Тема «Енергетичні рослини – зелене паливо»

Тема: «Енергетичні рослини – зелене паливо»

Мета проєкту: освітня: привернути увагу учнів до  розуміння  необхідності збереження та економії енергетики, поглибити знання про енергетичні рослини;

розвивальна:  розвивати пізнавальну активність, навички роботи в групах вміння застосовувати набуті знання на практиці;

виховна:  виховувати екологічне мислення, прагнення до розумного і раціонального використання енергоресурсів.

Вид уроку: конференція

Фора проведення:  ділова гра

Методи і методичні прийоми:  проєктні; робота в групах; інноваційні; демонстрація презентацій, інформаційні повідомлення учнів; опис.

Матеріали та обладнання: комп’ютер, проєктор, мультимедійна дошка, учнівські презентації, наукова література, плакати з висловами про енергію та її використання.

Структура уроку:

І. Організаційний момент, вступне слово вчителя

ІІ. Виступи учасників конференції

ІІІ. Підбиттям підсумків конференції

Зміст заняття

І. Організаційна частина.

Доброго дня шановні учні! Проблемам енергозбереження сьогодні приділяється особлива увага не тільки тому, що наше суспільство стоїть на порозі використання усіх запасів джерел непоповнювальної енергії, а й тому, що існує нерозривний зв'язок між джерелами енергії та екологічними проблемами. Ми в різних сферах свого життя часто чуєм слово «енергія»,  і сьогодні и проведемо урок - конференцію, тема якої – «Енергетичні рослини – зелене паливо».

На конференції присутні :

Енергетики

Екологи

Біологи

Економісти

Біотехнологи

Агрономи

 Вчитель. Забезпечення енергоресурсами є важливим стратегічним моментом ефективного розвитку держави. Тому виходом з екологічної та енергетичної кризи, що утворилася в Україні, є використання відновлювальних джерел енергії. В Україні 98% всієї енергії, що виробляється з відновлюваних джерел енергії, складає чиста енергія вітру, сонця та води. Стрімкий розвиток фахівці прогнозують чистій енергії біомаси, яка широко використовується у всьому світі. Хоча наразі частка біомаси серед альтернативних джерел енергії становить лише близько 2%, сьогодні вона має великий потенціал і є одним з найперспективніших джерел чистої енергії в Україні.

           Біопаливо – альтернативний вид палива, який отримують в результаті переробки тваринної або рослинної сировини, а також органічних промислових відходів і продуктів життєдіяльності. Альтернативна енергетика розглядає біопаливо як варіант заміни традиційного - вугілля, нафти, природного газу і т.д. Біопаливо відноситься до поновлюваних видів енергії, його основна перевага – екологічність, а сучасні методи виробництва дозволяють отримувати такі зразки палива, які за своїми характеристиками і вартістю перевершують традиційні зразки.

Енергетик. "Зелене паливо" — так інколи називають палива рослинного походження, сировиною для отримання якого є "зелена" біомаса. Проте чим більше говорять про біоенергетику, тим частіше під поняттям "біопаливо" розуміють рідкі біопалива (біодизель, біоетанол і метанол) та забувають про тверді та газоподібні. Однак не меншої уваги заслуговують біогаз, синтез-газ, піролізні рідини, відходи сільськогосподарської та побутової продукції, залишки переробки деревини. Саме енергетичні рослини, які вирощуються для отримання енергії чи палива, в найближчому майбутньому створять конкуренцію газу чи дизелю.

Енергетик.  До найбільш поширених видів біомаси, які використовують в Україні в якості сировини для отримання палива і використання його з метою генерування електричної або теплової енергії відносять:

• солома, стебла кукурудзи, соняшника та ін.(тюки, гранули (пелети), брикети);

• лушпиння та інші відходи переробки соняшника, зернових та інших сільськогосподарських культур (пелети, брикети);

• деревина, її відходи і продукти її переробки (пелети, тріска, брикети, дрова);

• відходи тваринництва та птахівництва;

• відходи овочевих культур і їх переробки;

• рослинні відходи харчової промисловості, торф;

• одно- і багаторічна трав’яна біомаса (енергетична верба, сорго, міскантус, просо лозоподібне "світчграс", тощо);

• плодова біомаса.

