2850.Возобновляемые источники энергии

дуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача отходов, подогрев до 35 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании: биогаз занимает до 18 % в ее общем энергобалансе. В абсолютных показателях по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия. В Беларуси имеются потенциальные возможности для получения и использования биогаза, поскольку в стране достаточно развито сельское хозяйство.

Рис. 5.6. Биогазовая установка

5.6. Энергетическая ферма

Энергетическая ферма производит энергию в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства, лесоводства и т.д. и тех видов промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы (рис. 5.7).

91

Простейшая цель – только производство энергии, но с помощью энергетического анализа выгодно найти наилучшее соотношение между получением из различных видов биомассы энергии, топлива и т.д.

Рис. 5.7. Комплексная переработка сахарного тростника

5.7. Пиролиз

Пиролиз – это процесс, при котором органическое сырье подвергают нагреву или частичному сжиганию для получения производных топлив или химических соединений. В качестве сырья используются древесина, биомасса, мусор, уголь. Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат (смолы, масла), твердые остатки (древесный уголь, зола).

Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, обладают меньшей (на 10–20 %) по сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания, но отличаются большей универсальностью применения.

Твердый остаток (максимально возможная массовая доля 25–35 %) – древесный уголь, который обладает теплотой сгорания около 30 МДж/кг.

Жидкости (максимально возможная массовая доля около 30 %) – вязкие фенольные смолы и текучие жидкости, уксусная кислота, метанол (максимум 2 %) и ацетон. Они могут быть сепарированы либо могут использоваться вместе в качестве жидкого топлива с теплотой сгоранияоколо 22 МДж/кг.

92

Газы (максимальная массовая доля, получаемая в газогенераторах, около 80 %) представляют собой смеси различных веществ (СН4, Н2, N2, СО, СО2, эфиры и др.). Теплота сгорания на воздухе составляет 5–10 МДж/кг. Они могут быть использованы непосредственно в дизелях или в карбюраторных двигателях.

Газификация – это пиролиз, приспособленный для максимального получения производного газообразного топлива (например, Н2 и СО, из которых можно синтезировать метанол СН3ОН). Устройства для газификации называются газогенераторами (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Газогенератор

5.8. Термохимические процессы

Биомасса может быть обработана химически для того, чтобы получить исходный материал для спиртовой ферментации или вторичное топливо.

Гидрогенизация. Биомассу нагревают в атмосфере Н2 до 600 °С при р = 5 МПа. Получаемые газы (СН4, С2Н6) при сжигании дают 6 МДж на1 кг сухого сырья.

Гидрогенизация с применением СО и пара. Биомассу нагрева-

ют в атмосфере CO и водяного пара до 400 °С при р = 5 МПа. Из продуктов реакции извлекается синтетическая нефть, которую можно использовать как топливо.

93

Преобразование растительных масел в эфиры. Растительные масла (кокосовое и др.) могут быть непосредственно использованы в качестве дизельного топлива, но для этого требуется модернизация двигателей и использование антифризов. Добавив в масло 20 % СН3ОН или С2Н5ОН, можно получить летучие эфиры, являющиеся качественным дизельным топливом. Их теплота сгорания составляет 38 МДж/кг, что выше, чем у исходного масла, и близко к соответствующему показателю бензина (46 МДж/кг).

Гидролиз под воздействием кислот. Целлюлоза (30–50 %) су-

хого остатка растений трудно поддается сбраживанию микроорганизмами. Превращение целлюлозы в сбраживаемые сахара возможно путем нагрева в серной кислоте.

5.9. Спиртовая ферментация

Спирт в естественных условиях образуется из сахаров дрожжами (до 10 %), для повышения концентрации применяется перегонка (дистилляция) (до 95 %), обезвоживание – перегонка совместно с бензолом (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Процесс спиртовой ферментации

94

5.10. Процессы производства этанола

Использование отходов биомассы для выработки электроэнергии и обеспечения производства теплом – основа рентабельности получения этанола.

Производство этанола основано, как указывалось выше, на ферментации глюкозы, первой стадией которой является ее ферментативное расщепление на две одинаковые трехуглеродные молекулы глицеринового альдегида. Далее альдегид реагирует с водой и окисляется до глицериновой кислоты с помощью фермента, который отщепляет два атома водорода. Глицериновая кислота теряет одну молекулу воды и превращается в пировиноградную кислоту, которая расщепляется на уксусный альдегид и углекислый газ. Таким образом, шестиуглеродная глюкоза превращаетсяв двухуглероднуый уксусный альдегид, в котором атомов углерода столько же, сколько и в этаноле. Наконец, уксусный альдегид взаимодействует с ферментом, несущим водород, и превращается в этанол; при этом фермент регенерируется.

