10493

101

воды углекислый газ, растения насыщают воду этанолом. Впоследствии эта вода сепарируется в специальном аппарате и возвращается в цикл, а отделенный раствор этанола аккумулируется для дальнейшей переработки или использования (рис. 5.66).

Рис. 5.66. Схема получения биоэтанола из водорослей

С позиции возобновляемых источников энергии нас также интересует вещество, получаемое в результате водородного или метанового брожения биомассы – биогаз.

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т.д.) (рис. 5.67).

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтез-газа и искусственного бензина.

102

Рис. 5.67. Общий вид завода по производству биогаза.

Рис. 5.68. Потоки движения биогаза для получения электрической энергии.

Производство биогаза из органических отходов даёт возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, афохимическую и экологическую (рис.

5.68).

103

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья. Исследуются возможности и разрабатываются способы получения биотоплива путём сжигания, сухой перегонки, гидролиза, ферментации, аэробного и анаэробного разложения биомассы и отходов.

Биогаз оказался эффективным видом топлива для когенерационных установок. Когенерационные установки представляют собой оборудование для комбинированного производства теплоты и электроэнергии (рис. 5.69). В установках малой мощности применяются преимущественно поршневые двигатели внутреннего сгорания, приспособленные для сжигания газового топлива. Главным топливом бывает природный газ, но все чаще применяются и альтернативные виды топлива, прежде всего различные виды биогаза (рис. 5.70).

Рис. 5.69. Общий вид биогазовой генераторной устнановки поршневого типа Caterpillar G3516E

104

Рис. 5.70. Применение биогаза в когенерационных установках.

Как видно из представленных иллюстраций (рис 5.67, 5.68, 5.70) неотъемлемой частью процесса получения биогаза являются цилиндрические сооружения называемые реакторами или чаще метантенками, в которых происходит анаэробное брожение, химический процесс сопровождающийся выделением свободного метана.

Конструктивно метантенк представляет собой цилиндрический или реже прямоугольный резервуар, который может быть полностью или частично заглублён в землю. Днище метантенка имеет значительный уклон к центру. Кровля метантенка может быть жёсткой или плавающей. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объёме.

Сверху в метантенк по трубе поступает осадок и активный ил. Для ускорения процесса брожения метантенк подогревают, а содержимое перемешивают. Подогрев

105

образуется метан и углекислый газ.

Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку (например, иловые площадки). Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле метантенка. Из одного кубического метра осадка в метантенке получается 12—16 кубометров газа, в котором около 70 % составляет метан.

Биогаз можно получать с помощью биогазовых станций, сооруженных около водоочистительных станций, свалок коммунальных отходов или земледельческих организаций, специализирующихся в животноводческом производстве.

Нельзя также отдельно не отметить потенциал развития биогаза свалок коммунальных отходов или свалочного биогаза (рис. 5.71).

Рис. 5.71. Схема использования свалочного биогаза.

Ha первом этапе строительства устройств для использования энергии свалочного биогаза создаётся принимающая ёмкость (котлован), рассчитанный на 10—20 лет пользования. На дне котлована укладывается слой глины толщиной 1 метр (или полиэтиленовая плёнка) для предотвращения проникновения загрязненных вод в почву. В процессе строительства мусор вносится в котлован порциями в специальные ячейки, соответствующими суточной норме его поступления на свалку. Каждая такая ячейка высотой от 2 до 4 метров изолируется глиной от предшествующих и последующих слоев.

После заполнения котлована мусором, его закрывают «кровлей» — глиной,

106

плёнкой, засыпают землёй, сверху высаживают траву. Котлован оснащается инженерными сооружениями для отвода жидких и газообразных продуктов разложения мусора. В теле котлована закладываются скважины, трубы, устанавливается насосное оборудование. Полученный газ передаётся по трубопроводам на электростанции, котельные, печи обжига, микротурбины и т. д.

Первые 2—3 месяца из закрытого котлована с мусором выходит, в основном, CO2. Затем начинается выделение полноценного свалочного газа, которое продолжается до 30—70 лет. После 25 лет выработка метана начинает медленно сокращаться. После прекращения выработки газа территория, занятая котлованом, может быть вновь использована для повторного использования и переработки муниципального мусора.

Как видно из данного раздела биотопливо это широчайшая область возобновляемых источников энергии, включающая в себя с одной стороны самую привычную и традиционную технологии использования дров в качестве источника энергии, и заканчивая еще экспериментальными, но уже зарекомендовавшими себя с положительной стороны биореакторами с водорослями. Биотопливо определенно займет свою нишу как возобновляемый источник энергии, причем в промышленных масштабах. Это касается не только заводов по производству жидкого или газообразного биотоплива, но и использование, например, в автомобильной технике.

