Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Волновая энергетическая установка

Волновая энергетическая установка представляет собой укреплен­ную в донном грунте стойку, на которой шарнирно закреплен двуплеч — ный рычаг (рис. 5.4). На одном конце рычага находится поплавок, а другой связан с поршнем водяного насоса. Колебания поплавка вызы­вают движение поршня водяного насоса, нагнетающего по трубопро­воду воду в накопитель. Из него вода под действием силы тяжести стекает вниз, вращая лопасти турбины гидрогенератора. Последний вырабатывает электрический ток.

Главный плюс изобретения заключается в том, что у него нет ахиллесовой пяты большинства современных волновых установок. Обычно устройства генерируют энергию непосредственно в море, а на берег доставляют ее с помощью кабеля.

Рис. 5.4. Волновая энергетическая установка

Подпись: Рис. 5.4. Волновая энергетическая установка В итоге снижается себестоимость уста­новки, облегчаются монтаж и эксплуата­ция. В конструкции предусмотрена штор­мовая защита. Изобретение запатентовано и получило свидетельство № 2006121511 (023345) «Волновая энергетическая уста­новка». Создана действующая модель уста­новки. Таким образом, российский изобре­татель Антон Кирюнин предложил новый

метод использования энергии морских волн. Изобретатель руковод­ствовался принципами ТРИЗа — классической теории решения изо­бретательских задач, разработанной «отцом» советских изобретателей Генрихом Альтшуллером (http://aenergy. ru/1216).

Новая волновая установка может работать не только в прибреж­ных водах морей и океанов, но и на речных магистралях. По пред­варительным расчетам, оптимальная мощность одного энергомодуля будет составлять порядка 10 кВт при КПД 25%. Себестоимость 1 кВт-ч, вырабатываемого волновой установкой, сравнима с себестоимостью

1 кВт-ч, вырабатываемого ветряками.

Промышленная технология сжигания

Биомасса обычно используется в промышленности в качестве топлива только в тех случаях, когда она представляет собой остатки от переработки биологических материалов другие, более ценные, про­дукты. Это имеет частичное значение с точки зрения охраны окру­жающей среды, так как удаление остатков является часто затрудни­тельным.

Два вида топлива биологического происхождения уже использу­ются в промышленности, и методы сжигания их являются докумен­тально обоснованными:

♦ солома, получаемая в сельском хозяйстве:

♦ древесные отходы деревообрабатывающей промышленности.

Ниже дается некоторые комментарии по используемой технологии.

Сжигание соломы на фермах практикуется в некоторых районах,

а печи для сжигания соломы производятся в Дании в широком мас­штабе. Однако, по крайней мере, в Великобритании, после закупки в 70-х годах тысяч небольших бойлеров интерес к последним упал, и, по имеющимся данным, в настоящее время используется менее поло­вины закупленного оборудования.

Причина тому, по-видимому, неудобство работы с этим оборудо­ванием, сгорание неустойчивое и неэффективное, а дым и сажа вызы­вают загрязнение окружающей среды. Выход тепла был ниже, чем это было гарантировано производителем. Появились усовершенствован­ные варианты с непрерывным сжиганием и разделением печи и брой­лера (для повышения полноты сгорания), однако эти устройства стали более дорогостоящими, и они вышли из употребления.

Отрасли деревообрабатывающей промышленности используют древесные остатки для парообразования на месте производства. Пар используется для поддержания температурных условий процесса и для выработки электроэнергии. Горячие продукты сгорания могут использоваться для сушки.

Общие отходы деревообрабатывающей промышленности могут составлять до 50% от массы сырья. Содержание влаги в отходах состав­ляет 30—50%. Паровые установки, использующие эти отходы, сжигают до 250 т/ч. Используется несколько типов бойлеров и печей — напри­мер, датские печи, печи с механической загрузкой, печи с наклонной решеткой.

Сжигается как влажная (до 30% влаги), так и сухая древесина. Эффективность может быть такой же высокой, как и при сжигании других видов твердого топлива. Однако оборудование для сжигания часто включает высокоэффективные газовые и масляные установки (на случай отсутствия отходов).