Еколог. Термін "енергетичні плантації" вживається для визначення плантацій твердих порід деревини, що швидко зростають в початковий період і розмножуються шляхом зрізання й пускання паростків з пеньків. Велика кількість культур була досліджена для потенційної можливості використання їх в якості енергетичних культур, але тільки невелика кількість досягла комерційного рівня і вирощується на великих площах. Попит на такі культури призвів до їх клонування з більш придатними характеристиками та показниками, такими як стійкість до морозів, засухи, шкідників та енергетичної цінності.

Вибір конкретної енергетичної культури для вирощування залежить від ряду факторів, таких як тип ґрунтів, доступ до води, вид ландшафту, транспортні розв'язки, місцезнаходження потенційного споживача (котельна чи електростанція), конкуренція з іншими культурами й соціальна думка з приводу цього питання. При вирощуванні енергетичних культур необхідно вибрати культуру, що найбільш підходить до даного типу ґрунту і кліматичних умов. Крім цього, слід визначити, чи вирощування вибраної культури, збір врожаю, його зберігання, переробка та транспортування економічно доцільні в наявних ринкових умовах. Насамкінець треба ще й вибрати систему культивації у відповідності з прийнятою в сьогоднішній сільськогосподарській практиці з найменшими негативними наслідками впливу на навколишнє середовище.

Біолог. Найбільш сприятливі швидко зростаючі енергетичні культури для отримання твердих біопалив — це верба та тополя. У Швеції та Данії вони збираються і використовуються в місцевих системах опалення на заводах для комбінованого виробництва теплової та електроенергії. На сьогодні існує немало станцій комбінованого спалювання вугілля з додаванням біопалива (солома, тріска), використання яких зменшує споживання викопних палив. Назва "енергетична верба" включає в себе цілу родину швидкорослих верб. З-поміж них найбільш популярною є - верба чагарникова – Salix viminalis. Це рослина з дуже високим приростом маси (в 14 раз більшим ніж ліс, що росте природно) З 1 гектару плантації можна отримувати кожного року 30-40 тон деревної маси. Це багаторічна рослина, один раз посаджена плодоносить 25-30 років може використовуватися для виробництва пеллет.

        Економіст. Ціни на традиційне паливо є дуже високі і постійно ростуть. Енергія (тепло) що отримується з власної плантації енергетичної верби є найдешевша. Навіть підводячи підсумок реальних витрат, що пов'язані з обслуговуванням (добриво та ін) ціна 1GJ (гігаджоуля) енергії є найнижчою з усіх традиційних палив.

Еколог. Верба може рости на ґрунтах різного типу. Типи ґрунтів, що забезпечують хороше водопостачання є найбільш прийнятними. Легкі ґрунти без зрошення можуть призвести до нестабільної заготівлі, де коріння верби може блокувати дренажні системи. Приблизно 15-20 тис. однорічних вербових прутиків висаджується весною на 1 гектар. Прутики довжиною 20 см втикаються машиною прямо в землю, так, що залишається декілька сантиметрів над поверхнею. Також існує новий метод посадки шляхом горизонтального розподілу матеріалу, порізаного на прутики довжиною 20 см, і після цього внесення його в канавки в ґрунті. Новий метод показав, що таким шляхом витрати на посадку можуть бути зменшені на 50%. У першу зиму після посадки, паростки можуть бути обрізані до висоти 5-8 см з метою стимуляції кількості пагонів. Обрізка вважається корисною в рідких деревостоях.

Густа і дуже глибока коренева система верби придатна для поглинання поживних речовин та важких металів, що містяться в осаді стічних вод. Таким чином, порівняно з деревинною тріскою паливо міститиме відносно більше азоту та кадмію. За ідеальних умов спалювання основна частина азоту вивільнюватиметься у вигляді N2, а важкі метали залишаться в попелі. Це є важливою попередньою умовою для підтвердження того, що використання осаду січних вод для вирощування енергетичної верби буде сприятливим.

