CC BY
13Статья поступила в редакцию 08.08.13. Ред. рег. № 1721
The article has entered in publishing office 08.08.13 . Ed. reg. No. 1721
УДК 620.97; 665.75; 696.42
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИХ ЦИКЛАХ, ПОТРЕБЛЯЮЩИХ ЖИДКОЕ УГЛЕВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО ИСКОПАЕМОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
В.Г. Систер1, Е.М. Иванникова12, В.Г. Чирков3, Ю.А. Кожевников3
'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023, Москва, Большая Семеновская ул., 38 Тел.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected] 2ООО «Национальная инновационная компания» 105062, Москва, ул. Чаплыгина, 6 Тел.: 8 (495) 623 5877, e-mail: [email protected] 3Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-19-20; e-mail: [email protected], www.viesh.ru
Заключение совета рецензентов: 13.08.13 Заключение совета экспертов: 18.08.13 Принято к публикации: 23.08.13
Предложена концепция снижения техногенного влияния на окружающую среду вредных выбросов в атмосферу при сжигании углеводородного топлива путем включения в цикл производства тепловой и электрической энергии на тепловых электростанциях (ТЭС) стадии культивирования биомассы микроводорослей (МВ) и приготовления из нее композитных минерально-органических топливных эмульсий и суспензий. Проанализирована общая схема такого технологического цикла. Приведены примеры расчета требуемой площади открытых водоемов по культивированию фитомассы МВ биотопливного назначения для ТЭЦ электрической мощностью 400 МВт, исходя из удельного расхода топлива, а также для случая полной компенсации выбросов углекислоты в атмосферу. Обсуждены меры нормативного характера, которые могли бы способствовать реализации предложенной концепции, обеспечивающей существенное улучшение экологической ситуации в сфере производства тепловой и электрической энергии с применением жидкого углеводородного топлива.
Ключевые слова: микроводоросли, энергогенерирующий цикл, биомасса, культивирование фитомассы микроводорослей.
MICROALGAE USE IN ENERGY PRODUCTION CYCLES THAT CONSUME LIQUID FOSSIL HYDROCARBON FUELS
V.G. Sister1, E.M. Ivannikova12, V.G. Chirkov3, Yu.A. Kozhevnikov3
*University of Mechanical Engineering 21/4 B. Semenovskaya St., Moscow, 107023, Russia Tel.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected], [email protected] 2National Innovative Company, LLC 6 Chaplygina St., Moscow, 105062, Russia Tel.: 8 (495) 623 5877, e-mail: [email protected] 3All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-19-20; e-mail: [email protected], www.viesh.ru
Referred: 13.08.13 Expertise: 18.08.13 Accepted: 23.08.13
A new concept of reduction of anthropogenic impact on the environment due to hazardous emissions into the atmosphere, caused by fossil hydrocarbon fuels combustion, which is achieved by introduction the stage of microalgae cultivation and mineral-organic biofuel preparation on the basis of algae phytomass emulsion and/or suspension has been proposed. The generic diagram of such integrated cycle has been analyzed. The examples of calculations of areas of open ponds, designed for biofuel-dedicated microalgae phytomass cultivation, have been presented for 400 MW CHP station, considering fuel consumption rate for complete utilization of carbon dioxide exhausted into the atmosphere. Normative measures that could contribute to implementation of the proposed concept that is perspective in terms of substantial environmental situation improvement in the sphere of CHP, based on fossil liquid fuels have been discussed.
Keywords: microalgae, energy production cycle, biomass, microalgae phytomass cultivation.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Современные тепловые энергогенерирующие установки потребляют углеводородное топливо, при сжигании которого в атмосферу поступают парниковые газы (СОх, H2O, С04, NOx) и другие вредные вещества, в частности окислы серы и сажа. Их концентрация в дымовых газах может многократно превышать предельно допустимые значения. Наиболее высоким содержанием вредных компонентов в дымовых газах характеризуются ТЭС, работающие на ископаемом твердом топливе (уголь, сланцы, торф), однако и при использовании жидкого (в частности, мазутного) топлива и природного газа в атмосферу, помимо CO2, выбрасываются также окислы азота и серы, ртуть и ее соединения, сажа и другие загрязняющие ее вещества.
В настоящей работе рассмотрена концепция культивирования биомассы микроводорослей (МВ) на тепловых электростанциях и других хозяйственных объектах с целью уменьшения негативного влияния на окружающую среду энергогенерирую-щих установок, потребляющих энергоносители на основе ископаемого сырья. Речь идет о создании технологических циклов производства биомассы МВ и получения из нее водосодержащих органических компонентов для приготовления экологичных композитных минерально-органических топливных эмульсий и суспензий на основе низкосортных мазутов и других продуктов и отходов нефтяного происхождения.
