Гидроэнергетика. Основные принципы использования энергии воды. Гидроэлектростанции. Энергия волн. Энергия приливов. Преобразование тепловой энергии океана в механическую

Значительно более высоким КПД обладают гидроэлектростанции (ГЭС) ввиду отсутствия на них термодинамического цикла (преобразо­вания тепловой энергии в механическую). На ГЭС используется энер­гия рек [15]. Путем сооружения плотины создается разность уровней воды. Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний либо по специ­альным трубам – турбинным трубопроводам, либо по выполненным в теле плотины каналам, приобретает большую скорость. Струя воды поступает далее на лопасти гидротурбины. Ротор гидротурбины при­водится во вращение под воздействием центробежной силы струи воды. Таким образом, на ГЭС осуществляется преобразование:

Поэтому теоретически их КПД может достигать 90%. Кроме того, ГЭС являются маневренными станциями, время пуска их агрегатов ис­числяется минутами.Гидроэнергетика представляет отрасль науки и техники по использова­нию энергии движущийся воды (как правило, рек) для производства электрической, а иногда и механической энергии. Это наиболее развитая область энергетики на возобновляемых ресурсах. Важно отметить, что в конечном итоге возобновляемость гидроэнергетических ресурсов также обеспечивается энергией Солнца. Действительно, реки представляют собой поток воды, движущийся под действием силы тяжести с более высоких на поверхности Земли мест в более низкие, и, в конце концов, впадают в Мировой океан. Под действием солнечного излучения вода испаряется с поверхности Миро­вого океана, пар ее поднимается в верхние слоя атмосферы, конденсируется в облака, выпадает в виде дождя, пополняя истощаемые водные запасы рек. Таким образом, используемая энергия рек является преобразованной меха­нической энергией Солнца [11]. Часто бывает, что в силу тех или иных изменений атмосферных условий этот кругооборот нарушается, реки мелеют или даже полностью высыхают. Другим крайним случаем является нарушение этого кругооборота, приво­дящее к наводнениям. Для исключения этих обстоятельств на реках перед гидроэлектростанциями строят плотины, формируются водохранилища, с помощью которых регулируется постоянный напор и расход воды. В странах, расположен­ных на берегах морей и океанов, возможно строительство приливных ГЭС, которые используют энергию приливов, возникающих за счет сил гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Опыт строительства и эксплуатации приливных ГЭС имеется, например, во Франции (1985 г.) и в бывшем СССР на Баренцовом море. В XX в. строились также ГЭС небольшой мощности, где в качестве преобразо­вателя кинетической энергии воды в механическую энер­гию для вращения электрогенератора использовались водя­ные турбины. Энергия, заключенная в текущей воде, многие тысячелетия вер­но служит человеку. Огромным аккумулятором энергии является мировой океан, по­глощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. В нем плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские тече­ния. На земле рождаются многочисленные реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. И люди раньше всего научились использовать энер­гию рек в качестве путей сообщения.Когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение во­дяного колеса в виде водяной турбины. Считают, что современная гидро­энергетика родилась в 1891 г.

В нашей стране гидроэлектростанции начали строить в 30-х годах про­шлого века. Первенцем была Чигиринская ГРЭС на реке Друть в Могилевской области. В довоенные годы был построен ряд небольших гидроэлек­тростанций на малых реках. Большинство из них в годы войны были разру­шены, а в первые послевоенные годы восстановлены и построены новые. К концу 1956 г. в нашей республики насчитывалось 162 ГЭС общей установ­ленной мощностью 11854 кВт. Однако, начиная с 60-х годов, они начали за­крываться, не выдержав конкуренции с большой энергетикой.В последние годы во многих странах мира, особенно в Японии, Англии, странах Скандинавии, возрастающий интерес проявляется к получению энергии от морских волн,в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Создано большое количество различных центров, поглощающих и преобразовывающих волновую энергию. В результате воздействия сил притяжения Луны и Солнца происходят периодические колебания уровня моря и атмосферного давления, что при­водит к образованию приливных волн, которые и используются для выра­ботки электроэнергии на приливных электростанциях (ПЭС).Из современных приливных электростанций наиболее хорошо известныкрупномасштабная электростанция Ране мощностью 240 МВт (Бретань, Франция), построенная в 1967 году на приливах высотой до 13 м, и небольшая, но принципиально важная опытная станция мощностью 400 кВт в Ки­слой Губе на побережье Баренцева моря (Россия) [12]. Блоки этой ПЭС буксиро­вались на плаву в нужные места для включения ее в местные энергосети в часы максимальной нагрузки электроэнергии потребителями.Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращи­вание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены при­родного газа.Большое распространению получает использование биомассы для получения электроэнергии.Большое внимание приобрела «океанотермическая энер­гоконверсия» (ОТЭК), то есть получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосами глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легко испаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.