Перша заготівля здійснюється після 3-4 років з часу посадки, коли паростки досягають 5-6 м заввишки. Це відбувається зимою, а наступної весни рослини починають рости з пеньків. Протягом всього періоду (20-30 років) існує можливість 5-7 заготівель без зменшення продуктивності насаджень.

Досліди показали, що довготривале зберігання трісок верби має певні труднощі. Це відбувається тому, що їх вологість сягає 50-55%. Тривале зберігання краще всього організовувати, якщо верба не подрібнена, а зберігається у вигляді цілих паростків. Проте такий спосіб є більш дорогим. Інший метод полягає в зберіганні деревинної тріски в повітронепроникній ізоляції, де без доступу кисню розщеплення не відбувається.

Енергетик. Тріски верби не сильно відрізняються від інших типів деревинної тріски, але можуть містити більше кори та вологи. Нижча теплотворна здатність абсолютно сухої верби не відрізняється від інших порід деревини і складає приблизно 18 МДж/кг абсолютно сухої речовини. Порівняно з більшістю інших порід, деревина верби достатньо легка. Це означає, що вага нещільного кубічного метра тріски верби значно менша, скажімо, за вагу тріски берези, що є важливим для визначення об'ємів палива, які теплова станція повинна переробити, щоб забезпечити ту ж саму кількість тепла.

Економіст. Енергетична верба, попри відсутність будь-яких шкідливих продуктів при згорянні, має високу тепловіддачу. Тонна диво-рослини замінює понад 500 кубометрів природного газу або 700 кілограмів бурого вугілля.  Завдяки високій теплотворній здатності таке дерево може конкурувати з іншими видами палива: газом, соломою, торфом.

Біотехнолог . Кафедра біологічних і екологічних досліджень факультету енергетики університету Пердью (США) виступила з пропозицією повернутися до деревини як основного джерела енергії.

       Для цього учені планують створити методами генної інженерії спеціальні тополі з високою швидкістю росту. Очікується, що рослини досягатимуть висоти 27-28 метрів за шість років.  Тополя– швидкоросле світлолюбне дерево, деякі

екземпляри ростуть по 120 – 150 років. Це-невибагливий вид, що не вимагає внесення добрив або спеціальної обробки ґрунту.

       Деревина тополі є м'якою, легкою, білою, її використовують у будівництві, при виробництві паперу, сірників, фанери, штучного шовку.

Тополя є близьким родичем верби (родина вербові (Salicaceae). Аналогічно до верби, у Західній Європі її вирощують на паливо. У наших умовах у порівнянні із іншими породами дерев тополя має найбільший приріст. Для росту тополі потрібна велика кількість вологи та світла. У зв’язку з цим найбільшим виходом біомаси будуть мати земельні угіддя у долинах річок. Тополю досить давно використовують як енергокультуру з огляду на її швидкий ріст та стійкість до шкідників і можливість вирощування на бідних ґрунтах. Здебільшого вона не потребує застосування пестицидів та добрив. Виявлена можливість її вирощування на забруднених землях. Останнім часом, у зв'язку з порівняно швидким ростом та утворенням біомаси, насадження тополі все активніше використовують в  якості регенеративного джерела енергії для виробництва біопалива. ЇЇ деревина досить легка, широко використовується в технічних цілях.

          Ботаніки пропонують не спалювати дрова, а переробляти вирощені дерева в етиловий спирт.   США мають намір перевести третину свого автопарку на одержуваний з рослинної сировини спирт до 2030 року. Недавно було показано, що наявних сільськогосподарських культур для цього не вистачить. В університеті Пердью вважають, що вирішенням  проблеми може стати генетично модифікована тополя.

       Крім прискореного нарощування маси, генетичні зміни повинні торкнутися і клітинних стінок дерева. Вони повинні стати проникнішими для ферментів, які розкладають целюлозу на глюкозу, з якої традиційним шляхом і виробляється спирт.

       За допомогою науки, тополя незабаром може бути надійним джерелом поновлюваних, чистої енергії.

Вчитель. Проблема створення швидко відновлюваного дешевого та екологічно безпечного біопалива вирішена.

Вчені Сибірського інституту фізіології і біохімії рослин вивели швидкорослі дерева, які можна використовувати як сировину для біопалива.

