Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Ограничения применимости тепловых насосов

При слишком большой разнице между температурой на улице и в доме, тепловой насос теряет эффективность (предел применимости в системах отопления домов за счет откачки тепла от наружного воз­духа — около -15…-20 °С). Для решения этой проблемы применя­ются системы откачки тепла из грунта либо грунтовых вод. Для этого в грунте ниже точки промерзания укладываются трубы, в которых циркулирует теплоноситель, либо (в случае обильных грунтовых вод) через тейлонасосное оборудование прокачиваются грунтовые воды.

Переработка автомобильных шин

Идет непрерывное накопление изношенных шин, в основном с металлокордом, а перерабатывается всего лишь около 20% от их числа. Изношенные шины представляют собой самую крупнотоннажную продукцию полимеросодержащих отходов, практически не подвер­женных природному разложению. Поэтому переработка и вторичное использование вышедших из эксплуатации шин имеют важное эконо­мическое и экологическое значение (www. mazut. net).

Шины и пластмассы представляют собой ценное полимерное сырье: в 1 т шин содержится около 700 кг резины, которая может быть повторно использована для производства топлива, резинотехнических изделий и материалов строительного назначения. В то же время, если сжечь 1 тонну изношенных шин, то в атмосферу выделяется 270 кг сажи и 450 кг токсичных газов.

Производство состоит из участков:

♦ склад сырья (изношенные автопокрышки и пластмасс);

♦ участок подготовки сырья (разделка шин на куски);

♦ участок переработки автопокрышек и пластмасс;

♦ склады готовой продукции: склад жидкого топлива, склад тех­нического углерода, участок складирования металлолома (ме — таллокорд).

Исходное сырье собирается и свозится автотранспортом на склад сырья. Далее авторезина осматривается на предмет наличия в ней металлических дисков, колец и направляется на разделку. После раз­делки измельченное сырье подается в приемный бункер реактора.

Сырье в реакторе подвергается разложению при температуре при­мерно 450 °С, в процессе которого получаются полупродукты: газ, жидкотопливная фракция, углеродсодержащий остаток и метал — локорд. Газ частично возвращается в топку реактора для поддержа­ния процесса. Оставшаяся часть газа выбрасывается через трубу (по

внешнему виду и количеству газа на выходе сравнима с выхлопами грузовика).

Углеродсодержащий остаток после гашения и охлаждения подвер­гается магнитной сепарации (или просеивается через сито) с целью отделения проволоки металлокорда.

Через загрузочный бункер (рис. 7.10) в основную колонну загру­жаются нарезанные автошины. Затем поджигаются в нижней части колонны. При этом загрузочный бункер и отсек выгрузки закрыты.

Вся резина прогревается, но не горит (за исключением нижней части, которая тлеет). С помощью дымососа углеводородные фрак­ции, выделяемые при нагреве резины, высасываются дымососом из основной колонны через циклон с сепаратором, колонну 1 и колонну 2. В колоннах 1 и 2 углеводородные фракции охлаждаются и конденсиру­ются, превращаясь в жидкое пиролизное топливо. Те фракции, кото­рые не конденсировались, в качестве газа направляются частично в основную колонну, а частично на выброс. Вода для охлаждения явля­ется оборотной и используется повторно.

Газ для поддержания процесса, около 50%

image458

Волновая электростанция

Энергия морских волн в природе представлена в наиболее скон­центрированном виде. Среднегодовые показатели энергии на один метр волнового фронта Северного моря составляет 90 кВт, а Черного моря — 40 кВт.

Волновая станция (рис. 5.7) обладает следующими преимуществами:

♦ содержит гибкую энергопоглащающую систему, которая непре­рывно изменят свои параметры под воздействием набегающих морских волн широкого диапазона длин и амплитуд, что опреде­ляет КПД станции до 80%;

image370имеетнизкийуровеньудель- ных капитальных затрат —

2500—3500$ на 1 кВт/час производительности, что ниже этого показателя для существующих волновых электростанций;

♦ имеет низкую себестои­мость производимой элек­троэнергии— 0,005$ за Рис. 5.7. Волновая электростанция

один кВт/час;

♦ представляет собой модульную конструкцию и может проекти­роваться требуемой производительности;

♦ производительность одного модуля, лежит в пределах от 0,1 МВт до 1 МВт, и зависит от энергетического потенциала акватории и размеров модуля;

♦ станция имеет высокую стойкость в штормующем море, что обе­спечивается проницаемостью конструкции для морских волн и ее способностью погружаться на необходимую глубину;

♦ станция мобильна и может быть отбуксирована в любой участок акватории.

Для постановки волновых станций такого типа на производство на сегодняшний день по заданию и при участии НПФ «Крок-1» про­ведены следующие работы (http://energetika. biz. ua/):

♦ изготовлен и испытан макет станции в масштабе 1:10;

♦ испытания проводились в волновом бассейне института гидро­механики НАН Украины и в натурных условиях Киевского во­дохранилища.

