Нетрадиционные (альтернативные) методы получения энергии
Нетрадиционные (альтернативные) методы получения энергии
В настоящее время происходит весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив (прежде всего нефти и газа), использование которых связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая сюда также и тепловое «загрязнение», и грозящее климатическими последствиями повышение уровня атмосферной углекислоты). Ограниченными являются запасы урана, энергетическое использование которых, к тому же, порождает опасные радиоактивные отходы. Существует также неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии.
В ближайшее время уголь, нефть и газ будут доминировать в производстве энергии. Это экологически опасно. Использование этих источников энергии приведет к увеличению углекислого газа в атмосфере. За сто лет оно увеличилось на 15%, а в период за 1960 –1990 на 7%. Таким образом, темпы растут и парниковый эффект может иметь глобальный характер.
Температура атмосферы Земли увеличивается и за счет загрязнений. В итоге изменяется тепловой баланс Земли. А перегрев Земли всего на 3-4 градуса приведет к очень серьезным негативным последствиям. Поэтому поиски альтернативных технологий для производства энергии становятся первоочередной задачей.
С 70 годов прошлого столетия в большинстве стран приняты национальные программы по созданию альтернативных источников энергии.
Основная задача - разработать методы получения экологически чистой энергии, чтобы было возможно сохранить круглогодичный баланс СО2 в атмосфере, и минимально загрязнять атмосферу.
В качестве таких источников в настоящее время предлагаются солнечная энергия и энергия ветра, океана, Земли.
Солнечная энергия
Преимущества использования солнечной энергии очевидны. Во-первых, практически исключается тепловое загрязнение среды, т.к. не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником остается солнце. И, во-вторых, не возникает побочных продуктов или отходов. Солнечная энергия, кроме того доступна.
Все возобновляющиеся энергетические ресурсы являются производными энергии солнца. Около 65% солнечной энергии расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а также на образование волн, воздушных и океанических течений и ветра. Одним из свойств солнечной энергии является полное отсутствие неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Солнечная энергия, как в виде прямого излучения, так и рассеянной радиации может быть использована для производства тепла или вторичных форм энергии, электричества и т.д. Применение энергии солнца для горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха может покрыть 2 - 5% потребностей в первичных энергоресурсах. Температуру до 100°С можно получить без концентраторов, 5000°С - с концентраторами.
Солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05 • 1018 кВтч, из них 2 • 1017 кВтч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62 • 1016 кВтч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2 • 1012 тонн УТ в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре (34,2 млрд. тонн УТ).
Однако использование этой энергии для производства электричества в крупных размерах сопряжено с большими трудностями, главные из которых - низкая плотность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км2 . Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам, изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2, требует примерно 100 тонн алюминия.
Наиболее важным использованием солнечной энергии является преобразование ее в электрическую. К установкам такого типа можно отнести фотоэлектрические генераторы (или фотоэлектрические преобразователи) ФЭП.
Интенсивное развитие ФЭП (солнечных батарей) началось в 1958 г., когда был выведен на орбиту третий советский искусственный спутник Земли, на борту которого были установлены кремниевые солнечные фотоэлементы, вырабатывавшие электроэнергию для питания радиоаппаратуры спутника. С тех пор и до настоящего времени именно солнечные батареи на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей являются основными источниками электропитания околоземных и межпланетных автоматических космических аппаратов и пилотируемых орбитальных станций.
Солнечный элемент по своей сути - это диод с большой площадью р—n – перехода. Простейшие солнечные преобразователи на основе монокристаллического кремния имеют КПД около 10—-15%, и, порядка 15—20%, если используется арсенид галлия.
Принцип работы солнечной батареи (рис.2.8.): на полупроводник направляется световой поток или другое излучение и в результате этого возникает напряжение. Мощность ФЭП достигает 300 Вт/м2, кпд до 30% (теоретически может быть 80%).
Рис.2.8. Устройство солнечной батареи:
1 - омический контакт; 2 - поглощающие слои из полупроводника р-типа; 3 - полупроводник n-типа; 4 - подложка; 5 - область встроенного электрического поля: 6 - просветляющее покрытие; 7, 8 - фотоны; 9 - верхний омический контакт (гребенка).
На спутниках типа «Молния» уже использовались батареи мощностью 1 кВт, а на «Спейсбас» (совместное производство Франция и Германия ) - 3 кВт. Такие генераторы широко используются на спутниках, космических кораблях и на земле, где нужны небольшие источники энергии.
