Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

У Тихому океані увагу привертають Куросіо і його відгалуження. Сумарна

потужність Гольфстріму оцінюється в 15 ГВт, а Куросіо - у 50 ГВт.

Енергія біомаси

Біомаса являє собою найдавніше джерело енергії, однак її використання

донедавна зводилося до прямого спалювання або у відкритих вогнищах, або в

печах і топках, але також з досить низьким ККД. Останнім часом увага до

ефективного енергетичного використання біомаси істотно підвищилося,

причому на користь цього з'явилися й нові аргументи:

− використання рослинної біомаси за умови її безперервного відновлення

(наприклад, нові лісові посадки після вирубки лісу) не приводить до

збільшення концентрації СО

в атмосфері;

− у промислово розвинених країнах в останні роки з'явилися надлишки

оброблюваної землі, що доцільно використовувати під енергетичні плантації;

− енергетичне використання відходів (сільськогосподарських,

промислових і побутових) вирішує також екологічні проблеми;

− знову створені технології дозволяють використовувати біомасу значно

більш ефективно.

Біомаса по своєму складу може бути вуглецемісткою (рослинний

матеріал, деревна тріска, тирса, морські водорості, зерно, папір, пакувальна

тара) або цукромісткою (цукровий буряк, цукровий очерет, сорго).

Ферментацією 1 т органічної речовини можна одержати 150-500 м

паливного газу з теплотою згоряння 4300-6000 ккал/м

, що еквівалентно 0,6-

0,8 кг у.п.

Горючі відходи

При аналізі відходів визначають у першу чергу їхню вологість, а також

вміст летучих речовин, вуглецю й золи. Склад типових твердих міських

відходів наведений у табл.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Тверді міські відходи

Склад типових міських відходів

Компоненти Мас. склад, %

Папір 43,2

Метали 8,0

Скло, кераміка, ґрунт 10,8

Пластмаси, гума, ганчір’я 4,5

Харчові та тваринні відходи 23,5

Інші відходи 10,0

Разом 100,0

Хімічний склад типових твердих міських відходів

Елемент Вміст,

мас. %

Елемент Вміст,

мас. %

Волога 26,04 Азот 0,28

Вуглець 27,23 Хлор 0,20

Водень 3,85 Сірка 0,26

Кисень 21,49 Зола 30,63

Використання відстою

Енергетичний вміст неопрацьованого відстою дорівнює приблизно 16

284 кДж/кг сухої речовини. Це означає, що при сучасних темпах

нагромадження відстою міських стічних вод з них можна одержати

приблизно 1.41 ·10

кДж/год.

Однак практичне використання відстою як палива викликає істотні

труднощі. Головні труднощі полягають у тому, що високий вологовміст не

дозволяє використовувати відстій без сушіння, на яке витрачається фактично

вся виділювана в процесі його горіння енергія, не говорячи вже про витрати,

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

пов'язаних з дотриманням установлених норм по запобіганню забруднення

навколишнього середовища.

Відходи тваринництва

Відходи тваринництва при безстійловому утриманні худоби не являють

інтересу з погляду їхнього використання для одержання енергії: кількість

тварин на одиницю площі настільки мало, а розсіювання відходів

тваринництва настільки велике, що доставка останніх на підприємство з

виробництва енергії виявляється економічно й енергетично невиправданої.

Зовсім інша ситуація складається при утриманні тварин у закритих

приміщеннях, таких, як скотовідкормні господарства промислового типу. У

цьому випадку кількість відходів, що збираються з одиниці площі, істотно

зростає, а витрати на їхній збір і доставку значно скорочуються.

Кількості гною від кожного виду тварин і

його склад залежать від

раціону живлення й тривалості утримання тварин у закритих приміщеннях.

Вміст вологи в гної коливається в межах 60-85%. Відносно високий вміст

вологи обмежує технологічні можливості одержання енергії із гною. Теплота

згоряння гною в середньому дорівнює 17450 кДж/кг сухої маси.

Використання відходів

Одним з найбільш ефективних способів обробки відходів тваринництва є

анаеробна ферментація або біогазифікація . При цьому використовується не

тільки одержуваний метан, але й залишки ферментації (перегнивання), які

знаходять застосування як органічні добрива або корму для худоби.

Технологія виробництва метану залежить від вмісту у відстої інертних

речовин: чим їх більше, тим менше вихід метану на одиницю маси відходів.

