Геоинформационные системы в биоэнергетике

08.07.2022 JeeesAdmin 2022-02 0

Рафикова Юлия Юрьевна[0000-0003-3204-9135]1,2

Андреенко Татьяна Ивановна[0000-0001-8678-3568]1,3

1Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

2E-mail:ju.rafikova@mail.ru,3E-mail:tanyandr00@mail.ru

Аннотация. Работа посвящена использованию методов геоинформационного анализа пространственных данных для целей биоэнергетики. Описываются основные методы и тенденции развития этого направления за последние 50 лет. Проведен обзор международной и отечественной практики исследований в этой области. Представлены и систематизированы различные методики картографирования ресурсов биоэнергетики, а также инструментарий, решающий задачи поиска оптимальных мест для размещения объектов энергетики на ресурсах биомассы. Описана специфика пространственных данных, используемых в решении задач биоэнергетической отрасли и особенности работы с ними в среде геоинформационных систем (ГИС).

Ключевые слова:биоэнергетика, методы картографирования, геоинформационные системы, ресурсы, базы геоданных.

1. Введение

Картографирование ресурсов биоэнергетики является одним из направлений картографирования ресурсов возобновляемых источников энергии, активно развивающимся в мире параллельно с развитием и распространением методов получения тепловой и электрической энергии, а также биотоплив различного типа из биомассы. На протяжении последних десятилетий в мире были созданы ряд геоинформационных систем (ГИС) по биоэнергетике: Интерактивная карта ресурсов биомассы Канады, Атлас ресурсов биомассы Новой Зеландии, Балтийская сеть по биомассе [1], Глобальный атлас возобновляемой энергии Международного агентства по возобновляемой энергетике и др.

Россия для развития биоэнергетической отрасли, как и многие страны мира, обладает значительной ресурсной базой. В нашей стране основным сырьем биоэнергетики являются все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности различных организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла. На основе этого можно выделить основные категории биомассы:

 • отходы растениеводства (лузга, шелуха, солома, тростник и т. д.), животноводства, лесопромышленного комплекса (ЛПК);

 • бытовые отходы, канализационные стоки и др.;

 • сельскохозяйственные культуры (в том числе специально выращиваемые для получения биотоплива);

 • древесная биомасса.

2. Методы геоинформационного анализа для биоэнергетики

В связи с этим становится актуальным развитие методов геоинформационного анализа потенциала биоэнергетики в национальном и региональном масштабе. Геоинформационные технологии способны решить следующие задачи биоэнергетической отрасли:

1. Оценка ресурсного потенциала биомассы и его распределения по территории.

 2. Учет широкого спектра критериев, ограничивающих реализацию проектов биоэнергетики на выбранных территориях.

3. Оценка концентрации научно-технологического потенциала.

4. Оценка наличия опыта реализации биоэнергетических проектов

В международных и отечественных исследованиях накоплен значительный опыт в решении этих задач, который важно систематизировать с целью определения наиболее эффективных методов картографирования и актуальных направлений дальнейших исследований.

Картографирование ресурсов биоэнергетики, в целом, отличается от такового для солнечных и ветровых ресурсов в силу специфики исходных пространственных данных, на которых основывается решение задач. Наиболее распространенный в мире вид геоинформационных ресурсов по биоэнергетике (атласы, ГИС и др.) ‑ это ресурсные ГИС с привязкой данных к административным единицам (площадным объектам). Такая форма отображения данных характерна для стран с развивающейся отраслью биоэнергетики, где пока не накоплен (или не находится в открытом доступе) объём информации о существующих объектах биоэнергетики, их выработке и т.п. ГИС этого типа, как правило, основываются на государственных статистических данных по валовым сборам культур различного типа, а также отходам биомассы различных отраслей. Факт использования официальной государственной статистики обосновывает достоверность получаемых картографических продуктов для целей национальных и региональных оценок. Ресурсные ГИС по биоэнергетике успешно применяются в решении стратегических задач — определения энергетической стратегии регионов, поиска новых рынков и т.п.

Ресурсные ГИС площадного типа традиционно включают в себя следующие виды данных:

  1. валовый энергетический потенциал, выраженный в тоннах условного топлива (рис. 1);
  2. технический потенциал, выраженный в энергетических единицах соответствующего вида энергии;
  3.  также на картах данного типа могут быть отражены данные о потреблении энергии по административным единицам карты, взятые из официальных источников или рассчитанные на основе данных о численности населения и потреблению энергии на душу населения.

Ресурсные ГИС с локализованными данными характерны для стран, где уже есть опыт развития проектов в области биоэнергетики. Данные в таких информационных системах привязаны к источникам отходов – производственным предприятиям, предприятиям по переработке сырья (рис. 2). Слои интерактивных карт могут делиться по видам отходов. Атрибутивные таблицы содержат в себе информацию об объёмах, качестве, весе, стоимости отходов, распределенные по временным диапазонам (по сезонам, месяцам и т.п.). Инструментарий данного вида ГИС позволяет производить экономические, логистические, экологические оценки.

Особого внимания заслуживает опыт создания синтетических карт, объединяющих в себе площадные и точечные объекты. Например, в «Интерактивной ГИС планирования и поддержки объектов биоэнергетики Белоруссии» [4] картографические слои включали в себя: слой котельных, слой лесных ресурсов, слой деревоперерабатывающих предприятия, слой структуры лесосечного фонда, а также другие инфраструктурные и экологические слои, позволяющие анализировать транспортные затраты, экологические нагрузки, делать предварительное заключение о целесообразности перевода на древесное топливо того или иного объекта (рис. 3).