Однако широкое распространение затруднено. Это связано с тем, что основным материалом для изготовления ФЭП является монокристаллы кремния. Сырьевые запасы этого материала в природе практически не ограничены, технология его получения сравнительно хорошо отработана, но дорогостояща.
В последнее время Япония предложила так называемый аморфный кремний, который не имеет регулярной кристаллической структуры. Поглощение фотонов света в нем весьма велико. Например, пленка аморфного кремния толщиной 0,5 мкм по этому показателю эквивалентна толщине пластины из монокристаллического кремния порядка 300 мкм. А это означает возможность создания легких и дешевых ФЭП пленочного типа на основе аморфного кремния.
В настоящее время делаются попытки использовать поликристаллический кремний (тонкие пленки).
Космические энергоустановки на основе фотоэлектрических преобразователей имеют важные преимущества по сравнению с бортовыми энергоустановками других типов. Во-первых, они имеют минимальную массу. Во-вторых, имеют большой ресурс работы, и могут функционировать в условиях, когда ремонтно-восстановительные работы и профилактическое обслуживание невозможны или сильно затруднены. В-третьих, не создают помех в работе бортовой аппаратуры и не являются источником повышенной опасности для экипажа пилотируемых, орбитальных станций.
Для преобразования солнечной энергии в электрическую используют плоские и сферические зеркала. Плоские зеркала (гелиостаты) размещенные на поверхности Земли. Но неравномерность поступления солнечной энергии требует дополнительно аккумулирующей системы (на ночь, пасмурные дни).
К сожалению, этот метод не нашел широкого применения, особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.
По мнению ученых значительных результатов можно было бы достичь, отказавшись от наземных солнечных электростанций и размещая их на геосинхронной орбите.
Идея солнечной космической электростанции (СКЭС) впервые была сформулирована в США П.Е. Глезером в 1968 году. Предлагалось разместить на геосинхронной орбите (орбита, на которой спутник остается неподвижным относительно поверхности планеты) солнечные батареи большой мощности, снабженные преобразователями постоянного тока в снерхвысокочастотное (СВЧ) электромагнитное излучение. Поток СВЧ излучения, в отличие от оптического, хорошо пронизывает облачный покров Земли и практически не рассеивается при интенсивных осадках.
Выбор геосинхронной орбиты (порядка 36000 км) в качестве места базирования СКЭС обеспечивает зависание станции над определенным пунктом на земной поверхности, а использование направленного пучка электромагнитного излучения позволяет передать энергию со станции на Землю, где она может быть преобразована в электрический ток промышленной частоты.
Плоскость геосинхронной орбиты обеспечивает почти круглогодичную освещенность панелей солнечных батарей. Учитывая также, что плотность солнечной радиации на геосинхронной орбите составляет 1,4 кВт/м2, что в 2—2,5 раза больше, чем в среднем на Земле, то становятся очевидными преимущества СКЭС перед наземными станциями.
Разумеется, не менее очевидны и трудности, прежде всего экономические, трудности технологического плана, связанные с эксплуатацией преобразователей солнечной радиации в постоянный ток. КПД различного вида преобразователей, предлагаемых в настоящее время не превышают 15 – 20%.
Общим недостатком всех машинных преобразователей является наличие в них вращающихся частей, что создает проблемы с поддержанием неизменной ориентации станции. Следует также отметить, что необходима также специальная защита излучателя от пробоя метеоритами.
Но в целом преимущества использования солнечной энергии очевидны. Во-первых – практически исключается тепловое загрязнение среды, т.к. не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником остается солнце. И, во-вторых, не возникает побочных продуктов или отходов. Солнечная энергия, кроме того доступна.
Ветроэнергетика (энергия ветра)
По данным Международного института прикладного системного анализа (МИПСА), использование только 0,5% энергии ветра эквивалентно 40% всей потребляемой человечеством энергии и значительно превосходит экономический потенциал гидроэнергии планеты.
Ветроэнергия - один из наиболее старых источников энергии. Считается, что первые двигатели появились в 1700 году до нашей эры. В начале XII века ветряные мельницы появились в Европе. К концу XIX века в Дании, например, было около 30 тыс. ветряных мельниц.
