Энергоэкологическая оценка использования различных генерирующих источников в сельском хозяйстве

Современные сельхозпредприятия имеют большое количество мелких объектов энергопотребления: фермы, скотные дворы, административные здания, объекты послеуборочной обработки продукции растениеводства, склады, хранилища и т. п. [1]. Они расположены на разном удалении от источников энергообеспечения. Централизованное электроснабжение осуществляется от трансформаторов небольшой мощности по воздушным линиям электропередач большой протяженности. Потребление электроэнергии не равномерно в течение суток, качество электроэнергии низкое, присутствуют большие потери энергии в сельских сетях [2].

В последнее время все чаще рассматривается вопрос о децентрализованном (автономном) энергообеспечении ряда нагрузок сельских территорий. Децентрализованное энергоснабжение возможно от различных генераторов энергии небольшой мощности с использованием местных и возобновляемых источников энергии. В этом случае у потребителя возникает задача выбора генерирующего источника [3].

Традиционно выбор источников энергоснабжения осуществляется по простейшим экономическим показателям: стоимость строительства, стоимость генерации энергии, экономический эффект и срок окупаемости. В то же время разные источники генерации, особенно автономные, работающие на возобновляемых источниках энергии и местного топлива, по-разному влияют на окружающую среду с точки зрения экологии. Например, дизель-генератор-ная электростанция имеет относительно небольшую стоимость, но характеризуется значительными выбросами загрязняющих веществ. Солнечная электростанция, наоборот, не засоряет окружающую среду (не считая занятых площадей, на которых она расположена), имеет большую стоимость, и в ряде случаев срок окупаемости солнечных фотоэлектрических станций соизмерим с периодом их эксплуатации. Кроме того, важен учет влияния всех существенных загрязнителей, образующихся в процессе выработки энергии с учетом степени их воздействия на окружающую среду. Данный аспект до сих пор мало исследован.

Целью работы является определение единого критерия при выборе источника энергоснабжения, учитывающего экономический и экологический эффекты на основании анализа структуры энергообеспечения сельхозпредприятий, стоимости мощностей и себестоимости электроэнергии с учетом удельного выброса загрязняющих веществ при выработке энергии.

Том 29, № 3. 2019

Для решения поставленной проблемы необходимо определить перечень существенных (по объемам образования и наличию негативного воздействия) веществ-загрязнителей характерных для выработки тепло- и электроэнергии и определить весовые коэффициенты для каждого вещества-загрязнителя, демонстрирующие степень их воздействия на окружающую среду.

Обзор литературы

Анализу систем энергоснабжения сельскохозяйственного производства посвящены работы российских и зарубежных авторов: созданию демонстрационных зон системы энергоснабжения высокой эффективности [4], планированию нагрузки микросетей [5], закономерностям, тенденциям и факторам, влияющим на использование энергии в сельском хозяйстве [6]. Внимание ученых направлено на оптимизацию структуры энергоснабжения, управление энергией в сельской местности [7], рассматривается вопрос планирования связей между энергетическими ресурсами [8]. Вопросы децентрализованного энергообеспечения рассматриваются при выборе архитектуры энергоснабжения. Все больше исследовательского интереса уделяется технологиям «микросетей» и «умных сетей» [9]. В этих технологиях широко используют возобновляемые источники энергии: биоэнергетика [10–12], ветроэнергетика [13; 14], солнечная энергетика [15–17].

Выбор источника генерации энергии традиционно осуществляется по экономическому критерию. Так, когенерационные системы оцениваются по инвестиционным затратам и стоимости биомассы [18]. Выбор между традиционными и нетрадиционными системами энергоснабжения обычно производится по экономическим критериям [2; 19]. Одновременная оценка варианта энергоснабжения по экономическим и экологическим параметрам также привлекает внимание ученых [20]. Попытка в качестве оценки использо-

Vol. 29, no. 3. 2019 вать энергоэкологический коэффициент представлена в работах отечественных специалистов [21; 22]. Однако этот коэффициент проработан только для светокультуры. Использование солнечной энергии значительно сокращает загрязняющие выбросы [23]. Использование процессов пиролизного горения может потенциально минимизировать проблемы с выбросами [24]. Экономия энергии также значительно влияет на сокращение выбросов [25]. Оценка экономической и экологической устойчивости сельских территорий тесно связана с загрязняющими выбросами [26]. Таким образом, основным источником выбросов является выработка электроэнергии и использование транспортных средств [27].

