Аналитично проучване на потенциала на територията на миг-кнежа за производство на енергия от възобновяеми енергийни източници (веи) с цел еко-съобразна експлоатация на налични и остатъчни ресурси в работата на селските стопанства”

Основната част от биомасата, използвана като био-енергия се произвежда от растителни материали и животински продукти.

Биомасата от енергийни култури произлиза от аграрния и от горския сектори.

Тревистите (едносемеделни) растения формират по-голямата част от съвременното широко-мащабно селско стопанство. Едногодишните тревисти култури включват житни растения, като жито, ечемик, овес, ръж и други; захарно цвекло, захарна тръстика; фуражни култури, като различни видове детелина.

Семената на тези зърнени култури, грудките и стеблата на други растения биха могли да бъдат източник на скорбяла, която да се използва в технологичните процеси за производство на биогорива или електроенергия.

Селективното отглеждане на растения (и по-специално, на „нехранителни култури”) се използва за промяна на съотношението на биомаса от семена/растения при много видове с висок добив на семена.

Биомасата от многогодишни тревисти култури може да се използва като биоенергиен запас в условия на жизнеспособна икономика. Бързорастящата тръстика и камъшът (Arundo Donax, Miscanthus sinensis gigantheus) са тревисти култури, при които наличието на хранителни вещества може да повиши продуктивността на биомасата. В същото време те имат и някои слаби страни, свързани с агрономическите им характеристики, а именно незначителен цъфтеж, непосилни разходи за създаване на насаждения, сравнително ниска механизация за събиране на реколтата, висока влажност и високо съдържание на пепел.

Артишокът и царската тръстика са други енергийни култури, притежаващи характерното свойство за средиземноморските растения за отглеждане с малко вода и поради тази причина те предизвикват интереса на научните общности в областта на агрономията и генетиката.

Маслодайни култури

Маслодайните култури се делят на едногодишни маслодайни семена и многогодишни дървесни маслодайни култури.

От агрономическа гледна точка, еволюцията на маслодайните семена се различава от тази на житните растения и следователно може да има допълнителни предимства като сидерална култура за намаляване на растително-почвените патогени.

Най-широко разпространените маслодайни култури в Европа са рапицата и слънчогледът.

Растителното масло обикновено се получава чрез механично пресоване и/или извличане и се използва за производство на храна, сапуни и козметика. Мазнината в тези култури съдържа и други съставки, като протеини или скорбяла. Лигноцелулозната част на маслодайните култури, която традиционно се използва като слама или фураж, също може да бъде изгаряна за получаване на топлина и електроенергия, докато растителните масла могат да бъдат използвани в био-енергийни приложения с по-висока стойност, и по-специално - като заместител на дизеловото гориво. Извличането на растителни масла от тези култури и тяхното трансформиране в метилови естери е получило широкоразпространеното название „биодизел”, който е сериозен претендент за заместител на дизеловите горива.

Анализът на биомасата, произведена от остатъци и отпадъци е по-сложен, поради комплектността на материалите и различния им произход (например, от селското стопанство, градския сектор и т.н.).

Европейската директива 2008/98/ЕО дефинира разликата между субпродукти и отпадъци по следния начин: “Субпродуктите са материал, който може да се използва отново, докато отпадъците са материал, достигнал края на жизнения си цикъл, който не може да бъде рециклиран”.

Отпадъчните материали са резултат от производствени процеси, промишлени или общински отпадъци; типичното им енергийно съдържание е от 10.5 до 11.5 MJ/kg.

Практиките в управлението на отпадъците са различни в развитите и развиващите се страни, в градските и селските райони, в жилищните и индустриалните зони.

Отправната точка за управлението на отпадъците в една развиваща се страна се различава от тази в индустриализираните страни. Трансферът на доказала се технология от една държава в друга може да се окаже неподходящ, независимо от техническата жизнеспособност и достъпност. За избора на технология е много важно да се отчетат местните фактори, като:

- Характеристики на отпадъците и сезонни промени в климата;

- Социални аспекти, културни възприятия относно твърдите отпадъци и политически институции;

- Осъзнаване на по-очевидните ограничения, свързани с ресурсите.

