СОВРЕМЕННАЯ АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЭКОНОМИКИ И ЭКОЛОГИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ECONOMKAL ASPECTS

Статья поступила в редакцию 27.09.10. Ред. рег. № 875 The article has entered in publishing office 27.09.10. Ed. reg. No. 875

УДК 623.5

СОВРЕМЕННАЯ АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЭКОНОМИКИ И ЭКОЛОГИИ

Ю.Н. Шалимов1, А.Л. Гусев2, Г.А. Мхиторян3, Ю.В. Литвинов1, В.Е. Ковалев1, Е.А. Доброквашин4, Е. С. Миленина4, Е.Л. Савельева4, Д.Л. Шалимов1

'ФГУП НКТБ «Феррит» 394066 Воронеж, Московский пр., д. 179 Тел: (4732) 43-77-02; e-mail: shalimov_yn@mail.ru

2Научно-технический центр «ТАТА» 607183 г. Саров Нижегородской обл., а/я 787 Тел: (83130) 6-31-07, 9-44-72; факс: (83130) 6-31-07; е-mail: gusev@hydrogen.ru

3 ФГУП «Прибор» 117519 Москва, ул. Кировоградская, д. 1

4Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел./факс: (4732) 43-77-12

Заключение совета рецензентов: 17.10.10 Заключение совета экспертов: 27.10.10 Принято к публикации: 31.10.10

В работе рассмотрены различные виды использования альтернативных возобновляемых источников энергии для их использования в сельскохозяйственном производстве. Показано, что те или иные виды источников могут быть успешно использованы при наличии эффективных аккумулирующих систем. Однако такие системы до сих пор не совершенны не только по емкости электрической, тепловой и механической энергии, но в ряде случаев высокозатратны и пока не нашли практического применения. Большой раздел посвящен особенностям работы биогазовых установок, где указывается на то обстоятельство, что повышение эффективности их работы сдерживается климатическими условиями России для разных регионов, где энергетика процесса малоэффективна. Рассмотрены способы использования газогенерирующих систем в различных инвариантах их применения. Высказано предположение о перспективах использования генераторов быстрого пиролиза (абляционного типа) для получения синтетического топлива с высокой теплотворной способностью.

Ключевые слова: термическое разложение топлива, водород, солнечная энергетика, ветроэнергетика, биотехнологии, биоэнергетика.

MODERN ALTERNATIVE POWER FROM THE POINT OF VIEW OF ECONOMY AND ECOLOGY

Yu.N. Shalimov1, A.L. Gusev2, G.A. Mhitorjan3, Yu.V. Litvinov1, V.E. Kovalev1, E.A. Dobrokvashin4, E.S. Milenina4, E.L. Savelyeva4, D.L Shalimov1.

'The Federal State Unitary Enterprise a Scientific Design Technical Bureau "Ferrite" 179 Moscow ave., Voronezh, 394066, Russia Tel.: (4732) 43-77-02; e-mail: shalimov_yn@mail.ru

2Scientific-Technical Centre "ТАТА" P.o. 787, Sarov, Nizhegorodskii reg., 607183, Russia Tel.: (83130) 6-31-07, 9-44-72; fax: (83130) 6-31-07; e-mail: gusev@hydrogen.ru

3 Federal State Unitary Enterprise "Pribor" 1 Kirovogradskaya str., Moscow, 117519, Russia

4Voronezh State Technical University 14 Moscow ave., Voronezh, 394026, Russia Tel./fax: (4732) 43-77-12

Referred: 17.10.10 Expertise: 27.10.10 Accepted: 31.10.10

The paper discusses various kinds of alternative renewable energy sources for use in agricultural production. It is shown that certain types of sources can be used successfully in the presence of effective accumulating systems. However, such systems are still not perfect, not only on the capacity of electrical, thermal and mechanical energy, but in some cases are expensive and have

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

not yet found practical application. A large section devoted to the peculiarities of the biogas plants, which points to the fact that the efficiency of their work is constrained by climatic conditions in various regions of Russia, where the energy of the process is ineffective. Ways of use gas-generating systems in various invariants of their application are considered. The assumption of prospects of use of generators of fast thermal decomposition for reception of synthetic fuel with high calorific ability is come out.

Keywords: thermal decomposition of fuels, hydrogen, solar energy, wind energy, biotechnology, bioenergy.

Юрий Николаевич Шалимов

Юрий Викторович Литвинов

Виталий Евгеньевич Ковалев

Денис Леонидович Шалимов

Д-р техн. наук, профессор кафедры электромеханических систем и электроснабжения ВГТУ, начальник лаборатории № 15 ФГУП НКТБ «Феррит». Опубликовано 2 монографии и более 400 работ.

Грант Алесанович Мхиторян

Канд. техн. наук. Директор-главный конструктор ФГУП НКТБ «Феррит». Автор монографии и более 100 работ в области электро-химической обработки материалов и водородной энергетики.

Инженер ФГУП НКТБ «Феррит».

Непосредственно принимает участие в экономическом обосновании разрабатываемых технологий по энергоресурсосбережению, разработке схем и систем утилизации отходов сельскохозяйственного производства через их преобразование в синтез-топливо, техническом сопровождении работы вычислительной техники, проектировании лабораторных установок для проведения экспериментов и исследований процессов наводо-роживания.

Инженер-конструктор I категории ФГУП НКТБ «Феррит». Аспирант Ивановского Государственного химико-технологического университета, автор 12 работ по направлению водородной энергетики и электрохимии, Инженер Года России 2009 г.

Елена Сергеевна Миленина

Канд. техн. наук. Зам. начальника ФГУП «Прибор». Автор более 35 научных работ и патентов, автор книг и монографии. Автор энциклопедии машиностроителя, раздела «сельхозмашиностроение - переработка навоза».

Евгений Александрович Доброквашин

Окончил Воронежский политехнический институт по специальности «инженер электромеханик», соискатель ученой степени канд. техн. наук по специальности «электротехнические комплексы и системы управления». Работает в должности инженера-конструктора Лаборатории Экспериментальных Технологий и Теорий ЭнергоРе-сурсоСбережений. Автор патента РФ.

Аспирант кафедры ЭМСЭС, работает в области математического моделирования теплофизических процессов в электрохимических системах. Автор 5 работ по этому направлению.

Ассистент кафедры ЭМСЭС ВГТУ, аспирант 3 года обучения.

Елена Леонидовна Савельева

Введение

В современном мире все больше внимания уделяется альтернативным возобновляемым источникам энергии, поскольку сырьевые запасы углеводородов имеют тенденцию к исчерпанию, поэтому возобновляемые источники представляют особый интерес не только с позиции их использования, но и с точки зрения повышения эффективности их применения в условиях определенных климатических поясов [1].

В последнее время все больше уделяется внимания вопросам использования солнечной энергии как наиболее эффективного источника, способного производить экологически чистыми технологиями определенное количество тепловой и электрической энергии. Научные разработки российских и зарубежных ученых, особенно в области современной кристаллофизики позволяют надеяться, что к концу XXI века практически основная доля необходимого энергопотребления будет получена за счет энергии солнца [2]. Немаловажная роль отводится в производстве электроэнергии ветросиловым установкам. В перспективе планируется создание серии мощных ветросиловых установок, работающих в открытом море, как наиболее эффективных источников энергоснабжения для районов с достаточной скоростью движения ветра [3]. И наконец, наибольший вклад в развитие альтернативной энергетики должны внести системы переработки отходов сельскохозяйственного и промышленного производства, содержащих углеводородные компоненты. Энергетический баланс этих видов переработки в настоящее время составляет только по районам Черноземья десятки ГВт-часов электроэнергии в сутки. Поэтому в данной работе этому вопросу уделяется основное внимание.

Анализируя материалы публикаций по вопросам утилизации отходов сельхозпроизводства различного рода технологиями, можно сделать весьма интересный вывод, а именно: большинство авторов пытаются доказать универсальность предлагаемой технологии независимо от вида отходов сельскохозяйственного производства и климатических условий, в которых находится объект переработки, ссылаясь на научные авторитеты авторов разработок и престижность фирм, производящих оборудование. Отсутствие такого глубокого анализа по выбору технологии с учетом объекта переработки и климатической зоны может привести к снижению ее эффективности и даже к невозможности ее реализации. Поэтому основной целью являются попытки систематизировать результаты экспериментальных исследований и внедрение установок по переработке отходов сельскохозяйственного производства. И в конечном итоге на основании результатов этого анализа выработать рекомендации по использованию той или иной технологии переработки с оптимальными параметрами энергетики и экологии.

Как показала практика переработки отходов сельскохозяйственного производства, получили развитие три основных технологии:

1) твердофазная ферментация отходов животноводства и птицеводства, в результате осуществления которой получают высококачественные органические удобрения;

2) биогазовая технология, обеспечивающая получение жидких концентрированных удобрений с одновременной генерацией биогаза для использования в энергетических установках;

3) технологии газогенерации и пиролиза, в результате реализации которых получают тепловую и электрическую энергию или осуществляют производство топлива.

Представляет интерес вопрос выбора оптимальной технологии с различных позиций: экономики, энергетики и экологии.

