XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Биотопливо как альтернативный источник энергии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Коротков К.А. 1Шестаков Н.Е. 1

---

1ФГКОУ "Читинское суворовское военное училище МВД России"

Жаргалова Н.В. 1

---

1ФГКОУ "Читинское суворовское военное училище МВД России"

Работа в формате PDF

511.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Как было отмечено Президентом Российской Федерации В.В. Путиным: «Заметной тенденцией глобальной энергетики стало пристальное внимание к вопросам экологии и климата, акцент на ответственное развитие отрасли, которое снижает воздействие на окружающую среду. Сегодня у России один из самых чистых, низкоуглеродных энергобалансов в мире. Больше трети нашей генерации приходится на гидро- и атомную энергетику; ещё 50 % – на газ. За последние пять лет в нашей стране введено 800 мегаватт мощностей на базе возобновляемых источников энергии»¹. Внедрение и использование современных экологических практик является актуальным вопросом для любого вида хозяйственной деятельности на каждом периоде ее развития.

Объект исследования: биотопливо как потенциал улучшения экологии.

Предмет исследования: применение биотоплива как источника энергии и способа утилизации отходов хозяйственной деятельности для Забайкальского края.

Цель: изучение видов биотоплива и оценка возможного их использования в современных условиях.

Новизна проекта заключается в рассмотрении вопросов использования биотоплива применительно к территории Забайкальского края.

Практическое применение результатов нашей работы может выразиться в использовании выводов проекта для пропаганды использования (утилизации) биотоплива как источника энергии, с целью улучшения экологической обстановки, обоснования программ комплексного развития Забайкальского края, мероприятий, связанных с охраной окружающей среды, в том числе при реализации национального проекта «Экология»².

Основная часть

Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27.12.2007 № 424-ст с 01.01.2009 введен в действие национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 52808-2007 «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения».В соответствии с указанным стандартом биотопливом является твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом.

Биотопливо также делятся на первичное и вторичное. Первичные биотоплива используются в необработанном виде, в первую очередь для отопления, приготовления пищи и электричества, в основном, это топливная древесина. Вторичные биотоплива, производится путем переработки биомассы и могут быть использованы на транспортных средствах, а также в различных промышленных процессах. В свою очередь, вторичные биотоплива можно разделить на три поколения: первое, второе и третье на основе различных параметров, таких как тип технологии обработки, тип исходного сырья или по их уровню развития. Биотопливо первого поколения производится из любого сельскохозяйственного сырья сахара, крахмала, растительного масла и животного жира посредством применения надлежащих технологий.

Биотопливо второго поколения – топливо, полученное разными методами пиролиза биомассы. Производятся из не пищевого сырья.

Биотопливо третьего поколения - топливо, полученное из водорослей. Это перспективный вид, исследования и создание ведутся в настоящее время.

Биотопливо четвертого поколения. Биомасса в любом случае требует дополнительной переработки, и часто затраты на этот этап производства биотоплива очень высоки. Технология только разрабатывается на лабораторном уровне³.

Биотопливо пятого поколения находится в разработке. Основой концепции является электробиосинтез — использование электричества для синтеза биотоплива. Существуют микробы, которые способны потреблять электроэнергию с электрода, погруженного в раствор⁴.

Подводя итог вышенаписанного следует отметить, что изучение истории возникновения отдельных видов биотоплива указывает на цикличность их развития. Имеется прямая зависимость от цен на нефтепродукты, как правило, меняющихся от политической обстановки в мире. Правовое регулирование рассматриваемого вопроса в России активизировано лишь в прошлом десятилетии. По-прежнему требуется удешевление начальных расходов на создание и установку оборудования для производства биотоплива, что невозможно без научно-практических исследований и развития технологий.

