Агро-фотоволтаични паркове и енергия от биомаса

Новопатентована хибридна зелена технология

У нас има стотици хиляди декари необработваеми земи. Немалка част от тях са нископродуктивни, но има и отлични земи за земеделие, които също не се обработват. Част от тях в миналото са били неразумно експлоатирани, поради което сега те са засолени. България е слънчева страна, заради което голямата част от растенията могат да фотосинтезират през не повече от 20% от светлата част на денонощието през летните месеци, като времето за оптимална фотосинтеза е само около 10%. През останалата светла част на денонощието слънцето преогрява терените и не спомага за земеделието.Това е първата причина за изоставените земеделски земи.

Втората причина е липсата на адекватно напояване. Това и глобалното затопляне са довели до изоставянето на много хиляди декари земи, които макар и слабо продуктивни, при подходящи условия частично могат да бъдат ползвани за земеделски цели.

Целта на новата зелена технология е да се създаде модел на устойчиво развитие у нас. Този модел, на първия етап, включва подготовка на част от земите за земеделие, включително и за напояване. Редуциране на слънчевото греене на тях чрез частичното им засенчване с фотоволтаични панели и оползотворяване на прекомерната слънчева радиация чрез фотоволтаично електропроизводство. Произведената електроенергия ще се ползва за помпено напояване, а излишъкът ще захранва обществената мрежа и други нужди, с което ще се осигури и устойчива и нискорискова енергетика в страната, което е и съществен елемент на националната сигурност.

И не на последно място, описаните дейности ще осигурят стотици хиляди нови работни места и то в престижни професии, не само в подготвителния период, но и за обслужването след реализацията му.

Вторият етап на проекта предвижда отглеждането на енергийни култури на част от терените за производство на суровини за течни и газообразни биогорива.

Средство за изпълнение на описаните проектни цели е разработването и реализацията на разпределени агро-фотоволтаични паркове на неабслужвани земеделски  терени. Агро-фотоволтаичните паркове са ново направление в агро-енергетиката и не са познати в нашата страна. У нас сме свикнали да мислим, че аграрният отрасъл и енергетиката са твърде различни направления на стопанството. И дори че взаимно си пречат. Това разбира се е така, когато откритите рудници унищожават стотици хиляди декари земеделски земи. Но в съвремеността, глобалното затопляне и нарастващият дефицит на минерални горива ни насочват към възобновяемите енргийни източници (ВЕИ) и биогоривата.

Дали фотоволтаичните паркове на земеделски земи ги унищожават и препятстват използването им като такива ?

Повърхностният отговор на този въпрос е „да”, защото фотоволтаиците засенчват терените. Този отговор може и да е валиден за държави като Исландия, но у нас е точно обратното. И особено с развитието на процесите на глобалното затопляне, прекомерното слънчево облъчване на терените ги превръща в полупустинни. Затова подходящо проектирани фотоволтаични паркове и съответно подбрани земеделски култури в тях, еднозначно дават синергични предимства едновременно на фотоволтаичната енергетика и на земеделието – в така наречените агро-фотоволтаични паркове. Тук ще си послужим с един много известен пример. В Ирландия, наричана още "зеленият остров", слънцето рядко се показва между облаците, но тя е зелена през всички сезони и е световен шампион по износ на говежда месо. Говедовъдството там е целогодишно на открито и на естествена паша.

Растенията приемат, както пряка, така и разсеяна (дифузна) слънчева радиация. За едни растения прякото облъчване е от първостепенно значение. Други растения се развиват по-добре при разсеяна и отразена слънчева радиация, каквато е на сенчестите места, включително и около и под фотоволтаичните модули. В агро-фотоволтаични паркове, които са преобладаващо с неподвижно монтирани фотоволтаични модули/панели, сянката се променя по площ и по място ежедневно.