Например, в последнее время наблюдается интенсивное продвижение биогазовых установок для переработки отходов сельскохозяйственного производства в высокие широты России. Даже самые простые расчеты по энергозатратам на осуществление этих процессов показывают, что экономически эти проекты не всегда могут быть оправданы.

Рассмотрим более подробно основные аспекты развития альтернативной энергетики.

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде.

Принцип действия солнечных батарей состоит в прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. При этом генерируется постоянный ток. Энергия может использоваться как напрямую различными нагрузками постоянного тока, запасаться в аккумуляторных батареях для последующего использования или покрытия пиковой нагрузки [4], так и преобразовываться в переменный ток напряжением 220 В для питания различной нагрузки переменного тока.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м2 (солнечная постоянная). Из-за поглощения при прохождении атмосферной массы Земли максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на экваторе) - 1020 Вт/м2. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом) (рис. 1). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

• •

• •

V. " Matthas Lóete«, 2006

0 SO 100 ISO 2 U U 750 ЭОС 350

Рис. 1. Зависимость интенсивности солнечного потока от региона

Fig. 1. The dependence of the intensity of solar flux from the region

Если в 1985 г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006 г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19% больше, чем в 2005 г. [5]. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на 16% больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33%).

К 2005 г. суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд долларов.

Ввод в строй новых мощностей в 2005 г.: Германия - 57%; Япония - 20%; США - 7%; остальной мир - 16%. Доля стран в суммарных установленных мощностях (на 2004 г.): Германия - 39%; Япония -30%; США - 9%; остальной мир - 22%.

Производство фотоэлементов в мире выросло с 1656 МВт в 2005 г. до 1982,4 МВт. В 2006 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве - 44% мирового рынка; в Европе производится 31%. США производят 7% от мирового производства, хотя в 2000 г. эта цифра доходила до 26%.

Перспективы

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия сможет к 2050 г. обеспечить 20-25% потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов, или 20-25% всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно.

Производство солнечных батарей в России

Альтернативная энергетика России стремительно развивается. Поддержка использования альтернатив-

ных источников энергии происходит на государственном уровне. Важное значение имеет принятие закона № 250-ФЗ и указа № 889, которые предусматривают «бюджетные ассигнования, необходимые для поддержки и стимулирования, реализации проектов использования возобновляемых источников энергии и экологически чистых производственных технологий». Своевременные меры помогают улучшать экологическую обстановку в нашей стране, снижать зависимость российской экономики от цен на электроэнергию, нефть, газ. Строительство заводов альтернативного оборудования позволит зарабатывать на производстве и экспорте возобновляемых источников энергии и экологически чистых производственных технологиях. Например, РОСНАНО и РЕНОВА начнут выпускать 1 миллион солнечных модулей в год для Европы.

Так, РОСНАНО и РЕНОВА уже приступили к совместному проекту производства солнечных батарей в Новочебоксарске. Новый завод будет производить солнечные батареи на тонких пленках. По заявлению генерального директора ГК РОСНАНО Анатолия Чубайса, инвестиции в производство составят 20 миллиардов рублей, проектная мощность один миллион солнечных модулей в год, что соответствует 120 МВт/год.

По планам РОСНАНО, продажа солнечных батарей и энергоустановок к 2015 г. составит 130 млн евро благодаря еще одному новому производству - в Санкт-Петербурге. В продажу солнечные батареи поступят к 2013 г. Ожидается объем производства солнечных энергоустановок на 85 МВт в год (сообщает пресс-служба КЭРППиТ). Общий бюджет проекта оценивается в 5,7 млрд. рублей.

Энергосистемы солнечных батарей промышленного назначения

Рис. 2. Промышленные образцы солнечных батарей Fig. 2. Industrial samples of solar panels

Энергосистемы солнечных батарей обеспечивают электроэнергией телекоммуникационные станции, трубопроводы и метеостанции, часто расположенные автономно в отдаленных, необитаемых районах, без инфраструктуры. Автономное электроснабжение солнечным электричеством - коммерчески выгодное

электроснабжение промышленного назначения. Телекоммуникационные станции во всем мире имеют надежные и экономичные источники снабжения электроэнергией. Naps и Солнечная KYOCERA производят широкий спектр промышленных энергетических систем (рис. 2), в том числе и автономные энергетические системы для телекоммуникаций. Системы проектируются индивидуально для каждого заказчика. Производство солнечных батарей этими компаниями существует уже около 50 лет.

Солнечные батареи для дома Солнечные батареи для дома образуют кровельные системы. Они полностью стандартизированы, подходят для домов различных конструкций и любых типов крыш. Солнечная батарея, аккумуляторная батарея, контроллер заряда, инвертор хорошо совместимы по всем характеристикам. Фотоэлектрическая батарея является модульной конструкцией. Стандартные модульные системы образуют энергосистемы большой мощности. Солнечные батареи для дома спроектированы с учетом простой установки на домах с любым типом кровли (рис. 3). Типичная продолжительность монтажа 8-10 модулей солнечных батарей занимает менее одного дня и не требует сверления отверстий в кровле дома. Стоимость одной секции солнечной батареи составляет от 600 до 2000€, в дополнение к этому необходимо приобретение аккумуляторной батареи, коллектора заряда и инвертора - их стоимость соразмерна стоимости используемой солнечной батареи.

Рис. 3. Солнечные батареи для дома Fig. 3. Solar panels for home

Солнечные батареи для дома сегодня находят все большее применение в Японии, странах ЕЭС, Америке как автономное, резервное электроснабжение загородного дома, жилых зданий и предприятий. Особенно актуальным становится энергосбережение за счет потребления солнечной энергии и у нас в России для защиты от будущего роста цен на энергоносители. Резервное, автономное электроснабжение для загородного жилья имеет большее значение, чем для городской квартиры. Отключение электроэнергии в крупных городах происходит редко, в основном в холодные зимы, а вот за городом, в коттеджных поселках, кемпингах, мотелях, туристических комплексах это приводит к серьезным финансовым потерям и трудностям. При этом надо учитывать, что использование солнечной энергии в виде источника энергоснабжения выгодно при мощности потребителя не более 4 кВтч.

Воронеж

Что касается Воронежского региона, то здесь солнечная энергетика не получила достаточного развития. В связи с этим имеет место только возможность анализа негативных и благоприятных факторов.

Следует отметить, что с учетом географического положения в Воронежском регионе солнечное сияние длится 1800 часов.

Такое количество солнечной энергии делает возможным установку солнечных батарей. Однако, учитывая относительно высокую стоимость комплексов солнечной энергии, комплексы солнечных батарей в значительной степени проигрывают другим источникам, тем более что такие комплексы рекомендовано использовать в дополнение к стандартным линиям электроснабжения, а их автономное использование не позволит полностью удовлетворить потребности в электроэнергии. В связи с этим увеличивается срок окупаемости внедряемых установок и уменьшается их инвестиционная привлекательность.

В качестве еще одного довода не в пользу возможности внедрения солнечных энергоустановок следует указать неразвитость производственной базы - только развивающееся производство и еще не отлаженная полностью технология изготовления. Это в значительной степени повысит стоимость текущего ремонта и доставку комплектующих к месту эксплуатации.

В связи с вышеизложенным можно сделать вывод, что на данном этапе развития солнечной энергетики в России внедрение солнечных энергетических комплексов в Воронежском регионе невыгодно с экономической и технической точки зрения. Только при стабильном развитии отрасли и государственной поддержке данный вид альтернативной энергетики имеет перспективу развития.

Прямое преобразование солнечной энергии

Современное развитие гелиоэнергетики предполагает, что за счет непосредственного использования

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

лучистой энергии Солнца человечество будет полностью обеспечено энергией только к концу XXI века. Для этого необходимо создать не только энергоемкие аккумулирующие системы, но и обеспечить надежную сеть передачи ее в районы, где это прямое преобразование неэффективно (северные и южные широты). Для этих районов в период полярной ночи должно быть обеспечено питание энергией от резервных систем.

С другой стороны, для развития гелиоэнергетики необходимо значительно увеличить объем финансирования для проведения исследований в области создания новых гетероструктур для систем преобразования солнечной энергии.

При выборе того или иного вида альтернативного источника необходимо оценить энергетический ресурс самой системы энергоснабжения. На рис. 4 представлена зависимость продолжительности светлого периода за год, из анализа которого легко установить, что при использовании солнечных батарей компенсация за счет аккумулирования или потребления от других источников электрической энергии составляет от 28% до 250% в сутки. Система аккумулирования для зимнего периода года должна включать в себя энергоисточники, позволяющие покрывать недостаток энергии независимо от широтного расположения потребителя солнечной энергии. Это обстоятельство приводит к значительному увеличению стоимости солнечных энергоустановок, что способствует росту срока окупаемости.

решить вопросы его безопасного хранения. В этом направлении должны быть развернуты работы специалистов и научных коллективов в области альтернативной энергетики. Экономическая и экологическая целесообразность предлагаемой схемы не вызывает сомнений. Общий вид предлагаемой системы представлен на рис. 5, где 1 - источник энергии; 2 -коммутатор-распределитель; 3 - электрохимический генератор; 4 - накопитель водорода (топлива); 5 -топливный элемент (ПГУ); 6 - преобразователь энергии; 7 - система управления; 8 - потребитель электрической энергии.