Біотехнолог. Три дослідницькі групи на чолі з доктором біологічних наук Віктором Войніковим, членом-кореспондентом РАН Рюриком Саляевим і доктором біологічних наук Кімом Гамбургом застосували для отримання швидкозростаючої осики і тополі дві методики - сомаклональну мінливість в культурі тканин і клітин рослин і генетичну трансформацію.

У пазушку осики був внесений спеціальний ген кукурудзи, що сприяє регулюванню вивільнення речовин, необхідних для швидкого зростання. А в експерименті з пірамідальною тополею було проведено відбір пагонів з необхідними властивостями, їх укорінення та акліматизація. Дослідні зразки осики і тополі ростуть у сім-вісім разів швидше, ніж звичайні види. Як стверджують вчені за два роки з саджанця виростає чотириметрове дерево.

Після отримання відповідних дозволів ГМО дерева можна буде перевести на плантації. А згодом після зростання насадження деревина може бути використана для різних цілей,зокрема для біопалива.

На наступному етапі досліджень фахівці хочуть отримати трансгенну тополю з вбудованим геном синтезу гібереліну, який є стимулятором росту рослин.

Такі тополі можна використовувати в якості живих губок - за допомогою ГМО, вони швидше ростуть, та ефективніше розкладають токсичні речовини в повітрі та ґрунті. Також такі дерева після обробки можна буде використовувати в якості дешевого біопалива. Плюс такого застосування ГМО в вирощуванні сировини для біопалива в тому,що дані джерела енергії швидко відновлюються за рахунок стрімкого росту.

Економіст. Звичайно, використання біомаси, як спеціально вирощеної, так і вилученої з відходів виробництва та з комунальних звалищ — це великий клопіт. Загалом собівартість такої "зеленої" енергії вища, ніж у "чорної", з вугілля. Це з урахуванням подрібнення, висушування і відповідного зберігання.

Отримання прибутків від екологічних вигод є одним з інструментів, щоб створити більше місця для енергетичних культур та використання біомаси. Технічні бар'єри для рідкого біопалива набагато менші, ніж для твердого, оскільки рідкі палива — традиційні й давно відомі культури. Але з іншого боку потенціал твердого біопалива набагато більший.

Вчитель. Кого зараз здивуєш тим, що паливом для двигунів може бути не тільки бензин, дизпаливо чи газ? Людство вже давно знайшло альтернативу – біопаливо. Увага вчених і виробничників вже декілька десятиліть спрямовується на використання для цієї мети світового рослинного різноманіття, зокрема рослин родини капустяних, в першу чергу ріпаків.

Агроном.  Ріпак (brassica napus oleifera) – трав’яниста олійна рослина з родини капустяних. Стебло прямостояче, тонке, округле, гіллясте, 100 – 250см заввишки. Корінь стрижневий, веретеноподібний. Листки сизо-зелені, нижні – ліроподібні, перисторозсічені, верхні – ланцетовидні, цілісні, стеблообгортні. Квітки жовті, різних відтінків, зібрані в китиці. Плід – стручок, 5-8 см завдовжки. Насіння кулясте, від коричневого до чорного кольору. Вага 1000 насінин – 3,5-7,0 г.

Ріпак у своєму розвитку проходить чотири періоди (I – утворення листків, II – утворення генеративних органів, III – цвітіння, IV - дозрівання), які розподіляються на дванадцять етапів органогенезу. Найкращими                                      попередниками для ріпака є ті, що рано звільняють поле: зернові культури, зернобобові суміші. Не слід сіяти ріпак на площах, де вирощуються цукрові буряки через небезпеку поширення нематоди, оскільки вона є шкідником і для ріпака. Як правило, ріпак на попереднє місце вирощування повертати через 4-5 років.

Агроном. Ріпак - культура перехреснозапильна, тому потрібно передбачити просторову ізоляцію. При вирощуванні в господарстві різних хрестоцвітих культур, наприклад, ріпака і суріпиці або високо – і низькоерукових сортів вона має становити 500 м, при посіві безерукових – допускається 50 м.

