Лукутин Б.В. и др. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении

Подождите немного. Документ загружается.

221

Для использования в энергетических целях влажной биомассы –

животноводческих отходов используется технология анатробного сбра-

живания. Как и в случае пиролиза, процесс происходит при отсутствии

воздуха, однако разложение сырья происходит под воздействием бакте-

рий, а не высоких температур.

Получаемый в процессе брожения биогаз содержит 60–70% мета-

на, 30–40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода,

примеси

водорода, аммиака и окислов азота.

Процесс сбраживания может занимать от 10 дней до нескольких

недель. В процессе сбраживания выделятся тепло, однако в условиях

холодного климата необходим дополнительный подогрев для поддер-

жания оптимальной температуры около 35

С. Источником тепла может

быть производимый биогаз. Остаток, образующийся в процессе полу-

чения биогаза, может использоваться в качестве удобрения в сельском

хозяйстве.

Довольно распространенной технологией сегодня становится про-

изводство биотоплива из специально выращиваемых сельскохозяйст-

венных культур: рапс, соя, подсолнечник и др. Наиболее распростране-

ны два вида топлива: биоэтанол и биодизель

Биоэтанол производится по технологии получения обычного пи-

щевого спирта. Этанол является спиртовым топливом, которое может

использоваться в двигателях внутреннего сгорания либо в чистом виде,

либо в качестве добавки к бензину. В качестве сырья могут использо-

ваться многие доступные растительные культуры: картофель, свекла,

кукуруза и др.

Мировым лидером по производству

этанола является Бразилия, в

которой более 600 заводов производят 16,5 миллиардов литров этанола

в год. По данным Международного энергетического агентства, за чет-

верть века производство этанола в мире выросло в 8 раз, причем дина-

мика роста соответствует росту цен на нефть.

Биодизель – это эфиры растительных масел или животных жиров,

получаемых в результате химической

реакции масла или жира с мети-

ловым или этиловым спиртом.

Технология получения биодизеля довольно проста и доступна в

условиях любого предприятия или фермерского хозяйства. Основным

сырьем для его производства в Европе является рапс, в США и Южной

Америке – соя

[7]. Любое растительное масло может служить исходным

сырьем для получения биотоплива, которое получается при замещении

в масле глицерина на спирт. Из одной тонны растительного масла и 111

кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается 970 кг (1100 л)

биодизеля и 153 кг первичного глицерина

[8].

222

Биодизельное топливо получило распространение во многих

странах Европы и Америки. Объемы производства биодизеля в Европе

достигли 6 млн. тонн в 2006 году, что на 44% больше чем в 2005 году.

6.2. Технико-экономические характеристики автономных

электростанций, использующих биотопливо

Технико-экономические характеристики автономных электро-

станций, использующих биотопливо, зависят от многих факторов, важ-

нейшими из которых являются топливная составляющая в стоимости

электроэнергии, затраты на энергетическое оборудование и его эксплуа-

тацию и другие.

Для значительной территории России к наиболее перспективным

энергоресурсам растительного происхождения следует отнести биомас-

су лесов. В частности,

территория Томской области обладает значи-

тельными запасами леса. Объем эксплуатационного запаса древесины, с

распределением по породам, приведен в таблице 37

[9].

Т а б л и ц а 37

Состав

Запасы древесины спелых и перестойных лесов

тыс. м

Хвойные 485480 36

Лиственные 864070 64

Всего по области 1349550 100

Расчеты показывают, что при полном рациональном использова-

нии лесосырьевых ресурсов доля дровяной древесины может составлять

10 млн. м

плюс до 2 млн. м

отходов от переработки древесины на ле-

соперерабатывающих предприятиях. По теплотворной способности это

эквивалентно 3,5 млн. тонн угля Кузнецкого бассейна.

При этом общий объем ввозимого в Томскую область угля за по-

следние 5 лет не превышает 2–2,5 млн. тонн.

Следует отметить существенно меньшее количество вредных

примесей в продуктах сгорания древесины по сравнению с

углем. Таким

образом, речь идет о значительном энергетическом потенциале биомас-

сы лесных отходов. Исследования потенциала биомассы лесов Томской

области дают основания считать, что вся ее территория обладает доста-

точным потенциалом для использования биомассы в энергетических

целях. Энергетическая плотность ресурса территории области находит-

ся в диапазоне 274–1046 Вт/м

223

Как было показано в предыдущем разделе, наиболее перспектив-

ным способом энергетического использования древесных отходов явля-

ется газификация древесины.

Объем капиталовложений в вариант системы электроснабжения

от газогенераторной станции, работающей на биомассе, зависит от сле-

дующих показателей: варианта исполнения газогенераторной установ-

ки, расходов на транспортировку оборудования, расходы на строитель-

но-монтажные, пуско

-наладочные, проектно-конструкторские работы.

Зависимость, позволяющая оценивать объем капиталовложений в

исследуемые объекты, представляется в виде выражения:

П),(

труд.устуд

++⋅= smKKNК [тыс.руб],

где

уд

– установленная мощность газогенератора, кВт;

уд.уст

K –

удельная стоимость 1 кВт установленной мощности, руб./кВт;

тр

K (m,

s) – расходы по транспортировке газогенератора, зависящие от массы

оборудования (

m) и дальности транспортировки (s); П – прочие расхо-

ды (расходы на строительно-монтажные, пуско-наладочные, проектно-

конструкторские работы).

Зависимость величины капиталовложений от мощности энергоус-

тановки в графическом виде показана на рис. 72.

Рис. 72. Изменение капиталовложений в установку газогенераторной

электростанции в зависимости от варианта исполнения и мощности потребителя

5000

10000

15000

20000

10 30 50 100 200 400 1000

тыс.

ру

б.

Мощность потребителя, кВт

Газопоршневый вариант исполнения

Газодизельный вариант исполнения

224

Удельная стоимость 1 кВт установленной мощности электриче-

ской станции

[10]:

– с газопоршневым двигателем (работающем на 100% генератор-

ном газе) составляет:

уд.уст

K = 20000, руб./кВт;

– электростанции с газодизельным двигателем (работает 70% на

генераторном газе, 30% на дизельном топливе):

уд.уст

K = 11000, руб./кВт.

Эксплуатационные затраты З (N

ГГ

)⋅10

[руб./год] при эксплуата-

ции одного агрегата газогенератора можно определить из выражения:

топГГГГ

З)()(З ++⋅α= NFKN ,

где

α – коэффициент амортизационных отчислений (на капитальный

ремонт и реновацию, расходы на эксплуатацию) от капиталовложений,

принятый по

[11] 4% в год; F(N

ГГ

) – среднегодовой фонд заработной

платы, в зависимости от мощности газогенератора и соответственно

численности обслуживающего персонала в течение срока эксплуатации

оборудования

[11];

топ

З – затраты на топливо.

Для газодизельного варианта исполнения электростанции

гсмдизm.биомбиомд.топ

ЦВЦВЗ ⋅+⋅= ,

где

m.биом

Ц – прейскурантная цена биомассы, руб./кг;

гсм

– стои-

мость ГСМ (дизельного топлива и масла) для конкретных децентрали-

зованных потребителей;

биомдиз

В,В

– расход топлива на выработку

электроэнергии.

Объемы расходуемого топлива равны:

;В

диз

эгод диз

bW ⋅= ,В

биом

эгодбиом

bW ⋅=

где

год

W – годовая выработка электроэнергии на газодизельной стан-

ции, кВт

⋅ч;

диз

– удельный расход дизельного топлива, л/кВт⋅ч;

биом

– удельный расход биомассы, кг/кВт

⋅ч.

Для газогенераторной электростанции:

,ЦВЗ

m.биомбиомд.топ

⋅=

225

где

m.биом

Ц – прейскурантная цена биомассы, руб./кг;

биом

В – расход

топлива на выработку электроэнергии:

биом

эгодбиом

В bW ⋅=

где

год

W – годовая выработка электроэнергии на газопоршневой стан-

ции, кВт

⋅ч;

биом

b – удельный расход биомассы, кг/кВт⋅ч.

Расчет стоимости заготовки и транспортировки топливных дров и

щепы основан на определении суммы стоимости лесосечных, транс-

портных и вспомогательных работ. По данным исследований технико-

экономических показателей

[12] удельная стоимость лесосечных работ

составляет 47–56 руб./м

при сплошной рубке и 36–38 руб./м

при выбо-

рочной рубке. Удельная стоимость транспортировки щепы зависит от

расстояния транспортировки и в общем виде представлена зависимо-

стью, приведенной на рис. 73.

Расстояние транспортировки топливных дров и щепы, в условиях

разброса децентрализованных потребителей Томской области, не пре-

вышает 500 км. При условии, что одному м

древесного топлива, в зави-

симости от его влажности и породного состава, соответствует 500–750

кг, а удаленность потребителей электроэнергии от места лесозаготовки

не превышает 500 км, стоимость биотоплива в области находится в пре-

делах 0,1–0,7 руб./кг.

Эффективность работы газогенераторной электростанции можно

оценивать по величине общего (годового) экономического эффекта

(ОЭЭ), обусловленного экономией дизельного

топлива, [тыс. руб.]:

100

150

200

250

10 100 190 280 370

Рис. 73. Удельная стоимость транспортировки щепы

в зависимости от расстояния транспортировки

Удельная стоимость

транспортировки, тыс.руб/м

км

226

ОЭЭ = В

диз

⋅ Ц

гсм

– З(N

ГГ

где Ц

гсм

– стоимость ГСМ (дизельного топлива и масла) для конкрет-

ных децентрализованных потребителей, тыс. руб./тонну;

З(N

ГГ

) – годо-

вые затраты на эксплуатацию газогенераторной электростанции, руб.;

диз

– объем сэкономленного топлива, обусловленного применением

газогенератора, тонны.

Изменения ОЭЭ в зависимости от стоимости биомассы

m.биом

степени неравномерности графика нагрузки

ЗП

представлен на рис.74

для станции мощностью 30 кВт.

Себестоимость электроэнергии от газогенераторной электростан-

ции определяется как

)(

год

ГГ

NЗ

где

год

– годовая выработка электроэнергии.

Рис. 74. Изменение ОЭЭ для газопоршневого варианта исполнения

газогенераторной электростанции, при варьировании параметра К

ЗП

= 1–0,1

Расчеты показывают, что для мощностей до 400 кВт и цены на

биомассу 0,1–0,7 руб./кг себестоимость производимой электроэнергии

находится в пределах 1–4 руб./кВт

⋅ч, что определяет экономическую

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

m.биом

= 0,1 руб./кг

m.биом

= 0,3 руб./кг

m.биом

= 0,5 руб./кг

m.биом

= 0,7 руб./кг

ОЭЭ, тыс.руб./год

ЗП

227

целесообразность использования биомассы лесов для производства

электроэнергии в локальных системах электроснабжения.

Литература к главе 6

Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энер-

гии. Учеб. пособие. – СПБ.: СЗТУ, 2003. – 38 с.

Обзор современных технологий использования биомассы.

//Инерсоларцентр. – Москва, 2002.

http://www.ecology-energy.ru/

Обзор современных технологий получения жидкого топлива из

биомассы быстрым пиролизом

http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/50.html

Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог

технологий и изделий, разработанных и производимых в системе ГНУ

ВИЭСХ. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. – 32 с.

http://www.ecomuseum/

Аблаев А. Биотопливо: мыслить за пределами нефтяной трубы.//

Российское экспертное обозрение. – №1–2. –2007. – с. 25–29.

Российская биотопливная ассоциация//www.biotoplivo.ru

Кадастр возможностей./Под ред. Б.В.Лукутина. –Томск: Изд-во

НТЛ, 2002. – 280с.

10.

Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и

возобновляемых источников энергии./Под ред. В.И.Виссарионова. –М.: «ВИЭН»,

2004. – 448 с.

11.

Лещинская Т.Б., Князев П.В. Применение автономного источни-

ка электрической энергии для электроснабжения сельскохозяйственного

района.//Электрика. –2004. –№9. – с.21.

12.

Некрасов М.Д., Козлов А.Ф. Экономика рубок леса плавного и

промежуточного использования. Карельский филиал АН СССР. Отдел

экономики. – Петрозаводск, 1985. – 152 с.

Заключение

Современный период развития энергетики характеризуется про-

тиворечивыми тенденциями, которые не позволяют просто наращивать

ее мощности в соответствии с экономическим и социальным развитием

общества. Экологические проблемы и ограниченность запасов углево-

дородного топлива вынуждают искать новые виды энергоресурсов и,

соответственно, новые технологии энергообеспечения потребителей.

228

Особенно остры проблемы энергообеспечения децентрализован-

ных зон, где стоимость электроэнергии многократно превышает дейст-

вующие тарифы централизованного электроснабжения. Реальной воз-

можностью улучшения технико-экономических показателей локальных

систем электроснабжения является использование местных, в том числе

возобновляемых, энергоресурсов.

Важнейшими преимуществами возобновляемой энергетики явля-

ются: неисчерпаемость энергоресурсов, экологическая чистота, отсутст-

вие топливной составляющей в

стоимости производимой энергии, как

правило, большая надежность, срок службы и меньшие расходы на экс-

плуатацию энергетического оборудования.

Однако такие проблемы использования энергии природных возоб-

новляемых источников как изменчивость в пространстве и во времени и

низкая энергетическая плотность усложняют и удорожают технологию

их практического применения для энергообеспечения потребителей.

В этой связи, на

сегодняшний день особое значение приобретают

вопросы изучения и систематизации энергетического потенциала терри-

тории, совершенствование методик выбора энергетического оборудова-

ния и способов оптимизации рабочих режимов и состава систем элек-

троснабжения с электростанциями, использующими природные возоб-

новляемые энергоресурсы.

В книге сделана попытка систематизации подходов к электро-

снабжению локальных потребителей с использованием энергии

природ-

ных возобновляемых источников. Системный подход, как представля-

ется авторам, включает составление энергетических кадастров возоб-

новляемых энергоресурсов территории, разработку критериев оптими-

зации локальных систем электроснабжения и методик технико-

экономического анализа вариантов систем электроснабжения с учетом

современных достижений в области оборудования и технологий возоб-

новляемой энергетики.

Авторы отдают себе отчет, что в

рамках данной работы не воз-

можно в полном объеме отразить все поставленные проблемы локаль-

ной электроэнергетики с использованием возобновляемых энергоресур-

сов. Тем не менее, эта работа является шагом вперед в данной области и

может быть полезна как для студентов и научных работников, так и для

инженеров, занимающихся практическими вопросами возобновляемой

энергетики.

229

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………………..… 3

Глава 1.

Возобновляемые энергоресурсы территории и

условия их использования для генерирования

электроэнергии………………………………………………..

1.1. Классификация ВИЭ…………………………………… 5

1.2. Энергия ветра…………………………………………… 15

1.3. Гидроэнергия…………………………………………… 23

1.4. Солнечная энергия……………………………………… 27

1.5. Геотермальная энергия……………………………........ 35

1.6. Энергия биомассы…………………………………........ 37

1.7. Экономические аспекты использования возобновляе-

мых энергоресурсов для производства

электроэнергии………………………………………….

Литература к главе 1………………………………………………………45

Глава 2. Состояние и перспективы развития возобновляемой

энергетики в

мире и в России………………………………...

2.1. Ветроэнергетика в мировом энергетическом

балансе…………………………………………………..

2.2. Перспективы развития ветроэнергетики в

России……………………………………………………

2.3. Состояние и перспективы мировой

гидроэнергетики…………………………………………

2.4. Тенденции развития гидроэнергетики в России……… 74

2.5. Геотермальная энергетика в мире и в России………… 80

2.6. Солнечная энергетика в мире и в России……………... 86

2.7. Развитие биоэнергетики в мире и

в России……………96

Литература к главе 2………………………………………………………102

Глава 3. Электростанции, использующие энергию ветра ……………110

3.1. Ветроэлектростанции и их основные

характеристики…………………………………………

110

3.2. Повышение энергоэффективности режимов

работы автономных ветроэнергетических

установок………………………………………………...

118

3.3. Децентрализованные системы электроснабжения с

использованием ветроэлектростанций………………...

125

3.4. Методика определения технико-экономических

характеристик автономных ветроэлектростанций……

136

Литература к главе 3………………………………………………………

140

230

Глава 4. Малая гидроэнергетика в децентрализованном

электроснабжении…………………………………………….

142

4.1. Микрогидроэлектростанции…………………………… 142

4.2. Режимы работы микроГЭС с автобалластной

стабилизацией напряжения…………………………….

153

4.3. Технико-экономические характеристики

автономных микрогидроэлектростанций……………..

190

Литература к главе 4………………………………………………………191

Глава 5. Геотермальные и солнечные электростанции……………… 198

5.1. Разновидности геотермальных электростанций и осо-

бенности их применения в децентрализованных сис-

темах электроснабжения……………………………….

198

5.2. Классификация солнечных электростанций и

особен-

ности их применения в децентрализованном электро-

снабжении……………………………………………….

202

Литература к главе 5………………………………………………………212

Глава 6. Электростанции, использующие химическую

энергию биомассы…………………………………………….

213

6.1. Основные способы преобразования энергии

биотоплива в электроэнергию…………………………

213

6.2. Технико-экономические характеристики

автономных электростанций, использующих

биотопливо………………………………………………

222

Литература к главе 6……………………………………………………... 227

Заключение……………………………………………………………….. 227