Задачата на устойчивото управление на отпадъците е да се намали количеството отпадъци, които се изхвърлят в околната среда, чрез намаляване на произведения боклук. Големите количества отпадъци не могат да бъдат премахнати. Въздействието върху природата, обаче, може да бъде намалено чрез устойчиво използване на отпадъците, наречено „Йерархия на отпадъците”.

Йерархията на отпадъците се отнася до намаляването, повторното използване и рециклирането и класифицирането на стратегиите по управлението на отпадъците съобразно тяхната привлекателност от гледна точка на намаляването им. Целта на йерархията на отпадъците е да се извлече максимална полза от продуктите и да се произведе минимално количество отпадъци.

Част от биомасата също се класифицира като отпадък в резултат на индустриални, селскостопански, дърводобивни и битови дейности, следователно е лесно да се приложи концепцията за „йерархия на отпадъците” за всички отпадъци или остатъци, включени в сектора на биомасата.

Потенциалните остатъци и отпадъци на основата на биомаса, включват остатъци от растения и животни. Те обхващат селскостопански остатъци, като например слама, обелки от зеленчуци и плодове, отпадъци и остатъци от горската промишленост, като шума и остатъци от дейността на дъскорезниците, хранителни отпадъци и компоненти на биомасата от твърди битови отпадъци. В световен мащаб, тези отпадъци съдържат няколко милиарда тона биомаса, която може да бъде превърната в енергия.

Съществуват различни технологии за превръщане на отпадъците или остатъците в енергия. Такива са санитарното депониране, изгарянето, пиролизата, газификацията, анаеробното разграждане и други.

Изборът на технология трябва да е съобразен с типологията на отпадъците, тяхното качество и местните условия; класифицирането и разпределението на различните отпадъци, обаче, не е лесно. В страните от Европейския съюз отпадъците се класифицират съгласно „ЕКО - Европейския каталог на отпадъците”.

Препоръчително е да се избере технология, която има най-нисък разход за целия жизнен цикъл, изисква минимална площ, не замърсява въздуха или земята, произвежда повече енергия, образувайки по-малко отпадъци и постигайки максимално намаление на обема.

В наши дни получаването на енергия по чист и рентабилен начин е все още предизвикателство. Един от основните проблеми е да се открие по какъв начин лигноцелулозните съставки на тези отпадъци да се превърнат бързо и икономично в прости захари, което ще улесни съответното им биохимично превръщане в чисти горива.

Напоследък производството на енергия и биогорива от отпадъци и остатъци придоби голямо значение, благодарение на благоприятното екологично и икономическо въздействие.

Използването на органични битови отпадъци за енергийни цели би предотвратило разрастването на сметищата за битови отпадъци, което, от своя страна ще доведе до намаляване на емисиите на парникови газове и до по-голяма независимост в сравнение с използването на изкопаеми горива.

Последно, но не и по значение, е важно да се разбере, че отпадъците често съдържат освен енергия, и биогенни компоненти.

Основно правило за екологична устойчивост е, че енергията може да се извлича от системите за производство/потребление, но биогенните елементи трябва да се рециклират.

Не се препоръчват биоенергийни проекти, базирани на отпадъчни потоци, които трябва да се минимизират, или конвертират в продукция с по-висока стойност.

Отпадъците с промишлен и битов произход представляват атрактивна суровина за производството на биомаса (особено, ако се вземе под внимание органичният компонент, наречен биогенна съставка), тъй като материалът вече е бил събран и може да се придобие на отрицателна цена (т.е., източниците плащат, за да се отърват от отпадъка).

Въз основа на концепцията за „Йерархия на отпадъците”, повторното използване на част от биогенната съставка от битовите и индустриалните отпадъци може да представлява интересна биомаса за енергийно възстановяване при процеса на анаеробно разграждане.

