Наш старый сайт

Зерно и атом

Зерно и атом

№12 (1205) от 23.03.202123.03.2021

Об орошении сельхозугодий с помощью опресненной на атомных установках морской воды

В последние годы наиболее динамичная отрасль украинской экономики — растениеводство. Прирост производства зернобобовых и масличных в 2018 г. по отношению к 2017 г. составил 7.8%, а прирост в январе-июле 2019 г. по сравнению с аналогичным периодом 2018 г. достиг 12%.

Георгий ГАВРИЛЕНКО, энергетик (Мнение)

Однако урожайность зависит не только от применяемых технологий, но и от экологических и климатических условий. Учитывая, что распаханность земель в Украине достигла предельного уровня, экстенсивное развитие далее невозможно, поскольку в случае наступления засушливости могут возникнут определенные проблемы. Например, неблагоприятные климатические условия в 2020 г. стали причиной снижения урожайности в южных областях, в т.ч. и в Одесской области. Урожайность основных зерновых и масличных культур в 2020 г. составила 60-67% от урожайности в 2019 г., подсолнечника — 82% (Источник).

Одесская область выбрана в качестве примера, как одна из областей южного региона страны, а кроме того, крупнейшая по территории (5.52%). Площадь пашни составляет 2.1 млн га. Сбор урожая зернобобовых и масличных в 2019 г. составил 4.6217 млн т с пашни площадью 1.733 млн га, в 2020 г. — 2.574 млн т. Причиной снижения урожайности является не только недостаток влаги, но и ее неудовлетворительное распределение по времени относительно вегетации, а также зависит от температуры воздуха, почвы.

Степная часть Украины, на которую приходится большая часть сбора зерновых, признана зоной рискованного земледелия. Осадки здесь распределяются неравномерно. Согласно прогнозам климатологов, югу Украины угрожает увеличение засушливости в связи с глобальным потеплением.

Климат и особенности агротехники уже изменяют географию зерновых в Украине. В 2019 г. самые высокие урожаи оказались в западных областях, где больше осадков, лесов и рек, а размеры полей в среднем меньше, чем на юге (Источник).

Для увеличения объемов урожая и создания приемлемых экологических условий необходимо сокращать площадь пашни, увеличивать лесистость с одновременным повышением урожайности за счет совершенствования технологий выращивания и орошения.

Орошение и эффективность

Средняя урожайность пшеницы в 2019 г. в Одесской области составила 30.5 ц/га, а в Хмельницкой области — 58.9 ц/га, т.е. практически в 2 раза выше (Источник). В засушливом 2020 г. средняя урожайность пшеницы в Одесской области составила 18.4 ц/га, в Хмельницкой области — 50 ц/га, т.е. в 2.7 раза выше.

В Хмельницкой области в августе, сентябре и октябре 2018 г. выпало 27 мм, 38 мм и 44 мм осадков соответственно. Данное количество осадков следует рассматривать как естественное орошение, обеспечивающее осеннюю вегетацию озимых, как предпосылку урожая в 2019 г.

Во время весенней вегетации озимой пшеницы в Хмельницкой области в апреле, мае, июне и июле выпало 31 мм, 155 мм, 82 мм, 60 мм осадков соответственно.

Суммарное количество осадков в Хмельницкой области в периоды осенней и весенней вегетации составило 437 мм или 4370 м3/га.

Урожайность озимой пшеницы на опытной станции в Николаевской области составила от 53.5 ц/га до 78 ц/га (в среднем 66 ц/га) при дождевом поливе с общим расходом влаги 6000 м3/га в год, что в среднем составляет по 100 м3/га в периоды осенней и весенней вегетации.

Таким образом, количество осадков в Хмельницкой области в вегетационные периоды осенью 2018 г. и весной 2019 г. можно использовать как норму для дождевого полива с дополнением по расходу на полив на опытной станции Николаевской области.

Если допустить, что сбор урожая в Одесской области в 2019 г. является оптимальным и принять, что при дождевом поливе урожайность увеличивается в 2 раза, то для сбора урожая в объеме 4.62 млн т потребуется использовать площадь пашни не 1.733 млн га, а в половину меньше, то есть 0.87 млн га.