При біогазификації відходів жуйних тварин замість очікуваного виходу 0,26-

0,30 м

метану/кг органічних речовин виходить усього лише 0,13-0,15 м

метану/кг органічних речовин внаслідок втрати частини вуглецемісткої

речовини в процесі переварювання їжі.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Рослинні залишки

Залишки даного виду складаються в основному із целюлози

(вуглецемісткої) і можуть бути відносно легко підготовлені для

використання. Залишки зернових культур, за винятком, можливо, рису,

належать до відносно сухих культур: вміст вологи в них становить приблизно

15%. Теплота згоряння рослинних залишків більшості цих культур

коливається в межах 11 500-18 600 кДж/кг. Середнє значення

теплоти

згоряння рослинних залишків 16300 кДж/кг.

Велика увага приділяється енергетичному потенціалу відходів цукрового

очерету, що утворюються при добуванні цукру, які становлять приблизно

30% маси самого цукрового очерету. Теплота згоряння відходів цукрового

очерету становить 18 930 кДж/кг.

Продукти лісу

Структура витрати продуктів лісу

Призначення Об. %.

Лісоматеріали 57,0

Виробництво паперу 28,0

Деревне паливо 4,0

Відходи при заготівлі й

транспортуванні лісу

11,0

Разом 100,0

Відходи, що накопичуються в процесі лісозаготівель і лісопереробки

можна розділити на дві великі групи: відходи лісу й виробничі відходи.

Перші утворюються безпосередньо в лісі й включають опалі гілки,

дерева, що загинули, залишки від згорілих дерев і відходи, що виникають у

процесі відбраковування, заготівлі й транспортування.

Оцінка загальної кількості відходів лісу відсутня. Найбільша кількість

відходів припадає на відбраковування (у тому числі загиблих і дерев, що

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

перестояли), а також на заготівлю й транспортування. З погляду

енергoресурсів саме ці відходи становлять найбільший інтерес.

Відходи при лісозаготівлях переважно складаються з деревини й

целюлози, і їх основними складовими елементами є вуглець, кисень і водень.

На частку вуглецю припадає близько 50 мас. % кисню – 40 мас. % і водню –

5 мас. %. Теплота згоряння відходів лісозаготівель дорівнює приблизно 18

610 кДж/кг сухої маси. Кількість золи відходів залежить від методу їхнього

збору. При виконанні деяких операцій у відходи попадають мінеральні

забруднення у вигляді каменів, бруду й піску, що приводить до різкого

збільшення вмісту золи. Звичайно в деревині міститься 1,0 % золи, а в корі -

від 2 до 10%.

Водорості й водні макрофіти

Близько 50-70% маси водоростей може ферментуватися. При

дослідженні 11 видів судинних водяних рослин було встановлено, що їхня

теплота згоряння становить 16 353 - 19058 кДж/кг сухої маси.

Продуктивність наземних і морських рослин

Тип рослин Продуктивність у рік, кг/м

Наземні

дерева 0,9-2,8

трави 1,1-6,8

Морські

водорості (ставки для обробки скидань) 4,5

водорості (лабораторні культури) 6,8-13,5

бура водорість (природні умови) 4,9

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Характеристики морських рослин

Теплота згоряння,

ккал/г сухої маси

Вміст золи,

% сухої маси

Вид водоростей

середнє

значення

відхилення

середнє

значення

відхилення

Зелені 3,47 0,76 29.5 15,4

Червоні 3,19 1,04 20,5 21,2

Бурі 3,06 0,56 32,4 9,9

Загальний

показник

3,17 0,84 25,7 16,7

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Лекція 7

Гідроенергетика. Вторинні джерела енергії

ГІДРОЕНЕРГЕТИКА

Гідроенергетичні ресурси світу

Загальні відомості

Гідроенергоресурси - це запаси енергії води річкових потоків і водойм,

розташованих вище рівня моря (а також енергії морських припливів).

Для гідроенергоресурсів характерна риса, що перетворення механічної

енергії води в електричну відбувається на ГЕС без проміжного виробництва

тепла.

Енергія рік поновлювана, причому циклічність її відтворення повністю

залежить від річкового стоку, тому гідроенергоресурси нерівномірно

розподіляються протягом року, крім того їхня величина міняється рік у рік. В

узагальненому виді гідроенергоресурси характеризуються

середньобагаторічною величиною (як і водні ресурси).

Вироблення електроенергії ГЕС світу після 2-ї Світові війни зростало

великими темпами: з 200 млрд. квт-год у 1946 г. до 860 млрд. квт-год в 1965

г. і 975 млрд. квт-год. в 1978 г. А зараз у світі виробляється більше 2100

млрд. квт-ч гідроенергії в рік. Прискорений розвиток гідроенергетики в

багатьох

державах світу пояснюється перспективою наростання паливно-

енергетичних і екологічних проблем, пов'язаних із продовженням наростання

вироблення електроенергії на традиційні (теплових і атомних)

електростанціях при слабко розробленій технологічній основі використання

нетрадиційних джерел енергії. Основна частина світового вироблення ГЕС

падає на Північну Америку, Європу, Росію і Японію, у яких виробляється до

80 % електроенергії

ГЕС світу.