При посіві найефективніше застосовувати таку систему обробітку ґрунту: лущення стерні, оранку з передплужниками на глибину 22-25 см на чорноземних ґрунтах, а на дерново-підзолистих на глибину орного шару в агрегаті з бороною. Передпосівний обробіток найкраще проводити комбінованими агрегатами в два сліди. Цієї операції достатньо, щоб забезпечити якісну підготовку ґрунту до сівби ріпака. Передпосівне вирівнювання і ущільнення має важливе значення, тому що сприяє рівномірному загортанню насіння, появі дружніх сходів, запобігає виконанню посівів на понижених ділянках рельєфу. Неякісний і несвоєчасний обробіток ґрунту знижує врожай на 17-30%.

Визначальним фактором доброго розвитку рослин і їх продуктивності є вимоканню забезпечення його поживними речовинами. На формування 1 центнера основної продукції ріпак використовує: 5,0 – 6,2 кг азоту; 2,4 – 3,4 кг фосфору; 4,0 – 6,0 кг калію.

Науковці радять дотримуватись оптимальної густоти рослин, що забезпечує добрий біологічний розвиток сортів 90 - 100 шт/м2, гібридів - 40-80 шт/м2.

Агроном. При вирощуванні ріпака на насіння особливу увагу слід звертати на захист рослин від шкідників, хвороб та бур’янів. Нехтування захисними заходами знижує врожайність на 30-60%, інколи призводить до повної втрати врожаю.

Найбільш поширеними шкідниками в посівах ріпака є ріпаковий пильщик, хрестоцвіті блішки, ріпакова блішка, ріпаковий білан, капустяний галовий прихованохоботник, ріпаковий квіткоїд, великий ріпаковий та стебловий, прихованохоботник, капустяний стручковий комарик, капустяна попелиця, слимаки.

Серед хвороб, що найчастіше поражають рослини - чорна ніжка, пероноспороз, фомоз, альтернаріоз, циліндроспоріоз, бактеріоз коренів, сіра гниль, склеротініоз.

Посіви ріпака засмічуються переважно такими бур’янами: редька дика, лобода біла, куряче просо, мишій сизий і зелений, осот польовий та інші.

З метою успішної боротьби з шкідниками, хворобами і бур’янами необхідно застосовувати комплекс агротехнічних, хімічних та біологічних заходів у всі періоди вирощування ріпака.

Вчитель. У статті, опублікованій в Proceedings of the National Academy of Sciences, американські дослідники описують трансгенна просо прутьевідное, з якого шляхом ферментації можна виробляти на третину більше етанолу, ніж зі звичайної немодифікованого рослини. 

 

Біолог. Просо має широкі перспективи в якості сировини для біопалива, оскільки це багаторічна рослина з високою врожайністю вимагає мінімум азоту та води. Однак просо володіє потужним природним захистом від комах, грибків і несприятливих погодних умов, що завжди було серйозною перешкодою для виробництва біопалива та інших лігноцелюлозних матеріалів. Протягом багатьох років вчені шукали способи подолати оборону рослин, але, незважаючи на значний прогрес, стійкість рослин до обробки залишається проблемою. 

Біотехнолог. Американські вчені зосередилися на гені, що зменшує клітинний компонент катехін-O-метилтрансферазу. Зміна цього гена на одну восьму знизило кількість рослинного "клею" лігніну, який присутній в клітинних стінках проса і заважає ферментації в процесі виробництва біопалива. Оскільки ферменти є основною частиною витрат у процесі біоконверсії біомаси в паливо, це значно знижує вартість біопалива і хімікатів, повідомляє news.ukrhome.net. 

У результаті трансгенне просо вимагає попередньої обробки при меншій, ніж зазвичай, температуру і чверть або третину від звичайної кількості ферментів. Враховуючи невибагливість рослини і відсутність необхідності в складній і витратній обробці, просо може стати сировиною для великомасштабного виробництва біопалива, в тому числі і на малородючих землях.