Материалы и методы

Анализ потребителей энергии, режимы работы оборудования и графики нагрузок определены по результатам энергетических обследований [20]. Для определения значимости влияния всех существенных загрязнителей, образующихся в процессе выработки энергии, был использован метод логико-лингвистического моделирования Спесивцева – Дроздова на основе экспертных оценок1. Это было обусловлено невозможностью точной оценки негативного влияния рассматриваемых веществ на все компоненты окружающей среды в целом и зависимость данного воздействия от многих факторов, делающих невыполнимым определение негативного воздействия экспериментальными методами. Выбранный способ исследования основывается на теории планирования эксперимента, математическом аппарате нечеткой логики и регрессионном анализе [28]. В соответствии с методом в качестве исходных для модели- рования были использованы данные, полученные методом анкетирования пяти экспертов. Метод включает в себя следующую последовательность действий:

• 1)    определение целевого показателя: зависимой переменной, ее размерности, диапазона значений и связи размерных значений с лингвистическими оценками;

• 2)    определение факторного пространства, в котором эксперт принимает решение по данному конкретному вопросу и от которого зависит целевой показатель;

• 3)    создание матрицы продукционных правил и заполнение ее экспертами, обладающими соответствующими знаниями и опытом в исследуемой предметной области;

• 4)    обработка экспертных оценок и построение целевой функции в аналитическом виде, отражающей зависимость целевого показателя от факторных переменных;

• 5)    профессиональный анализ целевой функции с точек зрения математика и эксперта с целью извлечения новой информации об изучаемом явлении.

Результаты исследования

Электроэнергия в сельхозпредприятиях расходуется на освещение, электропривод, отопление и горячее водоснабжение [20]. Отопление и горячее водоснабжение обеспечиваются также от котельных, работающих на угле, мазуте, природном газе, биотопливе. Возможно использование для получения тепловой энергии тепловых насосов, гелиоводонагревателей и гелиовоздухонагревателей, рекуператоров. Автономное электроснабжение возможно от солнечных электростанций, ветроуста-новок, гидроэлектростанций и дизельных электростанций.

Р и с. 1. Схема структуры энергообеспечения: a) для отопления и ГВС; b) для освещения, электроприводов, систем управления

Power stations:

— small hydro:

— recuperators:

— solar heaters:

— heat pumps.

Combined heat and power plants:

Combined heat and power plant:

— biogas cogeneration plants:

— biogas cogeneration plants:

• —    die sei power pl ants:

• —    diesel power plants.

  -landfill gas boilers: - traditional boilers (gas, coal, fuel oil):

• — biomass boilers.

a)                                               b)

F i g. 1. Power supply structure diagram:

• a) for heating and hot water supply; b) for lighting, electric drives and control systems

Генерирующие объекты могут быть как традиционным (дизель-генерато-ры, газо-поршневые энергоустановки), так и возобновляемыми источниками энергии (ветроустановки, солнечные станции, микро-ГЭС). Использование ВИЭ снижает расход основного топлива (экономический эффект) и положительно отражается на экологических показателях.

Как было отмечено выше, при выборе источника энергии учитываются экономический или экологический критерии отбора. Экономический критерий – стоимость кВт∙ч энергии (табл.1). Экологический критерий – совокупный выброс загрязняющих веществ при получении энергии (г/кВтч) на различных источниках энергоснабжения [1; 15] (табл. 2).

При выборе источников энергоснабжения предлагается использовать коэффициент энергоэкологичности, представляющий произведение стоимости кВт∙ч полученной энергии на объем удельных выбросов загрязняющих веществ. Оптимальное значение этого ко- эффициента при выборе генерирующего источника – наименьшее [1]:

К ээ = (С с ∙К а +С г ) ∙ ∑ {З в ∙К вв }∙ Q , (1) где С_с – общая стоимость строительства источника генерации энергии; К а - коэффициент амортизации; С _г – стоимость генерации энергии; З - количество загрязняющих веществ; К - коэффициент вредного воздействия; Q - количество вырабатываемой энергии.

Например, при работе двух котельных на дровах и пеллетах (табл. 3) наименьший коэффициент энергоэкологичности ‒ при генерации энергии от сжигания пеллет. Однако при этом стоимость кВтч выше, а удельные выбросы меньше. По коэффициенту экологичности предпочтительней использовать котельную на пеллетах.

