Общие принципы рационального природопользования для возобновляемых исчерпаемых ресурсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра систем управления и вычислительной техники

Общие принципы рационального природопользования для возобновляемых исчерпаемых ресурсов

Рациональное природопользование

Работу выполнил

Печагин В.В.

Калининград 2015

Введение

Актуальность темы. Истощение запасов ископаемых видов топлива ввиду роста их потребления определяет неизбежность перехода к альтернативным источникам энергии. Необходимость экономии природных ресурсов в условиях глобальных изменений климата и обострения экологических проблем (загрязнение атмосферы С02, СН4 и др. парниковыми газами, разрушение озонового слоя и т.д.) становится важнейшим условием экологизации природопользования. Концепция экологически сбалансированного (устойчивого) развития основывается на увеличении доли использования возобновляемых источников энергии, среди которых биоэнергетика играет все более значительную роль.

Использование биоэнергетического потенциала во многих государствах осуществляется на основе Киотского протокола, согласно которому промыш-ленно-развитые страны и страны с переходной экономикой к 2012 гг. должны сократить совокупные выбросы парниковых газов по меньшей мере на 5% по сравнению с уровнем 1990 г. В странах Западной Европы, США, Бразилии, Японии, Китае все шире, наряду с энергией солнца, ветра, воды, используется биотопливо.

Биотопливо (по Н.Ф. Реймерсу, 1990) - любая биомасса (органические вещества растительного и животного происхождения), превращаемая при сгорании в тепловую энергию. В эту категорию входят также органическая часть твердых бытовых отходов (ТБО), отходы животноводства и птицеводства и др., выделяющие тепловую энергию при брожении.

Из биомассы в мире ежегодно получают порядка 2 млрд. т у.т. энергии, что составляет около 14 % общего потребления первичных энергоносителей. В развивающихся странах этот показатель превышает 30%, (иногда доходит до 50-80%), однако в промышленно развитых государствах он составляет в среднем 2-3%. Вклад биомассы в общий энергобаланс Европейского Союза в 2004 г. составлял 3,6%, а к 2010 г. его планируется увеличить до 12%». В Финляндии биотопливом покрывается 19,6% общего потребления первичной энергии, в Шве ции -16,1%, в Австрии - 11%, в Дании - 10,3%, в Польше - 4,5%, в Германии -2,1% и т.д. Значительных успехов достигли Латвия (28%), Эстония (10,5%), Литва (7,6%о). В России доля биоэнергетики в общем балансе составляет всего лишь 0,56 %, а в Калининградской области - 0,4%.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) этого эксклавного региона России в настоящее время получает энергию, вырабатываемую на основной территории страны и передаваемую по электрическим сетям Белоруссии и Литвы (86,4%) от общих объемов потребления в 2005 г.). Кроме того, в октябре 2005 г. здесь запущен первый энергоблок ТЭЦ-2 мощностью 450 МВт, работающей на природном газе, но и это не обеспечивает полностью энергетической независимости Калининградской области. Неопределенности, связанные с транзитными поставками природного газа и вероятностью закрытия Игналинской АЭС в Литве, уже в 2009 г. могут обострить ситуацию в ТЭК региона. Использование биотоплива способно диверсифицировать производство энергии, привести к ресурсосбережению, утилизации отходов и значительному сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу.

Цель работы - оценка значения биоэнергетического потенциала Калининградской области для повышения эколого-экономической эффективности регионального развития.

Предмет исследования - эколого-географическая оценка биоэнергетического потенциала Калининградской области.

Научно-методологическая основа: теоретико-методологические основы геоэкологии и природопользования (СП. Горшков, Г.Н. Голубев, К.М. Петров, А.Г. Емельянов, Н.Ю Куражковский, Н.Ф. Реймерс, Т.Г. Рунова, И.Н. Волкова, Т.Г., Нефедова, П.Я. Бакланов и др.); оценка значения биомассы для производства энергии (J. Twidell, Т. Weir, J.A. Stasiek, Т. В. Johansson, D.O. Hall, Н. Kelly, A.K.N. Reddy, R.H. Williams, J. Woods, А.А. Соловьев, СИ. Зайцев, H.A. Руста-мов, П.П. Безруких, и др.), в том числе древесных отходов (М. Parrika, Г.А. Борисов, Г.И. Сидоренко,); изучение перспектив создания ивовых плантаций (P.F. Randerson, K.L. Perttu, P.J. Kowalik, A. Koppel, Е.Г. Победимова, A.K. Скворцов), возможностей использования торфа (И.И. Лиштван, СН. Тюремнов, В.Д. Марков, А.С Оленин, А.В. Лазарев, В.В. Орленок), биогаза (Н. Schulz, В. Eder, Е.С Панцхава, Е.Е. Мариненко), твердых бытовых отходов (В.И. Гурвич, Г.Г. Гелетуха, Г.А. Заварзин, А.Б. Лифшиц, А.Н. Мирный и др.).