Большие запасы энергии содержаться в местах впадения пресноводных рек в моря и соленые водоемы. При наличии перепадов солености возникает осмотическое давление, которое может быть использовано для производства энергии, например, с помощью мембранных установок и другими способами.Остается заманчивой идея использования потока теплой воды Гольфстрима, несущего ее вблизи берегов Флориды со ско­ростью 5 миль в час.Наконец, не следует забывать, что химическая формула воды НОН (Н₂О) содержит газ водород, который после извлечения из воды может использо­ваться в качестве горючего для самолетов, автомобилей, автобусов, как ис­пользуется в настоящее время для этих целей сжиженный газ, газ метан. И опыт использования водорода в качестве топлива уже есть. На базе кузова и шасси автобуса MERSEDES-BENZ создан электробус на топливных элемен­тах, получивший название NEBUS. В качестве топлива для него использует­ся водород, который размещается в баллонах, установленных на крыше ав­тобуса. NEBUS тяжелее базового автобуса на 3500 кг. При этом масса бал­лонов с водородом составляет 1900 кг. Силовая установка машины разрабо­тана канадской компанией Ballard. По габаритам она примерно соответству­ет дизелю, применяемому на автобусе этого типа. Мощность батареи топ­ливных элементов – 250 кВт, пробег –200 км. Для приведения в движение автобуса, рассчитанного на 42 места, применяются асинхронные двигатели мощностью 75 кВт. Количество вредных выхлопных газов, уровень шума у него меньше, чем у автобусов аналогичного класса1. Гидроэнергетика базируется на использовании возобно­вляемых гидроэнергетических ресурсов, представляющих собой преобразованную энергию Солнца. Напри­мер, в Норвегии более 90 % электроэнергии вырабатывает­ся на ГЭС. Стоимость 1 кВт-ч этой энергии обычно не более 0,04 доллара США, и она легко регулируется по мощности. Наряду с преимуществами у ГЭС имеются и недостатки, которые в ряде случаев ограничивают возможности их строительства и использования. Прежде всего это экологи­ческий ущерб, связанный с заполнением водой больших площадей при создании водохранилищ. В процессе эксплу­атации станций происходит заиливание водохранилищ и плотин, изменяется климат, нарушаются условия для мигра­ции рыб и др. Для ГЭС также характерны большие капи­тальные затраты на строительство [13].

Наша республика – преимущественно равнинная страна. В Государственной программе отмечается, что потен­циальная мощность всех водотоков Беларуси равна 850 МВт. Технически возможно использовать около 520 МВт, эконо­мически целесообразно – 250 МВт. В качестве основ­ных направлений гидроэнергетики в Беларуси определены реконструкция и восстановление существующих ГЭС и со­оружение новых различной мощности. Гидроэлектростанции подразделяются: в конструктивном отношении по схеме и составу основных гидротехнических сооруже­ний на приплотинные и деривационные, сооружаемые на крупных, сред­них и малых реках; в народнохозяйственном отношении на крупные, средние и малые; по величине напора на низконапорные, средненапорные и высо­конапорные. Различают также гидроэлектростанции по характеру регулирования речного стока их водохрани­лищами: с длительным (многолетним, годовым и сезонным), краткосроч­ным (суточным или недельным) регулированием и совсем без регулирования. В приплотинных ГЭС водосток регулируется посредством пло­тин. В деривационных ГЭС большая или существенная часть напора создается посредством безнапорных или напорных деривационных водоводов. В качестве безнапорного деривационного водовода могут быть использованы каналы, лотки, безнапорные туннели или сочетание этих типов водоводов. С самого начала (примерно с 80-х годов прошлого столетия) для произ­водства электроэнергии в гидроэнергетике использовались в основном гид­равлические турбины. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. в качестве основных направ­лений развития малой гидроэнергетики в стране предусматривает:

–восстановление ранее действовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;

–строительство новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без затопления;

–создание малых ГЭС на промышленных водосбросах;

–сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках со значительными расходами воды.

Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести к 2010 г. до 100 МВт. Бассейны рек Западная Двина и Неман, протекающих по территории Беларуси, относятся к зонам высокого гидроэнергетического потенциала, и использование его еще в 40-х годах XX в. намечалось путем строительства многоступенчатых каскадов ГЭС. Гидроресурсы Беларуси оцениваются в 850-1000 МВт.