Специално внимание трябва да се обърне на използването на отпадъчна мазнина за готвене за производството на биогорива. Производството на биодизел от отпадъчна мазнина за готвене, частично заменящ класическия дизел, е една от мерките, които биха решили двойния проблем, свързан със замърсяването на околната среда и енергийния дефицит.

Най-големите остатъци от селското стопанство са растителните остатъци и сламата. Остатъците могат да се разделят на две основни категории:

- Полеви остатъци: остатъчният материал по полетата и градините, след събирането на реколтата, като стъбла, дръжки, листа и шушулки;

- Остатъци от обработката на културите: материалите, останали след преработката на културите в използваем ресурс, като люспи, черупки, семена, сухи отпадъци и корени.

Някои селскостопански остатъци се използват за храна на животни, управление на почвите и в производството.

Сламата е надземната част на житните култури, различна от зърното и се състои от стъбло (включително свила), листа, кочан, люспи и коса. Теглото на сухото вещество на житното растение се разпределя равномерно между зърнената част и сламата. Понастоящем, около 5% от сламата се използва за постелка и храна на животните, а останалото се заравя в почвата или се изгаря (което е забранено). Тази практика служи за унищожаване на сламата, но поради нейното енергийно съдържание, много европейски страни я използват за енергийни цели.

По-голямата част от дървесината, получена от горския сектор е основна енергийна суровина в страните, които не членуват в ОПЕК и развиващите се страни и също така се използва като основно гориво за производство на енергия в малки инсталации в селските райони, където не е разпространено използването на газ. Дървесните остатъци успешно конкурират изкопаемите горива и се използват както за готвене и подгряване на вода в домакинствата, така и в комерсиалните и индустриалните процеси (за подгряване на вода и топлина за преработка).

Алтернативното оползотворяване на отпадъците от горския сектор, или от съответните индустриалните дейности (дъскорезници, например) представлява привлекателен източник за получаване на биомаса и успешен пример за производство на енергия от остатъци.

Горскостопанските остатъци включват трески, пънове, дървета, храсти, дървесна кора и пр.

Дървесните остатъци се считат за по-добро гориво, отколкото селскостопанските отпадъци, но тяхната цена и системата за събиране на реколтата (особено при голям наклон на почвата) поддържат високи разходите за тяхното транспортиране. Освен това, нетните емисии на CO2 отделени на единица енергия, произведена от остатъци от пънове са по-малко, отколкото, ако е произведена от селскостопански отпадъци, поради широкото използване на торове и пестициди в аграрния сектор.
4.3 Анализ и оценка на производството на биомаса

Ресурсът за производство на биомаса на дадена територия позволява да се оцени количеството биоенергия, налично за нуждите на енергоснабдяването. В тази глава се разглеждат начините за определяне на устойчивия потенциал и наличния ресурс за производство на биомаса от няколко сектора (селско и горско стопанство, индустрия, отпадъци).

Анализът на производството на биомаса в разглежданите региони се извършва според специфичните условия във всеки от тях: в някои региони на ЕС един сектор е по-добре развит от останалите.

При предварителния анализ, количеството биомаса, измерено в тонове/годишно може да се превърне в енергийна единица, например Джаул, kWh или т.н.е.

За да се оцени ресурса на биомасата за нуждите на конкретна територия, на първо място тя трябва да бъде дефинирана и класифицирана. Това подразделяне може да се направи на базата на различни параметри. В европейския стандарт за твърдите биогорива, класификацията се основава на произхода/източника (CEN/TC-335), но той не посочва икономическите сектори, от които произлиза – селско и горско стопанство, индустрия, управление на отпадъците.

Класификация на биомасата е направена въз основа на споменатите по-горе сектори, като: селскостопански остатъци/култури, отпадъци от животновъдството, остатъци от горското стопанство, отпадъци от индустрията и битовия сектор.

Всеки от тези класове включва различни видове биомаса, като основните са продукти (произведена биомаса) и остатъци (субпродукти, получени от култивиране, прибиране на реколтата и преработка).

