Возможность получения альтернативной энергии на р. Большой Иргиз

Почему сегодня очень актуален вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? Повсюду мы слышим о энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства. Сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики становятся сенсациями. Почти каждое государство разрабатывает масштабные энергетические программы, требующие огромных финансовых и физических усилий.

Человек нуждается в энергии, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Однако запасы нефти, угля, газа исчерпаемы. Исчерпаемы также и запасы ядерного топлива, из которого можно получать огромное количество энергии. Практически неисчерпаемы запасы водородного топлива, но ученые еще не до конца изучили такие реакции, при которых из водорода будет получаться энергия. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов или использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

В последнее время ученые уделяют все большее внимания поискам альтернативных источников энергии Мирового океана, в том числе и энергии малых рек.

Поэтому цель моей работы - ознакомиться с современным положением дел в области энергии малых рек и рассмотреть возможность их использования.

Существует легенда, что якобы у хана Маянги была красавица – дочь Ир-Кис, которую хотел взять себе в жены сын соседнего хана, но гордая девушка ему отказала. Хан не стерпел обиды и начал войну против соседей. Девушка сама повела воинов отца. Сражение разыгралось на реке. В честь храброй девушки реку назвали Ир-Кис, потом звуки «к» и «с» стали более звонкими. В результате получилось Иргиз. Некоторые ученые считают, что название реки произошло от тюркского «Ир» «извилина» или «орг. » - крюк. Это наиболее правдоподобно, т. к. р. Большой Иргиз течет среди широкой долины, которая местами разливается до 10-15км. Своими крутыми изгибами и зелеными от леса берегами река придает ландшафту своеобразный колорит и красоту.

Большой Иргиз – река в Самарской и Саратовской областях, левый приток Волги. Ее длина 675 км, на Саратовскую область приходится 458 км. Площадь бассейна - 24 тыс. км² (в пределах Саратовской области - 17 тыс. км²). Берет начало с отрогов Общего Сырта на границе Оренбургской и Самарской областей, протекает в широкой долине. Правый берег высокий, незатопляемый, поймы не имеет. Левый берег пологий, низкий, с широкой поймой, которая в нижнем течении сливается с волжской. Берега реки довольно высокие, обрывистые, возвышаются до 10 м и более. Русло песчано-глинистое, легко размываемое, отличается очень большой извилистостью. Основную долю годового стока составляют талые воды - 96%. На долю летне-осенней межени приходится 2,5%, зимней - 1,5%. Режим грунтовых вод определяет относительно равномерный подземный приток в реку, но на отдельных участках имеют место случаи пересыхания реки в летнее время. Питание главным образом снеговое. Замерзает в конце ноября - начале декабря, вскрывается в апреле. Подъем уровня весной начинается в начале апреля, проходит со средней интенсивностью 0,8 м/сутки. Пик половодья проходит в середине апреля. Средняя продолжительность половодья 30 дней. Годовая амплитуда колебания уровня воды изменяется по течению реки от 6 до 13 м. Ледяной покров сплошной, ровный. Толщина льда до 67 см. В суровые зимы на отдельных участках реки промерзает до дна. Средний ледостав длится 146-152 дня. Вода в реке умеренно жесткая, прозрачная. Кислородный режим удовлетворительный. Средний процент насыщения 90%. Проанализировав среднегодовые концентрации загрязняющих веществ( и изучив государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области за 2008 год, я пришла к выводу о том, что уровень загрязненности воды реки в районе г. Пугачева относится к 3Б классу. В пойме реки множество озер, стариц, лиственные леса. На реке 2 крупных водохранилища: Сулакское (площадь 2000 га, объем - 115 млн. м³) и Пугачевское (площадь 1020 га и 60 млн. м³ соответственно). Всего в бассейне реки Большой Иргиз находится около 800 прудов и водохранилищ общим объемом 450 млн. м³. Основные притоки впадают в реку Большой Иргиз слева. Это Камелик, Клопиха, Толстовка, Сакма, Большой Кушум, Маянга.