Метод утилизации вредных компонентов дымовых газов с помощью фотосинтезирующих организмов исследуется достаточно давно [1]. Известно, в частности, что МВ способны конвертировать в фи-томассу более 90% углекислоты, подаваемой в куль-туральную среду [2]. Данный подход позволяет достаточно эффективно связывать двуокись углерода, поскольку 94% абсолютно сухой массы МВ образуется из воды и углекислого газа, и лишь 6% - из других субстратных биогенных компонентов, растворенных в воде. При образовании 1 кг фитомассы МВ из окружающего воздушного пространства поглощается более 1,8 кг СО2. Помимо углекислоты, микроводоросли способны ассимилировать содержащиеся в дымовых газах окислы азота с частичным преобразованием в газообразный азот [3] и другие минеральные соединения, в состав которых входят биогенные элементы, такие как Р, 8, К, М^, Са, Бе.
Основными преимуществами микроводорослей перед обычными растениями являются значительно более высокая продуктивность, составляющая по разным оценкам от 50 до 125 г/м2 в среднесуточном выражении для открытых систем, и отсутствие территориальной конкуренции в отношении традиционных сельскохозяйственных культур. Выращивание МВ можно осуществлять в практически любых открытых и искусственных водоемах при отсутствии жестких требований к чистоте и качеству воды, включая воду с высоким содержанием солей, некоторые из которых могут служить биогенными компонентами.
Если обратиться к зарубежному опыту, то перспективы развития данного направления в плане технологического обеспечения можно охарактеризовать положительно. Это связано, прежде всего, с тем, что в последнее время наблюдается повышенный интерес к простейшим фотосинтезирующим водным организмам как к перспективному ресурсу биомассы [4-6]. Исследованиями в области технологий культивирования микроводорослей занимаются многие компании в различных странах мира (Германия, Израиль, Испания, Китай, США). При этом исследуются самые разные аспекты, связанные с производством биомассы микроводорослей как в открытых системах, так и в фотобиореакторах.
Несмотря на очевидные преимущества, технологии производства МВ энергетического назначения до сих пор не получили распространения в мире. К объективным факторам, препятствующим внедрению этих технологий в Российской Федерации, следует отнести непродолжительность периода культивирования МВ в открытых водных системах и отсутствие механизмов (нормативных, административных, экономических) стимулирования экологической деятельности хозяйствующих субъектов в данной сфере. Одним из таких механизмов могла бы стать практика оценки экологического эффекта от деятельности предприятий (в первую очередь, энергогенерирующих), учет потребления атмосферного кислорода, который, по сути, является не менее важным природным энергетическим ресурсом, чем ископаемое топливное сырье. Для этого также должен быть разработан и утвержден научно обоснованный ценовой эквивалент для атмосферного кислорода. В современных условиях, до тех пор, пока такая практика отсутствует, остается находить организационные и технические решения, позволяющие в значительной мере компенсировать связанные с культивированием МВ дополнительные капитальные вложения и эксплуатационные затраты.
По нашему мнению, к решению этой задачи можно приблизиться с двух сторон, если рассматривать биомассу микроводорослей в качестве возобновляемого энергетического сырья для приготовления композитных минерально-органических котельных био-топлив, обладающих значительно более высокими экологическими характеристиками по сравнению с топливами ископаемого происхождения, непосредственно на энергогенерирующих объектах. При сжигании таких биотоплив выбросы вредных веществ (моноокиси углерода, окислов серы и азота, сажи и др.) в атмосферу могут быть существенно снижены. Капиталовложения и издержки производства такой энергетической продукции можно минимизировать, максимально используя существующую инфраструктуру и доступные топливно-энергетические резервы, имеющиеся в распоряжении самих предприятий. К ним в условиях ТЭС относятся, прежде всего, зона землеотведения, площадь которой составляет 33,5 кв. км для современных ТЭС, система водоемов
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
охладителей, нормируемая площадь которых составляет от 6 до 9 м2/кВт, а также избыточная тепловая энергия и отходы нефтепродуктов.