Применение газогенераторов

В настоящее время для теплоснабжения зданий и сооружений, получе­ния горячей воды для технологических нужд, получения пара и горячего воздуха для различных технологических процессов применяются водо­грейные котлы, паровые котлы и теплогенераторы, в основном использу­ющие дорогостоящие электроэнергию, каменный уголь, нефтепродукты и природный газ. В то же время имеются значительные запасы топливосо­держащих бросовых материалов и низкокачественного топлива (отходы лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного, сельско­хозяйственного и других производств, торф, сланцы, бытовые отходы).

Газогенераторы позволяют утилизировать многие из указанных материалов, которые до сих пор используются в несущественных объемах. Их хозяйское, рациональное применение может приве­сти к весьма значительной экономии угля, электроэнергии, жидкого топлива, природного газа.

Широкое внедрение газогенераторов позволяет одновременно содействовать разрешению и не менее важной задачи экологического плана — очистке значительной территорий от указанных отходов.

И

Примечание.

Газогенераторы могут работать с различным отопительным обо­рудованием. При этом они должны соответствовать друг другу по мощности (±30%).

При выборе типоразмера газогенератора для системы отопления можно исходить из следующих норм:

♦ для отопления помещений с высотой потолков до 3 м на каждые Юм2 требуется 1 кВт тепловой мощности газогенератора;

♦ для отопления более высоких помещений на 100 м2 требуется 4—5 кВт тепловой мощности газогенератора.

Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки

Турбокомпрессорные геотермальные установки могут работать по закрытому и открытому циклам, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

В установках закрытого цикла газовая составляющая парогазового потока циркулирует по закрытому контуру. Поэтому при ее выборе руководствуются максимальной термодинамической эффективно­стью цикла.

В установках открытого цикла парогазовый поток непрерывно выбрасывается в атмосферу. Поэтому в качестве газовой составляю­щей здесь используется только воздух.

Перегонка

Цель начального этапа перегонки — отделение жидкости от твер­дых частиц в сбраживаемой массе. Фракционирование дистиллята дает раствор, содержащий 50—70% спирта, а при последующих (водных) перегонках концентрация спйрга может быть 90—94%.

Более высокие концентрации обычно невозможны вследствие образования азеотропной смеси спирт+вода при концентрации эта­нола около 95%. Таким образом, в последующих перегонках исполь­зуют азеотропообразователь (например, бензол, циклогексан) с полу­чением 99,9%-ного этанола.

Древесина

Перегонка из куба

Лигнин и растворимые в воде вещества

Рис. 7.7. Превращение древесины в спирт

image445

Кроме спирта, процессы брожения и перегонки дает остатки и стоки, которые следует удалять. Остаток от перегонки имеет высокую способность к поглощению кислорода вследствие наличия несбро — женных сахаров и других компонентов биомассы. Объем этих остат­ков в 15 раз больше объема произведенного спирта. Остатки обычно сбрасывают в реки и моря, а также вносят в почву.

На рис. 7.7 схематически показан типичный процесс получения топливного спирта из древесины. В литературе описано множество других вариантов с использованием иных источников углеводов, начиная от соломы и отходов бумажной промышленности, кончая городским мусором.

Индивидуальное отопление (отопление квартир)

Наиболее простой вариант — использование моноблочных моду­лей «воздух-вода». К примеру, отопление и горячее водоснабжение двухкомнатной квартиры площадью 60 м2 может вполне обеспе­чить модуль номинальной мощностью 4,5 кВт. Для южных регионов Украины такой модуль обеспечит среднесезонный отопительный коэффициент порядка 2,75.

Кроме того, потребитель дополнительно получает бесплатную систему кондиционирования, которая обеспечит его и бесплатной горячей водой в летнее время. Еще более эффективным станет при­менение системы индивидуального отопления с помощью ТН в случае введения тарифов централизованного теплоснабжения, дифферен­цированных по температуре теплоносителя. Использование ТН для догрева теплоносителей до нужной температуры позволит снизить стоимость единицы потребляемой тепловой энергии в 6…8 раз по сравнению с централизованными системами теплоснабжения.

Домашняя биогазовая установка

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно — это ком­постирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются.

При этом куча разогревается примерно до 60 °С и происходит есте­ственная пастеризация — погибает большинство патогенных микро­бов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть (пишут к. т. н. А. А. Упит, А. В. Дарклиныш на http://www. patlah. ru)

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энер­гия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, — а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического веще­ства — сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная фермента­ция. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу.

Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соеди­нения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соедине­ния служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы — углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть — 100—200 млн. тонн в год! — имеет такое «животное» про­исхождение.

Метанообразующие бактерии — во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и кофер — менты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая — их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи — переработки отхо­дов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компо­стировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятель­ности — биогаз, в котором 60—70 % метана,— есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное — что таким способом прекрасно перерабатывается жидкий навоз со свинофермы: пройдя через биореак­тор, эта зловонная жижа превращается в прекрасное удобрение.