Фотосинтезата е жизнено важна за живота и развитието на растенията и е в основата на естествения кръговрат на въглеродния двуокис и кислорода на планетата. Именно растенията, чрез фотосинетизирането си, превръщат в кислород нежелания въглероден двуокис от атмосферата, който е главния виновник за катастрофалното глобално затопляне. Известно е, че във фотосинтезата не участва целият спектър на слънчевата радиация, а този с дължина на вълната от 0,38 до 0,72 мкм. Тази част от спектъра на слънчевата радиация се нарича Фотосинтетична Активна Радиация (ФАР). В процеса на фотосинтезата практически се използва едва 1–3% от ФАР. Целта на агрофотоволтаичните паркове е да осигурят оптимални условия за интензивна фотосинтеза, което е най-природосъобразният начин за стимулиране на безторовото им развитие. Посоченият спектрален диапазон обхваща изцяло видимата за човешкото око светлина и ултравиолетовите лъчи. Но останалата част от спектъра са инфрачервените лъчи, които са с дължина на вълната от 0.8 до над 3 мкм. Именно тази спектрална част загрява планетата. Но за нашите географски ширини загряването е недостатъчно за ефективно растениевъдство през зимата и е прекоморно много през останалите сезони.

Долната таблица дава детайлна представа какви са естествените условия за фотосинетеза в нашите географски условия. От нея се вижда, че когато топлината е достатъчна за вегетация, слънчевата радиация е в излишък и пречи на фотосинетезата. И обратно - през зимното студено време, когато растенията не се развиват, то слънчевата радиация е по-благоприятна за фотосинтезата. Това е и основната причина за невисоките агродобиви у нас. Другият нежелан фактор е продължителната суша. Иновативната зелена технология на агро-фотоволтаичните паркове едновременно преодолява и двата проблема. Чрез фотоволтаично напояване (по българска патентована технология) и чрез подходящо разположение на фотоволтаици на терените, предпазващи ги от нежеланото прегряване и изсъхване.

Горната таблица е изчислена на база средностатистически данни от всички измервателни метеорологични станнции в страната. Тя не е меродавна за проектиране на агро-фотоволтаични паркове, защото почвено-климатичните условия у нас са твърде различни. Но въпреки това тя дава една достатъчно ясна представа, че през значително по-малката част от светлия ден у нас слънчевата радиация е полезна за фотосинтезата, а през по-голямата част - не е. От първия ред на таблицата се вижда, че през най-топлите месеци около и под 10% от дневните часове са оптимални за фотосинетеза. В по-голям процент от времето фотосинтезата е неоптимална поради преоблъчване, а най-голям процент от времето радиацията или е недостатъчна или прекомерно висока, което има еднакъв краен резултат - тя не е подходяща за фотосинтеза.

Табличните резултати са от изчисления, направени на основата на анализ само на слънчевите условия за фотосинетизата. Без да се имат предвид други много важни фактори, като топлинните условия, влагата и т.н., които не са свързани пряко с разположението на фотоволтаци на терените. Установено е, че във фотосинтезата участва тази радиация, която е над 209 W/m². Интензивността на фотосинтезата нараства значително с увеличаване на интензивността на слънчевата радиация от 209 до 279 W/m², след което се забавя. Когато интензивността надвиши 349 W/m² , тя вече е напълно вредна за растенията. През зимата вегетацията силно намалява поради много ниските температури, които силно забавят развитието на растенията, независимо, че относителното оптимално време, подходящо за фотосинетеза, е доста по-голямо, в сравнение с лятото. Но самите земеделски култури са непоникнали или малко поникнали (доколкото са засети есенниците) и през зимата практически спират активната си вегетация.  Посоченият двустъпален енергиен интервал 209-279-349 W/m² значително се превишава през пролетта, лятото, а вече и през есента, като следствие на намалената облачност и валежи и глобалните климатични промени, като цяло. Най-подходящи слънчеви и топлинни условия зя растенията у нас има през месец май. 

От данните за оптималната и неоптималната фотосинтеза в таблицата е видно, че през повечето време на активния агросезон е необходимо да се предотврати вредното за фотосинетезата преоблъчване, което не спомага за вегетацията - напротив значително пречи. Същевременно е нужно напояване на растенията, вече и през есенните месеци. А през зимата - когото топлината на въздуха и почвата е неблагоприятна за развитието на растенията, то благоприятната радиация за фотосинетеза може да се оползотворява само в отопляеми оранжерии, но не и на полето. Затова дали на нивите има или не фотоволтаици през зимата не е от важно значение за развититето на земеделските култури (разбира се, само за есенниците).