Такими объектам являются, в первую очередь, электростанции, работающие на органическом топливе, которые имеют электрический КПД в пределах 35-40%. Это означает, что около двух третей теплотворной способности топлива переходит в тепловую энергию. В среднем половина генерируемой тепловой энергии передается охлаждающей воде и порядка 10% уходит в атмосферу с дымовыми газами. Для конденсации отработавшего пара обычно используют холодную воду из естественного водоема, которая уносит и рассеивает в окружающей среде значительное количество тепла. Данный энергетический ресурс для использования в промышленных целях интереса не представляет и мог бы найти применение для обеспечения достаточно продолжительного среднегодового производственного цикла культивирования растительной биомассы. Согласно оценкам, для производства тепличным способом 1 т сухой массы МВ в умеренном климате требуется около 400 Гкал тепловой энергии. Около 80% этой потребности может быть покрыто за счет сбросного тепла ТЭЦ. При этом эксплуатационные затраты производства снижаются, по крайней мере, на 30% [7].
Дополнительное сокращение эксплуатационных затрат при повышении экологической безопасности основного производства обеспечивает применение МВ в качестве органической добавки к стандартному котельному топливу. Помимо МВ, в ее состав могут входить также органические компоненты отходов сельскохозяйственных промышленных производств, расположенных в пределах транспортной доступности такого сырья при приемлемых тарифах на отгрузку и перевозку. Такие водосодержащие композитные биотоплива приготавливаются в виде ультрадисперсных эмульсий и суспензий различными методами, из которых наибольшую эффективность показали технологии гидродинамической и ультразвуковой кавитационной обработки [8].
Общая схема технологического цикла производства тепловой и электрической энергии с использованием композитного биотоплива из микроводорослей представлена на рисунке. В основе такого цикла лежит энергогенерирующая установка (в общем случае ТЭС или тригенерационная система), работающая на жидком композитном котельном биотопливе, приготовленном путем ультрадисперсной гомогенизации из мазута (или иного тяжелого нефтепродукта) и фитомассы микроводорослей, которая производится с использованием сбросного тепла самой энерго-генерирующей установки.
Технологический цикл производства тепловой и электрической энергии
с использованием композитного биотоплива из микроводорослей Technological CHP cycle using composite biofuel prepared from microalgae
В состав системы входит установка по культивированию микроводорослей с использованием открытого водоема, водоема-теплицы или закрытого фото-биореактора. В первых двух случаях необходимая для синтеза фитомассы углекислота, как правило, поставляется в культуральную среду из атмосферы,
хотя технически возможно принудительное обогащение водной среды углекислым газом. В последнем случае подача углекислоты полностью принудительная. В общем случае, схема технологического цикла содержит функциональный модуль обработки дымовых газов, позволяющий выделить из них углекисло-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
ту и некоторые минеральные вещества, являющиеся биогенными компонентами в процессе роста МВ. С точки зрения сохранения баланса углекислоты в атмосфере конкретного региона (и в глобальном масштабе) при работе энергогенерирующей установки это не принципиально, поскольку неважно, из какой области пространства она отбирается для фотосинтеза МВ. Поэтому технологическая схема цикла может быть существенно упрощена, что позволяет исключить капиталовложения и эксплуатационные расходы, относящиеся к оборудованию, по возвращению углекислоты в хозяйственный оборот.
При культивировании МВ требуется относительно большое количество световой энергии в специфическом, характерном для каждой фитокультуры диапазоне длин волн (фотосинтетически активная радиация - ФАР) - порядка 16 МДж/кг без учета КПД использования излучения. Поэтому, из-за отсутствия достаточно эффективных источников света, применение искусственного освещения экономически неоправданно. В некоторых случаях, при культивировании в закрытых системах, могут использоваться простейшие недорогие концентраторы солнечного излучения.
Из произведенной фитомассы МВ путем отделения значительной части влаги готовят концентрат, плотность которого определяется требуемым конечным соотношением углеводородной и водосодержа-щей фракций в композитном биотопливе, которое используется для питания горелочных устройств котельной установки энергогенерирующей системы. Это обеспечивает экономию мазута до 20%, а также существенное снижение вредных выбросов в атмосферу за счет более полного сгорания. В частности, содержание сажи при использовании водосодержа-щего биотоплива снижается в 2-3 раза по сравнению с мазутом [8]. Котельная установка производит пар для электрогенерирующего агрегата. Сбросное тепло контура охлаждения агрегатов энергогенерирующей системы в виде горячей воды используется для поддержания требуемого оптимального температурного режима в установке по культивированию МВ. Зольный остаток, получаемый после сжигания композитного котельного биотоплива, может использоваться для извлечения минеральных биогенных компонентов при производстве фитомассы.