Первый ветродвигатель был простым устройством с вертикальной осью вращения. Из истории развития техники хорошо известно, что использование энергии ветра имеет старые, сложившиеся традиции. Еще за долго до развития электричества в середине XIX века ветер служил источником энергии для судов и мельниц.
В России первая ветроэлектростанция, мощностью несколько киловатт, была построена в 1929 году в г.Курске по проекту советских изобретателей А.Г.Уфимцева и В.П.Ветчинкова. В 1931 году была сооружена ветроэлектрическая станция для параллельной работы с мощной ТЭС, питающей электроэнергией г.Севастополь.
В 50-х годах были построены несколько ветроэлектрических станций мощностью 300 кВт с тепловым резервом, а также многоагрегатная ветроэлектрическая станция мощность 400 квт. в Казахстане, состоящая из 12 установок, работающих параллельно с дизельной электростанцией. Во Франции эксплуатировалась ветроэлектрическая станция мощностью 640 квт.
Наиболее мощная ветроэлектрическая станция построена в США - 1,25 Мвт.
В XX веке, когда электроэнергия стала играть доминирующую роль в энергобалансе, центр тяжести был перенесен на такие энергетические ресурсы, как нефть и уголь. Повышение цен на нефтяном рынке вызвало возобновление интереса к разработке как крупных ветроэлектрических станций (ВЭС), так и ветроэнергетических установок (ВЭУ) для местного энергоснабжения.
Энергия ветра покрывает 0,001 мировых потребностей энергии. Климатические условия нашей страны позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных до восточных границ, особенно вдоль побережья Северного Ледовитого океана.
Ветроэлектрическая станция - это ветроэнергетическая установка, преобразующая кинетическую энергию ветрового потока в электрическую. Ветроэлектрическая станция состоит из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства для управления.
Легко показать, что выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра (в кубе). Поэтому ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой.
Одной из самых сложных проблем, препятствующих широкому распространению ветроэнергетических установок, является постоянно меняющаяся скорость ветра. Даже высоко в горах нельзя рассчитывать на стабильную скорость ветра. Кроме того, электроэнергия начинает вырабатываться этими установками тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она необходима. К сожалению, удобного, эффективного и экономичного способа запасать электроэнергию в большом количестве еще нет.
В большинстве случаев ветроэлектрическая станция используется как источник электроэнергии относительно небольшой мощности в местах, характеризующихся хорошим ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра более 5 м/с) и удаленным от сетей централизации электроснабжения( Арктика, Каспийское и Охотское море и т.д.). Наиболее перспективно применение этих станций в сельском хозяйстве.
В настоящее время развитие ветроэнергетики идет одновременно в двух направлениях: системной ветроэнергетики с использованием ветроагрегатов единичной мощности 1 - 3 МВт и автономной ветроэнергетики, рассчитанной преимущественно на применение ветроагрегатов мощностью от 1 до 100 кВт.
В последнее время предложены варианты комбинированного использование ветровой и солнечной энергии. Это обеспечивает более стабильную выработку энергии по сравнению с автономными ветровыми или солнечными установками.
В настоящее время ветровая энергия может быть использована, в основном, как дополнительный источник для производства электроэнергии и сейчас она может найти лишь ограниченное применение.
Энергия Земли
Среди альтернативных источников также перспективной и готовой для практического применения является геотермальная энергия - это теплота вулканических очагов, парогидротерм и глубоко залегающих горных пород. Этот вид энергии причисляют к неисчерпаемому, экологически чистому источнику.
Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Впервые такая станция была построена в 1904 году в Италии, ее мощность - 15 кВт; в 20 годы – США, – мощность - 250 кВт;
В 1995 году геотермальная энергия использовалась более чем в 40 странах мира: в Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт; в 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт; в Японии - 1120 Вт. В настоящее время мощности ГеоТЭС превышают 20тыс. Мвт.
Маленькая европейская страна Исландия – «страна льда» в дословном переводе - полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням - термы Каракаллы - подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица -Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли.
Принцип работы геотермальных ЭС тот, что и ТЭС, но необходимо еще и очищать пар, поступающий из Земли, т.к. он содержит много соли. Поэтому для удаления химических примесей в систему ГЕОТЭС ставят сепараторы пара. Однако следует отметить, что проблема этих электростанций не только в бурении скважин и очистке пара, а еще и том, что из скважины не всегда идет пар. Это снижает к.п.д. установок. Скважины из-за солей через несколько лет закрываются. Быстрый отбор воды приводит к исчерпанию источника.