Тепловая энергия океана

Методика использования тепловой энергии океана

За счет вертикальной разности температур тропического океана, вовлекая в процесс преобразования 5% энергии от солнечного излуче­ния на площади 4х1013м2 можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000 ГВт (рис. 5.8).

К сожалению, то, что ни в коем случае нельзя допускать, реализо­вано во всех экспериментальных установках.

image372Примечание.

Ни в коем случае нельзя поднимать холодную воду к поверхности океана. Подъем воды создает трудно решаемые проблемы, которые сводят на нет все затраченные усилия, что практически и наблю­дается.

Первая проблема — большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду. Вторая проблема —выделение раство-

Параметр

Значение

Единица

измерения

Выходная электрическая мощность

10 000

ГВт

Технологическая мощность

500 000

ГВт

Удельная мощность солнечного излучения на расчетную поверхность

250

Вт

Тепловая нагрузка на расчетную поверхность

5

%

Акватория Тропического океана

2×10м

м2

Расчетная поверхность

4×1013

м2

Акватория работы одной станции

4×109

м2

Рис. 5.8. Тепловой энергетический потенциал океана

ренных газов из глубинных слоев при снятии давления. Третья проб­лема — обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде. Четвертая проблема — необходимость иметь техни­ческие и энергетические стартовые мощности для запуска станции (www. watervigorous. com).

После установки рабочего тела в районе работы, оно в теплооб­менных узлах автоматически приобретает необходимую температуру. Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т. е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.

В результате решения этих проблем появляется возможность соз­дания электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, скоростных мобильных объектов и т. д.

В этой системе с помощью теплых поверхностных вод, подаваемых на теплообменник — испаритель, рабочее тело (аммиак, пропан и др.), превращается в пар, в результате чего создается повышенное давле­ние. Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника, омы­ваемого холодной водой глубинных слоев.

На рис. 5.9 показан термодинамический цикл такой тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия. Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1-2, на участке 2-3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в испаритель 3-4, где нагревается (ветвь 4-5) и испаряется (ветвь 5-1).

Рис. 5.9. Термодинамический цикл тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия

Подпись: Рис. 5.9. Термодинамический цикл тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия

Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осущест­вляется на ветви 3-4-5, а отвод — на ветви 2-3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3-4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется раз­ностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холо­дильник, как КПД эквивалентного цикла Карно.

Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26 °С он, соответственно, изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже.

Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до тем­пературы теплых и холодных вод, соответственно (на рис. 5.9 это под­черкнуто с помощью разностей температур).

Верхний

самоходный бойлер Трос к

коллекторной трубе

Груз

Нижний

самоходный бойлер

0 0

Береговой энергетический комплекс

image377 image378

Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую — 3,6%.

Рис. 5.10. Тепловая океанская станция

Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5%.

Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются опреде­ляющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив неко­торый резерв, предположить что, водоизмещение станции составит порядка 75 000 т/ГВт.

На рис. 5.10 приведена экспериментальная станция. Основным и наиболее дорогим материалом для строительства станций является титан, ежегодный расход которого при крупномасштабном строи­тельстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть легко достигнуто мировой промышленностью.

Принцип работы и устройство газогенератора

Газогенератор использует простой, хорошо проверенный способ преобразования твердого топлива в газообразное. На стадии гази­фикации топливо и кислород воздуха, подаваемого в ограниченном количестве в камеру газообразования, нагреваются раскаленным реак­тором и вступают между собой в реакцию. В результате нее топливо разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реак­ция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, доста­точную для образования окиси углерода (СО) — главного горючего компонента вырабатываемого газа.

Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород и неко­торое количество метана. Минимальная теплотворная способность газа— 1100 ккал/м3. Газогенераторы позволяют при совместной работе с серийно выпускаемыми водогрейными или паровыми кот­лами, воздушными теплообменниками осуществлять теплоснабжение зданий и сооружений различного назначения, получать горячую воду, пар или горячий воздух для обеспечения технологических процессов (запарка кормов, стерилизация, сушка древесины, зерна и др.).

В качестве топлива для газогенераторов может применяться дре­весная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1см3 до 200 см3), смесь кускового торфа с опилками или стружками в соотношении примерно 1:1 по объему. Топливом могут быть и только опилки и стружка. Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролиз­ной переработки древесины — лигнин, сформованный в топливный брикет (кусок).

Важной особенностью газогенераторов является их «всеядность». В них может использоваться топливо практически любой «сорт­ности». Так, газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившая и т. п.). Существенную роль играет только влажность. Возможно применение топлива влажностью до 45—50%.

Для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата рекомендуется применять топливо с влажно­стью не выше 35%.

Газогенератор — агрегат модульной конструкции, легко приспоса­бливаемый к работе с различными водонагревательными и воздухо­нагревательными устройствами.

Газогенератор состоит из трех основных узлов: камеры газообразо­вания, трубы горения и бункера для топлива.