Биоэнергетика. Развитие биоэнергетики и возможности переработки бытовых отходов

Под действием солнечного излучения в растениях образуются органические вещества и аккумулируется хими­ческая энергия. Этот процесс называется фотосинтезом. Животные су­ществуют за счет прямого или косвенного получения энергии и вещества от растений. Этот процесс соответствует трофическому уровню фотосин­теза. В результате фотосинтеза происходит естественное преобразование солнечной энергии. Вещества, из которых состоят растения и животные, называют биомассой [3]. Посредством химических или биохимических про­цессов биомасса может быть превращена в определенные виды топлива: газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Про­дукты сгорания биотоплива путем естественных экологических или сель­скохозяйственных процессов вновь превращаются в биотопливо. Существуют различные энергетические способы переработки био­массы: термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз); биохимические (спиртоваяферментация, анаэробная или аэроб­ная переработка, биофотолиз); агрохимические (экстракция топлива) [11].Биоэнергетика – это наука, изучающая механизмы и закономерности преобразования энергии в процессах жиз­недеятельности организмов, энергетические процессы в биосфере. Наряду с этим, в последнее время сюда относят и процессы, связанные с образованием биомассы и ее ис­пользованием для получения энергии в промышленных целях. Биомасса – общая масса растений, микроорганизмов и животных, приходящаяся на единицу площади или объема их обитания. Численно она выражается в массе сырого или сухого вещества (кг/м²; кг/га; кг/м³ и т. д.). Биомассу расте­ний называют фитомассой, животных организмов – зоо­массой. Общая биомасса живых организмов биосферы Зе­мли по различным оценкам составляет от 1,8–1012 т до 2,4–1012 т сухого вещества [15].

Фотосинтез – это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энер­гии в энергию химических связей органических веществ. Фактически фотосинтез – биотехнологический способ преобразования энергии. Он происходит с участием хлоро­филла и других поглощающих лучистую энергию пигмен­тов. Одно из важнейших уравнений фотосинтеза:

Биомасса – наиболее перспективный и значительный возобновляе­мый источник энергии в республике, который может обеспечивать до 15% ее потребностей в топливе. Весьма многообещающе для Беларуси использование в качестве био­массы отходов животноводческих ферм и комплексов. Получение из них биогаза может составить около 890 млн. м³ в год. Сдерживающим фактором развития биогазо­вых установок в республике являются продолжительные зимы, большая металлоемкость установок, неполная обеззараженность органических удобрений. Биоэнергоустановку рассматривают в первую очередь как установку для производства орга­нических удобрений и попутно – для получения биотоплива, позволяю­щего получить тепловую и электрическую энергию. Биогаз получают путем микробиологического анаэробного разложе­ния органических веществ растительного и животного происхождения. Он состоит из 50-80% метана и 50-20 % углекислого газа. Сырьем для производства биогаза является биомасса и разнообразные органические отходы. При производстве биогаза до 90% органического вещества отходов переходит в газ и воду. При определенных температурных условиях осуществляется полное обеззараживание утилизи­руемых отходов. Анаэробная деструкция органических веществ вызывает минерализацию азота, фосфора, калия, то есть дает возможность получения эффективных биоудобрений. В Беларуси биоэнергетические установки находятся в стадии разработки и испытаний, результаты которых позволят в недалеком будущем дать уточненную оценку реального выхода товарного биогаза. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. преду­сматривает ряд крупномасштабных мероприятий в области биоэнергетики. Считается, что применение биоэнергетических установок по переработке отходов животноводства позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных животноводческих комплексов, где к настоя­щему времени скопились огромные количества непереработанной биомас­сы. Кроме того, можно рассчитывать на получение высококачественных ор­ганических удобрений и за счет производства биогаза обеспечить экономию 116 тыс. т топлива в год. В мировой практике получение энергии из твердых бытовых отходов осуществляется в основном сжиганием и газификацией [14].

Основными типами энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы, являются: прямое сжигание для получения теплоты, пиролиз, гидрогенизация.

В жилых и общественных зданиях (школах, вузах, детсадах, магазинах, столовых и т.д.) образуются твер­дые бытовые отходы (ТБО). Содержание органического вещества в них составляет 40-75%, углеводов – 35-40%, зольность – 40-70%. Ко­личество горючих компонентов в ТБО равно 50-88%. Бытовые отходы содержат также трудно разлагаемые химические элементы, в их числе хлорорганические и токсичные. В большой степени ТБО обогащены кадмием, оло­вом, свинцом и медью. В мировой практике получение энергии из ТБО осуществляется сжи­ганием или газификацией. В Японии, Дании, Швейцарии сжигается око­ло 70% твердых бытовых отходов, остальная часть складируется на по­лигонах или компостируется. В США сжигается около 14% ТБО, в Германии – 30%, Италии – 25%. В Республике Беларусь общий энергети­ческий потенциал ТБО оценивается в 20-23 млн. т, из них только 8-10% перерабатывается и используется в производстве. Ежегодно накап­ливается 2,4 млн. тонн ТБО с потенциальной энергией 470 тыс. т. Учитывая бедность республики энергетическими ресурсами, необходи­мо вовлечь ТБО в ее энергопотенциал путем применения прогрессивных технологий, заимствованных из опыта других стран, либо развернуть ис­следования и создать собственные технологии переработки ТБО.

