Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в Республике Беларусь

С помощью биохимического способа энергию получают из осадков сточных вод, городских отходов и твердых отходов жизнедеятельности животных. Для переработки отходов сельскохозяйственного производства и, прежде всего, навоза и навозных стоков животноводческих предприятий, особенно актуален анаэробный процесс. 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 оказываются практически обезвреженными семена сорняков и в значительной степени ликвидируются болезнетворные микроорганизмы. Третий выигрыш заключается в том, что 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 улучшается, т. к. потери основных питательных веществ (N, Р, К) невелики. Переработка навоза осуществляется в биогазовых установках (БГУ). Например, в Беларуси уже 30 лет назад существовала такая установка на станции аэрации в г. Минске в микрорайоне Шабаны. Принципы, лежащие в основе работы биогазовых установок, очень просты. Органические отходы разлагаются в закрытых реакторах под воздействием метаногенных бактерий, образуя метан, используемый для приготовления пищи и освещения. При этом в качестве ценного побочного продукта получают удобрение. Существует три режима брожения — психрофильный (Т = 15...25 °С), мезофильный (Т = 30...40 °С) и термофильный (Т = 45...55 °С). В процессе анаэробного брожения степень разложения органического вещества навоза не превышает 47 %. Удельный расход энергии на получение 1м³ биогаза для термофильного режима равен 5,5 кВт∙ч, что в 1,5 раза превышает энергозатраты для мезофильного режима (3,7 кВт∙ч/м³).

Упрощенная  схема БГУ приведена на рис. 3

Рис. 3. Упрощенная схема БГУ: 1 — сборник сырья;

2 —  мешалка-гомогенизатор; 3 — теплообменник-утилизатор; 4 — метантенк; 5 — мешалка; 6 — теплообменник-подогреватель; 7 — газгольдер; 8 — водогрейный котел; 9 — навозохранилище.

При использовании теплообменника с  коэффициентом утилизации теплоты  в пределах от 0,3 до 0,5 энергозатраты  для термофильного режима можно  уменьшить до уровня мезофильного. При этом время обработки навозных стоков при термофильном режиме — 5...8 суток, а при мезофильном - до 20 суток, так как метантенк для работы в термофильном режиме имеет меньший объем. Он менее материалоёмкий, его проще теплоизолировать и механизировать. Для выработки высокого качества биогаза применяют биоэнергетические установки с дополненными элементами очистки получаемого биогаза от углекислого газа и соединений серы до состояния практически чистого метана. Биогаз с успехом можно получать в метантенке БГУ путем анаэробного разложения фитомассы. В качестве исходного сырья здесь может использоваться льнокостра, древесные опилки, соломенная резка и другие отходы растениеводства, а также масса специально выращенных растений или водорослей. Основная причина, сдерживающая широкое внедрение БГУ на животноводческих фермах и комплексах нашей республики, — 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 быстрое и эффективное разложение органических соединений в этом процессе. Термохимические способы предусматривают применение процессов пиролиза и газификации, а также прямого сжигания. Эффективным процессом энергетического использования растений, является пиролиз, при котором органическое вещество нагревают до 500 °С и в качестве конечного продукта получают жидкое или газообразное топливо. Продукты пиролиза, как энергоносители, более универсальны и экологичны, чем исходный материал. При агрохимическом способе происходит экстракция топлива. В табл. 1 приводится перечень видов топлива, получаемых в результате переработки биомассы.

Таблица1. Упрощенная сводка данных о процессах, продуктах и потребителях продукции, получаемой в результате биологического преобразования под воздействием солнечных лучей.

Между перечисленными процессами существуют многочисленные взаимные связи. Новый подход в развитии сельского хозяйства характеризуется минимальным уровнем потерь энергетических и минеральных ресурсов, сокращением потребления химических удобрений и пестицидов, гораздо большим разнообразием выращиваемых культур, использованием аквакультуры и, самое важное, применением биотехнологии в масштабах домашнего хозяйства, деревни и целой отрасли промышленности. Таким образом, утилизация сельскохозяйственных отходов с помощью процессов ферментации или биологического преобразования, не требующих использования топлива, может способствовать более полному удовлетворению потребностей в энергии.