Сжигание широко используется в целях утилизации городских и промышленных отходов. Несмотря на существование множества проектов по использованию полученного тепла для обогрева жилых домов, в большинстве случаев это тепло не используется. Стоимость сжигания может быть неожиданно высокой, но здесь первостепенное значение имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для неко­торых отходов сжигания является единственно приемлемым спосо­бом их утилизации.

Перспективы развития

Однако в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. Поэтому геотер­мальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80 °С, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с этим ожидается, что в странах со значитель­ным геотермальным потенциалом, в первую очередь в США, мощ­ность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

Hot-Dry-Rock технология. Еще более впечатляет появившаяся несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской ком­панией Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строи­тельства ГеоТЭС — так называемая технология Hot-Dry-Rock, суще­ственно повышающая эффективность преобразования энергии гео­термальных вод в электроэнергию. Суть этой технологии заключается в следующем.

До самого последнего времени в термоэнергетике незыблемым счи­тался главный принцип работы всех геотермальных станций, заклю­чающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого прин­ципа и решили сами создать подходящий «гейзер».

Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолиро­ванность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру.

По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270 °С, и поэтому если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расши­рять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной сква­жине будет подниматься на поверхность.

После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, и цикл, таким образом, повторится.

Принципиальная схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd., приведена нарис. 6.1.

Безусловно, реализовать эту технологию можно не в любом месте, а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до тем­пературы не менее 250—270 °С. При применении такой технологии ключевую роль играет температура, понижение которой на 50 °С по оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.

image404

Рис. 6.1. Схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd

Для подтверждения прогнозов специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и полу­чили доказательство того, что на этой глубине температура достигает искомых 270—300 °С. В настоящее время проводятся работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем сто­имость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветряной энер­гии и в 8—10 раз дешевле солнечной.

Гидролиз и ферментация

Сахара биомассы

Все виды растительной биомассы содержат моно и полисахариды, служащие как для аккумулирования энергии и углерода, так и в каче­стве структурного компонента. Хотя простые сахара встречаются в соке всех растений, только экстрагирование их из сахарного трост­ника и сахарной свеклы носит промышленный характер.

Тем не менее, эти растения являются основным источником произ­водства сахара в мире. Полимерные сахара являются основными ком­понентами растительной биомассы и служат главными продуктами питания человека, животных, используются в качестве материалов для строительства, производства одежды, а также в целом ряде других отраслей экономики.

Углеводы можно экстрагировать из сырой биомассы путем исполь­зования целого ряда химических и механических методов от приме­нения простого давления при переработке сахарного тростника до химического экстрагирования с высокими затратами энергии и суль­фатной варки древесины. В табл. 7.1 представлены некоторые виды сахаров (мономеры, олигомеры и полимеры), полученные из различ­ных видов растений и отходов биомасс.

Углеводы и источники их получения Таблица 7.1

Источник

Углевод

Моносахариды и олигосахариды

Сахарный тростник и сахарная свекла

Сахароза

Меласса

Сахароза, глюкоза, фруктоза

Отходы молочной промышленности

Лактоза, галактоза

Сорго сахарное

Сахароза, глюкоза

Полисахариды

Древесные и пожнивные остатки

Целлюлоза, гемицеллюлоза

Городские и бумажные отходы

Целлюлоза

Кукуруза и другие зерновые

Крахмал

Маниок и картофель

Крахмал

Выход углеводов колеблется в широком диапазоне (в расчете на сухую биомассу) и может составлять до 60% (целлюлоза) в древесине и около 15—20% (сахароза) в сахарном тростнике и сахарной свекле.

КПД тепловых насосов

Тепловой насос способен, используя высокопотенциальные источ­ники энергии, «накачать» в помещение от 200 % до 600 % низкопотен — циальной тепловой энергии. В этом нет нарушения закон сохранения энергии.

Поэтому применение тепловых насосов для обогрева помещений гораздо эффективнее газовых котлов. Современные газотурбинные установки на электростанциях имеют КПД, существенно превышающий КПД газовых котлов. В результате при переходе электроэнергетики на современное оборудование и при применении тепловых насосов можно получить экономию газа до 10 раз в сравнении с газовыми котлами.