Согласно решению Саратовского областного Совета народных депутатов от 8 июня 2000 года на реках: Большой Иргиз (500м. ), Малый Иргиз (400м. ), в 2001 году должны быть выделены водоохранные зоны с установкой специальных знаков. На территории Пугачевского района находятся 33 фермы, которые расположены в водоохранных зонах и должны быть обвалованы. Что же изменилось за последние годы? Много воды утекло в Иргизе, много изменилось на его берегах, как в лучшую, так и в худшую сторону. С пойм рек бассейна Большого Иргиза за последние годы не вынесен ни один животноводческий лагерь, не установлены и водоохранные знаки.

Рыбаки рассказывают, что раньше рыбы в реке было много, вода была чище, было очень много раков – индикаторов чистоты. Возле воды по лугам бродили коровы, к реке на ночь выгоняли пасти лошадей, к реке шли с ведрами за водой, к реке несли полоскать белье, у реки по вечерам деревенские девушки собирались петь песни. Около 40 лет назад река Иргиз была судоходной. Сегодня река обмелела, количество раков и рыбы резко сократилось. Вода в реке приобрела запах и цвет. Берега с обнаженными корневищами пней, что составляло когда-то тайну реки, теперь стало сухими и пыльными. Лугов тоже почти не осталось. Пашня подходит почти до самой воды. Местами пашня брошена, на ней качаются чертополохи и малиновым цветом маячит колючий татарник.

Река, прежде кудрявая от растений и таинственная оттого, что в воде все отражалось, как в зеркале, теперь лежит раздетой и беззащитной. По берегам, обозначившим прежнее русло, растет густой камыш.

Рек незначительных нет! Надо беречь каждый ключик чистой воды. Многие беды проистекают от наших незнаний, равнодушия и беспечности. Реки надо считать важнейшей государственной ценностью.

Экспериментальный

Возможность получения альтернативной энергии на р. Большой Иргиз

Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время, в своей книге "Таинственный остров" предсказал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива. "Вода, - писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света".

В ходе работы над проектом, я заинтересовалась: «А можно ли на Большом Иргизе, реке, на которой стоит г. Пугачев, построить станцию по преобразованию энергии? Будет ли это выгодно?». Ведь еще в прошлом веке энергия р. Большой Иргиз использовалась для получения энергии для работы мельниц( и была судоходна. В настоящее время река зарастает водорослями, «задыхается» от огромного количества органических веществ, накопленных в процессе фотосинтеза.

Природные водоемы различаются по химическому составу воды, донных отложений и потока веществ, поступающих в них с водосборной площади, а также рядом физических, гидрологических и географических параметров. В связи с этим в каждом водоеме формируется собственный набор видов микроорганизмов, растений и животных, взаимно влияющих друг на друга и на окружающую среду. Каждая водная экосистема имеет свои определенные характеристики: видовое разнообразие водных организмов, их численность, биомассу и др. Одним из важнейших показателей является трофность водной экосистемы, т. е. количество нового органического вещества, создаваемого экосистемой за единицу времени. Продуктивность зависит в первую очередь от фотосинтетической деятельности автотрофных организмов и различна в разных водоемах.

Трофический уровень конкретного водоема можно определить по видовому составу и обилию тех гидробионтов, которые в этом водоеме обитают. С их помощью можно определить качество воды и изменение трофического уровня водоема в связи с увеличением концентрации биогенов при загрязнении

Самой простой и надежной методикой определения загрязнения водоема органическими веществами, что дает достоверное представление об уровне трофности, является расчет олигохетного индекса Гуднайта-Уотлея. Малощетинковые черви хорошо развиваются в условиях эвтрофикации (резкий скачок органического вещества в водоеме) и являются распространенными обитателями многих малых рек (в том числе и Большого Иргиза). Полученные данные я вносила в дневник наблюдений.

С помощью сачка с мелкой сеткой и длинной ручкой я добыла ил со дна реки на трех извилистый участках, затем тщательно отмыла на сите, и по количеству малощетинковых червей по индексу Гуднайта-Уотлея*** (А) определила степень трофности водоема по формуле:

где м – численность малощетинковых червей, в – количество всех видов организмов.

