Введение

Работа представляет собой исследование возможностей и результатов использования некоторых альтернативных источников энергии в городе Вилейка. Тема работы является особенно актуальной в связи с курсом государства на обеспечение энергетической безопасности и независимости (директива №3 президента Республики Беларусь) посредствам развития альтернативной энергетики. Результат исследование может как стимулировать, так и ограничить применение опыта Вилейки в других районах Республики.
При выполнении работы целью автора было выявление хозяйственной целесообразности использования древесного топлива для получения электро- и тепловой энергии на Вилейской мини-ТЭЦ, а также популяризация использования альтернативных источников энергии среди служащих аппарата госуправления и представителей частного бизнеса.
При выполнении работы перед автором возник ряд задач, подавляющее количество которых было решено:
- сбор информации и её систематизация для дальнейшего использования при расчете хозяйственной целесообразности работы ТЭЦ.
- работа с литературными источниками для более глубокого погружения в проблему и её осознания.
- оценка экологической и экономической эффективности использования природного газа и древесного топлива на Вилейской ТЭЦ.
Следует отметить, что исследовательские работы по данной теме в районе и самой Вилейке не известны. Автору эта проблема представляется новой.
В качестве альтернативных источников энергии могут выступать любые ресурсы, не имевшие раньше широкого использования по причине отсутствия определенных условий или исторически сложившиеся  использование традиционного сырья. В пределах Беларуси примером альтернативного топлива становится древесина. Она является традиционным топливом для сельского населения и населения небольших городов, однако промышленного применения не имела – вместо нее использовали каменный уголь, нефть и ее производные, а в данный момент на большинстве ТЭС используется природный газ.

Преимущество альтернативных источников энергии перед традиционными заключается в том, что эти ресурсы являются либо неисчерпаемыми, либо возобновляются намного быстрее. К тому же, многие из них являются относительно безвредными для экологии.

В качестве альтернативных источников энергии выделяют следующие природные ресурсы:
- альтернативные топливные ресурсы;
- гидроэнергетические ресурсы;
- солнечная энергия;
- энергия ветра.

В качестве альтернативных топливных ресурсов можно рассматривать древесные отходы, био- и фитомассу, их производные, а также твердые бытовые отходы. В таблице для сравнения приведены показатели удельной теплоты сгорания некоторых видов топлива (МДж/кг).

Биомасса представляет собой широкий спектр органических отходов, главным производителем которых является сельское хозяйство; при этом отходы могут быть как животного (навоз), так и растительного происхождения. Могут быть преобразованы в энергию при помощи специальных установок. Что касается твердых бытовых отходов, то они также могут быть использованы в качестве топлива: содержание органического вещества в бытовых отходах составляет 40-75%, углерода – 35-40%, зольность – 40-70%, горючие компоненты в бытовых отходах составляют 50-88%, теплотворная способность ТБО – 800-2000 ккал/кг.
Конечно, указанные виды топлива создают большую нагрузку на окружающую среду по сравнению со сжиганием природного газа, однако они являются альтернативой традиционному топливу и могут быть использованы одновременно с газом. При этом будет проведена их утилизация, в результате которой мы получим энергию.
Гидроэнергетические ресурсы, солнечная энергия и энергия ветра, напротив, являются практически безвредными для окружающей среды и наносят вред экосистеме только в больших своих концентрациях на малой территории. Несколько более экологически емким является использование энергии воды, требующее строительства плотин и затопления территории, но эта проблема решается посредствам строительства мини ГЭС, не требующих для своей работы особо большого напора воды.

Основным недостатком ветро- и солнечных электростанций является зависимость их работы от типа климата. В условиях умеренного умеренно-континентального климата Беларуси их работа нестабильна, поэтому для устойчивого функционирования энергосистемы они не должны составлять более 25% от общего числа энергопроизводства. В приложении приведен уровень шумности ВЭС по сравнению с другими объектами, производящими шумовое загрязнение, а также влияние на количество смертей птиц.