Производство метанола

Производиться метанол может из углекислоты или любого орга­нического вещества: уголь, древесина, сельскохозяйственные отходы и т. п. Но наиболее простой метод заключается в получении метанола из природного (сетевого) газа. Одновременная подача углекислоты и природного газа снижает расход природного газа и значительно повы­шает выход метанола.

Возможно изготовление комбинированной метанольно-углекис — лотной установки. В этом случае эти производства дополняют друг друга: на метанольную установку подается углекислота от производ­ства С02, а сбрасываемый с метанольной установки отходящий горю­чий газ подается для сжигания в углекислотный процесс.

Основными действующими веществами в превращении природ­ного газа в метанол являются катализаторы.

Упрощенно, технология получения метанола заключается в про­пускании природного газа через фильтр для очистки газа от катали — заторных ядов, затем превращение очищенного природного газа на катализаторе в другой вид газа, а затем на выходе из следующего ката­лизатора получение готовой продукции.

Также как и при получении самогона необходимы:

♦ вода, для охлаждения змеевика;

♦ электросеть, для работы небольшого компрессора.

image454Внимание.

Какие-либо утечки газа, запахи и испарения при производстве мета­нола абсолютно исключаются и, поскольку процесс связан с получе­нием горючей, токсичной жидкости, работу необходимо проводить

в нежилом проветриваемом помещении, с соблюдением всех правил пожарной и санитарной безопасности.

Производительность аппарата (литр/час) зависит от массы пода­ваемого на переработку сырья и объема участвующих в процессе ката­лизаторов. Выход метанола составляет 0,6—0,7 л из 1 м3 природного газа. При повышенных требованиях к чистоте метанола его очистку от влаги и примесей можно выполнять пропусканием продукта через дополнительный фильтр.

Размеры установки зависят от ее производительности, при полу­чении метанола в количестве 1—2 канистр в сутки, установку вполне можно разместить на столе.

Установка не требует дефицитных деталей, материалов и каких-то особых знаний, изготовить ее можно в любом гараже. .

Использование метанола собственного производства в качестве горючего, является самым недорогим вариантом заправки двигателей внутреннего сгорания. С целью наибольшей оптимизации процесса сгорания топлива возможна установка дополнительных устройств в топливной системе ДВС устройства смесеобразования и гомогениза­ции топливной смеси, газогенерация метанола и т. п.

В тех случаях, когда токсичность метанола вызывает насторожен­ность в обращении с ним, возможно использование в качестве авто­мобильного горючего этанола (этилового спирта), получаемого также из природного газа. Этанол сохраняет преимущества метанола для двигателя, но стоимость получения этанола и оборудования для его производства в два раза выше, чем при производстве метанола.

Из органических веществ возможно получение синтетического бензина. Получаться бензин может также и из природного газа в результате каталитических реакций. Октановое число получаемого бензина — до 95 единиц. При использовании синтетического бензина вносить какие-либо изменения в топливную систему автомобиля не требуется. Качество работы двигателя не ухудшается, а износ двига­теля не увеличивается. Но процесс получения бензина и сама уста­новка для получения бензина сложнее и дороже, чем при получении метанола. Выход бензина составляет 0,3 л из 1 м3 природного газа.

Выбор используемого вида горючего находится исключительно за владельцем автомобиля.

Электростанция-поплавок

Московские ученые из компании «Прикладные технологии» пред­ставили новую разработку — электростанцию-поплавок. В ней пред­усмотрен специальный колебательный механизм, который действует согласованно с морским волнением и эффективно преобразует энер­гию волн в электричество. Его принцип производства электричества из энергии волн более эффективен по сравнению с существующими аналогами (http://aenergy. ru/1628).

Само устройство (рис. 5.5) представляет собой капсулу-поплавок, плавающую на поверхности воды. Его, можно располагать как вблизи от берега, так и вдали от него. Капсулу необходимо либо привязывать к стационарному объекту, либо можно установить множество капсул, которые будут связаны между собой. В последнем случае их общая мощность может достигать нескольких десятков мегаватт.

image366Поплавковые электростанции можно использовать для обеспечения энергией прибрежных и островных поселений, плавучих заводов, морских нефтяных вышек. По оценкам разра­ботчиков, стоимость электроэнергии при этом будет составлять не более

2 руб. за кВт-ч, а капитальные затраты на сооружение электростанций оку­пятся за 2 года при общем сроке службы в десятки лет.