От горепосоченото става ясно, че предотвратяването на изсушаването и напояването са двете основни агроизисквания за успешно земеделие. Именно на тези две изисквания напълно отговаря новата зелена технология, която използва слънцето едновременно за оптимално растениевъдство и за производство на енергия за оптимално напояване. А излишъците от генерираното електричество захранват публична електрическа мрежа. Тази зелена хибридна технология се прилага приоритетно на слабопродуктивни, засолени и пустеещи земеделски земи. Безспорно тя е необходима и за плодородните терени и пасища. Те са не по-малко застрашени от сушата и последиците от глобалното затопляне. Новата зелена технология значително допринася за обоготяване на въздуха с кислород и отнемането на въглероден двуокис от него, чрез най-природосъобразния начин - фотосинтезата на растенията. Така се спомага, както за решаване на продоволствения проблем, така за преодоляване на недостига на суровини за биогорива. Технологията предвижда също и използването на терените за естествена паша, когато те отговарят на нормите за храна на животните.

По тази технология разработваме иновативните агро-фотоволтаичните паркове. Фотоволтаиците не само засенчват подходящо земеделските култури, но и оползотворяват прекомерната за растенията слънчева радиация в електричество. Показаният в таблицата оптимален процент на периодично засенчване е изчислен, не само на основание предпазване от прекомерното слънцегреене, но и с оглед естествената вегетация на растенията. Този процент се променя помесечно. Засенчването не означава, че в такъв процент следва да бъде площта на фотоволтаичните модули. Тази площ зависи от много фактори, но най-вече от височината, наклона и конфигурацията на модулите, както и от самия профил и наклон на терена. А според отглеждането на съответните култури се определя точната конфигурациа на фотоволтаиците, не само от гледната точка на растежа, но и от гледната точка на механизираната им обработка.  Много приблизителна и осреднена оценка за агро-фотоволтаичен парк на равнинен терен с едноредово разположение на неподвижни панели е дадена на последния ред в таблицата. Само ще отбележим, че този процент за Южна България е по-висок, поради необходимите по-малки наклони на панелите. Съответно за Северна България, заради по-големия наклон на неподвижните панели, процентът от последния ред следва да е по-висок.

Дотук обяснихме защо у нас е необходимо засенчване и напояване на земеделските култури. Обратният случай е даденият по-горе пример с Ирландия, където засенчването не е необходимо, поради много по-малкото слънчево греене, което е преобладаващо дифузно. Затова фотосинтезата и вегетацията на тревистите растения там има много добри условия за интезивно развитие. То е комбиниран резултат от валежите и много по-слабата от нашата пряка и дифузна слънчева радиация. Затова частичното засенчване на растенията у нас през техния активен вегетационен период, например чрез подходящо подредени (вертикално и хоризонтално) и наклонени фотоволтаични модули, е успешен модел, гарантиращ за по-добрата фотосинтеза и развитие. Същевременно засенчването ги предпазва от изсушаване и изгаряне. Фотоволтаичните модули поглъщат слънчева енергия и я превръщат в електричество. Проектите, които използват слънцето едновременно за фотоволтаична енергетика и агропроизводство нарекохме агро-фотоволтаични проекти. Те могат да бъдат, както с неподвижно, така и с подвижно монтирани панели, следващи движението на слънцето. Проекти за агро-фотоволтаични паркове и изграждането им прави фирма Ековат АД . Така или иначе, предварителни проекти за фотоволтаични паркове се изискват задължително и по Наредба 16 27/2008. Именно такива проекти е необходимо да се представят за одобрение пред компетентните инстанции. Ако те са чисто и само фотоволтаични, обикновено не получават одобрение. Но ако водят до положителни ефекти за земеделието и природата - точно обратното, те се одобряват, поощряват и стимулират.