2.3 Фотосинтез на службе энергетики

Фотосинтез —  древнейшая и наиболее известная  биохимическая реакции на планете. Нынешний интерес к овладению  фотосинтезом для нужд прогресса  и развития является существенным показателем давления — экономического, экологического, энергетического, технологического. В результате фотосинтеза растения ежегодно ассимилируют приблизительно 2∙10¹¹ т (тонн) углерода с энергосодержанием 3∙10²¹ Дж, что в 10 раз больше годового потребления энергии в мире и в 200 раз больше того количества энергии, которое содержится в используемых человечеством за год продуктах питания. Фотосинтез — это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез является ключевым процессом жизни на Земле. Можно упрощенно представить его следующим образом:

                              растения

Н₂О + СО₂   ____________________ органические вещества + О₂

                    солнечная энергия

Растения  являются средоточием двух реакций, от которых зависит жизнь на Земле: расщепления воды видимым светом на кислород и водород и ассимиляция  С0₂ в органические соединения. Растения отличает очень высокая приспособляемость и огромное разнообразие видов; поэтому они неопределенно долго на возобновляемой основе могут снабжать нас продовольствием, волокном, топливом и химическими продуктами. В настоящее время многие лаборатории изучают принципиальную возможность выращивать и использовать растения для выработки энергии. В первую очередь речь идет о таких сельскохозяйственных культурах, как сахарная свекла. При использовании сахарной свеклы для получения этанола на топливо его выход составляет около 79 кг с 1 т свеклы. Энергосодержание этанола около 34 МДж/кг. При урожайности сахарной свеклы около 500 ц/га можно получить до 4 т этанола. Эквивалентный выход энергии с 1 га пашни составит около 135 ГДж/га. Наиболее значимым возобновляемым энергетическим ресурсом, как разновидностью фитомассы, является древесина. Ее сжигание — традиционный для сельской местности способ получения тепловой энергии. Как вид топлива она имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, древесина — "чистое" топливо (серы менее 0,02 %, азота — около 0,12 %, что обуславливает низкий уровень содержания в продуктах сгорания сернистых и азотистых соединений). Зольность древесины составляет 0,5±0,1 % сухого вещества. В коре деревьев содержится 3±2 % золы, в листьях около 6 %. Древесная зола — хорошее минеральное удобрение. Теплота сгорания древесины зависит как от ее сорта (сосна, береза, ива и др.), так и от влажности.

QA= - 0,196σ + 19,7,

где Q_д — удельная теплота сгорания древесины, МДж/кг; σ — относительная влажность, % [7]. Сразу после заготовки древесины ее влажность составляет около 50 %. При этом Q_д = 8... 12 МДж/кг. В процессе хранения под навесом или в хорошо проветриваемом сарае в течении года влажность древесины снижается до 20...25 %, что обеспечивает повышение удельной теплоты сгорания до 10... 15 МДж/кг. Коэффициент полезного действия современных котлов для сжигания древесины находится в пределах от 80 % (при сжигании опилок, щепы и других отходов) до 90 % и выше при сжигании древесных чурок и брикетов. Для сравнения — у газовых котлов КПД равен 90...95 %, а при наличии теплоутилизатора — до 98 %. В Беларуси изучается финский опыт, где в 2004 г. на древесной щепе работали 485 котельных и ТЭЦ. В общем энергетическом балансе Финляндии древесина составила 20 %. Наша страна обладает большими запасами леса — около 40 % территории. Наряду с этим здесь требуется решить целый ряд проблем, таких как заготовка, транспортирование, хранение и подготовка к использованию древесных материалов в виде топлива. Альтернативными традиционному топливу из нефти могут стать биодизельное топливо и этанол. Наша республика имеет хорошие возможности для освоения и широкого использования технологий производства этих энергоносителей. Общий потенциал производства биодизельного топлива и этанола на топливо оценивается в 1 млн. т у. т. в год, а при активном инвестировании и внедрении данного направления к 2010 г. объем замещения традиционных видов топлива может составить около 20 тыс. т у. т. в год [10]. В качестве исходного материала для получения биодизельного топлива хорошо подходит рапсовое масло. При его дальнейшей переработке можно получать с 1 га пашни около 1 т топлива, что при удельном энергосодержании 39...40 МДж/кг будет соответствовать выходу энергии около 39 ГДж/га. Главный недостаток процесса фотосинтеза — низкий КПД преобразования энергии солнечного излучения, всего 1—2%. Другими словами, при урожайности пшеницы, например, 4 т/га каждый гектар посевов должен получить дозу солнечного излучения с энергией около 19 ТДж. Эта величина сравнима с суточной выработкой не очень большой электростанции. Поэтому широкое использование фотосинтеза для выработки энергии потребует огромных площадей земельных угодий. Кроме солнечного излучения, на КПД фотосинтеза влияет температура воздуха, осадки, поступление питательных веществ (особенно, азота), наличие «сточных колодцев» для продуктов фотосинтеза. Весьма важно знать, как действуют эти факторы в отдельности, однако гораздо более важно, попытаться понять, как они взаимодействуют между собой. Следует подчеркнуть, что фотосинтез является важнейшим процессом в живом мире и это положение сохранится, пока продолжается жизнь на Земле. Создавая систему переработки фитомассы, Беларусь, страна с умеренным климатом, может помочь себе, достигнув большего самообеспечения. И так, в процессе переработки фитомассы можно получать горючие газы, масла, древесный уголь. Здесь можно использовать пиролиз, который реализуется путем нагревания фитомассы без доступа воздуха либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе кислорода. Таким образом, задача нашей страны в области фотосинтеза состоит в том, чтобы попытаться путем селекции отобрать такие растения, которые будут давать наиболее высокие урожаи при приемлемых энергетических КПД. Необходимо сосредоточить гораздо больше усилий на изучении физиологии и биохимии растений и их взаимодействия с окружающей средой. Исследованиям такого рода оказывают все большую финансовую поддержку как промышленные, так и правительственные организации, считающие, что системы, основанные на использовании биомассы, имеют хорошие перспективы.