Полезно е да се съберат данни за наличната биомаса от различни източници в тонове/ годишно.

Друга класификация на биомасата отразява превръщането й в съответните биогорива.

От гледна точка на продуктивността, индексите за производство се изчисляват като връзка с типа биогорива и се изразяват в тонове/годишно, литри/годишно и м3/г.

Също така е важно да се отчете биоенергийното превръщане на биогоривата в произведена енергия, т.е. MJ, kWh или т.н.е. енергия, произведена от тонове, литри или м3 гориво. На последно място се препоръчва да се сравнят резултатите от гледна точка на наличната биомаса (например, тонове/годишно, които могат да бъдат превърнати в MJ/г).

Основното предизвикателство пред потенциалните проекти, свързани с биомаса, е доказването на рентабилността на биоенергийните вериги, в сравнение с другите възможности за използване на територията в рамките на анализа на цялостния жизнен цикъл. Това изисква намаляване разходите по производството на биомаса и нейното транспортиране, както и по-подробна оценка на потенциала и на наличния ресурс в съответствие с характеристиките на конкретната територия.

На този етап е важно да се определи производството на биомаса от всеки от гореспоменатите сектори.

Изборът на видове е важен фактор за продуктивността, като не трябва да се забравя, че растенията се подчиняват на природните закони.

По правило, с висока продуктивност се характеризират големите производствени системи за производство на дървесна биомаса, с годишен добив на суха биомаса около 5-15 тона/ха годишно, усреднено между циклите на растеж и събиране на реколтата.

Други високопродуктивни системи са бързо растящите тревистите култури с годишен добив на суха биомаса до 50 тона/ха. Тези системи, обаче, изискват наличие на подходяща земя и климатични условия, които да подпомогнат постигането на високи стойности на растеж.

Продуктивността определя значението на земята за успеха на даден биоенергиен проект.

Продуктивността на биомасата зависи също така и от разходите по събирането, транспортирането и логистиката. За тази цел се препоръчва да се направи картов анализ на биомасата, за да се определи нейното пространствено разпределение.

Ако повсеместното разпространение на биомасата е едно от основните й предимства, в същото време то е и един от главните й недостатъци. Събирането на цялото количество биомаса от дадена територия за преработка в централна инсталация е скъпо, но концентрирането на производството и доброто съхранение на биомасата биха могли да осъществят икономии откъм мащаб в преработвателните предприятия.

V. Енергия от геотермални води
5.1 Ползите на геотермалната енергия за околната среда

Геотермалната енергия е естествената топлина от вътрешността на Земята, улавяна за производство на електроенергия, топлина и промишлена пара. Тя е разпространена навсякъде под земната повърхност, въпреки че ресурсите с най-високи температури – а съответно и най-желани, са съсредоточени в райони на активни или геоложки млади вулкани.

Геотермалната енергия е чист, възобновяем ресурс, тъй като топлината, извираща от недрата на Земята, на практика е неизчерпаема. Топлината на Земята е на разположение 24 часа в денонощието, 365 дни през годината. Слънчевите и вятърните енергийни ресурси напротив – зависят от редица фактори, включително дневни и сезонни колебания и промени на времето. Поради тези причини, веднъж започната да се използва, електроенергията от геотермална енергия е по-надеждна в сравнение с много други форми на електроенергия.

Постоянно течащата топлина от вътрешността на Земята се оценява приблизително на 42 милиона мегавата енергия . Един мегават може да задоволи нуждите от енергия на над 1000 жилища.

Термалната енергия на Земята следователно е изобилна и практически неизчерпаема, но много разпръсната, рядко концентрирана и често на дълбочини, които са твърде големи за промишлена експлоатация. Досега използването на тази енергия бе ограничено в райони, където геоложките условия позволяват на носителя (вода в течно състояние или пара) да „пренесе” топлината от дълбоките горещи зони до или близо до земната повърхност.