Потенциальная энергия, заклю­ченная в коммунальных отходах, образующихся на терри­тории Беларуси, равноценна 470 тыс. т. При их биопере­работке в целях получения газа эффективность составит не более 20-25%. Кроме того, необходимо учитывать многолетние запасы таких от­ходов, которые имеются во всех крупных городах и созда­ют проблемы их складирования. Только по областным го­родам ежегодная переработка коммунальных отходов в газ позволила бы получить биогаза около 50 тыс. т, а по г. Минску – до 30 тыс. т. Эффективность данного на­правления следует оценивать не только по выходу биогаза, но и по экологической составляющей, которая при такой проблеме будет основной. Существующие в республике по­лигоны проектировались и были построены без учета ис­пользования биогаза, и недостаточная изученность ситуа­ции не позволяет рассчитывать на освоение этого вида энер­гии на ближайшие 10-15 лет [13].

В качестве сырья для получения жидкого и газообразного топлива можно применять периодически во­зобновляемый источник энергии – фитомассу быстрора­стущих растений и деревьев. В климатических условиях рес­публики с 1 га энергетических плантаций возможен сбор масс растений в количестве до 10 т сухого вещества. При дополнительных агроприемах продуктивность гектара может быть повышена в 2–3 раза. Наиболее целесообразно использовать для полу­чения сырья площади выработанных торфяных месторож­дений, на которых отсутствуют условия для произрастания сельскохозяйственных культур. Площадь таких месторож­дений в республике составляет около 180 тыс. га и может стать стабильным, экологически чистым источником энергетического сырья. Отсутствие опыта массового исполь­зования фитомассы для энергетических целей не позволяет сделать оценку затрат и будущих цен на топливо, т.к. для этой цели потребуется разработка специальной техники, дорож­ная инфраструктура, перерабатывающие предприятия и дру­гие мероприятия. По экспертным оценкам к 2010 г. за счет названного источника может быть получено 50–70 тыс. т.В настоящее время начата реализация программы по освоению технологии выращивания быстрорастущих по­род растений в организациях концерна «Белтопгаз».

Использование отходов расте­ниеводства в качестве топлива является принципиально но­вым направлением энергосбережения. Практический опыт их применения в качестве энергоносителя накоплен в Бель­гии и Скандинавских странах, а в нашей республике опыт массового применения отсутствует. Общий потенциал от­ходов растениеводства оценивается до 1,46 млн. т. в год. Решения о целесообразных объемах их сжигания для топливных целей следует принимать, сопоставляя конкретные нужды хозяйств в индивидуальном порядке. К концу прогнозируемого периода объем использования отходов растениеводства оценивается на уровне 20-30 тыс. т.Беларусь име­ет значительный потенциал для внедрения технологий про­изводства топливного этанола и биодизельного топлива из рапса и сои.Производство биодизельного топлива из рапса и сои в перспективе будет рассматриваться с точки зрения его кон­курентоспособности по отношению к традиционным ви­дам топлива, т.к. на сегодня его себестоимость больше, чем традиционного себестоимость дизельного топлива, а его ис­пользование в развитых странах обусловливается значитель­но низким негативным влиянием на окружающую среду.Для внедрения технологий производства топливного этанола требуется главным образом соответствующая ре­конструкция спиртовых заводов, что обеспечит минималь­ный объем необходимых инвестиций.Общий потенциал оценивается до 1 млн. т. Топлива в год, а при активном инвестировании и внедрении данного на­правления к 2010 г. объем замещения традиционных видов топлива может составить около 20 тыс. т . в год [3].

Научно-технологические разработки. Термоядерная энергетика

Физики работают над освоением управляемой термоядерной реакции синтеза ядер тяжелого водорода с образованием гелия. При таком сое­динении выделяется громадное количество энергии, гораздо больше, чем при делении ядер урана. Доказано, что основная доля энергии Солнца и звезд выде­ляется именно при синтезе легких элементов. Если удастся осуществить управляемую реакцию синтеза, появится неогра­ниченный источник энергии. Весьма перспективными являются энергетические уста­новки, преобразующие одни виды энергии в другие нетради­ционными способами с высоким КПД. Ядерные реакции синтеза – это один из таких источников энергии. В реакциях синтеза энергия производится за счет работыядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании болеетяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе – считается, чтоэнергия звезд и, в том числе, Солнца производится в результате цепочки ядерныхреакций синтеза, превращающих четыре ядра атома водорода в ядро гелия [15].