Пожалуй, самая большая проблема использования биотоплива это сроки окупаемости данных установок при первоначально высокой стоимости (в том числе и получение лицензии на подобный род деятельности) и т.д. Например, использование свалочного газа в России весьма проблематично, поскольку практически во всех городах отсутствует сортировка мусора, в отличии, скажем, от Финляндии, где эта технология процветает.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Если задаться вопросом, какой из возобновляемых источников энергии самый популярный, то еще не известно выйдет ли на первый план солнечная энергетика, поскольку в последнее время огромное распространение получили

107

низкопотенциальные источники теплоты – тепловые насосы.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе складывается иная ситуация.

Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

В основу принципа действия компрессионного теплового насоса положены два физических явления:

-явление поглощения и выделения теплоты веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;

-изменение температуры испарения и конденсации при изменении давления;

-использование жидкостей, имеющих низкую температуру кипения.

Основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменникиспаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель(рис. 5.72).

Тепловой насос работает следующим образом:

1. В теплонасосных установках существует 3 основных контура – внешний (первичный), внутренний и отопительный (вторичный). Внешний контур - это конструкции, с помощью которых можно отобрать теплоту из окружающей среды. В зависимости от источника теплоты это может быть водяной, земляной, воздушный и другие внешние контуры (в основном представляет собой трубопроводы, по которым циркулирует теплоноситель – жидкость, имеющую низкую температуру замерзания, «антифриз»). Температура теплоносителя на входе в этот контур должна быть меньше температуры окружающей среды. Теплоноситель, проходя по

108

внешнему контуру, нагревается на несколько градусов, забирая теплоту от низкопотенциального источника тепла (грунт, воздух, водоём и т.д). Далее он поступает в испаритель (рис. 5.72).

Рис. 5.72. Схема работы компрессионного теплового насоса.

2.В испарителе теплоноситель («антифриз»), отдает собранное из окружающей среды тепло хладагенту, который циркулирует во внутреннем контуре теплового насоса. (Температура теплоносителя выше температуры хладагента, за счет чего и происходит передача тепла). Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, закипает и превращается из жидкого состояния в газообразное. Этот процесс происходит при низком давлении.

3.Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и его температура резко повышается.

4.Далее нагретый хладагент в газообразном состоянии поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим хладагентом и теплоносителем (рабочая жидкость системы отопления, например, вода) из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое

109

состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, и, соответственно, понижается его температура. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, лишь частично испаряясь. Затем хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов - теплонасосные системы теплоснабжения - могут применяться для отопления, вентиляции, обеспечения теплотой на нужды горячего водоснабжения и технологических процессов.

Вкачестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:

а) вторичные энергетические ресурсы: - теплота вентиляционных выбросов;

- теплота серых канализационных стоков; - сбросная теплота технологических процессов и т.п.

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии: - теплота окружающего воздуха; - теплота грунтовых и геотермальных вод;

- теплота водоемов и природных водных потоков; - теплота солнечной энергии и т.п.;

- теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.

Взависимости от сочетания вида источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды тепловые насосы делятся на следующие типы:

- воздух – воздух (теплота забирается из окружающего воздуха, а в качестве теплоносителя в системе теплоснабжения выступает воздух);

- воздух - вода; - грунт - воздух; - грунт - вода;

110

-вода - воздух;

-вода - вода.

Эти типы тепловых насосов отличаются конструктивным исполнением теплообменной части (испарителя и конденсатора) и температурными режимами реализуемых термодинамических циклов.

Тепловой насос грунт-вода.

Самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. Замкнутый контур может быть как горизонтальным, так и вертикальным.

Закрытый контур – это прокачка теплоносителя по трубам размещенным в земле (или водоеме). В процессе прокачки теплоноситель забирает тепло грунта (воды) или отдаёт им это тепло (когда система работает на охлаждение здания в летний период).

Открытый контур – это подача подземных (или грунтовых) вод из скважины вверх, до теплонасоса, теплообмен (плюс отбор воды для хозяйственных нужд) и закачивание охлаждённой (отработанной) воды в тот же подземный горизонт через другую, приемную скважину.

Контур размещается кольцами или волнисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (рис. 5.73). Глубина зависит от географической широты местности. Этот способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при отсутствии дефицита земельной площади под контур.