Биомaсса является основным видом топлива для «зеленой» энергетики: на нее приходится две трети выработанной из возобновляемых источников энергии. Развитие отрасли зависит от новых технологий и благоприятного климата. Использование биомассы для получения тепла и энергии можно разделить на два способа:

традиционный: сжигание древесины, древесного угля, навоза и прочих остатков сельскохозяйственной деятельности (на это приходится 7,4% потребляемой в мире энергии);

современный: использование специально подготовленной биомассы в твердом, жидком и газообразном виде (5% мирового потребления энергии)⁵.

Рассмотрим, на примере Забайкальского края, использование первого, традиционного способа. Во всем мире использование древесного топлива и, в частности, древесных отходов, рассматривается как желанная альтернатива традиционным источникам энергии. Это связано с тем, что древесина является CO2-нейтральной, имеет низкое содержание серы и относится к возобновляемым ресурсам. Поэтому технологии получения энергии из этого дерева с каждым годом все больше развиваются и совершенствуются.

По данным Росстата за 2021 год общий запас древесины Забайкальского крaя составляет 2 674,9 млн. тонн⁶. 8 место среди регионов России. Лесная промышленность занимает в крае весомое место. Как итог – образование значительного числа отходов. Отходы лесной промышленности являются крайне опасными для экологии, так как становятся причинами масштабных лесных пожаров. В 2021 году первый в Забайкальском крае лесной пожар произошел в 10 километрах от села Тохтор Акшинского района. Причина - сжигание порубочных остатков, площадь возгорания - 25 гектаров⁷.

Другая проблема, отопления углем и дровами – это повышенная пожароопасность. МЧС России по Забайкальскому краю отмечает, 40% пожаров в жилых домах происходят из-за проблем с печным отоплением, после неосторожного обращения с огнем и электрических воспламенений.

Газификация отчасти решает проблему. Но ее уровень в России составляет всего 71,4%, и к 2026 году планируется рост до 74,7%. Так в Забайкальском крае в рамках Федерального проекта «Чистый воздух» национального проекта «Экология» начата реализация проекта «Газификация жилых домов, в том числе строительство сетей газоснабжения и перевод домовладений с угольного отопления на газовое газификации Забайкальского края». В случае с частными домами это, прежде всего, уголь и дрова. Угольная сажа и дым от печек в частном секторе являются вторым по значимости фактором, который влияет на состояние воздуха в Чите (из примерно 100 тысяч тонн загрязняющих веществ, которые выбрасываются в воздух краевого центра за год, около 33% приходится на отопление частного сектора, 40% — на промышленные предприятия и только 27% — на автомобили). Кроме того, перевод любого частного дома на газ — это затраты, которые при любом раскладе измеряются сотнями тысяч рублей.

Полагаем, что единственным верным способом утилизации отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности является их переработка в современные виды древесного биотоплива: топливные гранулы (пеллеты), топливные четвертаки или шайбы, брикеты, топливная щепа.

По данным Росстата за 2021 год⁸, поголовье крупного рогатого скота (КРС) в Забайкальском крае составляет457,7 тысяч голов - 10 место среди регионов России, поголовье свиней 51,2 тыс. голов – 51 место, поголовье овец и коз 415,5 тыс. голов – 11 место.

С учетом данных цифр, можно смело утверждать, что значительная часть органических отходов в Забайкальском крае приходится на агропромышленный комплекс, и эта нагрузка растет. Так, количество КРС в Забайкальском крае с 2005 по 2021 гг. выросло на 13%.

Отходы животных накапливают в себе опасные бактерии, аммиак, метан, угарный газ, тяжелые металлы, цианид, нитраты и т.д. К тому же продукты жизнедеятельности скота и птицы содержат и непереваренные антибиотики, которые в избытке применяются в сельском хозяйстве, а их попадание в окружающую среду способствует дальнейшему росту устойчивости к антибиотикам⁹.

Биотопливная установка позволяет уменьшить расходы на очистку и утилизацию сточных вод, сэкономить средства на строительстве навозных отстойников, уплате штрафов за неочищенные стоки, использовать освободившиеся земельные площади для разных нужд, использовать в своем хозяйстве или реализовывать полученные удобрения.