В ядре Земли максимальная температу­ра достигает 4000°С. Земля непрерывно отдает теплоту, которая вос­полняется за счет распада радиоактивных элементов. Выход теплоты через твердые породы суши и океанского дна происходит за счет тепло­проводности и реже – с потоками расплавленной магмы при изверже­нии вулканов, с потоками воды горячих ключей и гейзеров. Термальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран: Исландии, Австралии, Новой Зеландии, Италии. Столица Исландии Рейкьявик почти полностью обогревается теплотой подземных вод. Температурные условия недр территории Беларуси изучены недо­статочно. Попредварительным данным, наиболее благоприятные усло­вия для образования термальных вод имеются в Припятской впадине. Температура воды на устье скважин составляет 35-50 °С.Геотермальная энергетика – получение энергии от внут­реннего тепла Земли. Различают естественную и искусст­венную геотермальную энергию – от природных термаль­ных источников и от закачки в недра Земли воды, других жидкостей или газообразных веществ («сухая» и «мокрая» геотермальная энергетика). Данный вид энергетики широ­ко применяется для бытовых целей и отопления теплиц. Име­ются геотермальные ТЭС. Недостаток – токсичность термаль­ных вод и химическая агрессивность жидкостей и газов.

Космическая энергетика – получение солнечной энергии на специальных геостационарных спутниках Земли с узко­направленной передачей энергии на наземные приемники.На этих спутниках солнечная энергия трансформирует­ся в электрическую и в виде электромагнитного луча сверх­высокой частоты передается на приемные станции на Зем­ле, где преобразуется в электрическую энергию. Мощность одной орбитальной станции может составить от 3000 до 15000 МВт.Морская энергетика базируется на энергии приливов и отливов (Кислогубская ЭС на Кольском полуострове), мор­ских течений и разности температур в различных слоях морской воды. Иногда к ней относят волновую энергетику. Пока морская энергетика малорентабельна из-за разрушаю­щего воздействия на оборудование морской воды. Прилив­ная энергетика рентабельна на побережьях морей с исклю­чительно высокими приливами. Низкотемпературная энергетика – получение энергии с использованием низкотемпературного тепла Земли, воды и воздуха, вернее разности в температурах их различных слоев. Промышленное получение энергии с использовани­ем разности температур на поверхности и в глубинах океа­на пока не выходит за рамки опытных установок. «Холодная» энергетика – способы получения энергоно­сителей путем физико-химических процессов, идущих при низких температурах и сходных с происходящими в расте­ниях. Например, разложение воды на асимметричных мем­бранах под воздействием солнечного света. Молекула воды распадается на водород и кислород, скапливающиеся по разные стороны этой мембраны. Водород затем используют как энергоноситель. КПД таких мембран в последние годыудалось заметно повысить, а цену – понизить. Вероятно, это перспективный путь. Предполагается, что водород бу­дет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленности, сельскохозяйственном про­изводстве. Сжигание водорода не дает вредных выбросов, но он взрывоопасен [18].