Использование древесины как альтернативного вида топлива

Теперь мы остановимся на рассмотрении использования древесины как энергетического топлива.Использованная информация приведена в таблице (все данные приводятся на 2006).

Сырьевой зоной для ТЭЦ является территория Вилейского района (лесистость – 41%), древесные ресурсы которого контролируются Вилейским лесхозом. Общий запас древесины в Вилейском районе составляет 15985,5 тыс м³, в том числе спелой и перестойной – 1312,3 тыс м³. Среднегодовой прирост спелой древесины составляет +294,8 тыс м³.
Для начала следует отметить цифру среднегодового потребления Вилейкой электроэнергии, так как непосредственно с ней связаны цели нашей работы. Итак, годовое потребление нашего города составляет 103млн 546 тыс кВт, из них 7,5 млн производит Вилейская ГЭС. Остальные 96046 тыс. кВт импортируются из-за пределов района.
Рассмотрим производительность ТЭЦ, работающей на газе:

Произведем перерасчет в денежные единицы, в данном случае в белорусские рубли. Стоимость м³ природного газа для предприятий составляет 262 рубля + 15% налог, а значит, общая сумма равна 301,75 рублей за м³ (265*0,15). Тогда годовое потребление газа обойдется мини ТЭЦ  в следующую сумму:

Будем считать, что энергия, произведенная на ТЭЦ, поступила потребителю, который платит в среднем по 113 рублей за кВт, практически без потерь. Значит, общая сумма, которую «удалось заработать» станции на производстве электроэнергии составит:

Но поскольку наша станция производит еще и тепло, которое сбывается населению и предприятиям, то не будем пренебрегать таким источником дохода. Отопительный сезон в нашей стране начинается примерно 17.10 и оканчивается 15.04, итого он составляет в среднем 152 календарных дня. В квартирах с центральным отоплением расход на последнее составляет 60 тыс рублей в месяц (30 дней). Значит, общая сумма за отопление на протяжении 5 месяцев (152/30=5)  составит 60тыс*5=300тыс рублей с одной квартиры. Так как тепло является побочным продуктом действия любой ТЭС, то его стоимость мы можем не рассчитывать – она зависит от количества сожженного топлива для получения определенной мощности. В нашем случае годовое производство тепловой энергии на ТЭЦ составляет 1,007 Гкал (гигокалорий). Теперь введем переменную для обозначения суммы, полученной от реализации тепловой энергии, пускай это будет привычная для нас х (х = количество потребителей * стоимость тепла). Тогда прибыль, полученная ТЭЦ, составит (2,38 млрд + х) - 4,27 млрд белорусских рублей (доход – затраты = прибыль, (Sдохода газа+х) - Sзатрат газа).

И так, мы установили, что использование древесины в качестве топлива для Вилейской мини ТЭЦ в целях дальнейшего получения энергии, является более экономически выгодным, нежели сжигание природного газа: при постоянной мощности и при одинаковом доходе разница в затратах составит 1,12млрд белорусских рублей.   
Однако возникает вопрос: как скажется сжигание древесного топлива на окружающей среде и не создаст ли его использование сильно большую нагрузку на экологическую обстановку в районе?
При сжигании 1м³ природного газа, большая часть которого представлена метаном (СН4), образуется 1м³ углекислого газа (СО2), а также вода, являющаяся абсолютно безвредной для окружающей среды. При этом происходит следующая реакция:
СН4 + 2О2 = СО2 + Н2О
При наличии в топливе примесей (например, этана С2Н6) количество выделяемого углекислого газа незначительно увеличивается.
При сжигании древесного топлива образуется несгораемый остаток, углекислый газ и вода (также возможно незначительное наличие других веществ – NO2, CO и др.).
Несгораемый остаток К2СО3 составляет 30% от массы топлива и может использоваться как калийное удобрение.
Рассчитаем объем выделяемого углекислого газа на 1м³ топлива (расчет для щепы при 100% выходе продукта):
Сгораемая часть древесины представлена целлюлозой – (С6Н10О5)n, её доля составляет 70% от общей массы, т.е. в 1м³ содержится 224 кг полностью сгораемого вещества (с учетом плотности щепы 320кг/м³).
(С6Н10О5)n + 6О2 = 6СО2 + 5Н2О
Рассчитаем объем выделяющегося углекислого газа (n – количество моль; М – молярная масса вещества, г/моль; Vm=22,4 л/моль):
Масса  m(С6Н10О5)=224кг, тогда n(С6Н10О5)= m/М=1382моль. Получим, что n(СО2)=8292моль. V(CO2)=n*Vm=185,7м³.
Согласно информации, полученной от начальника ТЭЦ, фильтры, стоящие на предприятии, имеют КПД=99%, а следовательно, в атмосферу выделяется только 1,9м³ углекислого газа, что незначительно превышает его выделение при сжигании природного газа в качестве топлива (стоимость фильтра вместе с установкой – 1,38 млрд. белорусских рублей). 

