений, пестицидов, высокоинтенсивных обработок почвы резко сократило, местами до полного исчезновения, в почве количество почвообразующих животных и подорвало процесс гумусообразования. Плодородие почв существенно снизилось. Химические удобрения — допинг для почвы. В присутствии минеральных удобрений идет усиленная, минерализация гумуса (разложение его на СО₂ и зольные элементы). Постоянное использование такого допинга в возрастающих дозах преступно, т.к. обрекает все живое на голод и вымирание. На территории бывшего СССР к 1990 г. загублено было таким образом более 150 млн га плодороднейших земель (из 230 млн га пахотных угодий). Сборы зерна на этих безгумусных полях не достигают и 10 ц/га.
Для поддержания бездефицитного баланса гумуса необходимо ежегодно вносить не менее 6 – 7 т навоза на 1 га. Однако имеющееся поголовье скота не могло обеспечить «производство» такого количества, и его вносили в среднем, например, в Ульяновской области не более 4 т на 1 га пашни. Сейчас, когда поголовье скота сократилось в несколько раз, получаемый навоз не может играть решающей роли в поддержании плодородия почвы. Тем более что и то небольшое количество навоза хозяйства не в состоянии вносить. Поэтому баланс питательных элементов почвы стал отрицательным, произошло заметное снижение её плодородия.
Не зря в последнее время для регулирования баланса гумуса, и питательных веществ в качестве ресурсосберегающих систем удобрений, в почву во время уборки зерновых вносят измельченную солому. Использование измельченной соломы позволяет решать хозяйствам актуальнейшую проблему по утилизации малоценной соломы и исключить затраты на её сволакивание, перевозку, скирдование и использовать солому для поддержания плодородия почвы с уменьшением её эрозии и выгорания гумуса. При выходе соломы 2,5 т/га, при выработке одним комбайном за сезон 300 га, он одновременно измельчает 750 т соломы. Внесение такого количества в почву соломы эквивалентно внесению минеральных удобрений на сумму 82500 рублей. Для интенсивного смешивания соломы и почвы (мульчирование полей пожнивными остатками) используют дисковые бороны.
Поэтому биогазовые установки, использующие вырабатываемый биогаз (до 30 %) на технологические нужды (для поддержания температуры в биореакторе), и лишающие дождевых червей части пищи, нельзя рассматривать как экологически чистые технологии.
А вот сжигание соломы — мера вынужденная. На её уборку с поля по традиционной технологии приходится затрачивать труда и средств значительно больше, чем на уборку основной продукции — зерна.
И ценность многолетних трав не только в том, что они дают высококачественные корма — зеленую массу, сенаж, сено, но также и в том, что в почве остается половина всей органики, которую они могли синтезировать. Это примерно 7 – 8 т абсолютно сухого органического вещества на гектар, хорошо распределенного в верхнем слое почвы. Навоз никогда не ляжет так равномерно, как травы располагают там свои корни. Эти 7 – 8 т органики равноценны внесению 40 т навоза. Органическое вещество отмирает — образуется гумус, носитель плодородия почвы. Вот где источник экологически чистого земледелия и продовольственной безопасности.
Мировое сообщество к самым негативным факторам воздействия ТЭК на биосферу относит: выбросы СО₂ (ежегодно количество углекислого газа в атмосфере продолжает увеличиваться на 0,002 %), сжигание кислорода, снижение энергии фотосинтеза за счет загазованности воздуха. А также кислотные дожди, деградация лесов и земель, которые способствуют дальнейшему техногенному опустыниванию. В целом в мире глобальное сокращение лесов в 18 раз опережает их восстановление.
В связи с этим резко снизилась и продолжает снижаться первичная биопродуктивность (количество органических веществ, производимых в биосфере). Происходит глобальная деформация окружающей среды. Уменьшаются пахотные земли под выращивание продовольственных культур.
Сохранение этих тенденций представляет большую экологическую угрозу.
Использование энергетики ВИЭ, в том числе в качестве вторичного инструмента, для обеспечения бесперебойной «обработки» почвы сегодня выходит на одно из первых мест. Это связано с тем, что экономические потери при отсутствии бесперебойного энергоснабжения, например, в сельском хозяйстве, сродни потерям, которые будут наблюдаться на любом производственепрерывного цикла, будь то металлургический цех (завод) или, например, нефтеперерабатывающая установка при отключении электроэнергии. В силу биологических особенностей сельскохозяйственного производства восполнить в таких случаях потери продукции нельзя ни за счет сверхурочной работы, ни за счет форсированных режимов. Потерь продукции можно не допустить только путем ввода дополнительных производственных мощностей при надежном энергообеспечении производства, хранения, переработки.
Несомненно, что эффективность использования технологий энергетики ВИЭ с течением времени будет возрастать. Этому будет способствовать и все большая необходимость экономии гумуса, и технический прогресс, и совершенствование организации создания и применения установок ВИЭ.
Кроме определения прямого экономического эффекта энергетики ВИЭ, существуют методики определения различных сопутствующих внедрению новшеств экономических эффектов (дополнительных показателей). Дополнительный экономический эффект можно распространить и на семьи. Ведь по расчетам П.Я. Пирхавки, в сельской семье из 4-х человек один взрослый полностью занят работой по обеспечению дома водой, топливом, приготовлением пищи и т.п. На это затрачивается до 3000 часов в год. Следовательно, применение энергетического оборудования для обработки почвы, ухода за растениями и животными, отопления помещений, приготовления пищи имеет как социальное, так и экономическое значение.
Возникает сопутствующий эффект также в добывающих и перерабатывающих сырье отраслях, в машиностроительном комплексе, что будет оказывать влияние на улучшение инвестиционной политики в стране.
Следует учитывать, также, что при применении предлагаемых новых ресурсосберегающих технологий отпадает необходимость: в геолого-разведочных работах. В производстве значительной части опытно-экспериментального производства, приборов и оборудования для проведения испытаний, станочного парка опытного производства и т.п., для создания новых материалов. Отпадает необходимость в увеличении пропускной способности транспортной инфраструктуры, т.к. при сооружении, например, солнечных соляных прудов и котлованов будут использоваться в основном природные «готовые и вечные» материалы, и не требуется транспорт топлива в прежних объемах.
Нельзя обойти стороной и такой важный дополнительный показатель комплексного (полноты) использования солнечной энергии, и её производных как фондоотдача.
Оценка методов, способствующих полному использованию солнечной энергии, и её производных (теплоты/холода различных температурных диапазонов) может производиться на основе показателя фондоотдачи. Однако, если фондоотдача рассматривается применительно к одному изолированному технологическому переделу (производству), то, как правило, когда комплексность (полнота) использования, например, сырья (за счет попутного извлечения компонентов) возрастает, фондоотдача падает. И на основании этого комплексность использования сырья, ошибочно считается экономически не целесообразной. Подобные заключения не вызывают сомнения, если рассматривается «локальная» фондоотдача без учета экономии капитальных вложений в результате отказа от сооружения специализированных производств.
В случае комплексного (более полного) использования солнечной энергии коэффициент фондоотдачи  следует рассчитывать с учетом экономии капитальных вложений в топливную базу, транспорт топлива и в сооружение специализированных производств по формуле:

,

где  — конечная продукция (теплота и холод различных температурных диапазонов, востребованные в зависимости от времени года) в денежном выражении;  — основные фонды предприятия при комплексном использовании солнечной энергии;  — удельные капитальные затраты на производство единицы энергии (продукции) с учетом вложений в топливную базу, транспорт топлива и в сооружение специализированных производств при получении этой энергии из солнечной энергии;  — количество дифференцированных видов энергии получаемых из солнечной энергии ();  — порядковый номер дифференцированного вида энергии.
Таким образом, с учетом перечисленных выше факторов фондоотдача имеет другую «положительную» тенденцию — возрастает на каждый процент повышения комплексности использования ВИЭ.
Сооружение, например, пруда и котлована и использование аккумулированных видов энергии, фондоемкость и фондоотдача также находятся в зависимости от коэффициента комплексности полученной энергии:

,

где  — фондоотдача;  — объем полученной энергии;  — основные фонды.
Как видно, полное определение эколого-социально-экономической эффективности любой системы энергетики ВИЭ должно рассматриваться с учетом приведенных зависимостей охватывая многие отрасли промышленности, сельского хозяйства, транспорта, экономики, социальной сферы и т.д.
Приведенная структура составляющих дополнительного социально-эколого-экономического эффекта отдельно взятой системы энергетики ВИЭ показывает, как взвешенно нужно подходить к анализу эффективного использования новых технических решений. А ведь часто при освоении различных по климатическим условиям и предназначению территорий выбор того или иного источника энергоснабжения поручают людям далеким не только от энергетики ВИЭ, но и от традиционной, топливной энергетики. Игнорируется выработанное годами правило, использовать знания специалистов. Ведь химик берет данные по электричеству от электрика; физиолог справляется о геологии у геолога — каждый из них счел бы наглостью со стороны другого, если бы тот произнес суждение не по своей отрасли науки.
И странно, истинно странно, что это разумное правило совершенно отбрасывается, когда дело касается децентрализованного энергоснабжения или обеспечение энергией угнетенных с экологической точки местностей. Как часто некоторые из числа корифеев традиционной энергетики, без сомнения крупные специалисты в своей отрасли знания, считают себя компетентными высказывать догматические суждения по актуальности и социально-эколого-экономической эффективности новых направлений энергетики ВИЭ. А также всему, что к ней относится, не будучи свидетелями ни по одному из её «феноменов» и часто совершенно не имея представления о её принципах и практике.

1. Копылов А.Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России / А.Е. Копылов // Энергетик. 2008. № 1– С. 7 – 10.
2. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010.– 572 с.

Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР
Тел дом. (3812)60-50-84, моб. 8(962)0434819, E-mail: genboosad@mail.ru
Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв.17.