В основу диссертации положены аналитические и статистические данные, материалы об объемах лесозаготовок (2001-2005 гг.), добычи торфа (1998-2006 гг.), твердых бытовых отходов; о численности поголовья домашнего скота и птицы, а также картографические материалы из «Географического атласа Калининградской области» (2002), «Схемы охраны природы Калининградской области» (2005), «Карты горючих полезных ископаемых (торф, бурые угли) Калининградской области» (2000), «Пространственного, территориального и ландшафтного планирования в Калининградской области» (2006). Использовались информационно-аналитические и статистические данные территориального органа Федеральной службы госстатистики Калининградской области, отче ты о состоянии окружающей природной среды Калининградской области, отчеты Агентства лесного хозяйства и Ростехнадзора; результаты экологического мониторинга, отчеты и технико-экономические обоснования проектов производственных предприятий, в том числе проект ТАСИС «Поддержка деятельности в сфере обращения с отходами в Калининградской области», а также ресурсы Internet.

Основные методы исследования - сравнительно-географический, расчет-но-статистический и картографический. Обработка статистических данных осуществлялась с помощью табличного процессора EXEL. В качестве программного обеспечения применялись Adobe Photoshop 7.0, CorelDraw 11.

Научная новизна:

1. Впервые количественно оценен суммарный энергетический эквивалент биотоплива Калининградской области (древесных отходов, торфа, биогаза, твердых бытовых отходов и др.) и картографически отображены особенности распространения биоэнергетических ресурсов в регионе.

2. Впервые дано эколого-ландшафтное обоснование размещения ивовых плантаций, перспективных для получения биотоплива.

3. Разработана типология территории области по биоэнергетическим показателям, основанная на возможностях практического использования ресурсов биотоплива.

4. Обоснована геоэкологическая значимость использования биотоплива без ухудшения качества окружающей среды региона.

Практическое значение работы определяется острой необходимостью решения энергетических проблем Калининградской области без ухудшения экологической ситуации. Диссертация носит научно-практический характер и направлена на развитие биоэнергетики, внедрение экологически более чистых технологий в производство тепловой и электрической энергии.

Предложенные количественные оценки биогаза из отходов животноводства и птицеводства, использованы региональным Министерством сельского хозяйства в Целевой программе «Основные направления развития агропромышленного комплекса Калининградской области на 2007- 2016 годы». Основные положения диссертации внедрены в учебный процесс при чтении лекционных курсов «Экология» и «Экологические риски региона» студентам и курсантам Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.

Личный вклад. В основу диссертации положено непосредственное участие в сборе, систематизации и обработке фактических данных. Для обоснования вариантов использования биоэнергетических ресурсов проводилось обследование ключевых участков, выполнялись прогнозные расчеты и оценки.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на межвузовской конференции аспирантов, докторантов и соискателей Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (Калининград, 2001 г.), IY региональной конференции «Геоэкология и природные ресурсы Калининградской области и Балтийского моря» (Калининград, 2002 г.), Восьмой польско-датской конференции «Биомасса для энергии» (Гданьск, 2003 г.), международной научно-технической конференции «Энергосбережение. Энергооборудование. Энергопотребление» (Калининград, 2006 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы управления социально-экономическими процессами региона» (Калининград, 2006, 2007 гг.). По результатам исследования опубликовано 10 работ. Основные защищаемые положения:

1. Значимость биоэнергетического потенциала Калининградской области (отходов лесопромышленного производства, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности и др.) в качестве альтернативы традиционным источникам энергии на основе количественных оценок.

2. Эколого-географические предпосылки создания короткоцикловых ивовых плантаций для производства биотоплива с учетом ландшафтной дифференциации территории региона.

3. Возможность использования возобновляемых ресурсов торфа в качестве источников биотоплива с эколого-экономических позиций.

4. Типология территории Калининградской области по биоэнергетическим показателям.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и 5 табличных приложений общим объемом 162 страниц, включая 26 рисунков и 37 таблиц. Список литературы включает 154 наименования, в том числе 35 на иностранных языках.