Если учесть, что за 6 месяцев осенней и весенней вегетации в Одесской области в засушливом 2020 г. выпало 142 мм, то при реализации дождевого полива на пашне 0.87 млн га в период осенней и весенней вегетации потребуется 4 млрд куб м воды, что составляет более 7% стока реки Днепр (среднегодовой сток реки Днепр в устье составляет 53.5 млрд куб м). Это только для полива пашни в Одесской области дождевым способом.

При реализации орошения капельным способом, согласно данным, расход воды на полив уменьшается на 40% и урожайность возрастает на 50% по сравнению с дождевым поливом (Источник). В таком случае на орошение пашни Одесской области для сбора урожая в объеме 4.612 млн т потребуется около 1.7 млрд куб м воды.

При капельном поливе расход воды уменьшается на 70% по сравнению с дождевым поливом, т.е. можно достичь уменьшения расхода опресненной воды и, таким образом, расход воды на капельный полив может быть уменьшен. Если учесть, что полив необходимо организовать во всех южных областях Украины, то природные источники воды для орошения отсутствуют.

В поисках воды

В качества источников воды для орошения во многих странах используются опреснительные установки. Уже накоплен мировой опыт по опреснению морской воды. Самые мощные опреснительные установки расположены в странах Ближнего Востока. Крупнейшая опреснительная установка Shoaiba-3 находится на западном побережье Саудовской Аравии.

Ее производительность составляет 880 000 куб м пресной воды в сутки. Также в этом регионе на стадии строительства находятся еще 7 установок мощностью более 400 000 куб м в сутки каждая, что равно 2.8 млн куб м в сутки.

В ОАЭ используются многоступенчатые опреснительные установки, в которых на одну тонну исходного пара получают 15-20 т обессоленной воды.

В Испании опреснительные установки производят 3.4 млн куб м в сутки (1.24 млрд куб м в год) обессоленной воды. Опреснение воды в Испании характерно тем, что Испания не обладает собственными запасами углеводородного топлива. Опреснение осуществляется за счет использования импортируемых нефти, газа и электроэнергии. В Испании под орошением находится 15.1% угодий от общих площадей сельхозугодий, с которых снимается 50% общего урожая (территория и численность населения Испании и Украины сопоставимы).

В настоящее время в мире орошается более 270 млн га. Поливные земли обеспечивают 40% мирового производства продовольствия, занимая лишь 18% площади сельхозугодий. Впрочем, опреснение морской воды энергозатратное производство. Использование органического топлива в Украине для опреснения исключается в связи с его незначительными запасами. В связи с этим, следует обратить внимание на возможность использования атомной энергии.

В Украине в настоящее время действуют 15 энергоблоков на атомных электростанциях, на которых преимущественно установлены блоки электрической мощностью 1 млн кВт каждый. Тепловая мощность каждого блока равна 3 млн кВт. На каждом блоке производится 6000 тыс т насыщенного сухого пара в час при давлении 6.2 МРа, который используется для выработки электроэнергии.

При этом собственные нужды одного энергоблока составляют около 7%.

При использовании энергоблока для опреснения, целесообразно 10% тепловой мощности (600 т пара) использовать для выработки электроэнергии для собственных нужд опреснительного комплекса и установок для перекачивания обессоленной воды. Оставшиеся 90% тепловой мощности (5400 т пара) использовать для опреснения воды.

При многоступенчатом испарении на одной установке можно получить 102.6 тыс т в час опресненной воды, за одни сутки — 2.462 млн т или 0.776 млрд т в год, при условии работы в течение 10.5 месяцев.

Как показано выше, при оценочном расчете получено, что для орошения 0.87 млн га пашни дождевым поливом потребуется 4 млрд куб м воды, таким образом, двух атомных блоков тепловой мощностью 3000 МВт каждый недостаточно для обеспечения дождевым поливом даже 50% пашни в Одесской области.

При реализации орошения капельным поливом достаточно двух атомных установок опреснения.