Поради гореказаното, агро-фотоволтаичните паркове могат да бъдат изграждани на земеделски терени без да се нарушава отглеждането на определени земеделски култури на тях. Така нареченото изпълнение „две в едно” е известна практика в Германия и други евродържави, със значително по-слабо слънцегреене. При нея не е необходимо да се променя предназначението (статута) на нивите. У нас това е спорно, независимо че монтажът на фотоволтаиците се прави по безбетонна технология и практически не се увреждат земеделските терени. Още повече, че такива фотоволтаични инсталации не попадат под изискванията за одобряване на инвестиционен проект. Това е изрично посочено и в чл. 147 на Закона за устройство на териториите.

Благодарение на български патент № 65666/2009г. „Електропомпена фотоволтаична инсталация” (изобретател и патентопритежател Георги Тончев) успешно и евтино се решава и проблемът с помпеното напояване. Затова фотоволтаични паркове на земеделески и неземеделски земи могат решително да допринесат за много по-високопродуктивно и екологично чисто растениевъдство, именно чрез фотоволтаичното напояване, включително и на пустеещи с години терени. Вече е грешна тезата, че фотоволтаичното електричество е скъпо, поради скъпите модули. Пазарната конюнктура и новите технологии в тази сфера драстично свалиха цените на модулите (около 1 щатски долар на ват) и така те станаха напълно конкурентноспособни за използването им за електрозахранване на помпи при напояване на не електрифицирани терени. Патентът предвижда не само набиране на вода в надземни резервоари за напояване след затоплянето й, а и паралелно използване на водния пад от тях за допълнително производство на електричество в микро ВЕЦ на място. По този начин известната система „две в едно” става „четири в едно” като двете допълнения са напояването и производството на допълнително електричество от микро ВЕЦ, за сметка на акумулираната потенциална енергия на водата в надземните резервоари. С използването на патентованата земеделска технология фотоволтаичните паркове напълно се превръщат в агро-фотоволтаични паркове. Те вместо да отнемат терени, подходящи за земеделие, ги превръщат в плодородни земи. От това имат ползи не само земеделието, но и енергетиката и екологията, заради чистото електропроизводство. както Намаляват се и критичните фактори за парниковия ефект, поради поглъщането на въглеродния двуокис от атмосферата и последващото отделяне на кислород от растенията.

За съжаление у нас обширни земеделски площи са неподходящи за съвременно екологично и ефективно растениевъдство. Това е резултат на продължителното и системното им пренаторяване с изкуствени торове във времето на социализма. То доведе до значително засоляване на почвите, което е една от причините за намаляване на почвеното плодородие и главна пречка за използването им сега за биологично змеделие и фермерство. Когато съдържанието в почвите на разтворими във вода соли надхвърля 2,5 %, почвите се смятат за засолени по дефиниция. Нерядко обаче, почви с 1-3 % съдържание на соли също са засолени. Най-често почвите се засоляват от хлоридите и сулфатите на калция, натрия и магнезия, по-рядко - от нитратите на натрия и калция (азотните торове).

Културните растения се развиват добре върху незасолени почви, тъй като на засолени растителността се разяжда. Засолеността на почвите може да се измерва надеждно и точно със съвременни уреди и съответния почвен одит да прецени необходимостта и мащаба на необходимото отсоляване и евентуална рекултивация.

Засолените почви обикновено заемат равнинни терени със слаб или без отток на повърхностните води. При това положение водите, които носят почвеният разтвор, се изкачват много близко до повърхността и при изсъхване на почвата солите кристализират.

Чрез валежите, отсоляването на почвите става по естествен път. Но това е дълъг процес във времето и още по-дълъг при установилата се трайна тенденция за намаляване на валежите у нас. Много по-бързо и по-ефекивно е проникналата вода да бъде изпомпвана (без външен разход на енергия, чрез горепосочената патентована фотоволтаична технология). Така изпомпената вода (освен, че енергийно се оползотворява от микро ВЕЦ) едновременно отсолява почвата и напоява културите. Без съмнение, преди пълното отсолояване, което продължава с години, на тези засолени почви не бива да се отглеждат хранодайни и фуражодайни култури. Още по-малко да се ползват за биологично земеделие и животновъдство, което е и нормативно забранено.