Рис. 4. Годовой график изменения продолжительности светлого времени суток Fig. 4. Annual schedule of change of duration of light time of days

Для альтернативных источников энергии с ограниченным ресурсом времени действия главной проблемой является система аккумулирования выработанной энергии.

Здесь следует в качестве примера привести опыт энергетиков Канады, которые используют дешевую энергию ночного провала нагрузки гидроэлектростанций для получения водорода, который может быть использован, в том числе и как топливо. Безопасное хранение его в гидридной форме позволит

Рис. 5. Функциональная схема аккумулирования избыточной энергии альтернативного источника Fig. 5. Function chart of accumulation of superfluous energy of an alternative source

Приведенная на рис. 5 схема не является универсальной и может быть изменена в зависимости от соотношения параметров: выработка энергии - время - нагрузка потребителя. Например, в качестве позиции 5 может быть использован топливный элемент или парогазовая установка. Вариант с ПГУ предпочтительнее при использовании мощных альтернативных источников стационарного типа. В этом случае значительно повышается КПД системы.

Таким образом, полный переход на «чистую» солнечную энергетику может быть осуществлен только при наличии современных систем аккумулирования энергии. С точки зрения экологии использование водородных накопителей (аккумуляторов) решает эту задачу наилучшим образом. Действительно, на всех стадиях энергопреобразования конечными продуктами взаимодействия являются не окислы азота, углерода или серы, а чистая вода. Из этого следует вывод о том, что размещение таких энергоустановок возможно непосредственно в местах основного потребления энергии (крупные предприятия и города).

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра - кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся от-

раслью, так, в конце 2009 г. общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 157 гига-ватт, увеличившись вшестеро с 2000 г. [6].

Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ветра - от 4,5 м/с и выше.

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 м, высоту башни 70 м и диаметр лопастей 90 м.

В августе 2002 г. компания Enercon построила прототип ветрогенератора E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 г. турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 г. германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 м, вес гондолы - 200 т, высота башни - 120 м. В конце 2005 г. Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 м, высота башни 124 м. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 7,5 МВт для оффшорного применения.

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где еще встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, то есть с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема таких генераторов - механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем, ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны.

В настоящее время в мире распространены следующие типы ветряных электростанций.

Наземная

Самый распространенный в настоящее время тип ветряных электростанций. Ветрогенераторы устанавливаются на холмах или возвышенностях.

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной фермы может занимать год и более.

Для строительства необходима дорога до строительной площадки, тяжелая подъемная техника с выносом стрелы более 50 м, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 м.

Электростанция соединяется кабелем с передающей электрической сетью.

Крупнейшей на данный момент ветряной электростанцией является электростанция в городе Роско (Roscoe), штат Техас, США (рис. 6). Она был запу-

щена 1 октября 2009 г. немецким энергоконцерном E.ON. Станция состоит из 627 ветряных турбин производства Mitsubishi, General Electric и Siemens. Полная мощность - около 780 МВт. Площадь электростанции не менее 400 км2.

Рис. 6. Ветряная электростанция Fig. 6. Wind power station

Прибрежная

Прибрежные ветряные электростанции строят на небольшом удалении от берега моря или океана (рис. 7). На побережье с суточной периодичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоема. Дневной, или морской, бриз движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой - с остывшего побережья к водоему.

Рис. 7. Оффшорная ветряная электростанция Fig. 7. Offshore wind power station

Оффшорная

Оффшорные ветряные электростанции строят в море: 10-12 км от берега на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 м. Электроэнергия передается на землю по под-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

водным кабелям. Оффшорные ветряные электростанции обладают рядом преимуществ:

- их практически не видно с берега;

- они не занимают землю;

- они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров.

Оффшорные электростанции более дороги в строительстве, чем их наземные аналоги. Для генераторов требуются более высокие башни и более массивные фундаменты. Соленая морская вода может приводить к коррозии металлических конструкций.

В конце 2008 г. во всем мире суммарные мощности оффшорных электростанций составили 1471 МВт. За 2008 г. во всем мире было построено 357 МВт оффшорных мощностей. Крупнейшей оффшорной станцией является электростанция Миддельгрюнден (Дания) с установленной мощностью 40 МВт.

Плавающие ветровые электростанции

Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 г. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 м.

Рис. 8. Плавающая ветровая электростанция Fig. 8. Floating wind-driver power station

Норвежская компания StatoilHydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубин. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в сентябре 2009 г. Турбина под названием Hywind весит 5300 т при высоте 65 м (рис. 8). Располагается она в 10 км

Выработка электроэнергии ветровь Development of the electric power by 1

от острова Кармой, неподалеку от юго-западного берега Норвегии. Стальная башня этого ветрогенера-тора уходит под воду на глубину 100 м. Над водой башня возвышается на 65 м. Диаметр ротора составляет 82,4 м. Для стабилизации башни ветрогенерато-ра и погружения его на заданную глубину в нижней его части размещен балласт (гравий и камни).

При этом от дрейфа башню удерживают три троса с якорями, закрепленными на дне. Электроэнергия передается на берег по подводному кабелю.

Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора - до 120 м.

Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому ветряные электростанции строят на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30-60 м. Принимаются во внимание предметы, способные влиять на ветер: деревья, крупные здания и т.д.

Достижения по выработке электроэнергии ветровыми электростанциями приведены в табл. 1, 2.

Лидерами по производству электроэнергии в данной области являются США, Германия и Китай с объемами производства 35159, 25777 и 25104 МВт соответственно.

Страны Евросоюза в 2005 г. вырабатывают из энергии ветра около 3% потребляемой электроэнергии.

В 2007 г. ветряные электростанции Германии произвели 6,2% от всей произведенной в Германии электроэнергии.

В 2007 г. 18,3% электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра.

Таблица 1

Выработка электроэнергии ветровыми электростанциями по странам, МВт

Table 1

Electricity generation by wind power by country, MW

Страна 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г.

США 9149 11603 16818 25170 35159

Германия 18428 20622 22247 23903 25777

Китай 1260 2405 6050 12210 25104

Испания 10028 11615 15145 16754 19149

Индия 4430 6270 7580 9645 10833

Россия 14 15,5 16,5 — —

Таблица 2

электростанциями по годам, МВт

Table 2

1-driver power stations on years, MW

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 прогноз

7475 9663 13696 18039 24320 31164 39290 47686 59004 73904 93849 120791 157000 170000

В 2007 г. в США из энергии ветра было выработано 48 млрд. кВт-ч электроэнергии, что составляет более 1% электроэнергии, произведенной в США за 2007 год.

В 2009 г. в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3% суммарной выработки электроэнергии в стране. В КНР с 2006 г. действует закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что к 2020 г. мощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт.

Португалия и Испания в некоторые дни 2007 г. из энергии ветра выработали около 20% электроэнергии. 22 марта 2008 г. в Испании из энергии ветра было выработано 40,8% всей электроэнергии страны.

Ветроэнергетика в России Энергетические ветровые зоны в нашей стране расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах нижней и средней Волги и Каспийского моря, на побережье Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале (рис. 9).

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14% - в Северном экономическом районе, около 16% - в Западной и Восточной Сибири.

ЭНЕРГОРЕСУРСЫ РОССИИ

Ветровая энергия

салнмимг&ад %

Петропавловск-^Ща тс*ии

I

Среднегодовая скорость ветра менее 3 м/с от 3 до 5 м/с более S м/с

Рис. 9. Среднегодовая скорость ветра Fig. 9. The average wind speed

По оценкам экспертов, валовой ветровой потенциал России составляет 80-1015 кВтч/год, технический ветровой потенциал - 6,2-1015 кВтч/год, экономический ветровой потенциал - 40-109 кВтч/год.

70% территории России, где проживает 10% населения, находится в зонах децентрализованного энергоснабжения, которые практически совпадают с зонами потенциально реализуемого ветропотенциала (Камчатка, Магаданская область, Чукотка, Сахалин, Якутия, Бурятия, Таймыр и др.).

Это делает целесообразным использование ВЭУ для обеспечения электроэнергией автономных потребителей. Таким образом, ветропотенциал российских регионов является практически неосвоенным.

Для его использования необходимо, прежде всего, провести глубокий анализ по возможности применения конструкций ветрогенераторов, разработанных иностранными фирмами для специфических погодных условий России. В частности, большинство из указанных районов высокого ветропотенциала характеризуется большой вероятностью проявления факторов обледенения (высокая влажность при низких температурах). Решение этой проблемы является непростым и потребует разработки специальных материалов для конструкции рабочего колеса ВУ, а также применения специальных технологических приемов для устранения процессов обледенения. Кроме того, указанные на рис. 9 районы характери-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

зуются резким изменением скорости ветра в пределах суток. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке систем стабилизации угловой скорости вращения генератора. В заключение следует отметить, что наиболее фундаментальные работы в области ветроэнергетики были осуществлены в России авторами [7].

