Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Паротурбинные геотермальные энергоустановки

В качестве преобразователей тепловой энергии геотермального теплоносителя в техническую работу в настоящее время могут исполь­зоваться паротурбинные и турбокомпрессорные энергоустановки. Каждая энергоустановка имеет как ряд преимуществ, так недостат­ков, которые будут рассмотрены ниже (отмечает Дорош И. А. на www. renewable. com. ua).

При прямой схеме геотермальный теплоноситель в виде пара из Скважины направляется по трубам непосредственно в турбину. После
турбины сконденсировавшаяся вода и не сконденсировавшийся пар идут для теплофикации.

При непрямой схеме производится предварительная очистка пара от агрессивных (сильно коррозирующих) газов.

При смешанной схеме неочищенный природный пар поступает в турбину, а затем из сконденсировавшейся воды удаляются не раство­рившиеся в ней газы.

При добыче геотермального теплоносителя в жидком виде (гидро­термы), паротурбинные установки выполняются:

♦ одноконтурными;

♦ двухконтурными.

В одноконтурных установках, выполняемых по закрытой и откры­той (с противодавлением) схемам, рабочим телом турбины служит пар. Он получается непосредственно из геотермального теплоноси­теля путем его расширения в специальных расширителях — сепара­торах. Они еще называются парогенераторами.

При заданных параметрах геотермального теплоносителя одно­контурные паротурбинные установки позволяют получать рабочее тело — пар более высоких параметров, чем в двухконтурных установ­ках. При этом уменьшаются капитальные затраты и увеличивается удельная мощность — турбины (мощность, отнесенная к единице рас­хода геотермального теплоносителя). Принципиальная схема уста­новки изображена на рис. 6.2.

При работе установки геотермальный теплоноситель, как правило, в виде недогретой воды при температур Т и давлении Р из эксплуа­тационной скважины направляется в грязеотделитель (на схеме не

image408

Рис. 6.2. Принципиальная тепловая схема паротурбинной геотермальной установки с одноступенчатым расширением теплоносителя

отмечен), в котором отделяются и сбрасываются посторонние меха­нические примеси.

Пройдя далее через систему электромагнитной защиты от соле — отложения, геотермальный теплоноситель поступает в дегазатор, который состоит из двух ступеней. В первой ступени поддержива­ется такое давление, при котором из геотермальной воды выделяются только нерастворенные газы, в том числе и углекислый газ, удаляемые из дегазатор через сбросной клапан в атмосферу или для промыш­ленного использования. Так как нерастворенный углекислый газ не оказывает влияния на углекислотное равновесие, то в первой ступени дегазатора выделения солей не наблюдается.

После первой ступени дегазатора геотермальная вод направляется во вторую ступень, где за счет снижения давления из воды выделя­ются растворенный газ и соли кальция. Давление во второй ступени дегазатора поддерживается таким, чтобы из воды выделялась боль­шая часть солей кальция, в частности для Каясулинского месторожде­ния оно принято около 0,71 МПа. Выделяющиеся соли вместе с водой поступают в осветлитель, где за счет специально организованного движения потока они отделяются, оседают на дно и в дальнейшем уда­ляются из цикла системой шламоудаления. Осветленная вода пода­ется в парогенератор, где расширяется в изоэнтальпийном процессе до давления Рр и температуры Тр. В результате этого часть ее превра­щается в пар.

Здесь же, в парогенераторе, производится разделение теплоноси­теля на жидкую и парообразную фазы. Жидкость поступает к насосу и накачивается в нагнетательную скважину, а пар подается в турбину. При этом, чем выше степень сепарации в парогенераторе, тем ближе получаемый пар к сухому насыщенному пару.