Енергия и транспортни горива от биомаса

Новата законова рамка

Промените в Закона за възобновяемите и алтернативните енергийни източници и биогоривата 11 декември 2009 г.  предвиждат поетапно задължително смесване на горива за двигатели с вътрешно горене с биогорива.

Предвидена е имуществена санкция от 200 000 лв. за този, който пуска на пазара течни горива от нефтен произход, които не съдържат регламентираното количество биогориво. Целта е подобряване на законовите разпоредби за постигане на реално предлагане и потребление в транспорта на горива от нефтен произход, съдържащи биокомпонент.

Според разработената и приета от МС Национална дългосрочна програма за насърчаване на потреблението на биогорива в транспортния сектор за периода 2008-2020 г. е заложен дял от 2 процента на биогоривата (етанол и биодизел) в потреблението на бензин и дизелови горива през 2008 г; 5,75 на сто - през 2010 г.; 10 процента - 2020 г. Новото предложение предвижда въвеждане на задължително изискване за смесване на конвенционалния дизел с биодизел в постепенно нарастваща схема. От 1 март 2010 г. горива със съдържание на биодизел минимум 2 обемни процента . От 1 септември 2010 г - 3 на сто обемни, а от 1 март 2011 година - със съдържание на биодизел минимум 4 на сто обемни.

Същевременно е предвиден двумесечен срок за всяка от стъпките, в който бензиностанциите се задължават да предлагат на пазара само съответстващи на тези изисквания дизелови горива. Така реалното предлагане на дизелови горива с биодизел ще започне от 1 май 2010 г., а следващите стъпки за повишаване на задължителния минимум ще се реализират съответно от 1 ноември 2010 г. и от 1 май май 2011 г.

Зелената технология и новата законова рамка

Следвайки логиката на новата зелена технология за изграждане на агро-фотоволтаичните паркове става ясно, че на отсоляваните почви и в самия процес на отсоляване, единствените култури, които могат да се отглеждат на тях са техническите и в частност енерго-техническите (енергийни). По приблизителни оценки се смята, че у нас потенциалът на биомасата за енергетика е над 75 % от съвъкупния потенциал на всички възобновяеми енергийни източници. Енергията от биомаса може да се добива по различни начини, но те могат да се разделят на две основни групи А и Б:

А. Чрез изсушаване и пряко изгаряне на биомасата, включително и отпадъци, по различни технологии за добиване на електрическа и топлинна енергия. Това може да става чрез кислородно изгаряне, както и с изгаряне при кислороден дефицит (пиролиза). Освен когенерационни електроцентрали за едновременно добиване на топлина и електричество, може да се изграждат и тригенерационни централи за отопление, охлаждане и електричество. Всички такива електроцентрали на биомаса могат да бъдат технологично подпомагани с естествената, напълно природосъобразна и неизчерпаема енергия от Слънцето. Такава биомаса, подходяща за изгаряне е слонската трева, например. (вижте повече в края на страницата)

Б. Чрез превъщането на биомасата, включително и отпадъци, в газообразни и течни горива за транспорта и/или за изгаряне в когенерационни и тригенерационни електроцентрали.

Най-ниска енергоемкост имат биотехнологичните процеси на превръщането на биомасата в горим газ с преобладаващо метаново съдържание. Тази технология (типична е ферментацията с бактерии) е процес еднакво подходящ, както за първична биомаса, така и за отпадъчна, включително и фекални животински и хуманни отпадъци.