Вместе с тем целесообразность использования ветросиловых установок тем выше, чем в большей степени эта система обеспечена устройствами аккумулирования и резервного питания в режимах работы ветроустановок с большим отклонением от номинальной нагрузки. Поэтому основной задачей внедрения этих устройств является создание надежных и высокоэффективных систем аккумулирования и резервирования энергии при условиях малых скоростей ветра. Только в этом случае может быть обеспечена работа ветросиловых установок в автономном режиме.

Переработка отходов птицеводства и животноводства в высокоэффективные органические удобрения

Известно, что отходы предприятий животноводства и птицеводства относятся к веществам высокой степени токсичности и их хранение в открытом виде представляет высокую экологическую опасность [8], поэтому в настоящее время разработан ряд технологий, позволяющих в достаточно короткое время

осуществить процесс переработки отходов в высококачественные органические удобрения [9]. Сущность процесса можно изложить следующим образом: исходная масса отходов подвергается предварительной обработке с целью приготовления равномерно перемешанной биомассы, содержащей компоненты отходов, наполнителя (солома, опилки, торф), а также некоторых добавок для получения необходимого баланса удобрений по основным компонентам (нитраты, фосфаты, микроэлементы). Общая схема переработки представлена на рис. 10.

Она включает в себя накопитель сырья, в который производится загрузка исходных компонентов, транспортируемых от ферм.

С накопителя навоз направляется в бункер-дозатор, в котором в зависимости от его консистенции производится загрузка фермента (торф, солома) в необходимых пропорциях. Из бункера-дозатора органическая масса направляется в ферментер, где производится термическая обработка при температуре 50-70 °С с одновременным перемешиванием и продувкой воздухом продуктов переработки. В зависимости от требований к продукту (например, для продажи и длительного хранения) полученная масса направляется на узел фасовки, в котором формируется требуемый компонент по типу удобрения (гранулы, брикеты и т.д.). Данная система является обобщенной и в зависимости от технического задания может комплектоваться дополнительными устройствами (тепловая установка, газогенератор).

Рис. 10. Технология получения высококачественного удобрения Fig. 10. Technologies for high-quality fertilizer

Необходимость использования газогенератора определяется достаточно высоким энергопотреблением системы производства органических удобрений. Тепловая энергия, вырабатываемая газогенератором, в основном используется для нагрева биомассы до нужной температуры. Диапазон поддержания температуры в объеме реактора определяется типом бактерий (термофиллов) [10], являющихся основным средством переработки исходного сырья в органическое удобрение, при емкости загрузки порядка 5 м3 суточное потребление тепла в зимний период может составлять до 2 Гкал. Поэтому тепловая мощность генератора в этом случае должна быть не менее 500 кВт. Электрическая потребляемая мощность такого устройства составляет в среднем 50 кВт. В типовых разработанных системах необходимо соблюдение технологии производства органических удобрений, которая должна обеспечить получение продукта с заданными свойствами.

Технология производства биокомпоста должна обеспечить:

- подготовку исходного сырья к компостированию: измельчение соломы и просеивание торфа;

- приготовление компостной смеси из навоза КРС влажностью до 92%, измельченной соломы и торфа с добавлением извести;

- микробиологическое преобразование смеси, в процессе которого культивируемая группа термофильных бактерий разогревает массу до 55-60 °С. При этом за цикл 4-х суток нахождения массы в биоферментере (по данным Заказчика ООО «БИОПОТОК») получаются высокоэффективные, гумифицированные органические удобрения, погибает болезнетворная микрофлора, яйца гельминтов, теряется всхожесть семян сорных растений. Технология исключает загрязнение продукции вредными химическими соединениями, в том числе тяжелыми металлами. Производство биокомпостов является безвредной технологией для окружающей среды, так как в процессе используются только природные компоненты - торф, солома и навоз КРС, которые по химическому составу не относятся к опасно загрязненным материалам. По показателям безопасности биокомпост относится к IV классу опасности (малоопасные) и безвреден в санитарно-эпидемиологическом отношении.

Рис. 11. Технологический процесс приготовления биокомпоста Fig. 11. Technological process of preparing biocompost

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Технологический процесс приготовления биокомпоста происходит следующим образом (рис. 11): исходные компоненты торф, солома и навоз КРС поочередно подвозятся и разгружаются в приемный участок транспортера-дозатора 2, который находится ниже уровня пола. В технологической цепочке предусмотрен опрокидывающийся лоток 1, примыкающий к транспортеру-дозатору, который собирает остатки недозагруженной массы в процессе разгрузки, тем самым предотвращая загрязнение помещения исходными компонентами.

Количество разгружаемых компонентов за один цикл: навоза КРС - 2 м3; торфа - 0,8 м3; соломы - 1,2 м3. Одновременно загружают в дозатор минеральных удобрений 3 известь. Включается в работу транспортер-дозатор и транспортирует массу в смеситель 4, где в течение 5-10 мин происходит смешивание массы. В процессе транспортировки в него добавляется известь.

После смешивания готовая смесь выгрузным шнеком 6, навозопогрузчиком 7 и шнековым транспортером-распределителем 8 подается в биоферментер 9, где происходит биоферментация массы. Готовый биоферментированный продукт выгружается из биоферментера на ленточный транспортер 10 и далее транспортируется в измельчитель 11. Измельченный продукт при помощи ленточного транспортера 12 подается в приемный бункер, из которого по мере накопления выгружается в транспортное средство.

Таким образом, предлагаемая технология позволяет получать биокомпостные удобрения с одновременной возможностью выработки тепловой электрической энергии, необходимой для их производства. Ее особенностью является возможность сокращения периода разложения опасных компонентов, а также возможность ликвидации семян сорняков в структуре удобрения. Преимущество биокомпостных удобрений в сравнении с минеральными безусловно, поскольку они позволяют структурировать почву с одновременной коррекцией ее состава по основным компонентам.

Биогазовые технологии

Принцип действия биореактора для получения газа основан на действии бактерий с субстратом перерабатываемых отходов. Регулирование скорости этих процессов представляется весьма сложной задачей в связи с тем, что объем реакторов имеет достаточно большие размеры (десятки и сотни метров кубических) и создать в таких объемах одинаковую температуру технически трудно, при этом необходимо учитывать, что неравномерность распределения концентрации субстрата приведет к созданию градиентов температур в различных точках реактора, а это в свою очередь может привести не только к замедлению процесса, но и к его прекращению. Особенно это касается реакторов с большими рабочими объемами. Особенности поведения бактерий в условиях

различных температур и значений рН приводятся ниже. Поскольку энергетическая ценность биогаза зависит от процентного содержания в нем метано-генных бактерий, необходимо создать благоприятные условия для их жизнедеятельности:

1) Субстрат должен быть влажным - не менее 50% воды.

2) ЯеДОх-потенциал (окислительно-восстановительный), оптимальный для жизнедеятельности анаэробов, должен быть не более -0,1 V. Присутствие О2, ЯеЮ^-потенциал которого 1,78^ снижает эффективность образования СН4.

3) Свет замедляет процесс образования биогаза. Ультрафиолет для большинства бактерий губителен.

4) Влияние температуры на скорость брожения.

Метановые бактерии жизнеспособны при 4-70 °С,

некоторые метаногенны до 90 °С.

Существует три типичных температурных режима, в которых хорошо себя чувствуют соответствующие метаногены бактерий:

- психрофильные - ниже 25 °С;

- мезофильные - 25-45 °С;

- термофильные - свыше 45 °С.

С повышением температуры возрастает чувствительность бактерий к краткосрочным колебаниям температуры:

- для мезофиллов допустимы ежедневные колебания в 2-4 °С;

- для термофилов не более 1 °С.

5) Уровень рН.

Для гидролизирующих и кислотообразующих бактерий оптимальный уровень рН 4,5-6,3.

Для бактерий, образующих СН3СООН и СН4, оптимальный уровень рН 6,8-8.

Если уровень рН превышает оптимальный, жизнедеятельность бактерий замедляется.

6) Для образования новых бактериальных клеток, в процессе разложения, необходимы питательные вещества, витамины, минеральные вещества, микроэлементы. Все эти вещества в необходимом количестве присутствуют в жидком и твердом навозе.

7) Для более эффективной работы бактерий необходимо увеличить площадь их взаимодействия с субстратом путем его измельчения и перемешивания.

8) Большая концентрация в субстрате продуктов обмена (СН4, органические кислоты) тормозит рост и развитие бактерий.

9) Н28, образующийся при разложении белоксо-держащего субстрата, при определенной концентрации (50 мг) вследствие своей токсичности задерживает развитие бактерий.

Основные процессы, протекающие в реакторе при наличии субстрата и соответствующей температуре, могут быть выражены следующими уравнениями реакции:

Углеводы:

I. (С6НюО5)и + «Н2О ^ СЙ2О6 ^ 2С3Н4О3 + 4Н

Крахмал глюкоза ПВК атомар

анаэробы

1). C3H4O3 ^ СН3СНО + CO2 ——

ПВК ацетальдегид спиртов. брож.

СН3СНОНСООН

молочн. кисл.

> СН3СН2ОН

32

этанол

2). С3Н4О3 —— ПВК

II. 2СН3СН2ОН

этанол

- 4Н

аэробы СН3СООН -

+бактерии

-> 2СН3СООН

уксусн. кисл.

