--6-05~2

Использование геотермальных процессов.

Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии на геотермальных станциях за счет тепловой энергии, содержащейся в недрах земли. Источниками тепловой энергии Земли являются процессы, протекающие в ее недрах.

Источниками тепла в недрах земли относят радиогенное тепло, которое создается благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоактивных элементов. А также тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с выделением или поглощением тепла, деформацией за счет приливов под действием Луны и Солнца и некоторыми другими).

Вземной коре существует энергоноситель - вода, играющий важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла коры земли. Вода в жидком состоянии существует только до глубин 10-15 км, ниже при температуре около 700°С вода находится исключительно в газообразном состоянии. Температура вглубь земли возрастает на 1°Cкаждые 36 метров. На глубине 50-60 км при давлениях около 3 • 103 Мпа исчезает граница фазового состояния, т. е. водяной пар (газ) приобретает туже плотность, что и вода в жидком состоянии.

Влюбой точке земной поверхности на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). Поэтому

вземной коре выделяем еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой», которая прослеживается повсеместно по всему земному шару на разной глубине.В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка находиться максимально близко к поверхности и даже выходит на нее. Это не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200 °С и выше.

Аккумулирование тепловой и электрической энергии Аккумулирование энергии необходимо для разделения по вре-

мени процессов генерации энергии и ее потребления. Устройства для аккумулирования энергии – накопители, должны воспринимать,

271

сохранять и выделять энергию для использования без преобразования ее вида. Всегда существовала проблема накопления и сохранения различных форм энергии, хотя для практического использования требовалось преобразовывать накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло. Накопители энергии характеризуются объемом запасаемой энергии, скоростью ее накопления и отдачи (зарядки и разрядки), удельной энергоемкостью (плотностью накопленной энергии), возможными сроками ее хранения и другими параметрами, включая надежность и стоимость изготовления и обслуживания.

Существует несколько основных направлений использования накопителей.

Первое заключается в аккумулировании избыточной энергии в зоне провала графика нагрузки с целью последующего использования накопленной энергии в периоды пиков нагрузки. Примером такого накопления является гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). В этой станции в ночные часы избыточная энергия из энергосистемы направляется в гидротурбинные агрегаты, работающие в обращенном режиме, т.е. генератор переходит в режим электродвигателя, вращающего гидротурбину, которая играет роль насоса, который подает воду в верхний бассейн. Это соответствует накоплению потенциальной энергии воды, поднятой на некоторую высоту. В дневные часы вода из верхнего бассейна естественным образом перетекает в нижний бассейн при этом вращая гидротурбины и генерируя энергию в сеть. Накопители энергии в этом случае являются демпфирующими элементами между генерирующими установками и потребителями.

Вторым направлением применения накопителей энергии является преобразование энергии различных видов. Так, например, энергоустановка космического аппарата с топливными элементами на стадии накопления энергии преобразует электроэнергию от солнечных батарей за счет электролиза воды в соответствующие компоненты (кислород и водород). Затем на стадии выдачи энергии реакция взаимодействия этих элементов создает электроэнергию.

Третьим направлением применения накопителей является преобразование необходимых показателей определенного вида энергии. Например, емкостной накопитель энергии, который позволяет выводить на нагрузку токи, во много раз большие чем при его зарядке, а

272

в индуктивном накопителе за счет ЭДС самоиндукции при коммутации цепи можно получить напряжение, значительно превышающее напряжение источника питания. В настоящее время известны следующие основные типы накопителей энергии: электрохимические, электрические, индуктивные, емкостные, механические, электромеханические, электродинамические, тепловые, гравитационные и др.

Тепловые накопители энергии представляют жидкое или твердое тело с достаточной теплоемкостью, способное воспринимать, хранить и затем отдавать накопленную тепловую энергию. Одним из вариантов применения теплового накопителя можно рассмотреть суточное накопление солнечного излучения в виде теплового потенциала расплавленной соли для солнечной электрической станции, работающей по термодинамическому циклу.

Существуют технологии сезонного накопления тепловой энергии для отопления дома индивидуальной застройки.

