Текст книги "Основы энергосбережения. Конспект лекций"

2.4. Общие сведения о ветроэнергетике

Ветер – это движение воздушных масс атмосферы, вызванное перепадом температуры из-за неравномерного нагрева воздуха. Энергия ветра – это преобразованная в механическую (кинетическую энергию движущихся воздушных масс) энергия Солнца.

Ветровая энергетика – это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием её в электрическую.

Преобразуют энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую энергию ветроэнергетические установки (ВЭУ). Энергия ветра зависит от его силы, т.е. величины давления, оказываемого ветром на единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно его направлению. Оценивают силу ветра и его воздействие на ВЭУ, по шкале Бофора. Например, безветрием считается, если скорость ветра составляет 0…0,2 м/с (дым поднимается вертикально) – условия для работы ВЭУ отсутствуют. Если дым поднимается почти вертикально, на воде поднимается рябь скорость ветра составляет 0,3…1,5 м/с – условия для работы ВЭУ отсутствуют. При слабом ветре (3,4…5,4 м/с, колышутся листья, флаги) начинают работать тихоходные ВЭУ. При свежем ветре (8,0…10,7 м/с, начинают раскачиваться деревья, волны в барашках) хорошие условия для всех ВЭУ.

Недопустимым для работы ВЭУ является шквальный (очень крепкий ветер) – трудно идти, качаются толстые деревья – скорость 17,2…20,7 м/с.

Ураган – скорость ветра свыше 32,6 м/с.

Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы.

Интерес к механическим установкам, использующих энергию ветра сильно возрос после резкого скачка цен на нефть в 1973г. Наибольшая доля (до 3%) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 1970-начале 1980-х гг.

Ветроэлектрические установки, работающие в автономном режиме должны иметь аккумулирующие и преобразующие устройства, что существенно повышает их стоимость. Установкам, которые работают в единой энергосистеме, такие устройства не нужны. В качестве аккумулятора для таких установок выступает электрическая сеть. Однако данное обстоятельство значительно повышает требования к качеству производимой электроэнергии и требует принятия мер для синхронизации работы электрического генератора установки с электрической сетью по частоте, напряжению и другим параметрам.

Максимальная проектная мощность ветроустановки определяется для некоторой стандартной скорости ветра, обычно принимаемой равной 12 м/с. Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью Земли. Ветроколесо должно устанавливаться достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветровой поток был сильным, однородным и с минимальными изменениями скорости и направления.

Одно из основных условий при проектировании ветроустановок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными порывами ветра. В каждой местности в среднем раз в 50 лет бывают ветры со скоростью в 5—10 раз превышающей среднюю, поэтому ветроустановки приходится проектировать с большим запасом прочности.

Наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затенённая возвышенность. Желательно, чтобы ветроустановка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью. Головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50м.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии ветроустановками составляет 25—35% его максимального проектного значения. Срок службы ветроустановок обычно не менее 15—20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 дол. США за 1 кВт проектной мощности. Официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например в Великобритании и Германии, дают не менее 20%.

Автономные ветроустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций, отопительных установок, водоподъёмников и других машин, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдалённых районах и на островах, где централизованное энергоснабжение экономически нецелесообразно или вообще невозможно.

Стоимость ветровой энергии снижается на 15% в год и даже сегодня может конкурировать на рынке, и имеет перспективы дальнейшего снижения в отличие от стоимости энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5% в год).

2.5. Ветроэнергетический потенциал Республики Беларусь

Беларусь располагает значительными ресурсами энергии ветра. По данным Государственного комитета по гидрометеорологии РБ и государственного предприятия «Ветромаш», среднегодовая скорость ветра на территории страны составляет 4,1 м/с (в Голландии – до 15 м/с). При этом на четверти пригодной для внедрения ветроэнергетических установок территории среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с. Такая скорость ветра соответствует требованиям мировой практики по показателям коммерческой целесообразности внедрения ветротехники. При правильном выборе места установки ветроагрегата (на возвышенностях открытой местности, на берегах водных массивов и т.п.) среднегодовая скорость ветра может достигать 6—7 м/с. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвышенностях севера и северо-запада Беларуси, в центральной части Минской области и прилегающих к ней запада районах.

В Беларуси основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов является их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Особенно перспективным считается их использование с малыми гидроэлектростанциями для перекачки воды.

Максимальный прогнозируемый ветроэнергетический ресурс территории страны составляет более 280 млрд. кВт-ч в год. Использование только 1% территории под ветроэнергетику позволяет вырабатывать около 3 млрд. кВт-ч энергии. При условии 25%-ного использования годового времени на выработку такого количества энергии необходимо до 8000 ветроустановок мощностью от 100 до 500 кВт, которые позволили бы сэкономить ежегодно до 1 млн. т условного топлива. Окупаемость подобной ветротехники составляет около 4 лет.