СН4 + СО2

Практическое использование биогазовых установок в мире и на территории России

Биогаз плохо растворим в воде, состоит из метана (55-85%) и углекислого газа (15-45%), могут быть следы сероводорода. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м3. При переработке 1 т свежих отходов крупного рогатого скота и свиней (при влажности 85%) можно получить от 45 до 60 м3 биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75%) - до 100 м3 биогаза. По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии), 3 кг навозных брикетов. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива.

Получение биогаза из органических отходов имеет следующие особенности:

1. Осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), содержание органических веществ снижается до 10 раз.

2. Анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила приводит к минерализации основных компонентов удобрений (азота и фосфора) и их сохранению (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота).

3. При метановом брожении высокий (80-90%) КПД превращения энергии органических веществ в биогаз.

4. Биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в двигателях внутреннего сгорания.

5. Биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов.

Биогазовые технологии позволяют наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию газообразного топлива и высокоэффективных органических удобрений, применение которых, в свою очередь, позволит существенно снизить производст-

во минеральных удобрений, на получение которых расходуется до 30% электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством.

Производство биогаза

Интенсивное внедрение биогазовых технологий в развитых и развивающихся странах, повышение их эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

В последние годы биогазовые технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии. Вклад биогаза в энергетический баланс страны составляет 12%.

К производству биогаза относится также получение лендфилл-газа, или биогаза из мусорных свалок. В настоящее время во многих странах создаются специальные обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов (ТБО) с целью извлечения из них биогаза, используемого для производства электрической и тепловой энергии.

Большое количество биогазового топлива производится при переработке ТБО городов: в США - эквивалентно 2,2-Ш6 Гкал, Германии - 3,3-106 Гкал, Японии - 1,4-106 Гкал, Швеции - 1,2-106 Гкал. В Китае около 10 млн «семейных» биогазовых реакторов ежегодно производят около 7,3 млрд м3 биогаза (по данным 2005 г.). Кроме этих установок в Китае работают 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы животноводства и птицеводства, винных заводов (общий ежегодный объем производства биогаза составляет 220 тыс. м3), 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов, а также около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3 млн кВт-ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 7,9-106 Гкал/год.

Для широкого распространения биогазовой технологии особое значение имеют следующие факторы:

- стоимость установки;

- удельная производительность;

- полнота переработки сброженной массы и биогаза в наиболее ценные продукты по сравнению с исходным сырьем;

- эффективность в решении задач, связанных с охраной окружающей среды;

- высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания.

Стоимость установки в значительной степени определяется простотой ее технологической схемы и отсутствием в ней уникальных компонентов.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

На современном этапе развития биотехнологии важное значение приобретает интенсификация процесса метанового сбраживания и снижение за счет этого капитальных и эксплуатационных затрат.

Опыт внедрения биоэнергетических установок за рубежом свидетельствует об ускоренном развитии этого направления. Примерами соответствующих технических решений могут служить установки модульного типа, разработанные фирмами Швеции, Германии, Финляндии, выполняемые на основе горизонтальных цилиндрических реакторов с продольными мешалками.

Другое направление в реакторостроении представляют крупные вертикальные метантенки, собираемые на месте.

Несмотря на то, что биогазовый реактор вносит наибольшую единичную долю в стоимость всей установки, затраты на него, как правило, не превышают 30% всех затрат на биоэнергетическую установку. Вследствие этого более существенным является увеличение скорости переработки и связанное с этим уменьшение объема реактора, что позволит обеспечить необходимый экономический эффект раньше, чем произойдет существенное уменьшение затрат на комплектующее оборудование, входящее в состав биоэнергетической установки, или значительное сокращение его номенклатуры в связи с существенным упрощением установок.

Развитие биогазовых технологий в России

На территории России продуцируется до 14-15 млрд. т биомассы. Энергия химических связей этого количества биомассы эквивалентно 8,1 млрд. т.

По результатам исследований Института энергетической стратегии РФ, общее количество органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) России в 2005 г. составило 225 млн. т (в расчете на сухое вещество; по энергосодержанию эквивалентно 80,6 млн. т н.э.), включая:

- птицеводство - 5,8 млн. т;

- животноводство - 58,3 млн. т;

- растениеводство - 147 млн. т;

- перерабатывающая промышленность - 14 млн. т.

Количество ТБО городов составило 16 млн. т,

осадки коммунальных стоков - 4,9 млн т.

Как свидетельствуют приведенные выше данные, наибольшую массу среди органических отходов АПК занимают отходы растениеводства (солома, стебли, лузга и т.д.). Их переработка в биогаз одновременно с отходами животноводства и птицеводства требует разработки универсальной биогазовой технологии и соответствующего оборудования.

Анализ отечественной и мировой литературы в области биогазовых технологий следует начать с освещения работ, проведенных в начале 60-х гг. прошлого столетия в Институте биохимии им. А.Н. Баха АН СССР. Именно эти исследования и их промышленное воплощение явились точкой отсчета в создании отечественной промышленной биоэнерге-

тики и активного фундаментального исследования процессов биосинтеза метана и биогазификации.

С 1961 по 1964 г. на Грозненском ацетонобутило-вом заводе (г. Грозный) проводились исследования по разработке технического регламента промышленной технологии и подбору оборудования для производства кормового витамина В-12 и биогаза методом термофильного метанового брожения ацетонобутиловой барды на специально созданной опытно-промышленной установке с объемом опытного метантенка 200 м3.

В дальнейшем эта технология была внедрена на двух ацетонобутиловых заводах. Каждый цех, перерабатывая до 3000 м3 барды в сутки, производил до 30 тыс. м3 биогаза, который использовался как топливо в основном производстве и экономил до 25% природного газа.

Идея была разработана и просчитана в 1972-1973 гг. и воплотилась в проект в 1979 г. Этот проект был поддержан руководством СССР и в 1980 г. включен в программу Государственного Комитета СССР по науке и технике.

По этой программе в период с 1980 по 1990 г. было построено три крупных биогазовых станции:

- г. Пярну бывшей Эстонской ССР (свинокомплекс на 30 тыс. голов);

- совхоз «Огре» Рижского района бывшей Латвийской ССР (свинокомплекс на 5 тыс. голов);

- колхоз «Большевик» Нижнегорского района Крымской обл. (свинокомплекс на 24 тыс. голов).

Вне проекта, но при поддержке государства, была построена опытно-промышленная биоэнергетическая станция на 50 тыс. голов птицы (Октябрьская птицефабрика, Истринский район, Московская обл.). Также вне проекта силами завода химического машиностроения им. М.Фрунзе в г. Сумы была разработана и создана биогазовая установка «БИОГАЗ-1» на 3 тыс. голов свиней.

Развитие рыночной экономики и появление новых форм собственности в сельскохозяйственном производстве потребовали разработки высокорентабельных технологий и оборудования, работающих в любой климатической зоне и в любой российской глубинке, удаленной от централизованного энергообеспечения. Такие технологии и оборудование были созданы в 1992 г. ЗАО Центр «ЭкоРос»: индивидуальная биогазовая установка для крестьянской семьи (ИБГУ-1) и автономный биоэнергетический блок-модуль (мини-теплоэлектростанция - БИОЭН-1).

Установка ИБГУ-1 (рис. 12) перерабатывает до 200 кг отходов крупного рогатого скота и производит в сутки до 10-12 м3 биогаза и до 200 л жидких удобрений.

На рисунке: 1 - корпус биореактора; 2 - диафрагма; 3 - рукоятка; 4, 8 - затвор; 5 - шлюз для выгрузки сброженной массы; 6 - корпус тепловой рубашки; 7 -ТЭН; 9 - загрузочный люк; 10 - газовый штуцер; 11 -гребенка; 12 - вал мешалки; 13 - шнек; 14 - облицовка теплоизоляции; 15 - теплоизоляция; 16 - рукоятка-крестовина мешалки; 17 - крышка биореактора.

Рис. 12. Схема-разрез биореактора-метантенка ИБГУ-1 Fig. 12. The scheme-section device fermentation of organic compounds IBGU-1

Успешная эксплуатация ИБГУ-1 в разных районах России способствовала переходу к разработке и созданию более совершенных биогазовых установок большей мощности с автономным энергообеспечением. Автономность этих установок может быть достигнута при условии ежедневной переработки не менее 500 кг отходов с влажностью 85%.

Сравнительный анализ выхлопных газов, полученных на работающем с номинальной мощностью биогазбензоэлектрогенераторе при сжигании в нем последовательно бензина и биогаза, показал, что при

сжигании биогаза содержание СО в 45 раз меньше, углеводородов в 30 раз меньше, оксидов азота в 1,5 раза меньше, чем при сжигании бензина.

Оптимальный расход биогаза на производство 1 кВт-ч электрической энергии (220 В, 50 Гц на био-газбензоэлектрогенераторе АБ-4Т/400-М2 (БГ)) составил 0,55-0,6 м3/ч.

Оптимальный расход биогаза при эксплуатации газовой ИК-беспламенной горелки мощностью 5 кВт составил 0,8-1 м3/ч.