В нашей стране использование геотермальной энергии началось с 1964 года. На Камчатке, в поселке Паратунка построена электростанция мощностью 5 Мвт. Пароводяная смесь из буровых скважин выводится на поверхность и направляется в сепарационное устройство под давлением 2,3 Атм. Пар отделяется от воды, поступает в турбины, а горячая вода температурой 1200С используется и для обогрева, и для теплиц. На электростанции установлены 2 турбины по 2,5 Мвт. Ежегодная экономия до 100 тыс.тонн топлива.
Энергия Мирового океана
Океан - это колоссальный аккумулятор солнечной энергии. Солнечная энергия, падающая на поверхность океана почти в 2,5 раза больше, чем на поверхность суши.
Океан аккумулирует огромное количество тепловой энергии, частично передаваемой в атмосферу путем испарения. Океанские энергоустановки могут использоваться для обеспечения энергией островов и прибрежных районов, электропитания автономных океанологических станций, средств океанотехники и технологических предприятий в удаленных точках океана.
Одним из перспективных методов использования энергии океана является строительство приливных электростанций, работающих на приливах и отливах, которые последовательно чередуются через 6 часов 12 минут. Особенностью ПЭС является то, что гидротурбины могут работать и на прилив и на отлив, т.е. при переменных направлениях водного потока.
Первая приливная электростанция (ПЭС) была построена в 1967 г. в устье реки Роны во Франции. ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВтч. работает на приливах, достигающих 13 метров.
В России ПЭС, построена в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; в настоящее на Баренцевом море после реконструкции вступила в стой ПЭС, работающая на приливах, достигающих 8 м.
Большое внимание в мире уделяется созданию океанических тепловых ЭС, использующих разности температур между поверхностными и глубинными слоями воды.
В какой-то мере аналогичными, но более далекими представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной, например морской и речной водой.
Создана ОТЭС, работающая на перепаде температур между холодной талой водой айсберга и теплой водой тропического океана. Это станция замкнутого цикла, у которой испаритель установлен в океане, а конденсатор в бассейне с пресной водой, образованного во льду на поверхности айсберга.
Энергия встречи морской и речной воды является потенциальным источником экологически чистой соленостной энергии, запасы которой превосходят гидроэнергетические ресурсы всех рек. В этом случае нет необходимости сооружать плотины и дамбы. По мнению ученых достаточно подвести речные и морские воды к технологическим установкам, преобразующим осмотическую энергию в электрическую. Вместо дамб используется труба, верхний конец которой находится выше приливного уровня океана, а через нижний конец речная вода, пройдя погружную турбину гидроэлектростанции, в результате осмоса откачивается в море через полупроницаемую мембрану (Рис.2.9.).
Большой интерес вызывает открытие геологами так называемого газогидра – горючего ископаемого (соединение газа и воды). Они составляют 9/10 дна мирового океана и охватывает значительную часть суши. По прогнозам в 2020 году это ископаемое может заменить 2600 млн. тонн условного топлива.
Рис.2.9. Принцип действия погружной электростанции, использующей градиент солености: 1 – генератор; 2.- турбина; 3 – полунепроницаемая мембрана.
Еще одно очень интересное направление - океанская биоэнергетика, позволяющая «выращивать» топливо в океане: выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей келп, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа.
Огромное количество солнечной энергии накапливают бурые водоросли, которые в естественных условиях вырастают на 60 см в день, достигая общей длины 60 м. Процесс производства газов из зеленой массы водорослей осуществляется в специальных устройствах метантенках, с последующим его сжиганием для получения электроэнергии. Один гектар подобной фермы может обеспечить пищей и энергией 12 человек в течение года, при этом плантацию не нужно засаживать вновь. Также к достоинству можно отнести абсолютную экологическую чистоту производства.
Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфстрим.
В то же время вопросы использования течений является проблематичным, т.к. изменение течений может изменить микроклимат.
Существуют также волновые электростанции (Япония), удобные для обеспечения энергией маяков (плавучих).
Запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.
Биоэнергетика
Биоэнергетика - одно из направлений биотехнологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Следует отметить также, что в процессе фотосинтеза на Земле образуется в пересчете на сухой вес около 155 млд. тонн органической массы, главным образом целлюлозы, которую можно в сыром виде без переработки использовать как топливо (например, для выработки электроэнергии).