От основните енергийни култури може да се произвеждат енергийни горива, които са нормативно регламентирани като:

Биодизел
метил естер или метилов естер, произведен от растителни (рапица, слънчоглед) или животински мазнини с качество на дизел, което се използва като биогориво;

Биогаз
горивен газ, произведен от биомаса и/или от биологично разграждаща се част от отпадък, която може да бъде пречистена до продукт с качества на природен газ, който се използва като биогориво или дървесен газ;

Биоетанол
етанол, произведен от биомаса и/или биологично разграждаща се част от отпадък, която се използва като биогориво;

Биометанол
метанол, произведен от биомаса, който се използва като биогориво;

Биодиметилетер
диметилетер, произведен от биомаса, който се използва като биогориво;

Био-ЕТБЕ (етил-тeртио-бутил-етер)
ЕТБЕ, който е произведен на базата на биоетанол; процентът от обема на био-ЕТБЕ, изчислен като биологично гориво, е 47 %;

Био-метил-тетрио-бутил-етер
гориво, което е произведено на базата на биометанол; процентът от обема на био-МТБЕ, изчислен като биологично гориво, е 36 %;

Синтетични биогорива
синтетични въглеводороди или смеси от синтетични въглеводороди, които са произведени от биомаса;

Биоводород
водород, който е произведен от биомаса и/или биологична разграждаща се част от отпадък, който се използва като биогориво;

Чисто техническо растително масло
масло, което е произведено от маслодайни култури чрез пресоване, извличане или сходни процедури, нерафинирано или рафинирано, но химически непроменено, когато е съвместимо с типа двигател и съответните изисквания за емисии;

Земеделските стопани ще получават директни плащания на хектар за площите, засети с енергийни култури, които са предназначени за производство на енергийни продукти, съгласно чл. 88 от Регламент № 1782/2003.

Земеделските стопани получават директни плащания за енергийни култури за производството на всички видове земеделски продукти:

- които са предназначени за производство на енергийни продукти;

- за които министърът на земеделието и горите е утвърдил представителни добиви.

Регламент на Съвета № 1782/2003 е Регламент на Съвета от 29 септември 2003 г. относно установяване на общи правила за схеми за директно подпомагане в рамките на Общата селскостопанска политика и за установяване на някои схеми за подпомагане на земеделски производители, и за изменение на регламенти (EИО) № 2019/93, (EО) № 1452/2001, (EО) № 1453/2001, (EО) № 1454/2001, (EО) 1868/94, (EО) № 1251/1999, (EО) № 1254/1999, (EО) № 1673/2000, (EИО) № 2358/71 и (EО) № 2529/2001.

Регламент на Комисията 1973/2004 е Регламент на Комисията от 29 октомври 2004 г., постановяващ подробни правила за прилагането на Регламент на Съвета (ЕО) 1782/2003 по отношение на схемите за подпомагане, заложени в Раздел IV и в Раздел IVa на същия този регламент, и по отношение на използването на земята, която е била изоставена под угар за целите на производството на сурови материали.

По-долу даваме два примера за подстилаща растителност в агрофотоволтаичен парк. Единият пример е с познатата у нас пролетна люцерна (Medicago sativa). Богата е на белтъчини, витамини и минерални вещества.  Косенето й през вегетационния период осигурява 1.5- 2 т. качествено сено от декар. Люцерната има и агротехническо значение. След разораването й значително обогатява почвата с натрий, калций и други полезни вещества и по този начин може да замести изкуственото наторяване. Люцерната може да се ползва и като суровина за производство на биогаз.

 Като втори пример даваме Miscanthus giganteus, наричана и популярно “слонска трева”, тъй като расте лесно и бързо (до 6 тона от декар), а при изгаряне не замърсява атмосферата. В ТЕЦ-овете тя може да се изгаря заедно с въглища в съотношение 1:1. Слонската трева може да се изгаря и без въглища. От нея могат да се правят еко-пелети и еко-брикети. Тя също може да се ползва като суровина за производство на биогаз

Подстилащата зелена маса в агро-фотоволтаичния парк подобрява охлаждането на панелите през топлите месеци, с които се увеличава тяхното електропроизводство с около 3% на годишна база, което е взаимен синергичен ефект. Но основният синергичен ефект е поради факта, че фотоволтаиците в агро-фотоволтаичния парк не само засенчват подходящо земеделските култури, но и оползотворяват прекомерната за растенията слънчева радиация в електричество.

Повече информация по темата вижте тук