Использование энергии биомассы, твердых бытовых отходов. Виды биомассы. Способы использования энергии биомассы. Выращивание быстрорастущей древесины. Энергетическое использование древесных отходов: пиролиз и газификация биомассы. Анаэробная переработка биомассы. Производство биогаза. Принципиальная схема биогазовой установки. Использование биогаза. Свалочный газ. Использование бытовых отходов в энергетических целях

Биотопливом называют вещества растительного или животного происхождения, а также отходы, получаемые в результате их переработки.

Основа биотоплива – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании или в результате естественного метаболизма выделяют тепло.

Первоначальная энергия биотоплива возникает в процессе фотосинтеза, являющегося естественным вариантом преобразования солнечной энергии.

Фотосинтез – это процесс образования органических веществ (биомассы) и аккумулирование химической энергии под действием солнечного излучения. При фотосинтезе происходят химические реакции, в которых в основном участвуют углерод, водород, кислород,

273

минеральные вещества и солнечное излучение.

Источники биотоплива, характерные для Республики Беларусь, могут быть сгруппированы следующим образом:

–древесная биомасса (деревья, кустарник и продукты их переработки);

–отходы от возделывания зерновых культур (солома, стебли, ботва, шелуха от зерен и др.);

–отходы животноводства (навоз, помет);

–отходы промышленности и бытовые отходы (мусор;

–энергетическая биомасса (растения, выращиваемые с целью получения топлива).

Отходы от возделывания зерновых культур, животноводства, промышленные и бытовые отходы, по сути, являются вторичными энергетическими ресурсами.

Древесина в зависимости от ее вида имеет различный состав. Она состоит из клетчатки 50-70% (содержащей углерод, водород и кислород), межклеточного вещества 30-50% (лигнина), азота, смолистых веществ, древесного сока в виде раствора в воде органических

иминеральных веществ.

Леса в Республике Беларусь являются одним из важнейших возобновляемых природных ресурсов. Лесистость по состоянию на 2020 год составляла 40,1%, лесной фонд занимал 9696,8 тыс. га или 46,7% территории страны. Концепцией Национальной стратегии устойчивого развития Республики Беларусь на период до 2035 года предусмотрено формирование экологичного и эффективного лесного хозяйства, что включает в себя сохранение биоразнообразия экосистем леса и повышение уровня интенсивности использование лесных ресурсов, в особенности древесины. К примеру, Государственной программой «Белорусский лес» на 2021-2025 годы запланировано увеличение производства щепы топливной с 1,9 млн. м3 в 2021 г. до 2,1 млн. м3 в 2025 г..

Теоретический потенциал возобновляемой древесной биомассы ограничен лишь приростом древесины. Под приростом будем понимать всю древесную биомассу, которая образовалась в лесах страны за календарный год. За последние несколько десятилетий наблюдается увеличение лесистости и среднего запаса насаждений в связи с превышением прироста над объемом заготовки древесины (рисунок 5.1.14).

274

соединения растений (например, лигнин) и все не органические составляющие не поддаются сбраживанию.

Энергетическая биомасса – топливо, производимое из быстрорастущих деревьев и кустарников, которые выращиваются специально для энергетических целей (например, быстрорастущая ива, топинамбур). Предприятие, занимающееся производством топливной биомассы, называют энергетической фермой (плантацией).

Весьма перспективным для Беларуси является создание энергетических плантаций на основе быстрорастущих и высокоурожайных растений древесных и кустарниковых пород. По данным Ботанического сада, с 1 га земли возможно получение 100-150 т растительной массы типа топинамбур, следовательно, энергетический потенциал 1 га составляет 10 т у. т. в год.

Типы энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы:

а) Термохимические

1.Прямое сжигание для получения теплоты.

2.Пиролиз. Биомассу нагревают либо в отсутствии воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. Состав получающихся при этом продуктов чрезвычайно разнообразен. Здесь и газы, и жидкости, и масла, и древесный уголь. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса. Если основным продуктом пиролиза является горючий газ, то процесс называется газификацией, а устройства для его получения называются газогенераторами.