Решив проблему орошения, Украина может стать основным мировым экспортером продукции растениеводства. С другой стороны, реализация проекта орошения позволит открыть множество рабочих мест, загрузить отечественное машиностроение заказами. И это не только непосредственно атомные опреснительные установки, а также магистральные и распределительные трубопроводы, промежуточные насосные станции, накопительные емкости воды, оборудование дождевого и капельного полива и другое сопутствующее оборудование. Это монтаж, техническое обслуживание, создание и обслуживание инфраструктуры.

Оценка затрат на строительство опреснительных установок с атомными блоками

Согласно данным интернета, стоимость двух блоков АЭС в Беларуси общей мощностью 2.4 млн кВт составляет чуть более $6 млрд. Стоимость одного блока составляет около $3 млрд. При сооружении опреснительных установок, дорогостоящее оборудование, такое как турбина, генератор, главный трансформатор, не требуется, что удешевит строительство. Учитывая, что Украина может взять на себя основную часть работ по проектированию, обоснованию безопасности, изготовлению и поставке оборудования (кроме корпуса реактора) и 100%-й объем работ по строительству, вводу в эксплуатацию, то можно рассчитывать, что стоимость одного блока с оборудованием опреснения будет стоить менее $3 млрд.

Отметим, что исполняющий обязанности президента компании НАЭК "Энергоатом" П.Котин в интервью 30.12.20 г. заявил, что себестоимость электроэнергии, выработанной на атомных энергоблоках, составляет 57 коп/кВтч. В течение одного часа на блоке производится 1 млн кВтч электроэнергии. Следовательно, стоимость выработанной электроэнергии в течение одного часа на блоке мощностью 1000 МВт равна 570 тыс грн.

Если на атомном блоке производить опреснение воды, то в течение часа, как указано выше, можно произвести 102.6 тыс т опресненной воды. Отсюда следует, что стоимость опреснения одной тонны воды на атомной установке может быть равна 5.55 грн.

При работе реакторной установки производится в течение одного часа 2.368 млрд ккал тепла, которые могут быть использованы для опреснения. Из этого следует, что для опреснения одной тонны воды используется 23.08 тыс ккал тепла при стоимости 1 ккал 0.024 коп.

Мазут и газ

Если опреснение производить на установке с использованием мазутных котлов, то для получения 1 т опресненной воды потребуется одинаковое количество тепла, что на атомной, что в котельной установке, то есть 23.08 тыс ккал.

Если в котельных установках использовать мазут с теплотворной способностью 9500 ккал/кг стоимостью 0.270 $/кг, то стоимость 1 ккал тепла в данном случае составит 0.0796 коп.

Отсюда следует, что стоимость опреснения 1 т воды с использование мазута составит 18.36 грн, т.е. в 3.3 раза дороже опреснения на атомной установке.

Использование каменного угля в опреснительных установках

Согласно данным сайта, "Центрэнерго" в 2017 г. закупило в США уголь по цене 94 $/т с теплотворной способностью 6583 ккал/кг. Так вот, если использовать уголь для опреснения с указанными данными, то стоимость 1 ккал при сжигании в котле составит 0.0386 коп. Отсюда следует, что стоимость опреснения 1 т воды с использованием угля составит 8.90 грн, т.е. в 1.6 раза дороже опреснения на атомной установке.

Если использовать природный газ для опреснения теплотворной способностью 8000 ккал/м3 стоимостью 6.72 грн/м3, то стоимость 1 ккал при сжигании в котле составит 0.084 коп.

Отсюда следует, что стоимость опреснения 1 т воды с использованием природного газа составит 19.4 грн, то есть в 3.5 раза дороже опреснения на атомной установке.

Стоимость опреснения 1 куб м воды на установке, расположенной возле Барселоны в Испании, составляет 50 центов, то есть около 14 грн/м3, что корреспондируется со стоимостью опреснения, указанной выше в случае использования мазута и природного газа.

В итоге можно резюмировать, что для Украины наиболее выгодным является опреснение воды на атомных установках. Реализацию орошения следует проводить в два этапа. На первом этапе реализовать дождевое орошение для густорастущих культур и капельное орошение для кукурузы, подсолнечника, овощей, сахарной свеклы. На втором этапе реализовать капельное орошение для всех культур.