Таблица 1

Степень загрязенности р. Большой Иргиз по индексу Гуднайта-Уотлея

Номер точки пробоотбора Описание точки Кол-во олигохет, шт. Кол-во гидробионтов, шт. Индекс Гуднайт-Уотлея, % Степень загрязнения воды пробоотбора

1 23 30 76 Значительно

Извилистый участок 17 23 73 Значительно р. Большой Иргиз ок. 25 35 71 Значительно г. Пугачев 27 36 75 Значительно

26 36 72 Значительно

15 21 72 Значительно

14 18 77 Значительно

13 20 65 Умеренно

Извилистый участок р. Большой Иргиз ок.

с. Березово

Извилистый участок р. Большой Иргиз ок.

с. Старая Порубежка

2 18 23 78 Значительно

21 28 75 Значительно

23 32 72 Значительно

19 27 70 Значительно

24 32 75 Значительно

20 27 74 Значительно

28 36 77 Значительно

15 21 71 Значительно

3 27 34 79 Значительно

25 33 75 Значительно

29 37 78 Значительно

31 41 75 Значительно

29 38 76 Значительно

30 38 79 Значительно

28 36 77 Значительно

26 34 76 значительно

При подсчете получается (см. табл. 1), что на каждом участке индекс Гуднайта-Уотлея варьируется от 70% до 80%, что говорит о значительном загрязнении реки органическими веществами. **

Для оздоровления водоема я предлагаю использовать биомассу водорослей для получения энергии и чистой воды на р. Большой Иргиз. Станцию целесообразно строить у г. Пугачева, где наиболее сильно выражена эвтрофикация реки. Для этого я разработала план станции на р. Большой Иргиз, который позволит:

1. Извлекать энергию из биомассы;

2. Очищать р. Большой Иргиз;

3. Развиваться социальной экономике и инфраструктуре;

Подобные проекты по использованию водорослей имеются в Испании, США, Португалии и Голландии.

В качестве топлива будет использоваться биомасса. Произведенные расчеты доказывают, что станция сможет успешно функционировать.

Считая можно утверждать, что где mв – масса воды, св – удельная теплота воды, - разница температур комнатной и нагретой воды, mводорослей - масса водорослей или водных растений, qводорослей - теплота сгорания водорослей.

Камеральный

Для того чтобы определить удельную теплоту сгорания водорослей, я взяла 50 мл воды, в качестве топлива использовала 5г водорослей, а затем водных растений, удельная теплота воды.

Водоросли не загорелись. Возможно, нужна кислородная и углекислая среда («Энергия и энергетические потоки», автор Е. Ш. Янтовский). Водные растения при сгорании нагрели 50 мл воды с температуры 240С до 540С. Разница температур комнатной и нагретой воды составила 30 градусов Цельсия.

Результаты получились следующие.

Значит, если сжечь 1 кг биомассы водных растений из р. Большой Иргиз, то выделится примерно 0,84Мдж. Станция по преобразованию биомассы в энергию будет являться альтернативным поставщиком энергии в мою школу. Показания счетчика говорят о том, что моя школа за 2008г. израсходовала на освещение 388кВт/час, а котельная школы 644 кВт/час, что в сумме составляет 1032 кВт/час в год.

1кВт/час = 3600Дж*1000=3,6МДж=3,6* Дж

Значит, для того чтобы обслужить школу, станции необходимо выработать 3715,2*Дж энергии в год. Получаем, что в год школе потребуется водорослей или водных растений.

Смесь воды и биомассы предлагаю собирать из бассейна реки экскаватором на воздушной подушке и помещать на сетки камеры плавучего понтона. Нижний отсек понтона оснащен фильтром, который очищает воду и компрессором, насыщающим воду кислородом. Чистая вода поступает в реку. Понтон транспортируется к станции. Процесс работы станции основан на принципе, где топливо из высушенных водорослей сжигается в котле при низком давлении в смеси кислорода и углекислого газа (кислород может производиться установкой воздушной сепарации УВС-10, основанной на процессе сжижения с чистотой более 98%, потребляя 0,22 кВт/час на кг кислорода). В котле находится вода, которая, закипая, превращается в пар. Пар под высоким давлением падает на лопасти паровой турбины, которая вращает генератор и вырабатывается электрический ток. Пар конденсируется и по трубам спускается в сушильные камеры, под действием тепла другая партия водорослей высыхает, а остывшая вода подается в котел. Пепел отделяется в циклоне (верхней части печи) и может использоваться как минеральная добавка во втором открытом отсеке бассейна, где выращиваются водоросли для получения альдегидов, а после спиртов, использующихся как источник горения. Излишки углекислого газа, полученного в процессе сжигания, направляются в бассейн для обеспечения процесса фотосинтеза. (