2.4 Время и место получать энергию из когенерационных установок

Когенерационные установки на базе газовых двигателей - наиболее эффективный путь производства тепла и электроэнергии. Это подтверждает их промышленная эксплуатация в течение нескольких десятилетий в странах западной Европы и более чем четырехлетний опыт эксплуатации мини-ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) в Беларуси. Среди объективных преимуществ этой технологии в первую очередь выделяются:

• высокая топливная эффективность (коэффициент использования топлива мини-ТЭЦ достигает 90%, себестоимость электроэнергии для потребителя до 3 евроцентов за 1 кВт∙ч, при цене природного газа 120 за 1000 м куб.).
• комбинированная выработка тепловой и электрической энергии плюс выработка холода, например, для кондиционирования;
• высокая мобильность, быстрый выход на номинальную мощность (несколько минут), адаптивность, то есть приспособление к изменению нагрузок.

Когенерационные распределенные энергоисточники фактически оказываются единственными в своем роде, дающими возможность энергетикам успевать за требованиями динамично растущего городского хозяйства. Мини-ТЭЦ состоит из ряда энергоустановок небольшой мощности, это позволяет осуществлять этапные закупки, разбивая строительство на пусковые комплексы и эффективно распределяя во времени инвестиционные потоки. Потребители высоко оценят и такие преимущества когенерационных установок, как компактность, экологичность и бесшумность. Они могут быть расположены на тех же площадях, что и традиционные котельные, которые в любом случае используются для обеспечения отопления зданий. Что касается качественных показателей, то имеется возможность создания островных изолированных систем с генерацией энергии с более высокими показателями по частоте и напряжению для особо ответственных потребителей. Это позволяет построить систему повышенного качества энергоснабжения. С 2007 года открыт и действует Республиканский сервисный и диспетчерский центр газовых двигателей GE Jenbacher в городе Минске. Начато создание региональных сервисных филиалов в областных городах – первый уже открыт в Гродно, готовится открытие второго в Гомеле. Построение собственной малой энергосистемы ничем не отличается от систем «большой» энергетики, при этом требует меньших инвестиций, позволяет рационально распределять инвестиционные затраты во времени, имеет высокую ритмичность строительства. Применение когенерационных установок в некоторых случаях может принести рекордный эффект, особенно в государственном масштабе. При этом раздельный график производства тепловой и электрической энергий замещается более эффективным комбинированным - это наиболее часто встречающийся случай в распределенной энергетике Беларуси. В качестве топлива для установок используются возобновляемые или вторичные энергетические ресурсы, такие как попутный газ, биогаз, свалочный газ, газ, получаемый в процессе газификации биомассы, специальные технологические газы, выделяемые на нефтехимических и металлургических производствах. Названные достоинства когенерационных установок ставят их вне конкуренции для вновь вводимых объектов с потребностью в обеспечении электричеством и теплом. Реализация инвестиционного проекта по внедрению мини-ТЭЦ может иметь эффект финансового рычага для выведения предприятия-потребителя энергии на совершенно новый уровень хозяйствования. Здесь вполне вероятен мультипликативный эффект, характерный для энергоемких производств с высокой энергетической составляющей в себестоимости продукции. В этом случае экономический эффект от реализации инвестиционного проекта по созданию собственного энергоисточника – своего рода трамплин для масштабного скачка, который предприятие сделает в результате ощутимого снижения себестоимости продукции, изменения ценовой политики, выхода на новые рынки сбыта, улучшения сальдо торгового баланса в пользу экспорта, повышения качества продукции и качества жизни работников.