Произведем оценку производительности установки по культивированию МВ для мазутной ТЭЦ электрической мощностью 400 МВт, потребляющей в час порядка 90 т мазута. При этом выделяется около 280 т углекислого газа, откуда удельный объем производимой углекислоты (в литрах при нормальных условиях):
= = 1425 ,108
(1)
где Мсо - грамм-молекула углекислого газа; т -масса С02, поступающего в атмосферу за 1 час рабо-
ты ТЭЦ; Ум = 22,4 л/моль - молярный объем газа при нормальных условиях.
Из упрощенного уравнения материального баланса при фотосинтезе:
6CÜ2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6O2
(2)
следует, что при образовании 1 т фитомассы потребляется 1,47 т (т. е. 0,75-106 нл) углекислого газа. Таким образом, для полной утилизации углекислоты, выбрасываемой с дымовыми газами ТЭЦ указанной мощности, проектная производительность РА установки по культивированию МВ должна составлять:
P. =-
Г.
1,425 -108
0,75 0,75 -106
= 190 т/ч.
(3)
При средней удельной продуктивности МВ УА для открытых водоемов порядка 0,2 г/л в сутки1 (или 8,3 г/м3 в час) рабочий объем УА установки по культивированию должен составлять:
V = P = 1,9 -108
A = Y -
,3
= 2,3-107 м3.
(4)
Для толщины продуктивного слоя воды 1 м потребуется общая площадь водоемов, равная 23 км2 (или 230 тыс. га). Это достаточно громоздкая и сложная ирригационная система, сооружение и эксплуатация которой сопряжена с существенными неоправданными материальными затратами, поскольку в настоящее время эмиссия со2 в атмосферу не облагается налогами.
На первом этапе реализации предлагаемого замкнутого цикла расчет производительности установки по культивированию МВ целесообразно производить, исходя из суммарной потребности котельных агрегатов в композитном биотопливе. При таком подходе необходимый рабочий объем установки по культивированию фитомассы определяется удельным расходом композитного котельного топлива и содержанием в ней водной эмульсии МВ. В общем случае, такой расчет производят с учетом двух эффектов, оказывающих прямо противоположное влияние на удельный расход топлива. С одной стороны, имеет место увеличение общего объема сжигаемого топлива вследствие снижения его теплотворной способности, поскольку помимо мазута в композитном топливе присутствуют вода, являющаяся «балластным» компонентом, и растительная биомасса, калорийность корой даже в абсолютно сухом эквиваленте примерно вдвое меньше, чем у мазута. С другой стороны, присутствие влаги в композитном биотопливе обеспечивает более полное сгорание всех его компонентов, что, естественно, приводит к снижению удельного расхода.
1 Значение показателя выбрано на основе результатов экспе-
риментальных исследований продуктивности МВ в открытых
системах, проведенных в 50-х годах прошлого столетия в США,
Болгарии, СССР, Чехословакии Узбекистане и других странах.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Для оценочных расчетов можно допустить, что указанные выше факторы уравновешивают друг друга, и результирующий удельный расход топлива остается таким же, как в случае работы ТЭЦ на стандартном мазуте. Следует добавить, что данное допущение справедливо лишь в определенном диапазоне соотношения мазутной и водоэмульсионной фракций, которое зависит от фактического режима нагрузки ТЭЦ. Согласно имеющимся экспериментальным данным [8], массовая доля микроводорослевой эмульсии в котельном композитном биотопливе может достигать 50%, при среднем типовом значении - 20%. В таблице приведены значения требуемой площади открытых водоемов по культивированию МВ при толщине продуктивного слоя 1 м, рассчитанные по его удельному расходу, для различных концентраций эмульсии в мазуте. Как видно из таблицы, данная технология, при ее применении на крупных энергогенерирующих объектах, требует отведения достаточно больших площадей под водоемы для выращивания фитомассы МВ.
Оценка требуемой площади водоемов для культивирования МВ, рассчитанная по удельному расходу композитного биотоплива
Estimation of required area for microalgae dedicated water reservoir defined with the account to the composite biofuel consumption rate
Массовая доля эмульсии МВ, % Требуемая общая площадь водоемов
удельная, га/МВт для ТЭЦ мощностью 400 МВт, га
5 28,7 11480
10 57,5 23000
20 115 46000
Таким образом, на мощных ТЭЦ использование полностью закрытых установок, позволяющих круглогодично сохранять высокую продуктивность МВ, нецелесообразно ввиду неоправданно больших объемов работ по их развертыванию и содержанию. Однако такие установки могли бы применяться в комбинации с маломощными (в том числе, автономными) теп-ло-электро-генерирующими системами (микро- и мини-ТЭС) на основе современных паро-поршневых двигателей (СППД), обеспечивающими более высокую эффективность использования первичного топлива, чем паровые турбины, в диапазоне мощностей порядка нескольких МВт и ниже [9]. При использовании СППД, работающих на композитном биотопливе, содержащем компоненты фитомассы МВ, экономия нефтепродуктов может достигать 15-20% в зависимости от режима нагрузки энергогенерирую-щего агрегата.