Под древесными ресурсами, служащими источником топлива для ТЭЦ, подразумеваются:
- дровяная древесина от рубок главного пользования;
- дровяная древесина от рубок ухода;
- лесосечные отходы;
- отходы лесопиления и деревопереработки;
- потенциал биомассы дерева (ветви, пни);
- древесный отпад.

Поставщиками ресурсов являются:
ОАО «Стройдетали» - обязаны поставлять 700 м³ неуплотненной щепы ежемесячно. Всего производят до 2300 м³ отходов ежемесячно, из них на собственное нужды сжигается около 1300 м³ щепы, остальное сбывается населению. Сырьевая зона – вне Вилейского района.
Основной поставщик – Вилейский лесхоз, на нем и остановимся.
Уже упоминалось, что общий запас древесины в Вилейском районе составляет 15985,5 тыс м³, в том числе спелой и перестойной – 1312,3 тыс м³. Среднегодовой прирост спелой древесины составляет +294,8 тыс м³. Средняя заготовка за год составляет 90,1 тыс м³, из них заготовка на топливо -  29,8 тыс м³. При учете, что потребление топлива на ТЭЦ составляет 87,6 тыс м³, то для сохранения уровня промышленной заготовки и, сверх того, обеспечения сырьем мини ТЭЦ, общее количество заготавливаемой древесины необходимо увеличить минимум до 178 тыс м³/год. Это несколько меньше, чем прирост спелой древесины, а текущего общего запаса древесных ресурсов при незначительном колебании объема заготовки хватит на 80 – 85 лет (Vобщее/Vвырубки=tистощения), что вполне достаточно для возобновления последних. Со стороны экологии использование древесного топлива создает определенно большую нагрузку на окружающую среду по сравнению со сжиганием природного газа, однако при замене топлива потребление природного газа уменьшится на 14,2 млн м³ последнего, что означает весомое сокращение импорта энергии и энергоресурсов из-за пределов района и самообеспечение Вилейки электроэнергией приблизительно на 30% (общее потребление – 103,5 млн кВт/год, общее производство – 28,5 млн кВт/год с учетом ГЭС).

И, наконец, еще одним фактором, доказывающим необходимость эксплуатации ТЭЦ на древесном топливе, является независимость ресурса от негосударственного поставщика. Топливо для ТЭЦ (в нашем случае щепа) производится на территории района из собственного сырья и не зависит от стабильности и стоимости поставки природного газа. При предполагаемом увеличении стоимости газа на 15% себестоимость энергии, полученной на древесном сырье существенно не изменится, а значит цена производителя на произведенную электроэнергию может свободно регулироваться от суммы себестоимости до рыночной цены. А это является выгодным не только для экономики района, но и страны.