Въздействието от използването на геотермалната топлина върху околната среда е съвсем незначително и контролируемо. Трябва да се отбележи, че геотермалната енергия отделя във въздуха минимално количество емисии. Емисиите на диазотен оксид, сероводород, амоняк, метан, прахови частици и въглероден диоксид са изключително ниски, особено в сравнение с емисиите, отделяни при използването на изкопаеми горива.

Водата и кондензираната пара на геотермалните електроцентрали също съдържат различни химически елементи, сред които арсен, живак, олово, цинк, бор и сяра, токсичността на които зависи от концентрацията им. Независимо от това, по-голямата част от тези елементи остават в съединения с водата, която се реинжектира в същия скален резервоар, от който е била извлечена като гореща вода или пара.

Бинарните геотермални електроцентрали произвеждат почти нулеви емисии.

При директното използване на топлината на горещата геотермална вода, въздействието върху околната среда е незначително и лесно може да се намали, ако се използват системи със затворен цикъл, при които течността се извлича и реинжектира в един и същ геотермален резервоар.

Икономическият аспект на използването на горещи води все още представлява пречка пред тяхното широко приложение в енергийния сектор. Икономическата полза произлиза от тяхното удължено използване през годините при ниски оперативни разходи спрямо първоначалните инвестиции, които може да бъдат значителни.

Най-важният параметър при оползотворяването на този вид енергия, е температурата на геотермалните течности, която определя приложението на геотермалната енергия – за отопление или за производство на електроенергия.

С увеличаването на дълбочината от повърхността на Земята към ядрото, температурата прогресивно нараства средно с 3˚C, на всеки 100 метра (30˚C/km). Тази промяна на температурата в дълбочина, се нарича геотермален градиент. Например, ако в първите няколко метра под повърхността температурата е 15˚С, което отговаря на средната годишна температура на въздуха, то можем да приемем, че на дълбочина 2000 м температурата ще бъде 65-75˚С, на дълбочина 3000 м тя ще е 90-105˚С и така нататък

Районите, в които геотермалната енергия е от практическо значение, са тези, в които геотермалният градиент надхвърля нормалния. В някои райони, в следствие на вулканична активност през последните геоложки периоди, или на издигане на гореща вода от по-ниските пластове през пукнатините, геотермалният градиент е значително по-висок от средното, което означава, че на дълбочина около 2000-4000 м температурата е в границите на 250-350˚С.

Такива „горещи” зони обикновено са разположени близо до границите на твърди скални плочи, формиращи земната литосфера, която е съставена от Земна кора и най-горната твърда част на най-топлия слой (мантията).
5.3 Геотермални системи

Геотермалната система е съставена от няколко основни елемента: източник на топлина, резервоар, флуид, който пренася топлината, зона за презареждане и непропусклива покривна скала за уплътняване на водоносния хоризонт. Топлинният източник може да бъде или магмена интрузия с много висока температура (>600˚С), която е достигнала до сравнително плитки дълбочини (5-10 км), или, както в дадени нискотемпературни системи, нормалната температура на Земята се увеличава в дълбочина. Резервоарът представлява множество горещи пропускливи скали, от които циркулиращите флуиди (вода или пара) извличат топлината. Обикновено резервоарът е покрит с непропускливи слоеве, или със скали, чиято слаба пропускливост се дължи на феномена на самозалепването, което представлява отлагане на минерали в скалните цепнатини. Резервоарът е свързан с повърхностна зона за презареждане, през която атмосферните води заменят изцяло или отчасти флуидите, които излизат във вид на извори, или се извличат чрез сондажи.

Геотермалният флуид е вода, като в повечето случаи това е подземна вода с атмосферен произход, в течно или парообразно състояние, в зависимост от температурата и налягането й. Тази вода често носи със себе си химикали и газове като например CO2, H2S и т.н. Механизмът, заложен в основата на геотермалните системи, е флуидната конвекция. Конвекцията възниква в следствие на затоплянето и последващото термично разширяване на флуидите в гравитационно поле; топлината, която се подава в основата на циркулационната система, е енергията, която движи системата. Затопленият флуид с по-ниска плътност се издига и се заменя от по-студен флуид с висока плътност, идващ от периферията на системта. По своята същност, конвекцията повишава температурата в горната част на системата като понижава тази в долната част.