Немаловажным преимуществом автономных мини-ТЭС является также и то, что их владельцами, в отличие от ТЭЦ средней и большой мощности,
чаще всего являются частные лица и организации, и их модернизация не требует согласования с соответствующими ведомствами и административными органами.
Предлагаемые замкнутые циклы могли бы найти применение не только в целях нейтрализации вредных выбросов с дымовыми газами энергогенери-рующих установок, но и в других областях, где техногенная нагрузка на окружающую среду вызывает серьезную озабоченность общественности и властей. В частности, с их помощью возможна реабилитация городских водоемов и восстановление в них условий естественного баланса биологических процессов путем заселения зеленой водоросли (например, хлореллы), способной подавлять патогенный фитопланктон.
Для развития изложенной выше концепции высокоэффективных в экологическом и энергетическом плане циклов производства тепловой и электрической энергии должен быть решен комплекс задач в нормативно-правовой, организационной, экономической сферах.
В нормативно-правовой сфере необходимо развивать законодательную основу административного и экономического стимулирования альтернативной энергетики и возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Так, на федеральном уровне следует, по примеру ЕС, разработать нормативные документы, обязывающие производителей и поставщиков энергоносителей поставлять на потребительский рынок биотоплива, а также тепловую и электроэнергию, выработанную на биотопливе, с указанием объема и сроков замещения ископаемых энергоресурсов [10].
Кроме того, целесообразно включить атмосферный кислород, потребляемый при сжигании различных топлив ископаемого происхождения, в список теплоэнергетических ресурсов (ТЭР) в целях обязательного учета его годового потребления при энергоаудите и составлении энергетического паспорта. В том случае, когда обследуемое предприятие в процессе хозяйственной деятельности производит фи-томассу в виде микроводорослей или других видов растительности, соответствующая (расчетная) величина должна быть вычтена из общего годового объема потребления атмосферного кислорода. При этом хозяйствующий субъект может не только повысить показатели энергоэффективности, но также снизить расходы на саму процедуру энергоаудита, поскольку в сложившейся системе ценообразования на рынке данного вида услуг стоимость работ по энергетическому обследованию привязана к годовому объему потребления ТЭР.
Данная работа проводится, в том числе, при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение №14.В37.21.0150).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Список литературы
1. Заявка № 60/380179 на патент США «Photobioreactor and process for mitigation of flue-gases» от 13 мая 2002 г.
2. Sheehan J. et al. A look back at the U.S. Department of Energy's aquatic species program: Biodiesel from algae, 1998, NERL/TP-580-24190.
3. Hiroyasu N. et al. Characteristic of biological NOx removal from flue gas in a Dunaliella tertiolecta culture system // Journal of Fermentation and Bioengineering. 83. 1997.
4. Чернова Н.И. и др. Микроводоросли в качестве сырья для получения биотоплива // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2008. № 9. С. 68-74.
5. Kurano N. et al. Novel microalgae and process for producing hydrocarbon: Patent KR20070121051(A). 2007.
6. Machacek M.T., Smith T.G. Continuous algal biodiesel production facility: Patent WO 20090118230(A1). 2009.
7. Алексеев В.В., Гусев A.M., Лямин М.Я. Способ биоконверсии солнечной энергии в энергию биохимического топлива // А. с. № 1637333 в Госреестре от 22 ноября 1990 г.).
8. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Чирков В.Г., Кожевников Ю.А. Приготовление композитных котельных и моторных биотоплив из альгамассы // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2013. № 1 (2 часть). С. 103-107.
9. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Чирков В.Г., Трохин И.С., Кожевников Ю.А. Применение биото-плив третьего поколения в автономных энергогене-рирующих системах на основе паровых поршневых двигателей // Химическое и нефтяное машиностроение. 2013. № 3. С. 41-43.
10. Directive 2003/30/EC of the European Parliament and of the Council of 8 May 2003 on the promotion of the use of bio-fuels or other renewable fuels for transport.
— TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