Біотехнолог.  Останніми роками абсолютно нові технології отримання біопалива з’являються дедалі частіше. Недавно учені з Університету штату Арканзас придумали спосіб його виробництва з курячого жиру. Відразу три великі компанії - Global Green Solutions (Канада), Bio Fuel Systems (Іспанія), De Beers Fuel Limited (ЮАР) - заявили минулого року про початок будівництва заводів по виробництву біодизеля з водоростей. Це один з найперспективніших напрямів: водорості володіють настільки високою врожайністю, що для забезпечення паливом всіх автомобілів такої моторизованої країни, як США (220 мільйонів авто на 300 мільйонів жителів), потрібно засадити водоростями всього 4 мільйони гектарів ставків. Це приблизно 2% від придатних територій. Фахівці з невеликої американської компанії Green Fuel Technologies (штат Массачусетс) намагаються вельми успішно сумістити приємне з корисним, згодовувавши тим же водоростям викиди із заводських труб. В результаті врожайність «зеленого» палива росте, а екологічний збиток від промислових виробництв падає. А російські учені з інституту Іркутська органічної хімії (ІРІОХ З РАН) придумали, якомога дешевше перетворювати на автомобільний спирт відходи  лісозаготівлі. З п’яти тонн деревної тирси виходить тонна етанолу, собівартість якого в два рази нижча, ніж у етанолу, отриманого з кукурудзи або пшениці

Еколог. Біопаливо  відноситься до поновлюваних енергоджерел і цим принципово відрізняється від нафти, газу і вугілля, запаси яких на нашій планеті кінцеві. Крім того, біопаливо екологічно відносно чисто. Адже при його спалюванні в атмосферу викидається не більше вуглекислоти, чим спожили рослини, з яких воно було вироблене. Була тонна вуглекислого газу, її за час свого зростання «з’їла» висаджена на полі кукурудза, кукурудзу перегнали в спирт, спирт спалили, і ця сама тонна повернулася туди, звідки її на якийсь час витягнули, - в атмосферу. Отже, загальний зміст цього газу, який багато кліматологів вважають основною причиною «глобального потеплення», не збільшується

        ВИСНОВКИ Учні розподіляються на групи прихильників і противників. Група прихильників висловлюють свої думки за  раціональне використання енергетичних рослин відносно економії палива і охорони навколишнього середовища, а  група противників – проти.. 

 Прихильники говорять, що біопалива менше забруднюють атмосферу, а супротивники заперечують, що при згоранні біопалив виділяються ті ж продукти, що і при спалюванні викопних палив. Істина ж, як повелося, лежить посередині. Дійсно, в процесі згорання і тих, і інших палив утворюються, головним чином, вуглекислий газ, вода і декілька домішок, багато хто з яких є шкідливим: моноксид вуглецю, оксиди азоту, вуглеводні і т.д. Найбільша увага зазвичай приділяється шкідливим компонентам вихлопу і одному з винуватців парникового ефекту – вуглекислому газу.

Однією з головних переваг біопалив називають скорочення викидів парникових газів. Це, проте, не означає, що при згоранні біопалив утворюється менше діоксиду вуглецю (хоч і таке можливе). При згоранні біопалива в атмосферу повертається вуглець, який раніше поглинули рослини, тому вуглецевий баланс планети залишається незмінним. Викопні палива – зовсім інша справа: вуглець в їх складі мільйони років залишався “законсервованим ” в земних надрах. Коли він потрапляє в атмосферу, концентрація вуглекислого газу стає вищою.

У тому, що стосується шкідливих викидів, біопалива декілька виграють у нафтових галузях. Більшість досліджень показують, що біопалива забезпечують зниження викидів моноксид вуглецю і вуглеводнів. Крім того, біопалива практично не містять сірки. Разом з тим, декілька збільшується викид оксидів азоту плюс при неповному згоранні багатьох біопалив в атмосферу потрапляють альдегіди, але в цілому по рівню шкідливих вихлопів біопалива виграють.  

 

 

Література:

1. Біопаливо - Вікіпедіяhttps://uk.wikipedia.org › wiki
2. https://eenergy.com.ua/baza-znan/biopalyvo-vydy-dzherela/
3. Теоретичні та практичні засади процесу вирощування рослин для енергетичної біомаси http://dspace.wunu.edu.ua/bitstream/