VІ. Вятър и вятърната енергия

Екваториалните райони на Земята получават по-голямо количество слънчева радиация, отколкото полярните, което причинява крупни конвекционни течения в атмосферата и, съответно, вятър. Според изчисленията на метеоролозите, около 1% от получаваната слънчева радиация се превръща във вятърна енергия, като 1% от дневното количество вятърна енергия е приблизително равен на сегашното дневно потребление на енергия в света. Това означава, че в глобален мащаб ресурсът на вятъра е изключително голям и, освен това, широко разпространен. Разбира се, за да се определи големината на ресурса на дадена територия, са необходими по-задълбочени изследвания.

Извличането на енергия от вятъра е познато отдавна – вятърът се е използвал за плаване на корабите, за задвижване на мелниците и вършачките. Едва към началото на 21 век започва разработването на високоскоростни вятърни турбини за производство на електроенергия.

Днес терминът „вятърна турбина” широко се използва за машината с въртящи перки, която преобразува кинетичната енергия на вятъра в полезна енергия. Съществуват две основни категории вятърни турбини: турбини с хоризонтални оси на въртене (Пропелерен тип) и турбини с вертикални оси на въртене (тип Дариус), в зависимост от разположението на роторната ос.

В наши дни вятърната енергия намира най-голямо приложение за производството на електроенергия, при което вятърните турбини работят паралелно с електроразпределителните мрежи, или в по-отдалечените райони – с генераторите, захранвани с изкопаеми горива (хибридни системи). Ползите от използването на енергията от вятъра са: намалената употреба на изкопаеми горива и намалената цена на производството на електроенергия като цяло. Електроенергийните компании имат възможност да поемат около 20% от енергията, произведена от вятъра. Хибридните системи, оползотворяващи вятър и дизел, могат да икономисат над 50% гориво.

Производството на електроенергия от вятъра е сравнително нова индустрия (преди 20 години в Европа на практика не е имало комерсиално производство на енергия от вятъра). В някои държави вятърната енергия вече е конкурентоспособна на енергията, произведена от изкопаеми горива и ядрената енергия, без да се смятат екологичните ѝ предимства. Цената на електроенергията от конвенционалните електрически централи обикновено не включва цялото въздействие на това производство върху околната среда (киселинните дъждове, почистването на петролните разливи, ефектите, причинени от промяната на климата и т.н.).

Производството на вятърна енергия постоянно се развива и усъвършенства от гледна точка намаляване на разходите и повишаване на ефективността.

Цената на електроенергията, произведена от вятър, е около 5 – 8 евро цента за кВтч и се очаква в близкото бъдеще тя да падне под 4 евро цента за кВтч. Проектите, свързани с производство на вятърна енергия са прости и поддръжката им е евтина. Наемът, който се плаща на фермерите, за да се използва земята им, е сериозен допълнителен доход за селските общности. Местните предприемачи най-често поемат строителните дейности, като осигуряват локална заетост, а поддръжката на съоръженията осигурява и трайна заетост.

Вятърната енергия е бързоразрастваща се глобална индустрия. В света има около 60 компании, произвеждащи оборудване за производство на вятърна енергия, като повечето от тях са европейски.

Повече от 10 сред най-големите европейски банки и над 20 европейски компании, както и частни лица и фирми са инвестирали във вятърна енергия. Вятърната индустрия е и голям работодател. В проучване, направено наскоро от Датската асоциация на производителите на вятърни турбини, се обобщава, че датската вятърна индустрия е работодател на 8 500 датчани и е създала допълнително 4 000 работни места извън страната. В момента, по тези си показатели, датската вятърна индустрия изпреварва датската рибна промишленост.

Общата заетост във вятърната индустрия в Европа възлиза на над 20 000 работни места.