В России поплавковые электростан­ции были бы наиболее перспективны Рис. 5.5.Электростанция-поплавок
в незамерзающих акваториях Баренцева моря, в качестве региональ­ного или сезонного источника энергии — на Черном, Каспийском и Дальневосточных морях.

Газогенераторная установка

Газогенераторная установка (сжигатель, рис. 7.1), производит газ и тепловую энергию из отходов деревообработки (древесная щепа, опилки, обрезки, стружки и горбыль и т. д.), и прочих отходов био­массы (лузга подсолнечника, солома, некондиция семян растений).

Газогенераторная установка решает одновременно две задачи:

♦ утилизация отходов;

♦ очень дешевое теплообеспечение.

image431

Рис. 7.1. Внешний вид газогенераторной установки

Сжигатель комплектуется бункером и автоматизированной шне­ковой подачей топлива, благодаря которой, повышается комфорт обслуживания и длительность одноразовой загрузки до 5 суток.

Газогенераторная установка разработана для котлов марки «КЭС». Также газогенератор можно применить в существующие котельные для других котлов отечественного или импортного производства с чугунным или металлическим теплообменником.

Схемы геотермальных энергоустановок

image406Способы получения энергии на ГеоТЭС Определение.

Геотермальная электростанция (ГеоЭС)— вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

♦ прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединей — ные с электрогенераторами;

♦ непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

♦ смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденса­ции из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

Гидролиз

Перед ферментацией олигосахариды и полисахариды обычно сле­дует гидролизовать до моносахаридов в отдельном реакторе.

Гидролизуемость материалов (легкость с которой происходит гидролиз) в значительной степени варьирует. Крахмал и пентозаны (гемицеллюлозы) требуют относительно мягких условий. При их гидролизе используют разбавленные кислоты и невысокие темпера­туры; гидролиз целлюлозы происходит при более высоких темпера­турах, с использованием более сильных кислот и реакторов под дав­лением.

Все полисахариды также разлагаются до некоторой степени под действием ферментов. Крахмал гидролизуется относительно легко под действием как кислоты, так и ферментов, в то время как целлю­лоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения

связанного лигнина перед тем, как она будет повреждена фермента­тивному гидролизу.

Скорость гидролиза целлюлозы при участии ферментов низкая. Наиболее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованой рас­тительной биомассе — это глюкоза, фруктоза и ксилоза.

Практически все природные сахара имеет в своей основе пять (пентоза) или шесть (гексоза) атомных углеродных групп. Технология гидролиза крахмала является хорошо обоснованной. Обычным про­мышленным сырьем являются кукуруза и другие зерновые, а также картофель, переработка которых проходит в одну или две стадии (двойная кислота Кислота/фермент или двойной фермент).

Крахмал растворяется при нагревании в воде, что вызывает «раз­жижение» полисахаридов с расщеплением полимерных цепей кисло­той или альфа амилазой. Гидролиз до моносахаров (сахарификация) осуществляется снова кислотой или амилоглюкозидазой.

Продуктивность ферментативного процесса является низкой по сравнению с химическими методами, и для осуществления максималь­ной сахарификации необходимо не менее трех дней. Хотя в прошлом специфичность реакции была хуже для кислого гидролиза, ферменти­руемые сахара получают теперь в пределах минут, а не часов, и сейчас фактически возможно получение большого выхода моносахаридов.

В настоящее время промышленный гидролиз целлюлозы в странах свободного рынка не осуществляется, так как разработанные ранее тех­нологии, такие, как процессы Сколлера и Мэдисона, по имеющимся дан­ным, являются неэкономичными. В настоящее время в литературе поя­вились описания усовершенствованных процессов кислого гидролиза целлюлозы, а также новейших ферментативных процессов, включающих многофазовые реакции при различных температурах, предварительную обработку целлюлозы и использование новых видов ферментов.