Для объективной оценки важен учет влияния всех существенных загрязнителей, образующихся в процессе выработки энергии, с учетом значимости их влияния на окружающую среду. Значимость влияния определялась методом

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Ориентировочная стоимость мощностей и себестоимость электроэнергии Estimated cost of power and cost of electricity

Источник генерации энергии / Energy-generating source	Инвестиции, тысяч рублей / кВт / Investments, thousand rubles / kW	Себестоимость, рублей / кВт∙ч / Prime cost, rubles / kW∙h
Котельная на угле / Coal boiler-plant	120	5,4
Котельная на газе / Gas boiler-plant	48	3,6
Малая гидроэнергетика / Small hydroelectric power plant	50	1,2‒3,6
Котельная на биомассе / Biomass boiler-plant	13,6	4,6
Геотермальная станция / Geometrical power plant	150–300	3,9–18,5
Солнечная электростанция (Фотовольтаические) / Solar electric plant (Photovoltaic power station)	300	9‒30,0
Ветровая электростанция / Wind-powered generating plant	82,2	2,2
Солнечная тепловая станция / Solar thermal station	93–135	9,8–12,6
Котельная на дровах / Firewood boiler-plant	32	2,7–4,9
Котельная на щепе / Chip boiler-plant	21	1,7–3,4
Котельная на пеллетах / Pellet boiler-plant	38	6,8–10

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Удельный выброс загрязняющих веществ (ЗВ) при выработке электрической и тепловой энергии на местных генерирующих источниках энергии (г/ кВт^ч)

Specific emission of pollutants in the generation of electrical and thermal energy on local generating energy sources (g/kW∙h)

Источник генерации энергии / Energy-generating source	СО 2	СО	Пыль / Dust	SО 2	NО2	H2S	Всего ЗВ / Total pollutants
Дизельная котельная / Diesel boiler-plant	6,8	0,3–0,6	0,04	8,0–10,5	1,8–3,2	0,05	19,1
Котельная на угле / Coal boiler-plant	9–10	0,3–1,0	0,4–1,4	6,0–12,5	3,0–7,5	6,0–9,0	37,4
Котельная на мазуте / Fuel oil boiler-plant	5,4	0,1–0,5	0,2–0,7	4,2–7,5	2,4–3,0	2,5–5,4	20,2
Котельная на дровах / Firewood boiler-plant	2,3	0,2–0,8	0,3–0,8	–	0,07	–	2,9
Котельная на пеллетах / Pellet boiler-plant	1,9	0,1–0,6	0,2–0,6	–	0,5	–	3,2
Котельная на щепе / Chip boiler-plant	1,3	0,1–0,5	0,5–1,3	–	0,2–1,3	–	3,4
Котельная на биогазе / Biogas boiler-plant	3,2	–	–	–	2,0–2,7	0,06	5,6
Котельная на природном газе / Natural gas boiler-plant	1,29	–	0,05	0,02	1,9–2,4	–	3,6

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Пример применения коэффициента энергоэкологичности An example of the use of the energy-ecological coefficient логико-лингвистического моделирования.

В качестве целевого был выбран комплексный показатель негативного воздействия производства тепловой и электроэнергии на окружающую среду - безразмерная величина, отражающая суммарный уровень воздействия всех веществ-загрязнителей, образующихся при выработке тепловой и электроэнергии на окружающую среду. Данный показатель может быть представлен следующим образом:

U pk = IX X i^x ku), (2)

где U pk – комплексный экологический ущерб от загрязнения; x i - масса i -го вещества-загрязнителя, характеризующая производство энергии; ku_i – удельный коэффициент ущерба от загрязнения 1 г вещества-загрязнителя; i – количество значимых веществ-загрязнителей.

Таким образом, для решения задачи определения комплексного негативного воздействия на окружающую среду необходимо определить перечень зна-

Процессы и машины агроинженерных систем

Вид топлива / Type of fuel Стоимость кВтч (руб.) / Cost of kW∙h (RUB) Удельные выбросы грамм / кВт ч / Specific emissions grams / kW^h Коэффициент энергоэкологичности / Coefficient of energy and ecological compatibility Дрова / Firewood 5,1 12,9 65,8 Пеллеты / Pellets 7,6 5,8 44,1 чимых веществ-загрязнителей, и определить удельный показатель ущерба от 1 г вещества-загрязнителя.

На основании анализа литературных источников2 был сформирован перечень негативных факторов влияния на окружающую среду, включающий в себя пыль и 5 существенных по объему образования и влиянию на окружающую среду веществ:

• 1)    сероводород (H ₂ S);

• 2)    оксиды азота (NOx);

• 3)    диоксид серы (SO ₂ );

• 4)    взвешенные вещества (пыль);

• 5)    монооксид углерода (CO);

• 6)    диоксид углерода (CO ₂ ).

Выражение (2) в данном случае принимает вид:

U_pk =ku ₁ x ₁ +ku ₂ x ₂ +ku ₃ x ₃ +ku ₄ x ₄ + +ku ₅ x ₅ +ku ₆ x ₆ .             (2)

Для выявления значений ku . был использован метод логико-лингвисти-

ческого моделирования, состоящий из формирования матрицы сочетаний факторных переменных, заполнения матрицы экспертными данными и обработки данных методами регрессионного ана-лиза3 [10].

В соответствии с выбранным методом была сформирована матрица из 32 сочетаний граничных значений факторных переменных (табл. 4).

Граничные значения факторных переменных имеют следующий смысл: 0 – минимальный объем образования загрязняющего вещества; 1 - максимальный объем.

Для каждого из сочетаний факторных значений данной матрицы было получено экспертное значение, причем эксперт оценивал комплексный экологический ущерб от загрязнения по шкале от 0 до 1, где 0 – минимально возможный ущерб; 1 - максимально возможный ущерб. Результаты экспертного оценивания приведены в таблице 5 (значения Y_эксп ).

Т а б л и ц а 4

T a b l e 4

Матрица сочетаний факторных значений

Matrix of combinations of factor values

	X 1	X 2	X 3	X 4	X 5	X 6	Y
1	0	0	0	0	0	0	–
2	1	0	0	0	0	1	–
3	0	1	0	0	0	1	–
4	1	1	0	0	0	0	–
5	0	0	1	0	0	1	–
–	–	–	–	–	–	–	–
30	1	0	1	1	1	0	–
31	0	1	1	1	1	0	–
32	1	1	1	1	1	1	–

Т а б л и ц а 5

T a b l e 5

Экспертные (оценочные) и расчетные значения целевой функции Expert (estimated) and calculated values of the objective function

X 1	X 2	X 3	X 4	X 5	X 6	Y эксп	Y расч
0	0	0	0	0	0	0,00000	0,000000
1	0	0	0	0	1	0,90625	0,927371
0	1	0	0	0	1	0,90625	0,928835
1	1	0	0	0	0	0,00000	0,001528
0	0	1	0	0	1	0,93750	0,941062
1	0	1	0	0	0	0,00000	0,013755
0	1	1	0	0	0	0,00000	0,015220
1	1	1	0	0	1	0,93750	0,942591
0	0	0	1	0	1	0,93750	0,943801
1	0	0	1	0	0	0,00000	0,016494
0	1	0	1	0	0	0,00000	0,017958
1	1	0	1	0	1	0,93750	0,945329
0	0	1	1	0	0	0,00000	0,030185
1	0	1	1	0	1	0,93750	0,957556
0	1	1	1	0	1	0,93750	0,959021
1	1	1	1	0	0	0,03125	0,031714
0	0	0	0	1	1	0,93750	0,968286
1	0	0	0	1	0	0,03125	0,040979
0	1	0	0	1	0	0,03125	0,042444
1	1	0	0	1	1	0,96875	0,969815
0	0	1	0	1	0	0,03125	0,054671
1	0	1	0	1	1	0,96875	0,982042
0	1	1	0	1	1	0,96875	0,983506
1	1	1	0	1	0	0,03125	0,056199
0	0	0	1	1	0	0,03125	0,057409
1	0	0	1	1	1	0,96875	0,984780
0	1	0	1	1	1	0,96875	0,986245
1	1	0	1	1	0	0,03125	0,058938
0	0	1	1	1	1	0,96875	0,998472
1	0	1	1	1	0	0,06250	0,071165
0	1	1	1	1	0	0,06250	0,072629
1	1	1	1	1	1	1,00000	1,000000

По результатам регрессионного анализа была получена следующая формула:

Y =0,000031841 х .+0,001496529 х, +

+0,013723492 х 3 +0,016461823 х ₄ +

+0,04094759 x ³ ₅ +0,927338725 x ⁴ ₆ . (3)

Полученные значения ku i позволяют оценить значимость негативного влияния веществ-загрязнителей на окружающую среду. Так, можно сделать вывод о том, что наибольшее негативное воздействие на окружаю-

Расчетные значения по полученной формуле приведены в таблице 5 (столбец Y _расч ).