Заключение

Осуществив исследовательскую работу по данной теме, автор пришел к выводу, что развитие альтернативной энергетики в Вилейском районе является хозяйственно – целесообразным. После подсчета и анализа информации, а также анализа мировой энергетической обстановки автор заключил следующее:
В виду истощения и удорожания традиционных топливных ресурсов, использование древесины в качестве топлива на тепловых электростанциях является рациональным способом выхода из энергетического кризиса, одновременно с оказанием положительного влияния на экономику. Для Республики Беларусь такой способ получения энергии является особенно актуальным в связи с курсом нашего правительства на обеспечения энергетической безопасности и независимости нашей страны. Древесина является возобновляемым ресурсом, ее заготовка проходит на территории страны, где и производится ее переработка для дальнейшего использования. А это значит, что при использовании древесного топлива мы не зависим от мировых поставщиков энергоресурсов и сами можем устанавливать цены на производимую электроэнергию. 
Безусловно, использование древесного топлива оказывает некоторую нагрузку на окружающую среду: в атмосферу выделяется несколько больше веществ, чем при сгорании природного газа, а также ведет к истощению древесных ресурсов. Однако проявление этих последствий можно свести к минимуму при высоком уровне ведения лесного хозяйства, а также практикуя насаждения быстрорастущих пород на неиспользуемых и малоиспользуемых землях. Также следует учитывать, что текущих запасов древесины Вилейского района, при сохранении настоящих объемов заготовки, хватит на 80 лет, а при своевременном восстановлении лесных ресурсов они являются практически неисчерпаемыми.
Используя щепу в качестве топлива, Вилейская ТЭЦ обеспечит город энергией на 20%, а также будут сэкономлены 1,12 млрд. рублей по сравнению с использованием на ТЭЦ природного газа. А это значит, что наш город станет на 20% менее энергозависим.

Поскольку автору рассмотренная в работе проблема представляется новой, то не исключается возможность дальнейшей работы над проектом, а также проведение других исследовательских работ по данной теме. Автор будет признателен, если материалы его работы будут использованы при дальнейшем исследовании возможностей и результатов использования некоторых альтернативных источников энергии не только в Вилейском, но и в других районах.

Выводы

Как результат проделанного исследования, я могу представить следующие выводы:
- Была собрана информация, которая при дальнейшей систематизации была использована в расчете хозяйственной целесообразности использования древесного топлива на мини ТЭЦ города Вилейка. Информация была собрана в следующих организациях и предприятиях города Вилейки: ОАО «Стройдетали», Вилейский лесхоз, объединения Вилейкарайгаз, Вилейского энергонадзора, а также администрации мини ТЭЦ. Собранная информация приведена в таблице в начале работы. Сбор информации сопровождался некоторыми трудностями.
- Была проведена обширная работа с литературными источниками разного рода. В результате автор ознакомился с принципом работы теплоэлектроцентралей данного типа, а также с некоторыми особенностями их эксплуатации. Следует отметить, что некоторое внимание было уделено перспективам использования других альтернативных источников энергии.
- В результате подсчета автор установил, что использование древесного топлива является экономически более выгодным, чем использование природного газа, на 1,12 млрд рублей; также особого внимания заслуживает тот факт, что при более заметном влиянии на экологию, древесина является возобновимым ресурсом, заготовка и переработка которого ведется целиком на территории Вилейского района, что делает доставку данного вида топлива на предприятие - потребитель более стабильной и независящей от внешних факторов.

Список использованной литературы
1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций), адрес в интернете dhes.ime.mrsu.ru
2. Атлас «Республика Беларусь», Минск, «Асвета», 2002 год
3. “Вялікая Беларуская Энцыклапедыя”(стр205), Мінск, “Беларуская энцыклапедыя”, 1997г.
4. «География Минской области»; Минск, «Белкартаграфия», 2005г.
5. Е.Г. Кириенко, Н.В. Науменко «География для поступающих в вузы: Республика Беларусь», «Аверсэв», 2003 год
6. Интернет-энциклопедии «Википедия» и krugosvet.ru
7. Периодическое печатное издание  “Шлях Перамогі”, №89 от 15.09.2007