книги / Общая энергетика

которая захламляет леса, увеличивает пожарную опасность. На различных стадиях переработки древесины появляются древесные отходы, которые составляют около 40 % от исходного сырья. В России имеется достаточная сырьевая база для использования древесины в качестве энергетического топлива.

Растительная биомасса, в том числе древесное сырье, является единственным видом возобновляемого ресурса. При разумном использовании этого сырья оно может обеспечить потребности современной цивилизации как в промышленной продукции (бумага, стройматериалы, мебель), так и в энергетическом топливе. Ежегодная потребность мировой энергетики составляет 10 млрд т условного топлива. Прирост растительной биомассы может полностью удовлетворить потребности человечества, поскольку ежегодно на планете выращивается порядка 60 млрд м3, что эквивалентно 30 млрд т угля.

Рассмотрим направления использования биомассы.

1. Прямое сжигание биомассы. Биомасса, главным об-

разом в форме древесного топлива, является основным источником энергии приблизительно для 2 млрд чел. В целом биомасса дает седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с природным газом третье место. Из биомассы получают в 4 раза больше энергии, чем дает ядерная энергетика.

Древесное топливо относится к экологически чистым видам топлива, минимально загрязняющим окружающую среду. В нем практически отсутствует сера, содержание азота не превышает 1 % от массы, т.е. при сжигании древесины образуется очень мало вредных окислов азота и серы.

Существует два способа использования древесины в ка-

честве топлива – прямое одностадийное сжигание в слоевых топках на колосниковой решетке и двухстадийное сжигание, включающее в себя предварительное превращение твердой

261

древесины в газовое топливо с последующим сжиганием газа в различных устройствах (камерных топках, паровых и водогрейных котлах, в химических печах, в двигателях внутреннего сгорания, в бытовых печах и газовых плитах). Способ использования газового топлива значительно шире, технологичнее, легче автоматизируется, меньше загрязняет окружающую среду.

В зависимости от способа подвода теплоты различают два метода газификации: автотермический и аллотермический. При осуществлении автотермического процесса газификации теплота, необходимая для осуществления реакций, получается в процессе сжигания части исходного топлива внутри аппарата – газогенератора (газификатора). В настоящее время генераторы автотермического метода газификации, наиболее конструктивно разработанные, получили широкое распространение.

Газовое топливо, получаемое в газогенераторах на воздушном дутье, может быть использовано в стационарных топочных устройствах, газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания вместо жидкого топлива и природного газа. В аллотермических газогенераторах необходимая для процесса нагревания исходного топлива и процесса газификации теплота подается внутрь газогенератора или через поверхность стенок, или путем подачи нагретого до 800–1000 °С газового теплоносителя.

Аллотермические газогенераторы в настоящее время находятся в стадии экспериментальных исследований и опытной проверки. Газовое топливо, получаемое с их помощью, может быть использовано для бытовых нужд, для заправки газовых баллонов и в качестве топлива для транспортных средств, при баллонной системе хранения.

2. Получение биогаза. В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым бро-

262

жением с получением биогаза, содержащего около 70 % метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей биогазовых технологий.

Биогаз – это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах – метатанках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может составлять от 60 до 90 % той, которой обладает исходный материал. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т.д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов.

Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

Подсчитано, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м3 на 1 м2 жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для 100

263

голов крупного рогатого скота – 5–6 м3. Потребление биогаза при сушке 1 т сена влажностью 40 % равно 100 м3, 1 т зерна – 15 м3, для получения 1 кВт·ч электроэнергии – 0,7–0,8 м3.

Следует отметить, что смесь биогаза и природного газа в соотношении 1:10 полностью заменяет по своим характеристикам природный газ.

Биогаз может использоваться в качестве топлива для когенерационных установок. Когенерационные установки представляют собой оборудование для комбинированного производства тепла и электроэнергии. B 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. Биогаз можно получать с помощью биогазовых станций, сооруженных около водоочистительных станций, свалок коммунальных отходов или земледельческих организаций, специализирующихся в животноводческом производстве.