С 1992 по 2000 г. было создано и установлено 85 комплектов ИБГУ-1 (79 - в России, 4 - в Казахстане, 3 - в Беларуси). В 1997 г. создано совместное китайско-российское объединение по производству таких установок в Китае.

Более мощная «фермерская» система БИОЭН-1 перерабатывает до 1 т отходов в сутки и производит до 40 м3 биогаза, который используется для получения электрической (80 кВт-ч/сут.) или тепловой энергии (0,14 Гкал/сут.) и до 1 т жидких удобрений. Стоимость исходных отходов крупного рогатого скота в Московской области составляет 100-200 руб./т, а рыночная цена произведенных удобрений (по месту производства) - уже 9 тыс. руб./т (в 2007 г.). Расход удобрений на 1 га в зависимости от выращиваемых культур составляет 1-3 т.

Собственные потребности в энергии на поддержание термофильного (52-53 °С) процесса составляют 30%. Срок эксплуатации модуля - не менее 10 лет.

Такая теплоэлектростанция работает, например, при животноводческой ферме Агроплемфирмы «Искра» (д. Поярково Солнечногорского района Московской области) (рис. 13).

Модуль БИОЭН-1 может также собираться в батареи из 2, 3 и 4 комплектов для обработки отходов.

Рис. 13. Биоэнергетическая система на основе блок-модуля БИОЭН-1 (Агроплемфирма «Искра», д. Поярково Солнечногорского района Московской обл.) Fig. 13. The system of organic waste on the block-module BIOEN-1 (Agricultural seedling station "Spark", Poyarkovo, Solnechnogorsky area of the Moscow region)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

В настоящее время эстафету по разработке новых биогазовых технологий и серийному производству биоэнергетических (биогазовых) систем ЗАО Центр «ЭкоРос» передало ЗАО «Сигнал», которое начало производство автономных биоэнергетических установок (АБЕУ) (рис. 14) с объемом биореакторов-метантенков от 7 до 480 м3 и более с производством в год от 4 до 254 тыс. м3 биогаза и установочной электрической мощностью - от 0,83 до 54 кВт, тепловой - от 2,5 до 152 кВт.

Рис. 14. Биореактор-метантенк и газгольдер теплоэлектростанции АБЭУ-20 с установленной электрической мощностью - 3,3 кВт и тепловой - 7,1 кВт (пос. Горелое Тамбовской обл.)

Fig. 14. The device fermentation of organic compounds and the capacity to collect and store the gas power plants ABEU-20 with installed power capacity - 3,3 kW and heat - 7,1 kW (Goreloye, Tambov region)

Биогазовые технологии могут эффективно эксплуатироваться в любом климатическом регионе огромной России. При интенсивном подъеме сельскохозяйственного производства России через несколько лет общий объем производимых органических отходов может составить 675 млн т (по сухому веществу), а потенциальное производство биогаза -225 млрд м3/год.

Высокая рентабельность отечественных биогазовых технологий обеспечивается одновременным производством высокоэффективных органических удобрений, 1 т которых (по эффекту «на урожай») равноценна 70-80 т естественных отходов животноводства и птицеводства. Этим объясняется быстрая (1-2 года) окупаемость биогазовых установок и биотеплоэлектростанций.

Исследование современного АПК России, проведенное Институтом энергетической стратегии, показало, что до 50% производимой основной продукции приходится на индивидуальные крестьянские хозяйства. Поэтому развитие биогазовой промышленности должно идти по двум направлениям: создание крупных биоэнергетических станций и создание фермерских и крестьянских биогазовых установок.

Россия находится в зоне рискованного земледелия, и по климатическим условиям и по характеристике большая часть почв - малоурожайные подзолистые почвы, требующие постоянного внесения органических удобрений. Поэтому в средних и се-

верных регионах Европейской России, в земледельческих районах Сибири потребность в органических удобрениях будет постоянной, и она будет определяющей в развитии биогазовых технологий. Использование таких технологий и созданного на их основе оборудования позволит в ближайшие годы полностью решить в сельской местности проблему всех органических отходов, включая коммунальные стоки и ТБО, обустроить дома сельских жителей современными санитарно-гигиеническими системами европейского типа и оказать существенную помощь в решении проблем энергосбережения.

Следует отметить, что системы биогазогенераторов при работе в своем составе накапливают компоненты, использование которых вызывает определенные трудности.

Удаление сброженного осадка

Заключительной проблемой, связанной как с использованием энергии, так и с охраной окружающей среды, является удаление осадка из автоклава, объем которого может достигать 50-60% исходного количества твердых частиц; что касается коммунальных отходов, то этот объем составляет 10-15%. Там, где возможно, эти осадки вносят в почву как удобрения, правда, использовать их на тяжелых глинах и заболоченных почвах не рекомендуется. Возможно, возникнет необходимость транспортировки сброженных осадков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения транспортных расходов используется отстаивание, коагуляция и другие методы обезвоживания. Многократное использование барды для разжижения новых партий органики делают эту барду высокотоксичным ядовитым соединением. Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сброженном осадке затрудняет его использование в качестве удобрения. Имеются предложения по переработке осадка в корм для животных; технически это осуществимо. Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка в корма, однако сомнительно, чтобы это соответствовало критериям, определяющим требования к здоровью животных и вкусовым качествам корма. Экстрагирование и очистка белкового компонента осадка, по-видимому, нерентабельны.

Утилизацию этой фракции необходимо осуществлять в газогенераторе при температурах 800-900 °С, желательно в анаэробном режиме. Это позволит сохранить компоненты микроэлементов для внесения их в почву и с целью улучшения элементного состава грунта.

Технико-экономическое обоснование применения биогазовых установок требует строгой оценки всех аспектов этой технологии. В настоящее время в связи с увеличением объемов производства продукции сельского хозяйства и переходом к крупномасштабному производству возникла тенденция пропорционального увеличения объемов реакторов биогазовых установок, которое вряд ли может быть оправдано. Так, например,

использование реакторов с полезным объемом до 450 м3 показывает, что в климатической зоне среднерусской полосы для начала работы бактерий термофилов необходимо затратить для вывода температуры реактора на рабочую точку 20 Гкал тепла.

Кроме того, поддержание этой температуры с точностью до 0,2 °С будет весьма затруднительно при размещении газгольдеров на открытом воздухе. Что же касается стабилизации градиента температуры, то при таких геометрических размерах задача может оказаться неразрешимой. Все это ставит под сомнение попытки хозяйствующих субъектов решить задачу утилизации только с использованием биогазовых установок. Немаловажным обстоятельством, затрудняющим их внедрение в производство, является весьма ограниченный срок работы основного материала реактора из-за высокой скорости коррозионных процессов. В состав биоорганических смесей входят компоненты (нитраты, хлориды и др.), оказывающие специфическое действие на коррозионные процессы, особенно в присутствии биоорганических добавок. Поэтому практический срок службы установок в режиме непрерывного действия вряд ли может превышать 3-5 лет. Все это заставляет искать пути решения проблем в использовании альтернативных технологий.

Один из способов переработки и утилизация жидких стоков навоза и помета [11]

На сегодняшний день осуществляется проектирование, разработка, монтаж и строительство очистных сооружений, цехов разделения навоза и КНС для животноводческих комплексов, свинокомплексов, птицефабрик и ферм КРС (рис. 15).

Рис. 15. Цех разделения-сепарации навоза на фракции Fig. 15. Shop of division-manure separations on fraction

Здесь вы можете узнать о комплексном решении по утилизации и переработке жидких стоков, навоза или помета, основанное на разделении (сепарировании) стоков (как густых, содержащих до 12% сухих веществ, так и сильно разбавленных с содержанием сухих веществ менее 1%) с последующей переработкой отделенной твердой фракции в высококачественные удобрения, подстилку для КРС или топливо для пиролизных теплогенераторов.

Животноводческие стоки - это смесь твердых частиц и жидкости; решение проблемы заключается в том, чтобы отделить твердые частицы прежде, чем их загрязняющие окружающую среду элементы растворятся в жидкости. Разделение-удаление твердых частиц из жидких стоков навоза или помета - ключевой момент в решении этой проблемы, что позволит снизить объем отстойников в 2,5 раза, упростить технологию внесения, снизить сроки хранения, увеличить эффективность биологических очисток и минимизировать вредное влияние на окружающую среду.

Шнековый пресс-сепаратор для разделения навоза (рис. 16) - это лучшее из доступного сегодня оборудования для выполнения данной задачи - разделения жидких животноводческих стоков на фракции. Сепаратор навоза представляет собой шнековый пресс, в котором прессование производится при помощи шнека, что позволяет выдавливать всю свободную воду и большинство связанной воды.

Это единственное оборудование для переработки навоза и помета, эффективно отделяющее твердые составляющие навоза, которые получаются сухими и рассыпчатыми, а концентрация сухих веществ в биомассе составляет до 40% (рис. 17).