Биоэнергетика - это использование растительных отходов, искусственное выращивание биомассы (водорослей, быстрорастущих деревьев) и получение биогаза.
Биомасса - возобновляющееся органическое вещество, генерируемое растениями путем фотосинтеза и которое можно конвертировать в топливо различными способами. Термин биомасса распространяется на все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы. Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются практически во всех регионах и почти в каждом из них может быть налажено производство из нее энергии и топлива.
В качестве источников сырья для получения биомассы могут быть различные веществе (табл. 2.2).
Таблица 2.2. Источники биомассы для выработки топлива.
В биосфере содержится 800 млрд. тонн биомассы (90 % приходится на древесину), из них 200 млрд. тонн ежегодно возобновляется (соответствует 100 млрд. т нефти). Мировое потребление энергии за год составляет 0,1 часть ее количества, накапливаемого ежегодно в процессе фотосинтеза.
Системы производства и использования биомассы для получения энергии имеют следующие преимущества: способность к накоплению энергии для использования ее в любое время, возобновляемость, относительная дешевизна и экологическая безопасность, а также короткий срок проектирования и строительства, повышение надежности энергоснабжения, снижение остроты проблемы от отходов. Недостатками этих систем являются рассредоточенность ресурсов и конкуренция других вариантов использования земель.
Различные процессы преобразования биомассы в топливо (в том числе и химические) позволяют заменить фактически все производные нефти и другие горючие ископаемые топливом из биомассы, поскольку в зависимости от ее состояния и технологической переработки могут быть получены различные энергетические продукты (таблица 2.3.).
Однако участие биомассы в энергетике развитых стран пока незначительное, и ее можно рассматривать лишь как дополнительный источник энергии. Доля биомассы в топливно-энергетическом балансе США в настоящее время составляет 4 % (это равноценно доле ядерной энергетики), в странах ЕЭС - 5 %, в ФРГ и Англии - 2,5 %. В Канаде и Швеции соответственно 8 и 10 % общенациональных потребностей в энергии удовлетворяются за счет биомассы, в основном в виде древесины и древесных отходов.
Таблица 2.3. Классификация энергетических продуктов, получаемых из биомассы.
До XVII века в России биомасса была основным источником энергии. В странах экваториального пояса биомасса и сейчас остается основным источником энергии. Её доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов - 12%, в России - 3%.
Биомасса используется в России, в основном, в виде дров и отходов растениеводства для отопления домов, общественных зданий, в сельской местности для технологических процессов сушки, получения пара и горячей воды в производственных зданиях. В связи с этим важной задачей является повышение эффективности используемого печного и котельного оборудования и его автоматизация.
Если учесть, что только 2 млн. сельских домов в России имеют сетевой газ, то остальные 12,6 млн. домов используют дрова и уголь в южных районах или только дрова в лесных зонах. Самозаготовки дров сельским населением оцениваются в объеме 30 млн. тонн УТ в год. С учетом рабочих поселков, леспромхозов, геологов, рыболовецких и других хозяйств использование биомассы можно оценить в 40 млн. тонн УТ в год.
Современные паротурбинные электростанции, использующие биомассу в виде древесины, растительных отходов, топливных брикетов имеют КПД 20 - 25%. Уровень мощности электростанций из биомассы может составлять от нескольких десятков киловатт для фермерского хозяйства, 100 кВт для небольшой деревни, до 100 МВт для промышленных целей. Для установок малой мощности могут быть использованы технологии газификации биомассы и газогенераторные установки с двигателями внутреннего сгорания. Прототип такой установки электрической мощностью 2 кВт и тепловой мощностью 4 кВт разработан ВИЭСХ совместно с МАИ.
Химические способы предусматривают применение процессов пиролиза и газификации.
Пиролиз определяется как химическое превращение одних органических соединений в другие под воздействием теплоты. Его можно рассматривать как сухую перегонку без доступа окислителей в противоположность прямому сжиганию в присутствии кислорода. Пиролиз твердых отходов был разработан на базе аналогичной технологии переработки угля в малосернистые жидкие топлива. Искусственная нефть, получаемая на выходе процесса, обладает той же теплотой сгорания, что и мазут. Другой основной продукт - высокозольный древесный уголь с теплотой сгорания более 23 МДж/кг.