Полагаем, что данные решения можно и нужно использовать и в Забайкальском крае.

Мы хотим привести привести примеры действующих объектов по производству биотоплива, а также рассказать о существующих перспективных объектах. Производство пеллет сопровождает первичную переработку дерева на предприятиях лесного комплекса. Опилки, получившиеся в процессе производства, измельчают, сушат и прессуют в гранулы. Всего в России, по данным «Рослесинфорга», работает около 60 предприятий, каждое из которых производит более 1 тыс. т пеллет в год¹⁰. Развивается данный сегмент и в Забайкальском крае.Резидент территории опережающего развития «Забайкалье» компания «Инновация» 1 мая 2020 года запустила завод по производству топливных гранул — пеллет, которые изготавливаются из отходов деревообработки¹¹. В Забайкалье появилось ещё одно предприятие по производству экологически чистого топлива.

Для эффективного применения полученных данных, нами был проведен опрос в социальной сети «Вконтакте» - «Исследование биотопливного потенциала в хозяйствах Забайкальского края». Целью данного социологического исследования является максимальная осведомленность жителей Забайкальского края о видах биотоплива и его эффективности.

Анализ социологического исследования показал следующие результаты:

Ответы на первый и второй вопросы говорят о том, что большая часть населения знают о том, что такое «биотопливо», «альтернативные источники энергии». Всё же остаются те опрошенные, которые в той совсем или недостаточно знают интерпретацию данных понятий (Приложение I, рис.1,2).

Третий вопрос раскрывает понятие о разновидностях сырья для производства биотоплива. Здесь мы видим, что мнения респондентов разделились (Приложение I,рис.3).

В ответах на шестой вопрос отражает тип отопления жилья опрошенных в настоящее время и в перспективе. На наш взгляд, более экологически щадящими являются газовое и биогазовое отопление (Приложение I,рис.4).

И, наконец, завершает опрос вопрос, отражающий мнение респондентов о том, необходимо ли развивать биотопливную энергетику в Забайкальском крае (Приложение I,рис.5).

Итак, исходя из анализа полученных данных, мы можем сделать вывод о том, что не все респонденты, проживающие в Забайкальском крае, владеет информацией о том, что такое биотопливо, о перспективах и преимуществах его использования.

Анализ полученных из опроса данных, показал нам то, что не всё население Забайкальского края, занимающееся хозяйственной деятельностью, связанное с животноводством и растениеводством в недостаточной мере владеет информацией о биотопливе (отходах продуктов жизнедеятельности сельскохозяйственных животных), о перспективах и преимуществах его использования.

Буклет, изготовленный нами, содержит следующую информацию (Приложение III):

1) Общие сведения о биотопливе

2) Необходимость использования биотоплива

3) Виды биотоплива

4) Использование различного биотоплива (твердого, жидкого, газообразного)

5) Преимущества биотоплива

Уверены, что информация, содержащаяся в данном буклете, позволит фермерам и сельскохозяйственным производителям, и жителям частного сектора, получить наглядную инструкцию о возможностях использования отходов для получения энергии и улучшения экологической обстановки.

Исследование состава пеллетов хвойной и лиственных пород.

Нами были изготовлены микропрепараты пеллет, которые были рассмотрены нами в лаборатории (Приложение II).

Четко выражены спрессованные древесные волокна, обеспечивающие гранулам характерные ценные свойства.

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что производство биотоплива, а как следствие энергии, путем переработки сельскохозяйственных и иных отходов является современным трендом. Высокая стоимость и «конечность» энергоресурсов, ухудшающееся состояние окружающей среды обусловливают необходимость перехода к экономике замкнутого цикла.