Благодарности. Работа выполнена на кафедре геоэкологии факультета географии и геоэкологии РГУ им. И. Канта под руководством дг-мн, профессора Е.В. Краснова, которому автор выражает искреннюю благодарность за постоянную помощь и внимание. Автор также признателен доценту кафедры геоэкологии РГУ им. И. Канта, кгн Г.М. Бариновой, доценту каф. судовождения БГА РФ, кгн Л.Г. Сергеевой, доценту каф. страноведения и\туризма РГУ им. И. Канта, кгн Н.Н. Лазаревой, гл. редактору ФГУП «Балт АГП» Н.Е. Лариной за профессиональную помощь в подготовке диссертации.

1. Характеристика древесной биомассы как биотоплива

Древесина является широко распространенным видом биомассы для выработки тепловой и электрической энергии. [14,23].

Площадь лесов во всем мире (по данным 2000 г.) составляет 3 870 млн. га, из которых 8% (313 млн. га) расположено в странах Европейского Союза и 22% (851 млн. га) - в Российской Федерации. Средняя площадь лесов и лесных земель на одного жителя изменяется в зависимости от региона и составляет - 1,4 га в Европе (3,4 га - в Скандинавских странах), 0,7 га - в Европейском Союзе и 0,2 га - в Азии. Для России этот показатель составляет 5,8 га (табл. 2),172]. энергия биотопливо экологический отход

Мировой запас надземной биомасс в лесах - 420 млрд. т, из которых около 2% расположено в Европейском Союзе (15 стран) и 11% - в Российской Федерации. Мировой запас надземной древесной биомассы - 109 т /га. Для Европы соответственно этот запас составляет 59 тонн/га, для Российской Федерации -52 т/га, для Азии 82 т/га и для Южной Америки - 203 т/га. Поэтому, возможности для производства биотоплива сильно варьируют между регионами мира. Этот факт показывает, что потенциальное использование древесины для полу-чения энергии также варьирует между различными странами, к тому же существует большая разница между регионами в отношении доступности лесов.

По оценкам Всемирной организации здравоохранения производство биотоплива по Европейскому Союзу (15) в 2002 году составило 30 млн. м3. Для России соответственно этот показатель в 2002 году составил 49 млн. м3 (табл. 3). Круглые лесоматериалы используются как промышленное сырье, но только 40% от общего объема круглых лесоматериалов становятся первичными или вторичными отходами переработки, которые пригодны только для производства энергии, например для производства высококачественного биотоплива.

Около 70-75% заготавливаемой в мире древесины используется или мо жет потенциально использоваться в качестве возобновляемого энергетического ресурса. Это количество не включает большие объемы лесосечных отходов и другой древесной биомассы, оставляемой на лесосеке после лесозаготовительных работ, которые объединены с традиционным лесным хозяйством по всему миру.

Для оценки древесные отходов предложена следующая классификация: по породам дерева: хвойные; лиственные. По влажности: сухие (до 15 %); полусухие (16-30 %); влажные (31 % и выше); сверхвлажные (до 100 %). По структуре: кусковые крупные, кусковые средние, кусковые мелкие, сыпучие. По стадийности обработки: первичные; вторичные (макулатура, черный щелок, отходы строительной и упаковочной древесины и др.). На всех стадиях обработки древесины (от рубки леса до изготовления промышленных изделий) образуется большое количество отходов - ветви, части стволов, щепа, кора, опилки, стружки, обрезки пиломатериалов и пр. (рис. 4) [22,32,85].

Отходы, образующиеся в лесной промышленности могут быть разделены на две категории: лесосечные отходы, образующиеся от лесозаготовок (например, от рубок главного пользования) и промышленные отходы, образующиеся при деревообработке, производстве фанеры, древесно-стружечных плит, целлюлозы и т.д. Другим источником древесной биомассы является древесина, прошедшая цикл использования - вторичная древесина (табл. 4).

Источники и виды древесных отходов [72] Источники отходов Вид отходов Лесозаготовительные работы Ветви, сучья, хвоя, листья, пни, корни, низкокачественная и гнилая древесина, ветровал и опилки Целлюлозная промышленность, лесопиление и строгание Кора, опилки, обрезки, расколотая древесина, стружка Производство фанеры Кора, сердцевина, опилки, обрезки фанеры и отходы, обрезки панелей, шлифовальная пыль

Производство древесностружечных плит Кора, тонкие фракции после просеивания, обрезки панелей, опилки, шлифовальная пыль

Вторичная древесина (древесина, прошедшая цикл использования) Упаковочный материал, старая деревянная мебель, отходы деревянных зданий (испорченная древесина)

Заготовка древесины осуществляется по принятой в лесном хозяйстве системе рубок, которая включает в себя рубки главного пользования, лесовостано-вительные рубки, рубки промежуточного пользования и прочие рубки [50,108].