Энергосберегающие технологии

Производство, использование и возможности экономии топливной энергии

В качестве возобновляемых и местных ис­точников энергии с учетом природных, географических и метеорологиче­ских условий республики являются: дрова; торф; гидроресурсы; ветроэнер­гетический потенциал; биогаз из отходов животноводства; солнечная энер­гия; биомасса; твердые бытовые отходы и др.Их динамичное широкое применение в республике очень важно по не­скольким причинам: работы по их использованию будут способствовать развитию собственных технологий и производства оборудования, которые впоследствиимогут стать предметом экспорта.Эти источники являются, как правило, экологически чистыми.Развитие таких источников повышает энергетическую безопасность го­сударства.Технологии освоения указанных источников энергии включают: прямое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию в составе фотоэлектрических станций, работающих параллельно с сетью и имеющих различную пиковую мощность;комбинированное производство электрической и тепловой энергии;ветроэлектрические агрегаты различной мощности;термохимические газогенераторы, перерабатывающие твердые органи­ческие отходы (бытовые, растениеводства, деревообработки и др.) в газооб­разное топливо;системы теплонасосного теплохладоснабжения, обеспечивающие отбор рас­сеянного низкопотенциального тепла поверхностных слоев грунта получение биогаза путем анаэробного сбраживания жидких отходов.Практически все виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), за исключением биомассы и глубинного тепла земли, на­ряду с очевидными преимуществами имеют и существующие недостатки:низкий удельный потенциал (рассеянность);нерегулярность поступления, зависящая от климатических условий, су­точных и сезонных циклов.Поэтому для эффективного использования НВИЭ, особенно энергии вет­ра, солнца и др., необходимо решить ряд инженерных задач по созданию экономичных и надежных систем, воспринимающих, концентрирующих и преобразующих эти виды энергии в приемлемую для потребителя тепловую, механическую и электрическую энергию.Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения за счет НВИЭ, осо­бенно автономных потребителей, система должна быть укомплектована ак­кумуляторами и преобразователями. Перспективны также гибридные систе­мы, использующие одновременно два или несколько видов НВИЭ, напри­мер, солнце и ветер, взаимно дополняющие друг друга, в сочетании с акку­муляторным и резервным двигателем внутреннего сгорания в качестве при­вода электрогенератора.НВИЭ имеют огромное значение, в первую очередь, для автономного энер­госнабжения населения и производства в сельских и отдаленных районах. Основным возобновляемым местным видом топлива была и остается древесина и отходы ее на деревообрабатывающих предприятиях. Опыт показывает, что себестоимость тепло­вой энергии, полученной с использованием древесной массы в 2-4 раза ни­же по сравнению с углеводородным сырьем. В среднем в год наша страна потребляет примерно 40 млн. т. топлива Древесину и древесные отходы можно использовать для получения энер­гии не только путем прямого сжигания в топках котлов, но и для получения генераторного газа для последующего использования в небольших котлах и даже в небольших газовых турбинах. Генераторный газ, получаемый из дре­весины, более чист, чем газ из угля и мазута. Причинами незначительного ис­пользования ветроустановок являются:

– слабые континентальные ветра (3-5 м/с) при необходимой пусковой скоро­сти их 4-5 м/с, средняя скорость ветра по республике не превышает 4,1 м/с;

– высокая стоимость ВЭУ (1000 - 1500 долларов США/кВт установлен­ной мощности);

– необходимость создания и содержания резерва мощностей на других типах электростанций в случае отсутствия ветра [13].

Установки для производства биогаза из отходов животноводческих комплексов целесообразно использовать только с условием получения эко­логически чистого высококачественного органического удобрения. Только в этом случае они будут эффективны для внедрения за счет пропорционально­го сокращения энергоемкого производства минеральных удобрений. Приме­нение биогазовых установок позволит также существенно улучшить эколо­гическую обстановку вблизи крупных ферм и животноводческих комплек­сов, а также на посевных площадях, куда в настоящее время сбрасываются отходы производства.Невостребованным источником энергии является огромный потенциал Солнца. В настоящее время развитие разработок по использованию солнеч­ной энергии идет по двум направлениям: фотоэнергетика; гелиоэнергетика. Первая связана с прямым преобразованием потока солнечной энергии в электричество, вторая – с утилизацией тепловой энергии с помощью актив­ных и пассивных теплоиспользующих систем.Первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 млн мегаватт начала эксплуатировать в 1983 г. американская фирма «Арко Сопар». В на­стоящее время уже существуют проекты висящего над планетой искусст­венного спутника, который сможет трансформировать солнечную энергию в электрическую и передавать ее в виде электромагнитного луча сверхвысо­кой частоты. В нашей стране имеются опре­деленные предпосылки для развития гелиоэнергетики. Для этого в Беларуси есть необходимые технические и производственные возможности для произ­водства гелиоустановок, а на Гомельском химическом заводеобразцы главного компонента солнечных батарей – кремния, который может производиться из отходов химического производства. За счет использования солнечной энергии возможно замещение органи­ческого топлива в объеме 25 тыс. т. в год.