В целях эффективного развития следует непрерывно актуализировать нормативную базу. Введение новых ГОСТ, так называемый «закон о побочных продуктах животноводства» свидетельствуют об активизации этого процесса. Использование древесного биотоплива, переработка органических отходов вносят серьезный вклад в улучшение экологической обстановки: снижается уровень углекислого газа в атмосфере, не допускается загрязнение почв и водоемов, решается одна из причин возникновения лесных пожаров. В настоящее время Россия не обладает достаточным количеством эффективных технологий и мощностей для производства биотоплива. Одна из серьезных проблем внедрения объектов биоэнергетики в России – необходимость первоначальных инвестиций. Определяющим стимулом для развития биогазовой энергетики должна стать поддержка на государственном уровне (налоговые льготы для производителей или потребителей биотоплива, пропаганда идей энергосбережения, организация подготовки инженерно-технических и управленческих кадров в области биоэнергетики, гранты на осуществление НИОКР и т.д.).

Изучение источников и литературы указывает на возможность использования, рассмотренных в моем проекте технологий не только в промышленности, но и в частных хозяйствах.

Для подтверждения достоверности моих результатов я встретился с советником юстиции, который непосредственно занимается экологическим надзором, Екатериной Михайловной К. В ходе беседы Екатерина Михайловна поделилась результатами многочисленных исследований в области охраны окружающей среды, заметив, что наша работа имеет большую пользу для экологии Забайкальского края.

К Забайкальскому краю, как к региону с развитой лесной промышленностью и животноводческим комплексом, в полном объеме применимы вышеуказанные выводы.

Внедрение современных технологий, рассмотренных в проекте, позволит эффективно и экологично использовать не только в хозяйствах, но и для частных лиц в Забайкальском крае.

Список литературы

1. Выступление от 02.10.2019 на пленарном заседании Международного форума «Российская энергетическая неделя» / сайт http://kremlin.ru/events/president/news/61704 - 2019.

2. Доклад REN21, сайт https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/1900916_GSR_2019_Perspectives_Russian.pdf

3. Найман С. М., Найман М. О., Тунакова Ю. А. Возможность применения биогазовых технологий для переработки органических отходов в Татарстане. Биоэнергетика // Вестник Казанского технологического университета – 2013. – т. 16 - № 14. – С. 154 – 156.

4. Национальный проект «Экология» / сайт https://ecologyofrussia.ru/proekt/ - 2022.

5. П.П. Проценко, Т.А. Николаева «Оценка эффективности применения биогазовых установок в Амурской области», - Вестник АмГУ на сайте https://vestnik.amursu.ru/archive/2020/89/otsenka-effektivnosti-primeneniya-biogazovyh-ustanovok-v-amurskoj-oblasti, 2018.

6. Послание Президента Федеральному Собранию от 15.01.2020 / сайт http://kremlin.ru/events/president/news/62582 - 2020.

7. Регионы России. Социально-экономические показатели / https://rosstat.gov.ru/folder/210/document/13204

8. Регионы России. Социально-экономические показатели / https://rosstat.gov.ru/folder/210/document/13204

9. Сайт Федеральной службы государственной статистики - https://rosstat.gov.ru/folder/11194 - 2022.

10. Стaтья «Батарея» из водорослей питала небольшой компьютер энергией в течение целого года» от 13.05.2022 на сайте https://www.vesti.ru/nauka/article/2739849 - 2022.

11. Статья «Биотопливо – граница между фотоном и электроном» на сайте https://alter220.ru/bio/biotoplivo-2.html#i-5 – 2020.

Приложение I

Социологическое исследование на использование биотопливного потенциала в Забайкальском крае

Рисунок 1. Знаете ли Вы, что такое биотопливо?

Рисунок 2. Слышали ли Вы об альтернативных источниках энергии?

Рисунок 3. Что является сырьем для производства биотоплива?

Рисунок 4. Что является сырьем для производства биотоплива?

Рисунок 5. Что является сырьем для производства

Приложение II

Строение пеллет под микроскопом

Рисунок 6. Лиственная порода пеллет

Рисунок 7. Хвойная порода пеллет

Приложение III

Буклет «Что ты знаешь о биотопливе?»