16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/313/9061367.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 05 (313) март 2017 года

Повышение плодородия почвы за счет ВИЭ

Наука и новые технологии Геннадий ОСАДЧИЙ, инженер

Существует много методик расчета эффективности производства энергии, в том числе при использовании более экологически чистых технологий.

Однако все эти методики не учитывают воздействия на основу основ физиологического существования человека – поверхностный слой почвы.
Оценка установок по приведенным затратам и сроку окупаемости – не единственный показатель, по которому можно судить об эффективности использования возобновляемых источников. Помимо всего прочего, такими установками вырабатывается «зеленая» энергия, не приводящая к снижению плодородия почвы. Кроме того, не учитываются дополнительные социально-экологические преимущества, получаемые при использовании систем возобновляемой энергетики.



Народнохозяйственный эффект

Рассмотрим дополнительную эколого-социально-экономическую эффективность системы возобновляемой энергетики, связанную с сохранением плодородия почв, по сравнению с традиционным энергоснабжением от топливной энергетики.

Как видим, народнохозяйственный эффект использования любой технологии 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 возобновляемой энергетики, и его необходимо учитывать при определении эффективности ее использования.

Полезный результат в этом ракурсе может быть представлен в виде суммы полученной «зеленой» энергии и предотвращенного ущерба от деградации почвы.

Это применимо ко всем технологиям использования ВИЭ и позволяет учесть принципиальную особенность таких установок – возобновляемость. Обычно при сравнении энергоустановок, использующих ВИЭ и органическое топливо, учитывается только собственно выработка энергии. Например, считается, что гелиоустановка эффективна, если затраты на нее не превышают затрат 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.

Народнохозяйственный эффект от сохранения гумуса в земле при использовании ВИЭ можно оценивать как Э = kпот × Вт × ц, где Вт – количество гумуса, сэкономленного в экосистеме, которое раньше расходовалось на выращивание растительной продукции, используемой в качестве топлива при самозаготовке, kпот – коэффициент, учитывающий прирост первичного гумуса при нахождении «пашни под парами», ц – удельная оценка (цена) сохранения гумуса в почве.

При определении эффективности системы энергетики ВИЭ требуется учет не только денежных ресурсов (капитальных вложений, текущих затрат), но также сырьевых – экономия удобрений, чистой воды на полив и т. д.

Так, 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 принимаем нулевым, 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 (очистка биогаза от вредных газов осуществляется в технологическом цикле установки). Поэтому экологический эффект может быть учтен как предотвращенный ущерб благодаря отсутствию вредных сбросов в почву.



Ущерб для экосистемы

Удельный ущерб при одинаковых выбросах в атмосферу для каждой экосистемы свой. Можно определять экологический эффект как предотвращенный ущерб почве благодаря уменьшению вредных выбросов при добыче и транспортировке энергоносителя.

При оценке ущерба водным объектам можно исходить из уровня содержания растворимого кислорода 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. 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 велик, то содержание кислорода 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 растворимого кислорода.

Ущерб от промышленных стоков, как известно, очень высок – содержание кислорода в воде резко снижается.

Высокие уровни содержания растворимого кислорода (7‑8 мг / л) необходимы для некоторых ценных видов рыбы (8‑10 мг / л – стадия насыщения кислородом в большинстве водоемов в летний период). Для большинства же рыб вполне подходящи 4‑5 мг / л. Однако при уровне ниже 2‑3 мг / л могут выживать только некоторые.

Кроме уменьшения растворимого кислорода, сброс органических отходов может иметь и другие нежелательные последствия. В ходе разложения органики образуются питательные вещества для водорослей, стимулирующие их рост. Опасность чрезмерного роста водорослей – 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, 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. Ее гнилость наносит ущерб почве, выводя целые поля из севооборота.



Как понизить нагрузку на биосферу

Использование ВИЭ позволяет существенно уменьшить нагрузку на биосферу, понизить эргодемографический индекс территории.
Определенный интерес представляет использование отходов сжигания, например, угля, торфа и сланцев. Зола угольная и сланцевая широко используется для раскисления почв и производства стимуляторов роста растений. Зола торфа востребована в фармакологии.

При сооружении, например, для системы энергоснабжения котлованов под солнечный соляной пруд (ЭПР № 19 (255) за 2014 г.) верхний плодоносный слой земли (чернозем, гумус) может быть продан, а значит, эффект от его реализации будет снижать стоимость системы. А если он будет использован для улучшения плодородия почвы собственника системы, то эффект будет выражаться в повышении урожая выращиваемых культур, компенсируя уменьшение площади участка, использованной под пруд.