Весовые коэффициенты каждой переменной отражают значимость фактора с точки зрения негативного воздействия на окружающую среду. Поскольку для целей исследования представляет интерес сравнительная оценка ущерба от загрязнителей при выработке тепло-и электроэнергии, для более удобного восприятия все весовые коэффициенты были умножены на 31406 (наименьший весовой коэффициент стал равен 1), при этом отношения между коэффициентами не изменились, поэтому их смысл, позволяющий оценить относительную значимость, остался прежним.

В результате было получено следующее полиномиальное выражение:

щую среду оказывает сероводород (H 2 S), а наименьшее - диоксид углерода (CO ₂ ). Также, сравнивая между собой весовые коэффициенты, можно определить относительную значимость с точки зрения негативного воздействия на окружающую среду: например, весовой коэффициент оксидов азота в 9,17 раз больше коэффициента диоксида серы; это означает, что оксиды азота оказывают в 9,17 раз больше негативного влияния на окружающую среду, чем та же масса диоксида серы.

Полученные данные согласуются с данными о классе опасности и ПДК из действующих нормативных документов (табл. 6; рис. 2).

Определение коэффициентов значимости загрязнителей позволяет использовать уравнение (4) для достоверной экологической оценки выработки

Р и с. 2. Сравнение коэффициентов значимости с точки зрения негативного воздействия на окружающую среду

F i g. 2. Comparison of significance coefficients from the point of view of environmental negative impact

Processes and machines of agroengineering systems                                            375

Т а б л и ц а 6

T a b l e 6

ПДК (мг/м³), классы опасности и коэффициенты значимости для рассматриваемых факторов загрязнения

Maximum permissible concentration (mg/m³), hazard classes and significance coefficients for the substances under consideration

Обсуждение и заключение

Коэффициент энергоэкологичности может быть критерием при выборе источника в автономных системах энергоснабжения, который представляет произведение стоимости кВт∙ч полученной энергии на объем удельных выбросов загрязняющих веществ. Оптимальное значение этого коэффициента при выборе генерирующего источника – наименьшее. Коэффициент энергоэкологичности учитывает одновременно экономическую и экологическую целесообразность при выборе генерирующих источников энергии.

Определен перечень существенных (по объемам образования и наличию негативного воздействия) веществ-загрязнителей, характеризующих выработку тепло- и электроэнергии, включающий 6 веществ. Определены весовые коэффициенты для каждого вещества-загрязнителя, которые демонстрируют их степень воздействия на окружающую среду. Предложен способ сравнения и оценки различных видов топлива для выработки энергии с точки зрения комплексного воздействия образующихся веществ-загрязнителей на окружающую среду.

Нормативный документ / Regulatory document	CO2	CO	Пыль / Dust	SO2	NOx	H 2 S
ГН 2.2.5.2100-06 (ПДК в рабочей зоне) / GN 2.2.5.2100-06 (maximum permissible concentration in working area)	27000
ГН 2.2.5.1313-03 (ПДК в рабочей зоне) / GN 2.2.5.1313-03 (maximum permissible concentration in working area)		20			5 (в пересчете на NO / based on nitrogen monoxide)	10
ГОСТ 12.1.005-88 (ПДК в рабочей зоне) / (maximum permissible concentration in working area)		20			5 (в пересчете на NO / based on nitrogen monoxide)	10
ГН 2.1.6.1338-03 (ПДК в воздухе населенных пунктов) / GN 2.1.6.133803 (maximum permissible concentration in the air of settlements)		5	0,5	0,5		0,008
Класс опасности / class of hazard	4	4	3	3	3	2
Полученные коэффициенты значимости / The obtained coefficients of significance	1	47	431	517	1286	29124

Поступила 22.02.2019; принята к публикации 20.03.2019; опубликована онлайн 30.09.2019

Об авторах:

А. Ю. Брюханов - научное руководство, постановка задачи и формулирование концепции статьи; И. А. Субботин - методика, результаты и обсуждение; Е. В. Тимофеев - введение и обзор литературы; А. Ф. Эрк - методика, результаты и обсуждение, выводы.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.