В турбине пар расширяется в политропном процессе, преобра­зуя свою потенциальную энергию в техническую работу, которая с помощью электрогенератора преобразуется в. электроэнергию. Полученная после турбины пароводяная смесь поступает в конденса­тор, где конденсируется в изотермическом процессе за счет передачи теплоты охлаждающей воде, которая подается насосом из градирни. Образовавшаяся при этом вода удаляется из конденсатора насосом и подается либо в нагнетательную скважину, либо используется для других целей.

Несмотря на большой прогресс и положительные результаты в решении проблемы солеотложения на поверхностях теплообмен — ного оборудования и трубопроводах геотермального теплоносителя, пока еще нет четких отработанных технологий его использования в одноконтурных паротурбинных энергоустановках. В этой связи пред­почтительны двухконтурные паротурбинные установки, которые лишены этого недостатка. Правда, использование двухконтурных паротурбинных установок снижает параметры пара рабочего тела на входе в турбину, что ведет к снижению удельной мощности и КПД, существенно увеличивая капитальные затраты и расходы на эксплуа­тацию ГеоТЭС.

Ферментация

В анаэробных условиях моносахариды могут быть превращены в спирт с помощью различных микроорганизмов. Выход спирта при превращении гексоз с участием дрожжей рода Saccharomyces состав­ляет при благоприятных условиях до 90% от теоретической стехиоме­трии реакции: С6Н1206 = 2С2Н5ОН + 2С02.

Однако здесь может образовываться ряд других продуктов, осо­бенно при высоких значениях pH, как это показано в табл. 7.2.

Продукты ферментации глюкозы Таблица 7.2

Продукт

Ферментировано углерода (глюкозы), %

pH 3,0

pH 7,6

Этанол

57,3

43,3

Двуокись углерода

30,2

24,8

Глицерон

3,10

16,0

2,3-Бута ндиол

0,5

0,5

Молочная кислота

0,4

0,7

Янтарная кислота

0,3

0,5

Уксусная кислота

0,2

5,0

Муравьиная кислота

0,1

0,1

Клетки

Примерно 4

Если реакция доходит до конца, превращение ферментируемых сахаров может быть 100%-ным. Если концентрация спирта достигает ингибиторного уровня (8—10%), превращение может быть неполным. Рост дрожжей становится ограниченным вследствие низкого обеспе­чения энергией в ходе реакции; таким образом, образовавшийся спирт препятствует увеличению калорийности субстрата.

Многие другие организмы, включая другие виды грибов, бактерий и зеленых растений, могут в анаэробных условиях превращать сахара в спирт, причем некоторые организмы осуществляют эти превраще­ния с высокой эффективностью.

Однако выход спирта часто бывает значительно меньше, чем при участии дрожжей. При этом происходит образование большого коли­чества других продуктов, таких как ацетаты, лактаты и глицерол.

Некоторые микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, могут соче­тать оба процесса гидролиза и ферментации. Такие реакции проте­кают медленно, и выход спирта является низким.

Продуктивность спиртового брожения является высокой по срав­нению с продуктивностью многих биологических реакций, но низкой по сравнению с продуктивностью реакций, протекающих в среде син­тез газа, используемых для получения больших объемов химических.

Биологические катализаторы (дрожжи) также менее эффективны, чем химические, эти наблюдения важны при сравнении стоимости химических и биологических процессов.

В своей простейшей форме ферментация осуществляется парти­ями в сосудах вместимостью от 200 до 1000 м3. Микробная «закваска» готовится заранее в неполных аэробных условиях с использованием того же субстрата, что и для ферментации.

Реакция ферментации в разбавленном растворе сахара. За послед­ние годы был использован ряд новых типов ферментатаров, включая ферментаторы непрерывного действия и типа клеточной рециркуля­ции. Некоторые из этих ферментаторов используются в промышлен­ности, особенно для производства этилового спирта.

Периодическая ферментация предпочтительна при производстве спиртных напитков, а также в большинстве случаев производства этилового спирта, так как технология периодического производства относительно проста, не требует тщательного контроля, как при непрерывном типе производства.

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.