Наряду с производством тепла при сжигании биогаза, например в котлах, когенерация предлагает и возможность производства электрической энергии, которая может быть использована для собственных нужд объекта или может продаваться в общую распределительную сеть. Производство электроэнергии для собственных нужд в этом случае приходится значительно дешевле по сравнению с покупкой ее из сети, а в случае ее продажи можно воспользоваться выгодными тарифами для электроэнергии, произведенной из возобновляемых источников энергии. Поскольку биогаз является сопроводительным продуктом при переработке органических отходов, затраты по эксплуатации установки будут связаны только с отчислениями на оборудование и на сервисное обслуживание. Доходы можно получить за счет эко-

264

номии тепла и электроэнергии, а также от продажи электричества в сеть.

Для того чтобы когенерационная установка могла работать на биогазе с ожидаемым экономическим эффектом, нужно уточнить следующее:

1.Каковы свойства биогаза? Необходимо выявить свойства биогаза – содержание вредных веществ, его теплотворность, содержание метана (лучше полный состав газа) и постоянство качества газа.

2.Какой объем газа и способ его улавливания в газгольдер? Объем улавливаемого газа влияет на выбор типа когенерационной установки.

3.Какова доступность газопровода? Если есть возможность подсоединения к газопроводу, можно использовать двухтопливную когенерационную установку для комбинированного использования как природного газа, так и биогаза (переключение топлива). Это выгодно при нерегу-

лярном объеме подаваемого биогаза. При низком качестве биогаза можно его обогатить смешиванием с природным газом.

4. Какие требования предъявляются к способу работы когенерационной установки? Будет ли она работать параллельно с сетью или целесообразно использовать ее в качестве аварийного источника электроэнергии, или эксплуатировать ее в автономном режиме?

5. Какой действительный расход энергии объекта и ее цена?

Эти данные важно знать для выбора подходящего типа когенерационной установки и способа ее эксплуатации.

Свойства биогаза являются одним из главных параметров, которые влияют на пригодность его использования в качестве топлива для двигателя когенерационной установки. Некоторые свойства могут значительно повысить цену цело-

265

го проекта или сделать его невозможным. Поэтому при оценке биогаза следует знать следующие его свойства:

1)содержание метана CH4: нормальное содержание

55–65 %, минимальное – 50 %;

2)давление биогаза: давление его при сжигании в коге-

нерационной установке должно быть в пределах от 1,5 до

10кПа;

3)постоянство качества газа (константный состав биогаза); влияет на стабильность работы установки и количество выпускаемых эмиссий;

4)содержание вредных веществ, прежде всего соединений серы, фтора и хлора, которые могут вызвать коррозию стенок всасывающего тракта и внутренних частей двигателя, соприкасающихся со смазочным маслом. При высоком содержании серы целесообразно устанавливать сероочиститель.

3. Использование отходов сельскохозяйственного производства. Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобновляемых энергоресурсов, рост цен на них обусловили интерес к разработке и использованию технологии биоконверсии органических отходов для получения энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который является ценным органическим удобрением и может быть использован в качестве возобновляемого источника энергии. На крупных фермах и комплексах большие объемы навоза и навозных стоков должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду. Одним из путей рациональной утилизации навоза и навозных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как удобрения при одновременном получении биогаза.

При анаэробном сбраживании навоза получается 2 вида полезных продуктов – биогаз и удобрения. Выход биогаза за-

266

висит как от исходного сырья (табл. 5.2), так и от технологии переработки.

Метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод питательных для растений веществ (азота, фосфора и калия) в легкоусвояемую растениями минеральную форму.