Е 5 i-iäj " ЖИДКА*

I * ФРАКЦИЯ

WJU

«мйм

к — — ц

ж I

Рис. 16. Принципиальная схема разделения стоков навоза на фракции шлаковым сепаратором для разделения навоза Fig. 16. Basic scheme of division of drains of manure on fraction a slag separator for manure division

Рис. 17. Твердая фракция, получаемая в результате разделения навоза шлаковым сепаратором Fig. 17. Firm fraction received as a result of division of manure by a slag separator

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Рис. 18. Шнековый пресс-сепаратор для разделения навоза в работе

Fig. 18. Screw press separator for manure division in work

- Сепаратор навоза может работать под открытым небом даже зимой.

- Твердая фракция навоза оптимальна для компостирования в чистом виде.

Для переработки стоков с нескольких ферм или очистки навозонакопителей предлагается мобильный сепаратор навоза (рис. 20).

Мобильный сепаратор навоза с высокой эффективностью используется для осушения и очистки отстойников (лагун и навозонакопителей), при этом не оставляя остатков (рис. 21).

Рис. 19. Стационарно установленные сепараторы для утилизации навоза Fig. 19. Permanently installed separators for recycling of manure

Отсепарированная твердая фракция: сухая, пористая, рассыпчатая биомасса с низкой адгезией (по информации разработчиков) - идеально подходит для использования в качестве подстилки для КРС, переработки в высококачественное органическое удобрение за счет компостирования в чистом виде или как топливо для пиролизных теплогенераторов (рис. 18, 19)

- Шнековый сепаратор навоза отличается высокой производительностью - до 60 м3/час жидкого навоза или помета.

- Сепаратор навоза очень экономичен (4 - 5,5 кВт).

- Сепаратор самоочищающийся и не потребляет дополнительную воду.

- Сепаратор имеет простую, удобную систему управления.

- Возможна полностью автоматическая работа сепаратора.

- Сепаратор навоза очень надежен и не нуждается в обслуживании.

Рис. 20. Мобильный передвижной сепаратор для разделения жидкого навоза очистки и осушения лагун,

навозонакопителей и отстойников Fig. 20. Mobile portable separator for division of liquid manure of clearing and drainage of lagoons, stores of manure and sediment bowls

Рис. 21. Откачка навоза из лагун, отстойников, навозонакопителей Fig. 21. Pumping out of manure from lagoons, sediment bowls, manure stores

Отжатая твердая фракция В результате разделения шнековым сепаратором жидких животноводческих стоков навоза или помета получаемая твердая фракция является сухой, пористой, рассыпчатой биомассой с низкой адгезией. Компостирование твердой фракции может осуществ-

ляться за 14-21 день без дорогостоящего обору дова-ния на специально выделенных площадках с применением простейшей перебрасывающей техники (рис. 22), которая идеально подходит для ее компостирования в чистом виде.

Готовый компост - высококачественное органическое удобрение, он вносится на поля, фасуется в мешки или на его основе производятся грунтомате-риалы (рис. 23).

При сжигании твердой фракции в качестве топлива в пиролизных теплогенераторах получаемая тепловая энергия может быть направлена на отопление помещений, ферм, теплиц и пр., а также для получения пара.

Содержание коллоидных взвешенных веществ менее 1%. Жидкая фракция используется при повторном гидросмыве или в качестве органического удобрения при орошении почв.

Для обеззараживания и удаления запаха из отделенной жидкой фракции навоза предлагаются системы электролитической стерилизации (рис. 24).

Рис. 24. Принципиальная схема работы системы для удаления запаха из навоза Fig. 24. Basic scheme of work of system for removal of a smell from manure

Рис. 22. Откачка и очистка навоза из лагун, отстойников,

навозонакопителей Fig. 22. Pumping out and clearing of manure from lagoons, sediment bowls, manure stores

Рис. 23. Ускоренное компостирование отделенной твердой фракции сепаратором Fig. 23. Accelerated romposting of separated solid fraction separator

Применение отделенной твердой фракции навоза в качестве подстилки для животных Отделенная твердая фракция навоза является (по информации разработчиков) ветеринарно и экологически безопасной для здоровья и гигиены животных подстилкой.

Отделенная жидкая фракция (по информации разработчиков) после сепарации характеризуется нейтральной реакцией, сбалансированным соотношением фосфора, азота и калия - 1,4:1,0:1,6.

Их принципы основываются на олигодинамиче-ском эффекте - электролитическом пропускании через жидкую фракцию навоза ионов меди для разрушающего воздействия на микроорганизмы и бактерии, содержащиеся в навозе, благодаря чему осуществляется:

1. стерилизация патогенных микроорганизмов;

2. удаление неприятных запахов;

3. стабилизация органических веществ.

Отделенные сточные воды (по информации разработчиков), можно использовать для поверхностного внесения в качестве удобрения, такое удобрение не повредит растения.

Проблемы утилизации стоков по указанной выше технологии

В последнее время нашей лаборатории пришлось столкнуться с проблемой очистки стоков свиноферм после предварительного отбора твердой фазы на винтовых сепараторах. Было установлено, что после сепарации стоки приобретают устойчивость к испарению влаги. Практически образуется устойчивый механохимический коллоид, для которого не наблюдается расслаивание при комнатной температуре в течение 100 суток. Отделяемая на тонком фильтре, высоко диспергированная твердая фракция составляет всего 2-3% по отношению к общей массе стока. Однако именно эта фракция совместно с органической слизью животных не дает возможности свободно испаряться влаге под действием температуры. Было установлено также, что при температуре уже осветленной фракции 92 °С наблюдается резкий выброс органической слизи, при этом реакция протекает мгновенно, а удаленная из осветленных стоков слизь представляет собой систему коллоидного типа.

После удаления этой фракции из раствора практически исчезают запахи, характерные для стоков, но

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

раствор частично содержит аммиак, при этом рН раствора составляет 7,8-8,0 ед. рН. Очищенные таким образом стоки по внешнему виду соответствуют нормальной цветности воды, но для окончательной оценки пригодности ее для непосредственного полива или иных целей требует дополнительных исследований по микробиологическим составляющим.

Таким образом, вопрос об использовании сепараторов для очистки стоков не является бесспорным, поскольку после отбора максимально возможного количества твердых фракций в дальнейшем они теряют способность к испарению и сохраняют все компоненты в неокисленной форме.

Предлагаемый проект очистки жидких стоков по технологии, исключающей применение химических реагентов Анализируя известные системы утилизации стоков свиноферм, мы пришли к выводу, что используемые технологии не решают основной задачи, то есть не исключают возможности загрязнения земли и источников воды отходами свиноферм. Так называе-

мый лагунный способ хранения отходов предполагает долговременные сроки утилизации за счет воздействия внешних факторов природы: температуры, солнечного света, зимнего вымерзания - с дальнейшим их переходом в иловые осадки. При этом следует учесть, что использование иловых полей (полей фильтрации) не только исключают эти земли из сельскохозяйственного оборота, но и способствуют проникновению активных химических и биологических элементов в водоносные слои. Таким образом, стремительное развитие объемов производства свинины приведет в конечном итоге к появлению значительных площадей бросовых земель в общем сельскохозяйственном клине и возможности значительного ухудшения качества питьевой воды. Нами предлагается способ непрерывной утилизации стоков свиноферм с целью их очистки от вредных компонентов и использования очищенных стоков в качестве технической воды. Причем, используя уже разработанное оборудование, предоставляемое различными фирмами, можно добиться получения и питьевой воды.

Рис. 25. Схема очистки стоков без лагун, без химических реагентов Fig. 25. Scheme of clearing of drains without lagoons, without chemical reagents

Предлагаемая схема представлена на рис. 25. На сепараторе отбирается твердая фракция, процентное содержание которой в зависимости от способа удаления стоков составляет 3-5%. В дальнейшем она служит основным компонентом для переработки в газогенераторе, при работе которого получают тепловую и электрическую энергию, используемую непосредственно в сельскохозяйственном производстве. Более подробно эти системы будут рассмотрены далее в материалах статьи. После сепаратора стоки проходят дезактивацию на механических фильтрах. Остановимся более подробно на их работе. Мы предполагаем, что фильтры как тонкой, так и грубой очистки могут быть использованы многократно, по-

скольку стоки содержат поверхностно активные пленки, включающие компоненты слизистых включений кишечного тракта животных и являющиеся основным веществом, служащим материалом для питания бактерий, в том числе и инфекционных, находящихся в стоках. Согласно теории пленочной адсорбции Ленгмюра - Блоджетт с поверхности жидкой субфазы монослои переносятся на твердые подложки. Монослой сорбированной пленки сохраняет свою целостность. Возможно также последовательное нанесение нескольких монослоев, что позволяет получать полислойные структуры, причем число перенесенных монослоев может достигать нескольких сотен. Полислойные структуры принято

называть пленками Ленгмюра - Блоджетт, которые фактически реализуются в виде, предложенном в оригинальных работах [12, 13, 14]. Свойства сорбированных слоев определяются многими факторами -температурой, скоростью движения подложки, состоянием монослоя, параметрами субфазы. В зависимости от условий сорбции пленки формируются различных типов, определяемых степенью поляризуемости и знаком потенциала сорбента. Число слоев при этом определяется случайной величиной, порядок которой зависит от размера частицы, ее конфигурации, а также степенью гидрофильности или гид-рофобности частицы. Механизм формирования моно и полислоев представлен на рис. 26.