Газотурбинные электростанции с установками газификации биомассы имеют КПД 40-45%, что в 2 раза лучше характеристик паротурбинных электростанций. Малое содержание серы облегчает очистку генераторного газа и делает эти установки более экономичными, чем электростанции, работающие на угле. Биомасса имеет превосходство перед углем также благодаря своей более высокой способности к реакции газификации, она газифицируется при более низкой температуре, при этом теплота для поддержания процесса может быть передана через теплообменники от внешнего источника.
Газификаторы предназначены для переработки широкого ассортимента сырья: продуктов леса, сельскохозяйственных отходов и других источников биомассы. Из современных типов газификаторов представляет интерес газогенератор мощностью от 1 до 15 МВт (Финляндия). Например, станция мощностью 5 МВт при максимальной эксплуатации вырабатывает достаточно тепла для бытовых и коммунальных нужд поселка на 5 тыс. человек (для чего потребовалось бы 3 тыс. т мазута). Первая газогенераторная теплоцентраль «Бионер» мощностью 5,2 МВт построена в Финляндии в 1981 году. Эксплуатация ее подтвердила высокие технико-экономические показатели и минимальные выбросы в окружающую среду.
Получение биогаза и метана. В большинстве стран мира предпочтение отдается получению биогаза, главным образом, из органических отходов сельскохозяйственного производства, различных отраслей промышленности, городов и городских поселков.
Биогаз состоит из примерно 68-70% метана, 28-30% из углекислого газа и 1-2 % сероводорода, водорода, азота. Биогаз плохо растворяется в воде, по своим теплотворным свойствам он сравним с лучшими видами топлив. Его можно трансформировать в электрическую и тепловую энергии. Способы промышленного получения биогаза известны с конца прошлого века (1885 г.). В мире эксплуатируется более 8 млн. установок для получения биогаза.
В начале ХХ века русский ученый В.Л. Омельянский показал, что процесс образования метана на поверхности Земли (болота, озера, сточные воды) биологический и осуществляют его микроорганизмы, находящиеся в анаэробных условиях, т.е. без доступа воздуха. Позднее Кузнецов С.И. подтвердил это экспериментально и, более того, показал, что месторождения природного газа - продукт разнообразных биологических процессов, протекающих ранее. Работы этих ученых показали также возможность промышленного превращения биомассы в метан.
Наиболее распространенной является микробиологическая безотходная технология производства биогаза. Получение метана из органических отходов состоит в управляемом анаэробном сбраживании отходов при участии метаногенных бактерий: органические вещества разлагаются без доступа кислорода в среде с регулируемыми параметрами. При этом 90 – 95 % углерода биомассы превращается в метан.
Получение метана - важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Биогаз из отходов, получаемых в мировом животноводстве и растениеводстве в год, может на 10 % покрыть потребности современной энергетики в топливе.
В производстве биогаза биологические ферменты способны производить и ценную побочную продукцию. Так, в России существуют предприятия, производящие метан и побочный продукт - витамин В2, который зарекомендовал себя как прекрасная кормовая добавка, особенно в свиноводстве. Сырьем здесь служат отходы пищевой промышленности и других микробиологических производств. После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.
Получение биогаза - процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений.
Таким образом, производство биогаза способствует не только решению энергетической проблемы, но и экологической.
В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10-15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек.
В заключение можно отметить, что производство энергии с использованием биотехнологий является перспективным: во-первых используется даровые источники энергии и сырья, во вторых - эти технологии требуют низких капиталовложений и небольших затрат труда; в третьих – они экологически не только безопасны, но и улучшают экологическую обстановку используя отходы.
Однако существует и много проблем биоэнергетики. Во-первых, для производства биомассы нужны земельные площади. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продовольствие или энергия. Поэтому стоимость биоэнергии зависит от многих факторов и иногда гораздо дороже традиционных. Биомассу экономически выгодно использовать локально, не включая в общую энергосистему. Продуктивность биомассы зависит от климата, некоторые ее виды сезонны. Биомассу сложнее хранить, чем нефть или газ.
В настоящее время в связи с непрерывным ростом энергозатрат, повышением стоимости и недостатком топлива все большее внимание уделяется возобновляющимся источникам энергии. Использование возобновляющихся источников энергии значительно экономит топливно-энергетические ресурсы страны будет способствовать охране окружающей среды. Комплексное использование возобновляющихся источников энергии способствует экономии традиционных видов топлива и ликвидирует пробелы в графиках энергопотребления.
