Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Биомасса и сжиженная нефть

Древесину высушивают до влажности 4%, размалывают в муку и смешивают с частью продуцированной нефти. В качестве катали­затора добавляют карбонат натрия в количестве 5% по массе. Смесь древесины, нефти, пара и катализатора подвергают первоначальному давлению 29 бар и нагревают до 300 °С в течение часа для обеспечения 99%-ного превращения древесины и выхода нефти 56%. Схематически процесс показан на рис. 7.6. Нефть рекомендована для использования в качестве бойлерного топлива.

Древесина

О2+Н2О

Рис. 7.6. Сжижение древесины

image443

Состав и свойства сжиженной нефти. Углерод — 76,1%. Водород — 7,3%. Кислород — 16,6. Плотность — 1,1 г/см3. Энергоемкость — 31,4 ГДж/т.

Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов, в первую очередь, следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт-ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2— 0,35 кВт-ч электроэнергии. Кроме того, теплонасос не сжигает топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу.

Он не требует специальной вентиляции помещений и абсолютно безопасен. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возмож­ность переключения с режима отопления зимой на режим кондицио­нирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фанкойлы.

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В про­цессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслужива­нии, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуаль­ный характер для каждого потребителя, который заключается в опти­мальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энер­гии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реа­лизована уже спустя четыре года, практическое применение теплона — сосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — ив быту, и в промышленно­сти. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок.

Недостатки

Вместе с тем метанол имеет и недостатки. Безводный метанол хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, но при попа­дании в топливный бак влаги, топливо расслаивается. В баке получа­ются две несмешиваемые жидкости. Для ликвидации этой причины желательно дополнять бак фильтром-осушителем или устанавливать отдельный бак с топливопроводом.

Другим недостатком метанола является более низкая, чем у бен­зина, испаряемость, что вызывает затруднения при пуске двигателя на холоде. Для улучшения пуска на холоде, приходится выполнять подо­грев пускового объема холодного топлива (чаще всего электрический) или производить запуск двигателя на бензине.

Для горения метанола требуется в два раза меньше воздуха, чем для бензина, поэтому при работе на чистом метаноле необходима перере­гулировка карбюратора бензинового двигателя.

Отрицательным свойством метанола является его ядовитость. Хотя многие химики, авиамоделисты и гонщики, десятилетиями вплотную обра­щающиеся с ним (естественно с соблюдением правил техники безопасно­сти и санитарии) без каких-либо последствий для собственного здоровья.

image450Примечание.

Не относят его к особо ядовитым веществам и подозревают, что его опасность специально раздута из-за склонности российского народа употреблять внутрь все, что горит синим пламенем илах — нет спиртом.

Превосходят метанол по опасности многие применяемые в авто­мобиле вещества. По токсичности метанол уступает используемой
в системе охлаждения жидкости (смертельная доза этиленгликоля около 100 мл) и аккумуляторному электролиту.

Опаснее метанола, выбрасываемые в большом количестве бензи­новым выхлопом:

♦ тетраэтилсвинец (предельно допустимая концентрация (ПДК) которого в воздухе составляет 0,005 мг/м3, в то время как ПДК метанола — 5 мг/м3);

♦ оксид углерода (СО, угарный газ, кровяной яд) и оксиды азота.

Санитарными правилами при работе с метанолом запрещается:

♦ изготовление политур на метаноле;

♦ выпуск продуктов (мастик, нитролаков, клеев и др.), применяе­мых в быту и выпускаемых в торговую сеть, в состав которых входит метанол;

♦ применение метанола для разжигания нагревательных приборов;

♦ применение метанола в качестве растворителя.

image452Внимание.

Применение метанола для использования его в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания санитарными правилами не запрещается. Однако в обращении с метанолом требуется осто­рожность.

Без своевременно оказанной медицинской помощи смертельная доза 100% метанола при приеме внутрь составляет 100—150 мл. При употреблении меньших доз метанола возможна слепота из-за пораже­ния зрительного нерва.

Разбавленный метанол в 80 раз токсичнее этилового спирта такой же концентрации. Для лиц, постоянно контактирующим с метанолом, средством, снижающим ядовитость метанола, является 30% этиловый спирт в дозе 100 мл в день.

При случайном употреблении метанола внутрь, до получения меди­цинской помощи, необходимо вызвать рвоту, принять 100 мл теплого 30% спирта и затем принимать его каждые 2 часа по 50 мл 4—5 раз. В последующие 2—3 суток по 100 мл в день.

Вообще, все спиртные напитки содержат примеси метанола, но в организме этиловый спирт «связывает» продукты разложения мета­нола (формальдегид!) и токсическое действие метанола снижается.

Для сравнения, смертельная доза 96 градусного этилового спирта (питьевого неразбавленного, для умеренно пьющего человека) состав­

ляет 200—300 мл за один прием, а токсическая доза бензина при при­еме внутрь равна 20—50 г.

При повышенной концентрации паров метанола в воздухе, дей­ствие его паров выражается в покраснении глаз, звоне в ушах, голов­ной боли. С целью обнаружения повышенной концентрации паров метанола в воздухе, в салоне автомобиля можно установить датчик обнаружения паров алкоголя. Эти датчики предлагаются сейчас в большом ассортименте.

В значительно меньшей степени указанные недостатки присут­ствуют в бензино-метанольных смесях.

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.