При использовании солнечной энергии, энергии воды и биометана отсутствуют риски, возникающие, например, при использовании угля и сжиженного газа, распространения вредных организмов и сорных растений транспортными средствами.

Санитарный эффект (отсутствие последствий фитосанитарного контроля и т. п.) тоже может быть учтен как предотвращенный ущерб благодаря отсутствию завоза топлива при использовании системами солнечной энергии и биометана.



Антропогенное воздействие

При нынешних темпах развития цивилизации не получается резервировать слишком большие участки природы и тратить на ее охрану слишком много средств, т. к. это приводит к большим экономическим потерям для общества.

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 со временем изменять ПДК в сторону ужесточения, что не практикуется.

Более 99 % всех выбросов ТЭС поступает в атмосферу из дымовых труб, создавая наибольшие приземные концентрации на расстоянии нескольких километров от ТЭС в зависимости от скорости ветра и его направления.

В настоящее время самым мощным источником поступления 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 и продукты их распада. 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 – дорогое удовольствие, капитальные затраты на сооружение блоков очистки ТЭС составляют 186‑264 тыс. долларов на 1 МВт установленной мощности.

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.



Использование биомассы

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.

Кроме того, в этот годовой экономический эффект должны включаться выгоды, связанные с пропорциональным уменьшением образования отходов.

В настоящее время часть мирового сообщества, обеспокоенная выбросами СО2 усиленно пропагандирует использование биомассы. Мотивация такова: 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.

Для исключения распространения пыли от промышленных предприятий, ТЭЦ, ТЭС и т. д. необходимо восстанавливать леса, а не пропагандировать использование древесины в качестве возобновляемого органического топлива, и вот почему.
Листовая поверхность в 1 кв. м задерживает 1,5‑3 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 тонн пыли, уменьшая ее концентрацию на 30‑40 %.

Зелень на улицах города может в 2‑3 раза снизить запыленность атмосферы по сравнению с улицами без зелени.

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.



Поддержание плодородия

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 ее плодородия в настоящее время и на дальнейшие периоды.

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 взаимообменном процессе. Почвенная микро- и макрофауна является создателем почв.

«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.

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.



Роль гумуса

Гумус – это «консервы почвенного плодородия». Он накапливался и сохранялся в черноземах весь послеледниковый период, т. к. гуматы кальция, магния и других металлов нерастворимы и не вымываются из почвы водой, но расходуются только корневой системой растений по мере необходимости. Он создает зернистую структуру почвы, предохраняет ее 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 1 м.

Однако надо иметь в виду и следующее: с 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. 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 вывоз 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.

Для поддержания бездефицитного баланса гумуса необходимо ежегодно вносить не менее 6‑7 т навоза на 1 га. Однако имеющееся поголовье скота не может обеспечить «производство» такого количества.

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 ее сволакивание, перевозку, скирдование и использовать солому для поддержания плодородия почвы с уменьшением ее эрозии и выгорания гумуса.

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.



Деформирование среды

Мировое сообщество к самым негативным факторам воздействия ТЭКа 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, деградацию лесов и земель, которые способствуют дальнейшему техногенному опустыниванию.

В связи с этим резко снизилась и продолжает снижаться первичная биопродуктивность (количество органических веществ, производимых в биосфере). Происходит глобальная деформация окружающей среды.

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. Экономические потери при отсутствии бесперебойного энергоснабжения в сельском хозяйстве сродни потерям, которые будут наблюдаться на любом производстве непрерывного цикла, будь то металлургический цех или нефтеперерабатывающая установка. Потерь продукции можно не допустить только путем ввода дополнительных производственных мощностей при надежном энергообеспечении производства, хранения, переработки.



Разумное использование

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.

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 отраслях, в машиностроительном комплексе, что будет оказывать влияние на улучшение инвестиционной политики в стране.

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.

Структура составляющих 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 территорий выбор того или иного источника энергоснабжения поручают людям, далеким не только от энергетики ВИЭ, но и от традиционной, топливной энергетики.

Странно, что правило разумного использования специалистов совершенно отбрасывается, когда дело касается децентрализованного энергоснабжения или обеспечения энергией угнетенных с экологической точки местностей. 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 ее «феноменов» и часто совершенно не имея представления о ее принципах и практике.


Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 05 (313) март 2017 года: