Житаренко В.М. Возобновляемые и вторичные источники энергии. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с

электрогенератором.

1 – испаритель основного контура; 2 – турбина с электрогенератором; 3 –

конденсатор; 4 – теплообменник контура охлаждения промежуточного

рабочего тела; 5 – насос для подачи хладагента; 6 – насос для подачи рабочего

тела; 7 – насос для подачи морской воды; 8 – водозаборник; 9 – патрубок

сброса отработанной воды

Рисунок 8.16 – Схема арктической ОТЭС на перепаде

вода-воздух

Промежуточный теплоноситель охлаждается путем

разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя.

Причем важно обеспечить определенное распыление, чтобы, с

одной стороны, капли теплоносителя не выносились потоком

холодного воздуха, а с другой – успевали охладиться во время

падения. Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на

2 °С при движении в воздухе со средней разностью температур

30 °С ей необходимо пролететь в свободном падении чуть более

3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция,

можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м

К).

Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают

получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных

161

теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м

К)), но

превышают примерно в 5 раз характерные величины для

простейших воздушных теплообменников станций без

промежуточного теплоносителя. Это позволяет снизить

металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить

выработку полезной энергии.

Схема ОТЭС на термоэлектрических преобразователях

показана на рис. 8.17. В основе ее действия – явление Зеебека,

заключающееся в возникновении разности потенциалов в

электрической цепи, составленной из материалов с различной

концентрацией носителей заряда, места соединений которых

нагреты до разных температур. Величину этой разности

потенциалов можно определить по известной формуле

E 

, (8.24)

где k – постоянная Больцмана;

e – заряд электрона;

, n

– концентрации носителей (электронов в

проводниках, электронов и дырок в полупроводниках);

ΔT – разность температур между нагреваемыми и

охлаждаемыми спаями (соединениями) разнородных

электропроводящих материалов.

Действие такой системы полностью описывается законами

термодинамики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД

такого преобразователя, выполненного на полупроводниковых

элементах, достигает 10 %. Это значительно больше, чем у

систем, работающих по циклу Ренкина и Клода. Кроме того, в

системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери

на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС для

полупроводниковых пар может достигать нескольких

милливольт на градус (для металлических термопар они

примерно в 1000 раз ниже). Например, постоянная Зеебека для

кристаллов теллурида висмута с n - и p -проводимостью равна

3,14·10

-4

B/K. Другое достоинство полупроводниковых систем –

возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции

162

между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на

КПД систем.

а – устройство отдельного блока; б, в – варианты устройства

термоэлектрического преобразователя; 1 – кожух; 2 – термоэлектрический

генератор; 3 – полупроводниковые элементы с n - и p -проводимостью; 4 –

поверхностное изолирующее покрытие; 5 – изолятор; 6 – соединительные

шины.

Рисунок 8.17 – Схема ОТЭС с прямым преобразованием

тепловой энергии в электрическую

К недостаткам таких систем относятся достаточно высокая

стоимость материалов, из которых изготовляются элементы, и

необходимость изолировать спаи от непосредственного

контакта с морской водой – происходит шунтирование через

воду соседних элементов, обладающих достаточно высоким

собственным сопротивлением, и, следовательно, снижение

мощности, выдаваемой в цепь нагрузки. В свою очередь,

изолирование спаев приводит к удорожанию преобразователей и

ухудшению их показателей. Работы, выполненные группой

исследователей из университета Осаки (Япония), показывают,

что при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается

съем полезной мощности. Однако необходимо иметь в виду, что

в опытах японских исследователей в качестве носителя энергии

использовалась не сама морская вода, а фторуглеродистые

соединения.

ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно,

можно применить для обеспечения электроэнергией комплексов

подводной добычи полезных ископаемых на океанском дне.

163

9 БИОЭНЕРГЕТИКА

Термин энергетическая ферма используется в очень

широком смысле, обозначая производство энергии в качестве

основного или дополнительного продукта

сельскохозяйственного производства, лесоводства, аква-

культуры, а кроме того, те виды промышленной и бытовой

деятельности, в результате которых образуются органические

отходы. Основной целью переработки сырья могло бы быть

исключительно производство энергии, но более выгодно найти

наилучшее соотношение между получением из различных видов

биомассы энергии и биотоплива.

Наиболее характерный пример энергетических ферм

представляют собой предприятия по выращиванию и

комплексной переработке сахарного тростника (рис. 9.1).

Производство зависит от сжигания отходов переработки

тростника, необходимого для снабжения энергией всей

технологической цепи. При надлежащей механизации можно

было бы получить дополнительную энергию для производства

на продажу побочных продуктов (патоки, химикатов, корма для

животных, этилового спирта, строительных материалов,

электроэнергии).

Рисунок 9.1 – Агропромышленная переработка сахарного

тростника

164

Следует отметить, что этиловый спирт и электроэнергию

можно использовать для выращивания культур и выполнения

транспортных операций.

Развитие энергетики за счет использования

сельскохозяйственных культур имеет как достоинства, так и

недостатки. Один из наиболее существенных недостатков то,

что производство энергии станет конкурировать с

производством пищи. Крупномасштабное увеличение объема

производства биотоплива (например, этилового спирта) по этой

причине может оказать существенное отрицательное влияние на

мировой рынок пищевых продуктов. Второй серьезный

недостаток – возможность обеднения и эрозии почв в результате

интенсификации выращивания «энергетических» культур.

Очевидная стратегия спасения от этих явлений – выращивание

культур, пригодных и для обеспечения человека (зерно), и для

энергетических нужд при одновременном сокращении части

урожая, скармливаемого животным.

Для выращивания и переработки урожая необходима

энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной

для получения топлива для работы сельхозмашин, создания

самих этих машин, получения удобрения и т.п. Для оценки

эффективности получения энергии из того или иного вида

биомассы необходимо проведение энергетического анализа.

Энергетический анализ – это определение затрат энергии

энергопотребляющих и энергопроизводящих систем,

позволяющий выделить технические и технологические аспекты

процесса.

На практике энергетический анализ и связанный с ним

анализ экономических факторов получения и переработки

биомассы агропромышленным методом оказываются

достаточно сложными. Однако использование для получения

тепла и электроэнергии дешевых отходов биомассы может

иметь решающее значение при оценке эффективности того или

иного процесса.

165

За последнее время использование биомассы в различных

ее формах (дерево, древесный уголь, отходы

сельскохозяйственного производства и животных) в мире в

целом снизилось. Однако, в развивающихся странах этот вид

энергоресурсов составляет в среднем 20%. При этом в ряде

стран Африки использование биомассы для энергетических

целей равно примерна 60% общего энергопотребления, в

азиатских странах- 40%, в странах Латинской Америки 0 до 30%

и в ряде стран Европы, Ближнего Востока и Скверной Африки

до 10%.

9.1 Энергетический потенциал биомассы в Украине

Показатели энергетического потенциала биомассы в

Украине отличаются от потенциала других возобновляемых

источников энергии тем, что, кроме климатометеорологических

условий, энергетический потенциал биомассы в стране в

значительной мере зависит от многих других факторов, в

первую очередь от уровня хозяйственной деятельности.

Энергетический потенциал биомассы представлен такими

ее составными - энергетическим потенциалом

животноводческой сельскохозяйственной и растительной

сельскохозяйственной биомассы и энергетическим потенциалом

отходов леса.

166

–

Таблица 9.1 - Суммарный годовой потенциал

животноводческой сельскохозяйственной биомассы в Украине

№

п/п

Области Количество

перегноя, млн. т/год

Выход биогаза,

млн. м

/год.

Замещения орг.

топлива, т у.т./год

Винницкая 17,9 891 713

Волынская 11,0 527 422

Днепропетровская 0,8 110 880

Донецкая 15,3 794 635

Житомирская 15,1 725 580

Закарпатская 4,7 243 194

Запорожская 15,4 771 617

Ивано-Франковская 7,3 358 287

Киевская 16,8 864 692

Кировоградская 11,8 589 471

Луганская 11,4 557 454

Львовская 13,5 665 532

Николаевская 10,5 518 414

Одесская 14,1 733 587

Полтавская 17,5 868 694

Ровенская 10,4 498 398

Сумская 13,0 640 512

Тернопольская 11,6 561 449

Харьковская 18,1 906 725

Херсонская 12,7 627 501

167

Хмельницкая 16,5 790 632

Черкасская 13,6 682 545

Черновицкая 6,1 304 243

Черниговская 17,7 856 685

АР Крым 12,3 639 511

Всего 335,1 16706 13373

Основными технологиями переработки биомассы, которые

можно рекомендовать к широкому внедрению в данное время

есть: прямое сжигание, газификация, анаэробная ферментация с

образованием биогаза, производство спиртов и масел для

получения моторного топлива. При обосновании внедрения

биоэнергетических технологий обеспечения охраны

окружающей среды обеззараживанием отходов биомассы часто

сядет первое место; в процессе переработки животноводческих

отходов и городских сточных вод, кроме обезвреживания

опасной микрофлоры, гельминтов и семя бурьянов, которые

попадают в грунт, в поверхностные и подземные воды,

устраняется загрязнения воздуха в зонах их накопления.

Большие возможности в собственном энергообеспечении

сельскохозяйственных предприятий и экономии ТЭР заложены

в использовании энергии отходов сельхозпроизводства и

растительной биомассы. В сельскохозяйственном производстве

в качестве источников тепла можно принять любые

растительные отходы, непригодные для использования по

прямому назначению или не нашедшие иного хозяйственного

применения.

При переработке биомассы в этанол образуются побочные

продукты, прежде всего – промывочные воды и остатки

перегонки. Последние являются серьезным источником

экологического загрязнения окружающей среды. Представляют

интерес технологии, которые позволяют в процессе очистки этих

отходов получать минеральные вещества, используемые в

химической промышленности, а также применять их для

производства минеральных удобрений.

168

Таблица 9.2 - Потенциал растительной сельскохозяйственной

биомассы в Украине

№

п/п

Области Биомасса

зерно-

бобовых

культур,

тыс МВт·ч/

год

Биомасса

подсолнуха,

тыс МВт·

ч/год

Растительные

отходы

кукурузы, тыс

МВт· ч/год

Растительные

отходы овощей

открытого и

закрытого

грунта, тыс МВт·

ч/год

Винницкая 2400 1197 2780 440

Волынская 200 0 170 200

Днепропетровская 1040 6232 5940 820

Донецкая 360 5244 3330 1060

Житомирская 470 3 320 300

Закарпатская 70 23 710 210

Запорожская 660 5720 3180 580

Ивано-Франк. 150 0 360 190

Киевская 1140 88 1530 910

Кировоградская 950 4346 3580 310

Луганская 820 4320 2090 570

Львовская 270 0 270 310

Николаевская 740 3598 1470 490

Одесская 1160 4484 3560 850

Полтавская 1830 2843 3660 500

Ровенская 200 0 310 230

Сумская 1120 488 1290 330

Тернопольская 1110 0 670 240

169

Харьковская 1210 4466 2990 580

Херсонская 570 2260 2300 700

Хмельницкая 1480 6 2490 330

Черкасская 1740 1466 3550 600

Черновицкая 290 7 1490 230

Черниговская 700 71 950 360

АР Крым 130 1102 960 730

Всего 21110 47964 49950 12070

Теплотворная способность сжигания 1 т сухого вещества

соломы эквивалентна 415 кг сырой нефти, теплотворность 1 кг

пшеничной соломы и сухих кукурузных стеблей равна 15,5

МДж, соевой соломы - 14,9 , рисовой шелухи - 14,3,

подсолнечной лузги - 17, 2 МДж. По этому показателю

растительные отходы полеводства приближаются к дровам -

14,6-15,9 МДж/кг и превосходят бурый уголь - 12,5 МДж/кг.

Получение промышленного биогаза растительного и

животного происхождения возможно за счет их сбраживания

(метанового брожения) с получением метана и обеззараженных

органических удобрений. Теплотворная способность 1 куб. м

биогаза, состоящего из 50-80% метана и 20-50% углекислого

газа, равна 10-24 МДж и эквивалентна 0,7-0,8 кг условного

топлива.

9.2 Пиролиз (сухая перегонка)

Под пиролизом подразумеваются любые процессы, при

которых органическое сырье подвергают нагреву или

частичному сжиганию для получения производных топлив или

химических соединений. Изначальным сырьем могут служить

древесина, отходы биомассы, городской мусор и конечно уголь.

Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде

смол и масел, твердые остатки в виде древесного угля и золы.

Газификация – это пиролиз, приспособленный для

максимального получения производного газообразного топлива.

Устройства для частичного сжигания биомассы, проектируемые

в расчете на получение максимального выхода газов,

170