Сверхпроводящие системы передачи электроэнергии Энергосбережение
Обсуждая новые методы преобразования различных видов энергии, нельзя не сказать о проблеме передачи электроэнергии. Одно из наиболее интересных направлений в этой области - это применение эффекта сверхпроводимости. Способность металлов обладать практически нулевым сопротивлением при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, получила название сверхпроводимости. Создание криогенных ЛЭП, работающих в условиях низких температур, представляет сложную научную и инженерную проблему. Однако существующие высоковольтные линии практически исчерпали заложенные в них возможности. По пути к потребителю в линиях электропередач теряется до 15—25 % энергии.
Использование сверхпроводимости равноценно введению дополнительных мощностей электростанций. Нынешние высоковольтные ЛЭП напряжением 500 кВт позволяют транспортировать мощности около 1 млн кВт. Однако существующий уровень электрификации требует передачи мощностей, превышающих указанный в 5-7 раз, но если для этого дополнительно увеличить напряжение, то воздух перестанет быть надежным изолятором и надо будет изготовлять опоры ЛЭП отдельно для каждой фазы. Если сейчас коридор отчуждаемых земель в зоне ЛЭП составляет 300 м, то при напряжении 1,5 млн В потребуется зона отчуждения шириной около 2-3 км. Легко можно определить площади, которые должны быть изъяты из нормального природопользования. Вот почему проблема создания сверхпроводящих линий электропередач непосредственно связана с решением вопросов оптимального использования природных ресурсов. По предварительным технико-экономическим оценкам, сверхпроводящие ЛЭП могут уже в обозримом будущем найти применение в крупных городах.
Переход от воздушных к кабельным сверхпроводящим системам позволит не только сэкономить полезные площади, но и ликвидировать физиологическую опасность электромагнитного воздействия от воздушных ЛЭП на организм находящихся в этой зоне людей.
Вопросы энергосбережения могли бы в значительной мере решаться при широком применении сверхпроводников в процессах производства, преобразования, транспортировки, аккумулирования и подведения энергии. В электроэнергетике сверхпроводники могут найти применение в электрических двигателях и генераторах, трансформаторах и преобразователях, индуктивных накопителях энергии, линиях электропередач, реакторах, токоограничителях.
Основа энергосбережения – это также рациональное использование энергоресурсов и сокращение их потерь.
Существует и целый ряд технических мероприятий по энерготеплосбережению – это наружное утепление, замена обычных окон на окна со стеклопакетами, замена низкоэффективных осветительных приборов, учет и регулирование энергоресурсов, проведя которые можно сэкономить до 30% энергии, расходуемой только в городском хозяйстве.
Этому же будет способствовать и применение современных строительных теплоизоляционных материалов, использование тепло- электростанций с повышенным КПД (газотурбинные и др.), уменьшение потерь при передаче энергии.
Большую роль могут сыграть такие мероприятия как оптимизация производственных процессов энергоемких производств, укрупнение единичных мощностей, создание оборудования с низким потреблением энергоресурсов, использование вторичных энергоресурсов, разработка и внедрение программы информирования населения о необходимости и методах энергосбережения.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение энергии. Перечислите основные источники энергии и охарактеризуйте их.
2. Что представляют собой энергоресурсы: первичные и вторичные; возобновляемые и невозобновляемые; топливные и нетопливные.
3. Объясните устройство, принцип действия тепло и гидроэлектростанций. Назовите наиболее крупные станции. Экологический аспект.
4. Что такое ядерные реакции? Каким путем возможно получение ядерной энергии?
5. Что представляет собой управляемая ядерная реакция? Назовите условия необходимые для успешного развития ядерной реакции.
6. Что такое атомный реактор? Объясните его устройство и принцип действия. Назначение атомных реакторов.
7. Как классифицируются атомные реакторы?
8. Объясните производство энергии на атомной электростанции.
9. Какие экологические проблемы имеют место в атомной энергетике.
10. Охарактеризуйте нетрадиционные источники энергии (энергия ветра, солнечная энергия, КСЭС, геотермальные источники, энергия океана).
11. Какова роль биотехнологий в решении энергетической проблемы?
12. Что представляют собой сверхпроводящие системы передачи электроэнергии?
13. В чем суть проблемы энергосбережения? Каковы возможности ее решения?