Наиболее целесообраз­но использовать для получения сырья площади выработанных торфяных ме­сторождений, на которых отсутствуют условия для произрастания сельско­хозяйственных культур. Площадь таких месторождений в республике со­ставляет около 180 тыс. га. Реализация этого источника затруднена отсутствием специальной техники, дорог в местах торфяных разработок, перерабатываю перерабатывающих предприятий. Лучшим способом получения энергии из ТБО является биопереработка с целью получения газа, но эффективность их составит не более 20-25%. Кроме ежегодно образующихся ТБО необходи­мо учитывать многолетние их запасы, которые имеются во всех крупных горо­дах и создают проблемы их складирования. На многих промышленных предприятиях в процессе производства обра­зуются технологические воды, которые после очистки или без нее сбрасы­ваются в водотоки или водоемы. Расходы таких вод могут достигать не­сколько кубометров в секунду, а разность высот промплощадки и уровня воды в водотоке (водоеме) – несколько десятков метров. Эти обстоятельства создают предпосылки для использования энергоресурсов сбросных вод по­средством строительства небольших ГЭС.Геотермальные ресурсы в Беларуси к настоящему времени практически отсутствуют, поскольку температурные условия недр территории республики изучены недостаточно. К местным для Беларуси источникам энергии относятся нефть, бурые уг­ли, горючие сланцы и др. Запасы бурых углей и горючих сланцев пока не разра­батываются, поскольку по своим качественным показателям они не являются эффективным топливом из-за низкой теплоты сгорания и высокой зольности. К нетрадиционным источникам энергии относится и рапсовое масло, идею использования которого в качестве автомобильного топлива выдвинул еще в начале 1960-х годов немецкий инженер Людвиг Эльсбет. В 1964 году он организовал институт усовершенствования двигателей внутреннего сго­рания. Несколько позже была образована специальная фирма Elsbett, зани­мающаяся производством двигателей, использующих в качестве топлива растительное масло.Преимуществами растительного масла являются:меньшая эмиссия вредных выбросов при сгорании;отсутствие опасных эффектов в процессе транспортировки и использования;простота процесса производства растительного масла, который может бытьосуществлен не только в больших масштабах на специализированных заводах, но и в небольших количествах – на собственных фермах;относительно продолжительный срок хранения без утраты качества и др.Поиском альтернативного топлива озабочены американские автомобиль­ные фирмы. Ставка делается на водород, поскольку ежедневный расход го­рючесмазочных материалов в этой стране составляет более 2,5 млн. т. В ближайшее десятилетие эта цифра увеличится еще примерно на 300 тыс. т. Это при том, что страна импортирует не менее 60% углеводородного сырья.К основным техническим направлениям энергосберегающей поли­тики относятся:внедрение парогазовых, газотурбинных установок, мини-ТЭЦ, ГЭС;модернизация котельных и теплоизоляции;замена электрокотлов на топливные для возможности использования го­рючих отходов производства, сельского, лесного хозяйства, деревообработки;внедрение новых энергосберегающих технологий при нагреве, термо­обработке, сушке изделий, современных строительных и теплоизоляцион­ных материалов и др [3].

Энергосберегающие технологии в промышленности

Поскольку наша страна бедна энергетическими ресурсами, необходимо разрабатывать энергосберегающие технологии. Запасов природного газа в РБ не обнаружено. Нефть Гомельской облас­ти, торф юга республики, древесина в общем энергобалансе не превы­шают 10% и в основном ориентированы на бытовой сектор. Открыты месторождения бурых углей и сланцев, промышленные запасы кото­рых составляют около 15 годовых потребностей республики, но низкая теплота сгорания и высокая зольность, большое содержание вредных примесей исключают возможность их использования в большой энер­гетике. Проблематично и применение газификации и гидролиза для по­вышения качества топлива из этого сырья ввиду высокой энергоемкос­ти этих технологий. Бурые угли в брикетах, особенно с торфом, могут использоваться как коммунально-бытовое топливо, что покрыло бы не более 7% потребностей на эти цели. Кроме того, добыча бурых углей связана с экологическими проблемами в зоне их залегания – белорус­ском Полесье: необходимо удаление верхнего слоя почвы и лесов, что нанесет невосполнимый ущерб природе. Торф в основном использует­ся как удобрение для сельскохозяйственных нужд. Основным реаль­ным и экономически целесообразным источником замещения части им­портируемого топлива в Беларуси является древесная масса: отходыдеревообрабатывающего производства, маломерная и сухостойная дре­весина, кустарники и т.п. Используя ее в качестве топлива, можно еже­годно экономить до 2,5 млн. т. топлива. Сегодня доля древесных отходов в потреблении первичных топливных ресурсов республики составляет 2,8%, в будущем ее можно удвоить.Использование всех возможных местных топливных ресурсов в Бе­ларуси, согласно экспертным оценкам, в перспективе способно заме­нить ежегодно 2,1-2,3 млн. т нефти.Древесные отходы как топливо обладают целым рядом положитель­ных качеств:низкое содержание серы и малая зольность (1-2%);возможность сжигания отходов с содержанием влаги до 55-60%;меньшая эмиссия двуокиси углерода и низкая коррозионная агрессивность дымовых газов;возможность конденсации влаги дымовых газов и утилизациискрытой теплоты парообразования;низкая цена в сравнении с ископаемым топливом;возможность наращивания объемов ресурсов;использование древесных отходов как топлива адаптируется ксуществующим технологиям энергопроизводства; конечной про­дукцией их преобразования могут являться теплоносители в видепара, горячей воды, электроэнергии, моторного топлива.Таким образом, применение отходов лесозаготовок и деревообра­батывающей промышленности в качестве энергетического топлива – эффективное средство улучшения экологической ситуации и снижения себестоимости производимой энергии.Имея ввидураспределенность энергетического ресурса древесных отходов по территории республики, организация его использования тре­бует создания единой в технологическом отношении системы с раз­витой инфраструктурой. Эта система включает следующие обязатель­ные элементы:цепь технологий от заготовки топливного сырья до использова­ния его в энергопроизводящих агрегатах;эффективные технические средства, в которых осуществляют­ся эти технологии;предприятия по заготовке топлива, включая его переработку развитая сеть потребителей, заинтересованных экономическии экологически в замене традиционных видов топлива (угля, ма­зута, газа) на древесные отходы;комплексы технических средств у потребителей для хране­ния резерва, подачи и эффективного использования древесного топлива [13].