У ряді країн з високим ступенем використання гідроенергоресурсів

спостерігається зниження питомої ваги гідроенергії в електробалансі. Так, за

останні 40 років питома вага гідроенергії знизилася в Австрії з 80 до 70 %, у

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Франції з 53 до дуже малої величини (за рахунок збільшення виробництва

електроенергії на АЕС), в Італії з 94 до 50 % (це пояснюється тим, що

найбільш придатні до експлуатації гідроенергоресурси в цих країнах уже

майже вичерпані). Одне із самих великих знижень відбулося в США, де

виробіток електроенергії на ГЕС в 1938 р. становила 34 %, а вже в

1965 р. -

тільки 17 %. У той же час в енергетиці Норвегії ця частка становить 99,6 %,

Швейцарії й Бразилії - 90 %, Канади - 66 %.

Гідроенергетичний потенціал і його розподіл по континентам і країнам

Гідроенергетичний потенціал

- сукупність валової потужності всіх

окремих ділянок водотоку, які використовуються в цей час або можуть бути

енергетично використані. Валова потужність водотоку, що характеризує

собою його теоретичну потужність, визначається по формулі:

N кВт = 9,81 QH,

де Q - витрата водотоку, м

/с; H - падіння, м.

Потужність визначається для трьох характерних витрат: Q = 95 % -

витрати із забезпеченістю 95 % часу; Q = 50 % - забезпеченістю 50 % часу;

Qср - середньоарифметичний.

Класифікація у визначенні потенціалу:

Теоретичний валовий (брутто) гідроенергетичний потенціал (або

загальні гідроенергетичні ресурси) включає:

1. поверхневий, враховуючу енергію стікаючих вод на території цілого

району або окремо взятого річкового басейну;

2. річковий, враховуючу енергію водотоку.

Експлуатаційний чистий (або нетто) гідроенергетичний потенціал:

1. технічний (або технічні гідроенергоресурси) - частина теоретичного

валового річкового потенціалу, що технічно може бути використана або

вже

використовується (світовий технічний потенціал оцінюється приблизно в

12300 млрд. квт-год);

2. економічний (або економічні гідроенергоресурси) - частина

технічного потенціалу, використання якої в існуючих реальних умовах

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

економічно виправдане (тобто економічно доцільне для використання.

Гідроенергетичні ресурси (повний гідроенергетичний річковий

потенціал) окремих континентів

континент гідроенергоресурси

% від

підсумку по

земній кулі

питома величина

гідроенергоресурсів,

кВт/кв.км

млн. кВт млрд.кВт-год

Європа 240 2100 6,4 25

Азія 1340 11750 35,7 30

Африка 700 6150 18,7 23

Північна

Америка

700 6150 18,7 34

Південна

Америка

600 5250 16 33

Австралія 170 1500 4,5 19

Разом по

земній кулі

3750 32900 100 28

колишній

СРСР

450 3950 12 20

Насиченість гідроенергоресурсами території континентів, тис. квт-год на

1 кв. км

Північна Америка 300 Європа 225

Південна Америка 290 Африка 200

Азія 265 Австралія 170

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Континент

Середня висота

континенту, м

висота

шару

стоку, см

площа

континенту, млн.

км2

Загальний

сток, км3

Європа 322 26,5 9,7 2560

Азія 912 22 44,5 9740

Африка 653 20,3 29,8 6070

Північна

Америка

658 31,5 20,4 6450

Південна

Америка

605 45 18 8130

Австралія 344 7,7 8 610

Приблизно 50 % світового водостоку падає на 50 найбільших рік,

басейни яких охоплюють близько 40 % суши. П'ятнадцять рік із цього числа

мають стік в обсязі 10 тис. км3/с або більше. Дев'ять із них перебувають в

Азії, три - у Південній і дві - у Північній Америці, одна - в Африці.

У гідроенергоресурсах світу більша частина (близько

60 %) припадає на

східну півкулю, що перевершує західну й по питомому (на одиницю площі)

показнику гідроресурсної забезпеченості (відповідно 17 і 15 кВт/км2).

Завдяки високому рівню промислового розвитку, країни Західної Європи

й Північної Америки протягом тривалого часу випереджали всі інші країни

по ступені освоєння гідроенергоресурсів. Уже в середині 20-х років

гідропотенціал був освоєний

у Західній Європі приблизно на 6 %, а в

Північній Америці, що володіла в цей період найбільшими

гідроенергетичними потужностями, - на 4 %. Через піввіку відповідні

показники становили для Західної Європи близько 60 %, а для Північної

Америки - приблизно 35 %. Уже в середині 70-х років абсолютні потужності

ГЕС Західної Європи перевершували такі в будь-якому іншому регіоні миру.