Анаэробное сбраживание

Ферментация превращает лишь некоторые входящие в состав биомассы вещества (сахара) в смесь этанола с водой, из которой спирт затем может быть выделен путем дистилляции. Анаэробное сбраживание в противоположность ферментации превращает существенно большее количество вещества растительного и животного происхождения в метан – газ, который практически нерастворим в воде, образуется в природе естественным путем и может быть получен в больших количествах с минимальными затратами энергии. Процессы ферментации достаточно хорошо изучены, в то время как процессы сбраживания (метаногенез) изучены гораздо меньше, поскольку до недавнего времени их применение в промышленных масштабах было весьма ограничено.

Сбраживание является эффективным процессом переработки биомассы, поскольку большая часть энергии исходного сырья переходит в образующийся метан и только малая ее часть потребляется клетками микроорганизмов.

95

Анаэробное сбраживание проходит в три отдельных этапа:

1.Совокупность разнообразных реакций, которые проходят

сучастием нескольких типов ферментативных бактерий и приводят к разложению веществ на фрагменты с малой молекулярной массой

(полисахариды превращаются в сахар, протеины – в пептиды

иаминокислоты, жиры – в глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты – в гетероциклические азотные соединения, рибозу

инеорганические фосфаты).

2.Дальнейшее разложение, проходящее при участии ацетогенных бактерий, которые конвертируют спирты и высшие кислоты в уксусную кислоту, водород и диоксид углерода.

3.Уксусная кислота, водород и диоксид углерода, образованные на первом и втором этапах, используются метаногенными архебактериями с образованием метана и диоксида углерода и кислоты, метана и воды из водорода и диоксида углерода.

Результатом процесса сбраживания является образование так называемого биогаза – смеси метана (65 %) и углекислого газа. На 1-м и 2-м этапах в процессе сбраживания принимают участие как облигатные анаэробы, так и факультативные анаэробные бактерии, которые могут существовать при отсутствии кислорода, но не подавляются им. На 3-м этапе работают исключительно анаэробные археи, которые не переносят присутствия кислорода. Брожение является, таким образом, результатом совместного действия многих микроорганизмов – целостной экологической системы.

Смешивают органический материал с водой и помещают его в герметичную емкость (рис. 5.10). Через центральное отверстие сосуда происходит загрузка смеси вода – органический материал, левое отверстие предназначено для отбора проб жидкости, правое – для выхода биогаза. Выделяющийся газ можно очистить путем пропускания его через воду, а затем направить на хроматографический анализ. Для ускорения процесса смесь можно инокулировать, используя активный ил из другого метантенка. Температуру герметичной емкости необходимо поддерживать около 37 °С.

96

Рис. 5.10. Лабораторный метантенк (установка для анаэробного сбраживания)

По истечении нескольких дней объем смеси значительно уменьшается, что сигнализирует о наступлении этапа образования кислоты. Первоначально выделяется небольшое количество газа, при этом пробы показывают, что происходит поглощение кислорода. Вскоре газ начинает выделяться из жидкости, причем в его составе сначала преобладает углекислый газ. Примерно через 10 дней в составе газа начинает появляться метан, и его концентрация быстро нарастает до некоторого постоянного уровня.

97

6.ДРУГИЕ ВИДЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ

6.1.Грунтовые теплообменники

Вкачестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться подземные воды с относительно низкой температурой либо грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоев земли. Теплосодержание грунтового массива в общем случае выше. Тепловой режим грунта поверхностных слоев земли формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных поч- венно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15–20 м.

Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 °С на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается.

Грунтовые теплообменники связывают теплонасосное оборудование с грунтовым массивом. Кроме «извлечения» тепла земли грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления тепла (или холода) в грунтовом массиве. В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной энергии тепла:

98

1.Открытые системы. В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам.

2.Замкнутые системы. Теплообменники расположены в грунтовом массиве, при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение.

6.1.1. Открытые системы использования низкопотенциальной тепловой энергии

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Схема такойсистемы приведена нарис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод

99

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме того, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам следующие:

–достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;

–хороший химический состав грунтовых вод (низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

Открытые системы чаще используются для теплоили холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в г. Луисвилл (США, штат Кентукки). Система используется для тепло- и холодоснабжения гостинично-офисного

комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт. Иногда к системам, использующим тепло земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальное тепло водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальное тепло грунтовых вод.

6.1.2. Замкнутые системы использования низкопотенциальной тепловой энергии

Замкнутые системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальный грунтовый теплообменник устраивается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки (рис. 6.2).

100