В настоящее время кадастр ветроэнергетических площадок включает 800 позиций на территории Беларуси.

Например, в Гродненской области вблизи деревень Богуши Сморгонского, Житрополь Новогрудского и Дебеси Островецкого районов, где скорость ветра колеблется от 3 до 4,7 метров в секунду, запланировано строительство ветроэнергетических установок (ВЭУ). Под Минском уже установлена и работает ВЭУ мощностью 100 кВт. Роторная ветроэнергетическая установка по использованию энергетического потенциала ветра по своим техническим характеристикам не имеет аналогов в мире. Установка способна работать при скорости ветра 3 м/с.

2.6. Общие сведения о биоэнергетике

Биоэнергетика – это энергетика, основанная на использовании биотоплива.

Сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные, принято называть биомассой. Основа биомассы – органические соединения углерода, которые, соединяясь с кислородом при сгорании или в процессе естественного метаболизма, выделяют тепло.

Источники биомассы, характерные для Беларуси, могут быть разделены на несколько групп.

1. Продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.).

В настоящее время древесные отходы используются: созданы установки, осваивается технология производства генераторного газа и его сжигания. Специалисты считают, что при правильном использовании древесины, древесных отходов и быстрорастущих лесных насаждений может быть покрыто 15% потребности в топливе. При современном уровне потребления это составит 6 млн. т.у.т.

2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твёрдые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.). В РБ ежегодно накапливается около 2,4 млн. т твёрдых бытовых отходов, которые направляются на свалки и мусороперерабатывающие заводы. На них ежегодно вывозится: бумаги – около 650 тыс. т, пищевых отходов – около 550 тыс. т, текстиля – около 70 тыс. т, дерева – около 54 тыс. т. Потенциальная энергия, заключённая в них, эквивалентна 470 тыс. т условного топлива. К сожалению, большинство этих отходов, также как и продукты жизнедеятельности людей, исключены из естественного оборота органики в природе. Они возвращаются в биосферу в виде загрязнителей, пагубно действующих на окружающий нас мир. Поэтому проблема утилизации органических отходов в последнее время наряду с энергетическим и технологическим иметь экологический аспект. В мировой практике получение энергии из твёрдых бытовых отходов осуществляется в основном сжиганием и газификацией. В Японии, Дании и Швейцарии сжигается около 70%, в Германии – 30, Италии – 25, США – около 14% этих отходов.

3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помёт, стебли, ботва и т.д.).

4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры.

В качестве сырья для получения жидкого и газообразного топлива а стране возможно применение биомассы быстрорастущих растений и деревьев. Для этих целей считается целесообразным использовать площади выработанных торфяных месторождений, пригодные для произрастания сельскохозяйственных культур, а также площади чернобыльской зоны.

Промышленное использование энергии биомассы может быть весьма значительным. Например, за счёт отходов производства сахара в поставляющих его странах покрывается до 40% потребностей в топливе. Применение биотоплива в виде дров, навоза и ботвы растений имеет первостепенное значение в домашнем хозяйстве у 50% населения планеты. Но для того, чтобы рассматривать биомассу как возобновляемый источник энергии, необходимо обеспечить её производство, по крайней мере, на одном уровне с потреблением. Для человечества гибельно то, что в настоящее время расход древесины значительно опережает его воспроизводство.

При сгорании биотоплива энергия рассеивается, но продукты сгорания могут вновь преобразовываться в биотопливо путём естественных экологических или сельскохозяйственных процессов. Таким образом, использование промышленного биотоплива, будучи хорошо увязанным с природными экологическими циклами, может не давать загрязнений и обеспечить непрерывный процесс получения энергии. Подобные системы называются агропромышленными. Для них наибольшие успехи достигнуты в отраслях, перерабатывающих сахарный тростник и древесину.

В процессе переработки биомассы можно получать горючие газы, масла и древесный уголь.

Переработка биомассы в топливо осуществляется тремя основными методами.

1. Термохимический метод переработки биомассы или термохимическая конверсия (сжигание отходов, пиролиз, газификация, быстрый пиролиз, синтез) твёрдых органических веществ (дерева, торфа, угля) в «синтез-газ», метанол, искусственный бензин, древесный уголь.

Сжигание отходов в котлах и печах специальных конструкций. В мире сотни миллионов тонн отходов сжигаются с регенерацией энергии. Прессованные брикеты из бумаги, картона, древесины, полимеров по теплотворной способности сравнимы с бурым углём.