Ежегодная расчетная лесосека -- ежегодный объем заготовки древесины по рубкам главного пользования на определенной территории. Рубки главного пользования -- основной вид заготовки древесины -- проводятся, исходя из наличия насаждений, достигших возраста технической спелости и возможности получения наибольшего количества товарной древесины нужных размеров и качества. Нормы этих рубок научно обоснованы, находятся в пределах ежегодного прироста древесины в области и ведутся с учетом непрерывности лесопользования. Размеры лесовосстановительных рубок зависят прежде всего от состояния насаждений и необходимости хозяйственного воздействия на них с целью сохранения и улучшения выполнения ими основных целевых функций и свойств. В промежуточное пользование древесиной входят рубки ухода за лесом и санитарные рубки. Прочие рубки приходятся на разрубки трасс, просек, расчистки лесных площадей, передаваемых под строительство промышленных, жилых и других объектов [108].

2. Об эколого-экономической эффективности использования древесной биомассы

При оценке эколого-экономического потенциала использования древесных отходов и торфа в условиях рыночной экономики учитывались следующие факторы: наличие ресурсов биомассы для покрытия существующей и перспективной потребности в тепловой энергии; существующий и перспективный уровень цен на ископаемое топливо и наличие возможности его замены на альтернативное сырье; местная стоимость топлива, зависящая от расстояния вывозки, технологии заготовки сырья и т.д.; экологические ограничения при производстве топлива.

Энергетические потребности небольших городов и поселков сравнительно невелики и заключаются, главным образом, в отоплении и горячем водоснабжении. Источниками тепла в основном являются мелкие котельные, работающие на привозном угле или мазуте. Их технический уровень, экономичность и экологические показатели не соответствуют современным требованиям. Увеличение объема потребления биологического топлива сыграет важную роль в развитии структуры энергоснабжения региона.

Каждый тип биотоплива требует индивидуального решения, так же как и каждый район в Калининградской области требует индивидуального подхода в зависимости от типа топлива, преобладающего в том или ином районе, имеющейся инфраструктуры и т.д.

При переработке древесины на целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих предприятиях остается большое количество отходов, которые вполне возможно использовать для получения тепловой энергии, сократив тем самым потребление газа, мазута и угля в качестве топлива.

Эколого-экономическая оценка использования древесной биомассы в котельных г. Правдинска и г. Калининграда, в районной больнице г. Полесска (работавших ранее на угле и мазуте) выявила возможность экономии расходования условного топлива до 7 тыс. т в год. Эти проекты созданы в рамках шведской программы EAES «Природосберегающие энергосистемы» и являются вкладом в выполнение Конвенции ООН по изменению климата (UNFCCC).

Переход на биотопливо в значительной степени способствует снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу - 19175,1 тонн в год. В первую очередь это относится к диоксиду углерода: его количество в атмосфере уменьшилось- на 19020 т/г. На 97,2 т/г снижены выбросы диоксида серы и на 10,3 т/г диоксида азота. Замена ископаемых видов топлива позволила уменьшить выбросы твердых частиц на 47,6 т/г. Общее количество выбросов от котельных гг. Правдинска, Калининграда и Полесска с переходом на древесное топливо снизилось на 18600 т/г (табл. 34). При переводе установок с угля и мазута на древесные отходы производство тепловой энергии практически не уменьшилось [55],

В г. Правдинске 10 угольных котельных заменили двумя водогрейными агрегатами, один из них мощностью 1,7 МВт работает на древесных отходах. При этом использование возобновляемого топлива заменяет примерно 3150 тонн угля ежегодно. Потребление древесины, необходимое для работы биокотель-ной, составляет около 14 тыс. не пл. м в год (содержание золы около 1 %) (табл. 35). Реконструкция котельной позволила обеспечить стабильное теплоснабжение потребителей тепловой энергией и уменьшить выбросы парниковых газов в атмосферу: углекислого газа - на 14760 т/год, окислов серы - на 55 т/год, окислов азота на 8 т/год, а сажи и золы - на 31 т/год [55]

Размещено на Allbest.ru