7.5. Использование энергии биомассы
Кроме рассмотренных выше возобновляемых источников используются биохимические технологии переработки жидких органических отходов. В мире широко применяется технология анаэробного (в отсутствии атмосферного кислорода) разложения органического сырья с целью выработки биогаза, состоящего на 55-60% из метана.
Получаемый биогаз отводят из объема метан-танка и направляют в газгольдер-аккумулятор, откуда газ отбирается по мере необходимости в основном на теплоснабжение близлежащих зданий и сооружений. Биогаз может также использоваться как топливо в двигателях внутреннего сгорания с целью производства механической и электрической энергии.
Биогаз также выделяется на свалках, в болотах, канализации, рисовых полях, силосных ямах и колоннах. Получение биогаза происходит при микробиологическом разложении (сбраживании) определенных фракций практически любых твердых и жидких органических отдохов. Выход биогаза из 1 тонны сухого вещества растительных отдохов и сорняков для растительных масс составляет: для соломы пшеничной – 342 м3, ботвы картофеля – 420, сорной растительности – 500. При этом коэффициент превращения органических веществ в биогаз достигает 0,9. Биогаз с высокой эффективностью может трансформироваться в другие виды энергии. КПД его использования в качестве топлива на газогенераторах составляет 83%.
При промышленном производстве биогаза базируются на тех же принципах, которые существуют в природе, но только в анаэробной (без доступа воздуха) среде. В специальных биореакторах, так называемых «метан-танках» производят не только газ, но и органические удобрения. В сырьевом биогазе содержится в среднем 65% метана и 35% углекислого газа, влаги и других примесей. Газ, извлекаемый из недр, перед применением в двигателе внутреннего сгорания подвергается обогащению (до уровня сдержания метана в нем 95%), очистке, осушке и комбинированию.
Применение биоэнергетических модулей позволит решить следующие задачи:
1) обеспечение электроэнергией собственного хозяйства;
2) повышение плодородия почв;
3) экспорт высококачественного экологически чистого органического удобрения;
4) обеспечение охраны окружающей среды;
5) обеспечение санитарно-гигиенического благополучия ферм.
В Европе сосредоточено 44% мирового количества установок анаэробного сбраживания, в Северной Америке – 14%.
Ведущее место среди промышленно развитых стран в производстве и использованию биогаза по относительным показателям занимает Дания – биогаз составляет 18% ее энергобаланса. По абсолютным показателям применительно к количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия.
К биомассе относят различные органические отходы промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения.
Переработка биомассы в топливо осуществляется в специальных устройствах с образованием газообразного топлива (биогаза) или жидкого топлива. Применяются установки для термохимической обработки твёрдых органических отходов с образованием горючего газа. Создаются специальные котлы для экологически чистого сжигания бытового мусора и других отходов.
В некоторых странах для получения тепла используют быстрорастущие породы деревьев, плантации которых обновляются с периодом в 5-6 лет.
В 1992 г. в России были разработаны биоэнергетические установки (БЭУ) для средних ферм с использованием биогаза для обогрева домов и теплого водоснабжения животноводческих хозяйств.
7.6. Энергия мирового океана
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют утилизировать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор кажется малоперспективной.
Сегодня наиболее очевидным и привлекательным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС). Первая приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в Англии. Через 20 лет в США было начато строительство мощной ПЭС, но вскоре было прекращено из-за очевидной невыгодности. И только в 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров была пущена в работу ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой выработкой 540 тыс. кВт·ч электроэнергии. Принципиальная схема приливной электростанции показана на рис. 10.
Рис. 10. Схема ПЭС:
1 – плотина; 2 – бассейн; 3 – обратимый гидроагрегат;
4 – наибольший уровень прилива; 5 – уровень отлива.
Заметное внимание уделяется «океанотермической энергоконверсии» (ОТЭК), т.е. получению электроэнергии за счёт разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами (рис.11). В качестве рабочего тела в замкнутом цикле турбины могут использоваться такие легкоиспаряющиеся жидкости как пропан, фреон или аммоний. В какой-то мере аналогичными, но более далёкими представляются перспективы получения электроэнергии за счёт различия между солёной и пресной, например морской и речной водой.
Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счёт морского волнения, причём обсуждаются перспективы электростанций с мощностями на многие тысячи киловатт. Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. В течение многих лет бакены-свистки береговой охраны США действуют благодаря волновым колебаниям. Сегодня вряд ли существует прибрежный район, где не было бы своего собственного изобретателя, работающего над созданием устройства, использующего энергию волн.
Рис. 11. Схема ОТЭК:
1 – насос тёплой воды; 2 – насос холодной воды; 3 – теплообменник;
4 – конденсатор; 5 – турбина; 6 – насос; 7 – генератор.
Океан может служить основным источников водородной энергетики. Водород – один из наиболее распространённых элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Формула воды Н2О означает, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлечённый из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии.
Всё большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к «водородной энергетике» будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре –203 оС. Его можно хранить и в твёрдом виде после соединения с железо-титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов. После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости.
Таким образом, в океане, который составляет 71% поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии – энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, питательных веществ, солей и других минералов; скрытая энергия водорода, находящаяся в молекулах воды; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; удивительная по запасам энергия, которую можно получать, используя разницу температур воды океана на поверхности и в глубине, и их можно преобразовать в стандартные виды топлива.
Рекомендуемая литература:
Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях. / Под общей редакцией чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. ISBN 5-7046-0889-2