Потери азота, которые при других методах обработки навоза составляют до 30 %, в процессе метаногенеза не превышают 5 %. При этом значительная часть азота, присутствующего в свежем навозе в форме органических соедине-

267

ний, в сброженном навозе содержится в аммиачной форме, кото-

рая быстро усваивается растениями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Роль энергии неоспорима для дальнейшего развития цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы для комфортного функционирования человека притока энергии из окружающей среды.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня, причем в большинстве развитых стран только производство электроэнергии на душу населения достигло в среднем 6–7 тыс. кВт∙ч, а потребление производимой теплогенераторами тепловой энергии для населения многих регионов планеты продиктовано не столько проблемой комфортного существования, сколько банальной проблемой выживания.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена одних источников энергии другими, более совершенными. И не потому, что старый источник был исчерпан или морально устарел. Такова природа эволюционного развития мировой цивилизации.

Древесина через тысячелетия потребления уступила место каменному углю. Каменный уголь в XX веке очень быстро уступил свое лидерство на рынке энергетики нефти и газу. Новым лидером энергетики в наши дни стало ядерное топливо. Что дальше?

Каждый последующий источник энергии становился все более мощным, принося параллельно с благами цивилизации все больше экологических проблем, грозящих самому существованию человечества. При этом мировые запасы традиционных в современном понимании органических видов топли-

268

ва катастрофически быстро иссякают, из-за роста народонаселения планеты и роста удельного энергопотребления.

Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, но по многочисленным прогнозам израсходованы они будут за десятки-сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств и не нанести непоправимый вред экологии. Ведь лишь при этих условиях запасов топлива может хватить на многие века и человечество не погибнет вследствие всемирной экологической катастрофы.

По мнению ученых в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Но структура ее должна измениться. Должно сократиться использование нефти для целей энергетики. Предполагается, что существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Некоторые ученые и экологи в конце 1990-х годов говорили о скором запрещении государствами Западной Европы атомных электростанций. Но, исходя из современных анализов сырьевого рынка и потребностей общества в электроэнергии, эти утверждения выглядят неуместными.

Поскольку запасов ядерного топлива при условии интенсивного развития реакторов-размножителей хватит не менее чем на 1000 лет, то в ближайшие столетия и тепловые, и атомные, и гидроэлектрические источники будут еще долгое время превалировать над остальными источниками энергии. Уже началось удорожание нефти и газа, поэтому тепловые электростанции на этих видах топлив будут вытеснены станциями на угле.

Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, в частности, в Кузнецком, Канс- ко-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в России намного превосходят запасы в других странах.

269

Сейчас, в начале XXI века, начинается новый этап земной энергетики. На место «воинствующей» энергетики приходит «щадящая» энергетика, позволяющая человеку не рубить сук, на котором он сидит, а заботиться об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в недалеком будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получит неизбежное развитие и линия экстенсивного ее развития, базирующаяся на оптимальном рассредоточении различных источников энергии по регионам и конкретным потребителям страны. В понятие оптимальности включаются, в частности, минимаксные критерии достижения конкретных целей жизнеобеспечения потребителей. Эти критерии являются векторными и неизбежно работают на ограничениях, обусловленных максимально допустимым уровнем энергопотребления (без излишеств), финансовыми возможностями, допустимой степенью ущерба экологии и т.п.

Каждое техническое решение в области энергетики регионов должно подвергаться тщательной технико-эконо- мической и социально-экологической экспертизе. Волюнтаризм и лоббирование чьих-либо интересов здесь недопустимы. Скорее всего, перспективными станут электростанции не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, безопасные и удобные в эксплуатации. Получат развитие нетрадиционные возобновляемые источники энергии земли, ветра, солнца, морей и океанов, водородная энергетика, энергетика вторичных ресурсов. В ближайшей перспективе – широкое применение тепловых насосов в жилищно-коммунальной сфере, массовый выпуск автомобилей на водородном топливе, солнечных батареях, прорыв в решении задач управляемого термоядерного синтеза и др.

270