Например, на Поставском льнозаводе освоена японская технология производства теплобрикетов из отходов переработки льна, которая по теплоотдаче не уступает каменному углю. Данная технология позволяет делать брикеты из древесных опилок, бытового мусора.

Пиролиз – процесс нагревания биомассы либо в отсутствие воздуха, либо за счёт сгорания некоторой её части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. КПД процесса пиролиза достигает 80—90%.

В качестве исходного энергетического продукта в процессе пиролиза могут использоваться:

– органическое топливо (уголь, сланцы, торф и т.д.);

– древесные отходы;

– сельскохозяйственные отходы (солома, ботва растений и т.п.);

– биобрикеты и т. д.

Состав получаемых при этом вторичных энергетических продуктов разнообразен. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса. Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, имеют несколько меньшую по сравнению с исходной биомассой суммарную энергию сгорания, но отличаются большей универсальностью применения и экологичностью:

– лучшей управляемостью процесса горения и соответственно повышением его энергоэффективности;

– большей технологичностью, более широким диапазоном возможных потребителей и соответственно более высокими экономическими и качественными показателями.

Газификация – способ ведения процесса пиролиза, при котором основным энергетическим продуктом является горючий газ.

Устройство, в котором реализуется процесс газификации называется газогенератором.

В составе образующегося в газогенераторе генераторного газа входят следующие горючие компоненты: окись углерода, водород, газообразные углеводороды, метан.

Процесс газификации включает такие последовательные фазы, как сушка, пиролиз (коксование) и собственно газификация топлива.

2. Биохимический метод переработки биомассы (биоконверсия) (спиртовое брожение, анаэробное разложение). Анаэробное разложение – разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях специальными видами бактерий с образованием газообразного топлива (биогаза) и/или жидкого топлива (этанола, бутанола и т.д.).

Спиртовая ферментация – процесс получения этилового спирта в качестве энергетического продукта. Основная реакция превращения сахарозы в этанол идёт под действием дрожжей. Этанол можно использовать вместо бензина. В настоящее время в Бразилии на этаноле, полученном в результате разложения биомассы из отходов сахарного тростника, работает городской автотранспорт и многие личные автомобили. В США этанол получают из отходов кукурузы. Этанол является хорошим заменителем бензина, при этом в отличие от нефти биомасса является достаточно быстро возобновляемым ресурсом. К биоконверсии относится также получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении органических веществ (компостирование и биоподогрев).

3. Агрохимический метод переработки биомассы. Экстракция топлив – процесс получения жидких или твёрдых топлив прямо от растений или животных.

Возможна организация ферм по производству агрохимических топлив на основе семян подсолнечника, масла и копры кокосовой пальмы, плодов оливы, листьев эвкалипта, сока каучука, продуктов переработки отходов растений.

Вместе с тем получаемые таким образом продукты по своим химическим свойствам могут быть гораздо ценнее, чем простое топливо.

В связи с этим более предпочтительным представляется способ получения агрохимических топлив, который основан на культивировании специализированных микроводорослей. Исследования возможности использования микроводорослей в процессе экстракции топлив показали, что содержание в них углеводородов – основного горючего компонента – может быть довольно значительным. Так, в сухих клетках зелёной расы микроводоросли «ботриококкус браунии» содержится от 1 до 36% углеводородов, а в сухих клетках коричневой расы – до 86%. Предполагается, что залежи нефти обязаны своим происхождением предкам именно этих микроводорослей. Углеводороды, вырабатываемые «ботриококкус браунии», в основном локализованы на наружной поверхности клетки и могут быть удалены механическими методами. Оставшуюся биомассу можно подвергнуть гидрокрекингу, в результате которого получают 65% газолина, 15% авиационного топлива, 3% остаточных масел.

2.7. Фотосинтез – основа получения биотоплива

Фотосинтез – это процесс образования в листве растений и других фотосинтезирующих органах органических веществ и аккумулирования химической энергии под действием солнечного излучения. Это наиважнейший процесс, связанный с возобновлением энергии, так как все живые организмы состоят из материала, получаемого в результате фотосинтеза.

При фотосинтезе происходят химические реакции, в которых в основном участвуют углерод, водород, кислород и солнечное излучение. В результате фотосинтеза получаются химические соединения этих элементов, энергия которых больше, чем энергия исходных материалов, на величину поглощённой солнечной энергии. При последующем взаимодействии полученных веществ с кислородом эта энергия высвобождается в виде тепла. Если синтезированное вещество (в обезвоженном состоянии) сжигать в кислороде, то выход тепла составит примерно 16 МДж/кг.