К горючим ВЭР агропромышленного производства отно­сятся сельско- и лесохозяйственные отходы: солома зерновых культур, стебли подсолнуха, стебли и стержни початков куку­рузы, отходы льноперерабатывающей промышленности, дре­весные отходы лесных хозяйств и фруктовых садов, опилки и стружки деревоперерабатывающих цехов и др. Количество раститель­ных и других горючих отходов так велико, что значительную часть их используют непосредственно в виде топлива. На ряде льнозаводов в Республике Беларусь также исполь­зуют отходы (льнокостру) для сжигания в котельных с целью получения тепловой энергии.Как уже отмечалось, одним из важнейших природных ре­сурсов Республики Беларусь является лес. Прямое сжигание древесины в виде дров в больших масштабах нецелесообраз­но. В то же время интенсивное развитие деревообрабатываю­щей и бумажной промышленности позволяет говорить о зна­чительных резервах экономии топлива за счет сжигания от­ходов этих производств в специальных котельных.Имеется опыт получения качественного топлива (этанол, метанол и др.) из растительных отходов путем биохимиче­ской переработки, а также получения горючих газов путем газификации. Растительные отходы (солому, кукурузные початки, льнокостру, рапсовую солому и др.) можно обраба­тывать совместно с навозными стоками в анаэробных усло­виях и получать энергоноситель – биогаз.

Тепловые ВЭР отличаются разнообразием видов и пара­метров. Их энергетический потенциал определяется физи­ческой теплотой различных продуктов, отходов производ­ства и отработанных теплоносителей. К ним относятся: уходящие газы от котлов, печей, сушилок и другого технологи­ческого оборудования; вода, нагретая при охлаждении технологического оборудования; воздух, выбрасываемый из систем вентиляции; канализационные стоки; охлаждаемые продукты и др. Значительная часть промышленных тепловых ВЭР обла­дает высоким потенциалом и легко может быть использова­на для непосредственного отбора тепла без дополнительных преобразований. Наиболее показательным примером ути­лизации высокопотенциальных тепловых ВЭР является от­бор теплоты конденсации отработанного в турбинах ТЭЦ пара и использование ее для нагрева воды – теплоносителя для систем теплоснабжения. Этот прием обеспечивает зна­чительное повышение КПД ТЭЦ по сравнению с обычными тепловыми электростанциями и сниже­ние расхода топлива на отопление жилых массивов и про­мышленных предприятий.Использование энергии отработанного пара на предпри­ятиях пищевой промышленности (молочные и спиртовые заводы, сахарное производство и др.) позволяет сэкономить большое количество энергии на сушку получаемой продук­ции и отопление помещений.Установка современного котельного оборудования для ото­пления небольших производственных, административных и жилых помещений позволяет использовать теплоту отработав­ших в топке котла газов для горячего водоснабжения. Физическая теплота основной и побочной продукции животноводства, пищевой и перерабатывающей промы­шленности относится к низкопотенциальным ВЭР, которые утилизируются с помощью теплообменников и теплонасосных установок. Низкотемпературные вентиляционные выбросы исполь­зуются в системах поддержания микроклимата животно­водческих помещений для подогрева приточного воздуха, бытовых и жилых помещений, теплиц и др. Теплообменники значительно деше­вле теплонасосных установок, но не всегда обеспечивают необходимое повышение приточного воздуха и достаточно высокий коэффициент утилизации теплоты. В связи с этим наиболее перспективны системы с последовательным включением теплообменника и теплового насоса, позво­ляющие с максимальным эффектом использовать тепло отработанного воздуха.Одним из важных факторов экономии ТЭР является использование вто­ричных энергетических ресурсов (ВЭР), образующихся в одних техноло­гических установках, процессах и направляемых для энергоснабжения дру­гих агрегатов и процессов [12].