3. Геинформационный анализ в биоэнергетике на региональном уровне

Развитие методов геоинформационного анализа для оптимизации территориальных схем переработки органических отходов на региональном уровне в последние десятилетия стали актуальным направлением исследований [5,6,7, 8]. В работах этой направленности учитываются пространственное распределение ресурсов, экологические и технические аспекты. Результатом такого анализа становятся оптимальные территории для размещения объектов биоэнергетики (рис. 4).

В последние 5 лет в использовании методов ГИС для целей возобновляемой энергетики наметилась тенденция к поиску комплексных интегральных показателей, привязанных к пространственной сетке определенного разрешения. Это связано с необходимостью учёта в анализе ресурсов ВИЭ большого количества разнородных пространственных факторов, которые составляют собой в проектах национального и регионального масштаба объёмы информации, измеряемой в терабайтах, работа с которой становится затруднительной в геоинформационной среде. Для решения этой проблемы разрабатываются модели, позволяющие представить потенциал территории как комплекс факторов, привязанных к ячейке (рис. 5). ГИС-инструментарий при этом позволяет задавать внутри ячеек разнообразные сценарии – в зависимости от изменения политики региона, стоимости энергии и т.п.

Наиболее актуальным направлением исследований на сегодняшний день является разработка инструментов геоинформационного моделирования возможности использования ресурсов биоэнергетики. Примером является инструмент «Биоэнергетический симулятор» (BioenergySimulator), созданный в рамках проекта Глобального атласа возобновляемой энергетики Международного агентства по возобновляемой энергетике (IRENA) [10]. Инструмент позволяет для выбранной пользователем территории земного шара определять возможную выработку тепловой, электрической энергии или топлив различных типов в зависимости от заданного типа ресурса (отходы или специально выращенные культуры). При этом в модели учитываются географические и климатические особенности территории (рис. 6). Также в симуляторе представлена возможность выбора технологии переработки исходного ресурса в энергетический продукт – это может существенно влиять на стоимость и энергетическую ценность.

Несмотря на значительный мировой опыт в развитии ГИС для целей биоэнергетики, пока еще остаются нерешенными задачи геоинформационного моделирования и визуализации следующих типов пространственной информации:

— ресурсов смешанного типа (возможности использования в энергетических целях различных видов отходов биомассы совместно);

— учёт энергетических потерь в сетях при переработке отходов биомассы в энергетические продукты;

— учёт социального-экономического и экологического эффекта от использования отходов биомассы или специального выращивания сельскохозяйственных культур в энергетических целях.

4. Заключение

В настоящее время в решении задач биоэнергетики во многих странах мира и в России наиболее востребован детальный мультикритериальный анализ территорий средствами ГИС, учитывающий ресурсные, инфраструктурные, экономические, экологические факторы. В связи с проблемами накопления органических отходов в РФ, декларацией государственных целей в области утилизации отходов производства и потребления, наиболее актуальным для нашей страны представляется разработка методов оптимизации размещения объектов переработки органических отходов с получением энергии, а также анализ средствами ГИС потенциальных потребителей такой энергии и комплекса социально-экономических факторов, оказывающих влияние на перспективы использования отходов биомассы в энергетических целях в региональном масштабе.

Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-010-00981).

Литература

  1. Официальный сайт проекта «Балтийская сеть по биомассе». Электронный ресурс. Режим доступа: https://balticbiomass4value.eu/biomass-resources-data/. Дата обращения: 15.06.2022
  2. Официальный сайт Национальной лаборатории по возобновляемой энергетики США. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.nrel.gov/gis/. Дата обращения: 15.06.2022
  3. Геоинформационная система биоэнергетики Ирландии. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.seai.ie/technologies/seai-maps/bioenergy-map/. Дата обращения: 15.06.2022
  4. Применение биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь. Проект ПРООН ГЭФ. Электронный ресурс. Режим доступа: https://energoeffect.gov.by/bioenergy/htdocs/seminari.htm. Дата обращения: 15.06.2022
  5. Dagnall S, Hill J, Pegg D. Resource mapping and analysis of farm livestock manures—assessing the opportunities for biomass-to-energy schemes. Bioresource Technology 2000;71:225–34
  6. BatziasFA, SidirasDK, SpyrouEK. Evaluating livestock manures for biogas next term production: a GIS based method. Renewable Energy 2004;30:1161–76
  7. GomezA, ZubizarretaJ, RodriguesM, DopazoC, FueyoN. Anestimationoftheenergypotentialnexttermofagro-industrialresiduesinSpain. Resources, Conservation and Recycling 2010;54(11):972–84
  8. Тулегенова А. А., Киселева С. В. Использование методов пространственного анализа для оценки потенциала производства энергии при помощи биогазовых станций // Проблемы региональной экологии. — 2018. — № 6. — С. 73–77
  9. SustainableBioenergyforHeat. Spatial Assessment of Resources and Evaluation of Costs and Greenhouse Gas Impacts. Report 7 of the National Heat Study, February 2022, V1.0, Sustainable Energy Authority of Ireland. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.seai.ie/publications/Sustainable-Bioenergy-for-Heat.pdf. Дата обращения: 15.06.2022
  10. BioenergySimulator. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.irena.org/renewables/Knowledge-Gateway/webinars/2017/Jul/Launch-Webinar-for-the-IRENA-Global-Atlas—Bioenergy-Simulator. Дата обращения: 15.06.2022