Топлива, получаемого в результате пиролиза, обладают несколько меньшей по сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания, но обладают большей универсальностью применения.

3.Гидрогенизация. Измельченную, разложившуюся или переваренную биомассу, например, навоз, нагревают в атмосфере водорода до температуры около 600 ОС при давлении около 5 МПа (50 атм). Получаемые при этом горючие газы.

б) Биохимические

1.Анаэробная переработка. В отсутствие кислорода некоторые микроорганизмы способны получать энергию, непосредственно перерабатывая углеродосодержащие составляющие, производя при

277

этом углекислый газ CO2 и метан CH4. Получаемая смесь CO2 , CH4 и попутных газов называется биогазом.

2. Спиртовая ферментация. Этиловый спирт – летучее жидкое топливо, которое можно использовать вместо бензина. Он вырабатывается микроорганизмами в процессе ферментации. Обычно для ферментации в качестве сырья используют сахара.

в)Агрохимические Экстракция топлив. В некоторых случаях жидкие или твердые

разновидности топлив могут быть получены прямо от животных или растений. Например, сок живых растений собирают надрезая кожуру стеблей или стволов, из свежесрезанных растений его выдавливают под прессом. Хорошо известный подобный процесс – получение каучука. Родственное каучуконосам растение герея производит углеводороды с более низкой, чем у каучука, молекулярной массой, которые могут быть использованы в качестве заменителей бензина.

На территории Республики Беларусь находится большое число животноводческих комплексов, что позволяет рассматривать отходы жизнедеятельности содержащихся там животных и птиц в качестве надежной сырьевой базы для получения биогаза.

Получение биогаза. Биогаз получают путем микробиологического анаэробного разложения органических веществ растительного и животного происхождения. Он состоит из 50 – 80 % метана и 50 – 20 % углекислого газа. Теплотворная способность его составляет 5 500 – 6 000 ккал/м3. По содержанию энергии 1 м3 биогаза эквивалентен: 2 кВтч электроэнергии, 0,6 кг керосина, 15,5 кг каменного угля, 3,5 кг дров, 0,4 кг бутана, 12 кг навозных брикетов. 0,5 м3 очищенного природного газа, 0,5 кг дизельного топлива, 0,76 кг условного топлива.

Биоэнергоустановку рассматривают, в первую очередь, как установку для производства органических удобрений и, попутно, – для получения биотоплива, позволяющего получить тепловую и электрическую энергию. Применение биоэнергетических установок по переработке отходов животноводства позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных животноводческих комплексов. Кроме того, можно рассчитывать на получение высококачественных органических удобрений. Использование только для получения биогаза экономически неконкурентоспособно с другими видами топлива.

278

Проблема утилизации отходов с каждым годом становится все масштабнее. В Беларуси в настоящее время основным способом утилизации мусора является его захоронение на полигонах. На данный момент уже скопилось около 1 млрд. тонн отходов, включая отвалы Беларуськалия и Гомельского химического завода. Ежегодно в стране образуется почти 50 млн. тонн отходов, 10% от которых составляют твердые коммунальные отходы (ТКО). Динамика образования твердых коммунальных отходов и отходов производства представлена на рисунках 5.1.16 и 5.1.17 соответственно. Как видно из рисунков, производство промышленных отходов в рассматриваемом временном диапазоне всегда значительно превышало производство ТКО, однако объем образования отходов вне зависимости от их происхождения имеет тенденцию к росту, что, с одной стороны, можно считать положительным фактором, так как он является следствием роста экономики и уровня жизни населения страны, но, с другой стороны, он требует принятия срочных мер по активному внедрению процессов повторного использования и переработки отходов, финансированию и поддержке проектов более глубокой переработки сырья на производстве, реализации выпуска новой продукции из отходов производства, освещению вопросов снижения образования отходов и ответственного отношения к окружающей среде среди населения.

Рисунок 5.1.16 – Динамика образования твердых коммунальных отходов в Республике Беларусь

279