В качестве основных способов переработки выращенных водорослей можно рассматривать сбраживание углеводов водорослей в спирты и ферментация больших количеств водорослей без доступа воздуха для производства метана. Можно разработать технологию переработки фитопланктона для производства жидкого топлива. Существуют проекты крупномасштабного производства водорода с помощью бактерий. Процесс идет по схеме фотосинтеза: солнечный свет поглощается сине-зелеными водорослями, которые довольно быстро растут. Эти водоросли могут служить пищей для некоторых бактерий, в процессе жизнедеятельности которых из воды выделяется водород. Водород обладает самой высокой теплотой сгорания – 120 000 кДж/кг (в сравнении при сгорании 1 кг сухой древесины 20 000 кДж тепла, теплота сгорания бурого угля 13 000 кДж/кг, антроцита 25 000 кДж/кг, нефтепродуктов 42000 кДж/кг, а природного газа 45000 кДж/кг).

Постройка станции в г. Пугачеве позволит жителям города уйти от одноразового потребления природных ресурсов и приблизиться к рациональному природопользованию. ( Будет решаться задача рационального управления природными ресурсами оптимальными способами эксплуатации естественной экосистемы реки.

Аналитический

Плюсы и минусы использования альтернативной энергии малых рек

Очень трудно представить себе переход от столь привычных, традиционных видов топлива - угля, нефти и природного газа - к незнакомым, альтернативным методам получения энергии. Разница температур? Водород, энергетические фермы? Для многих это звучит как научная фантастика.

И, несмотря на то, что извлечение энергии малых рек находится на стадии экспериментов и процесс дорогостоящ, в будущем довольно большое количество энергии может добываться не только из морей и океанов, но и из рек.

Когда бы это время ни наступило, переход к использованию энергии малых рек принесет двойную пользу: сэкономит материальные средства и сделает более жизнеспособной Землю.

Реки наполнены энергией, чистой, безопасной и неиссякаемой. Она там, в реке, только и ждет высвобождения. И это – преимущество номер один.

Второе преимущество заключается в том, что использование энергии малых рек позволит Земле быть в дальнейшем обитаемой планетой. Вариант увеличения использования ядерных видов топлива, может привести к катастрофе, которая грозит огромной опасностью человечеству.

Станции на малых реках экономически целесообразны по следующим причинам: их сооружение не требует больших капиталовложений, что облегчает поиск инвесторов, строятся быстрее, чем ГЭС или ТЭС.

Кроме экономических преимуществ имеются и экологические. Создание мини-заводов, работающих на органическом топливе, приведет к существенному оздоровлению воздушного бассейна, отсутствию вредных веществ в атмосферу. Замкнутость цикла станции дает возможность использовать пепел в качестве питательной среды для водорослей, что позволяет сократить выбросы в атмосферу. При сжигании водорослей отсутствует побочный эффект – выделение серы. Немаловажный плюс – быстрый рост водорослей.

Учитывая то, что водоросли являются неотъемлемым компонентов экосистемы реки, рекомендую проводить взятие водорослей в период массового цветения водоема. Так как Большой Иргиз замерзает на весь зимний период и толщина образующегося льда может доходить до 60 см, добыча биомассы будет затруднена и количество производимой энергии может сократиться. Принимая это во внимание, я предлагаю выращивать большее количество водорослей в дополнительном бассейне. Также надо учесть увеличение искусственного освещения зимой. Затраты энергии восполнятся через несколько лет использования.

В целом, правильно выбранное расположение станции является ключевым для минимального влияния на окружающую среду. Необходимо принимать во внимание сохранение экосистемы и красоты реки.

Экономически, такие системы не могут конкурировать с традиционными электростанциями. Но после строительства они дешевы в эксплуатации, так как топливо, которое они используют – биомасса - достается им с наименьшими затратами.

Итак, что же человечество должно делать? Будем ли мы истощать остатки ископаемого топлива, строить все большее число ядерных реакторов, рискуя изменить температуру атмосферы, или же обратимся к океану - кладезю неиссякаемой энергии?