Один из видов фотосинтетической реакции можно представить следующим образом:

свет

СО₂ +2Н₂О – – О₂ + СН₂О + Н₂О

СН₂О представляет собой основной компонент углеводов. Энергия, приходящаяся на один атом углерода в конечных продуктах этой реакции, примерно на 5 электрон-вольт больше, чем у исходного материала. Это происходит в результате поглощения, по крайней мере, 8 фотонов света.

Для получения глюкозы С₆Н₁₂О₆ реакция фотосинтеза записывается следующим образом:

свет

6СО₂ +12Н₂О – – 6О₂ + С₆Н₁₂О₆ +6Н₂О

2.7. Анаэробная переработка биомассы

Биохимический метод переработки биомассы. Анаэробное разложение – процесс получения энергии из биомассы микроорганизмами (анаэробными бактериями) в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Полезный энергетический продукт этого процесса – биогаз (смесь углекислого газа и метана. Этот метод актуален для переработки отходов сельскохозяйственного производства и, прежде всего, навоза и навозных стоков животноводческих предприятий.

Суть анаэробного процесса переработки биомассы заключается в следующем. В отсутствие кислорода некоторые микроорганизмы способны получать энергию, непосредственно перерабатывая углеродосодержащие соединения, производя при этом метан, углекислый газ и попутные газы (водород, кислород, аммиак, сероводород и др.) в общем количестве составляющие единицы процентов. Получаемая смесь называется биогазом.

При анаэробном метановом сбраживании навоза решаются три важные задачи. Первая состоит в том, что производится хороший энергоноситель – биогаз, который даже без очистки от примесей имеет энергосодержание от 20 до 25 МДж/м³ (в среднем принимается 23 МДж/м³). Второй полезный эффект – экологический. В сброженной массе практически обезврежены семена сорняков и в значительной степени ликвидированы болезнетворные микроорганизмы. Третий эффект – после анаэробной обработки получают высокоэффективное органическое удобрение повышенной биологической активности. При этом его удобрительная ценность по сравнению с традиционными формами переработки (отстаивание и естественная аэрация, компостирование) даже улучшаются, т.к. потери основных питательных веществ (N, P, K) невелики.

Переработка навоза осуществляется в биогазовых установках (БГУ). В странах Западной Европы насчитывается несколько сотен средних и крупных БГУ. В странах Азии, таких как Китай и Индия, эксплуатируются десятки миллионов мелких, так называемых семейных БГУ.

БГУ работает по следующей схеме: навозные стоки влажностью 90…93% (исходное сырьё) поступают в сборник сырья, оборудованный мешалкой-гомогенизатором, где доводятся до однородной консистенции и заданной кислотности. При этом из полученной массы удаляются крупные примеси. Далее проходя через теплообменник-утилизатор, исходное сырьё подогревается и подаётся в метантенк, где происходит процесс анаэробного сбраживания. Для активного брожения необходимо периодическое перемешивание перерабатываемой массы и поддержание заданной температуры внутри метантенка.

Существует три режима брожения – психрофильный (t=15…25˚С), мезофильный (t=30…40˚С) и термофильный (t=45…55˚С). Для поддержания температуры в метантенке установлен теплообменник-подогреватель, в который подаётся горячая вода от водогрейного котла. Метантенк заполняется навозной массой на 80% объёма. В верхней, незаполненной, части скапливается биогаз, который постоянно отбирается и подаётся в газгольдер, где временно хранится. Из газгольдера биогаз поступает в топку котла и на выход для внешнего использования. Сброженный остаток, выходящий из метантенка, имеет температуру режима брожения. В теплообменнике остаток отдаёт тепловую энергию исходному сырью и поступает в навозохранилище.

В процессе анаэробного брожения степень разложения органического вещества навоза не превышает 47%. Удельный расход энергии на получение 1м³ биогаза равен 5,5 кВт-ч.

Опыт эксплуатации БГУ за рубежом, а также результаты испытаний опытных образцов этих установок в Беларуси, в России и других странах СНГ показывают, что с одной тонны перерабатываемого навоза можно получать 1…1,3 м³ биогаза в сутки (в зависимости от режима), что эквивалентно 0,78…1,0 кг у. т. Основная причина, сдерживающая широкое внедрение БГУ на животноводческих фермах РБ – это большие капитальные затраты на строительство, что обуславливает большой срок окупаемости БГУ (4—8 лет) и высокую себестоимость биогаза.

В настоящее время ведутся исследования по повышению технологичности процесса метанового брожения, а также в направлении получения и использования новых, более эффективных штаммов микроорганизмов, обеспечивающих более быстрое и эффективное разложение органических соединений в этом процессе.