Поскольку число сорбированных слоев определяет магнитные и электрические свойства частиц, то эти системы дают возможность использовать электрофизические методы для управления их поведением в жидкой среде (электростатика, магнетохимия, магнитно-резонансные явления).

Получение многослойных пленок предоставляет уникальную возможность многократного использования материала фильтра в качестве рабочего тела, при этом увеличение числа циклов дает возможность изменять степень глубины очистки фильтруемого раствора, т. к. частица с большим числом сорбента на ее поверхности уменьшает свободный зазор для фильтруемой жидкости.

b

Рис. 26. Формирование моно- (а) и полислоев (b) на поверхности твердой фазы по методу Ленгмюра - Блоджетт Fig. 26. Formation mono- (a) and polylayers (b) on the surface of the firm phase by the method of Langmuir - Blodgett

Рис. 27. Один из вариантов системы обеззараживания стоков без химических реагентов Fig. 27. One way of disinfecting effluent without chemicals

а

В дальнейшем после фильтров стоки поступают в блок электрофизической и электрохимической обработки, где последовательно проходят стадию на биполярных фильтрах, электрохимическое обеззараживание с помощью кислорода и удаление нефильтрованных компонентов флотационным способом с помощью водорода [15-17]. Электрохимический

фильтр состоит из двух секций, в каждой из которых жидкость обрабатывается последовательно при анодной и катодной поляризации для полного удаления остатков нерастворенных компонентов. В этот же блок включена секция светолучевой обработки, использующая облучение ультрафиолетом всего потока жидкости, разделенного по камерам. Разделение

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

производится с целью более глубокой проработки раствора ультрафиолетовыми лучами. В газогенераторе, имеющем две ступени генерации, одна из которых работает по циклу с окислением, происходит генерация газа, который затем поступает на энергоустановку, вырабатывающую электрическую энергию. Вторая ступень генератора работает в системе, встроенной в первый генератор. Это необходимо для предварительного нагрева компонентов пиролизного генератора, топливо в который поступает с фильтров тонкой очистки. Это наиболее богатый углеводородами компонент, поэтому он используется для получения синтетического топлива. Таким образом, предлагаемая система позволяет производить очистку стоков свиноферм до уровня технической воды, которая может быть использована для полива или технических водоемов хранения воды, степень очистки которых может быть повышена за счет использования биологических систем (растений, рыбы).

Один из вариантов системы обеззараживания стоков представлен на рис. 27. На нем более подробно показаны элементы, включенные в схему, показанные на рис. 25. В предлагаемом варианте получаемый в установке обеззараживания и флотации газ используется: кислород - в генераторе дожига, водород - в пиролизной установке получения синтетического топлива.

Утилизация отходов сельскохозяйственного производства газогенерирующими системами

В зависимости от назначения систем переработки были спроектированы технологические линии, включающие в себя узлы универсального типа, которые могут быть применены в различных комбинациях. В общем случае газогенерирующие системы в качестве топлива используют отходы древесины или торф. Как правило, на выходе газогенератора получают газ, содержащий в основном окись углерода, незначительное количество метана и водорода. Такой газ имеет довольно низкую теплотворную способность, но его КПД выше, чем в обычных котельных установках, за счет того, что тепловая энергия, получаемая за счет теплообменника, может быть использована как источник значительного количества тепла.

Электрическая энергия вырабатывается газопоршневой машиной, соединенной с электрогенератором. Варианты комплектации схем могут быть самыми различными, в зависимости от типа перерабатываемого сырья, условий переработки, а также от потребностей заказчика, необходимого варианта переработки.

На рис. 28 представлен один из вариантов схемы, включающей в себя две независимые технологические линии: переработку отходов в топливо и получение тепловой и электрической энергии.

Рис. 28. Технология производства жидкого топлива и электроэнергии Fig. 28. The technology of production of liquid fuels and electricity

В накопителе рис. 28 осуществляется хранение исходного компонента топлива, которое затем поступает в приемный бункер-дозатор. В бункере-дозаторе происходит измельчение топлива до необходимых размеров, дозируется наполнитель (связывающий компонент и другие органические остатки для переработки). Далее компонент топлива поступает в смеситель, где производится его перемешивание и корректировка влажности, необходимой для оптимальной работы пресс-гранулятора. Назначение пресс-гранулятора - получение гранул определенного геометрического размера с целью получения оптимальных условий реализации газовых потоков в термических зонах генератора. После пресс-гранулятора топливо поступает на установку вакуумной сушки, в которой осуществляется извлечение влаги из гранул до необходимых пределов влажности топлива. В дальнейшем топливо поступает в дозирующее устройство газогенератора, из которого через буферную камеру загружается непосредственно в реактор генератора. Генерируемый газ в зависимости от технологической схемы может направляться или в установку пиролиза, или на пароперегреватель. По первой технологии установки пиролиза генераторный газ, взаимодействуя с водородом, поступающим из пиролизной установки, гидрируется

до состояния жидкого топлива в зависимости от концентрации температуры и типа катализатора, используемого для получения топлива. Водород генерируется электролизером, разложением воды, а получаемый в нем кислород идет в систему нагрева пароперегревателя для повышения эффективности его работы. По второй технологической линии вода с теплообменника газогенератора поступает на пароперегреватель, где параметры теплоносителя повышаются до необходимой величины, когда теплоноситель может быть эффективно использован в качестве рабочего тела турбины. Турбина приводит во вращение генератор, вырабатывающий электрический ток. Тепловые отборы турбины используются для целей отопления, а также создания необходимого температурного режима с помощью тепловых пушек на фермах выращивания животных и птиц. Один из вариантов технологической схемы производства электроэнергии и топлива представлен на рис. 29, где более подробно показана схема теплообменника.

Таким образом, анализ представленных схем позволяет сделать заключение о том, что переработка отходов с помощью газогенератора осуществляется при более высоких температурах, а, следовательно, с большими скоростями переработки. Система в этом случае получается более компактной.

Рис. 29. Технологическая схема производства электроэнергии и топлива Fig. 29. Technological scheme of manufacture of the electric power and fuel

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Отходы производства (зольный остаток газогенератора) может использоваться для получения высококачественных удобрений, в качестве компонента, содержащего микроэлементы, выносимых из почвы растениями в процессе их выращивания. Как показали экономические расчеты себестоимость электрической энергии на этих установках составляет от 90 коп. до 2 руб. в зависимости от мощности используемой установки, что значительно ниже рыночных цен, сложившихся в настоящее время в сфере энергоуслуг для сельхозпотребителей. Себестоимость тепловой энергии составляет от 400 до 600 руб. за 1 Гкал, что также меньше стоимости энергоуслуг, представляемых топливно-энергетическими компаниями. Себестоимость 1 кг высокоэффективных органических удобрений колеблется в пределах 1 руб. 60 коп., что почти в три раза ниже эквивалента цен минеральных удобрений, сложившихся на внутреннем рынке России. При этом следует отметить, что регионы Черноземья и Центральные регионы в большей степени испытывают потребность в удобрениях органического типа, чем минерального, так как они увеличивают срок действия на повышение урожайности и улучшают структуру почвы. Кроме того, в современных технологиях производства ком-постов представляется возможность регулировать состав по компонентам в зависимости от химического состава почвы.

Таким образом, резюмируя вышесказанное, можно считать, что способы утилизации с применением газогенераторов различного типа наиболее универсальны и могут быть использованы с более высокой степенью утилизации отходов.

Заключение

На основании материалов, изложенных выше, можно сделать следующие выводы.

1. Эффективное применение солнечной энергетики возможно при условии создания энергоемких аккумуляторов, устойчиво работающих при длительном потреблении электрической энергии. Снижение эффективности использования солнечных батарей возрастает с увеличением широты локализации установки. В перспективе можно ожидать, что развитие беспроводных систем передачи энергии может привести к созданию таких станций в любых широтах при использовании систем спутников. С другой стороны, необходимо проведение большого объема исследовательских работ по увеличению коэффициента преобразования спектра солнечного излучения в электрическую и тепловую энергию за счет создания новых материалов с применением нанотехнологий.

2. Использование ветросиловых установок в настоящее время считается перспективным при средней скорости ветра не меньше 5 м/с. Правда, последние разработки исследователей позволяют использовать и малые напоры ветра, но при этом усложняются (становятся дороже) аэродинамические

системы и схемы управления. В общем случае для континентальных районов России ветросиловые установки могут быть использованы лишь в сезонном варианте, при этом процент загрузки не превышает 7-10. Следует также отметить, что экологичность ветросиловых установок до сих пор вызывает споры у биологов и экологов, поскольку в звуковом спектре этих устройств присутствуют инфранизкие частоты колебаний звука довольно значительной интенсивности и меры борьбы с этими явлениями пока неэффективны. Тем не менее, перспектива использования ветровых установок в Приморской зоне на незначительном удалении от береговой кромки, по-видимому, будет эффективной для районов, в которых невозможно применение других альтернативных источников.

3. Переработка отходов животноводства и птицеводства сухим способом позволяет довольно эффективно, фактически безотходно перерабатывать навозные отходы за короткое время без использования воды. При относительно невысоких затратах тепловой и электрической энергии получают высокоэффективные органические удобрения с относительно низкой их стоимостью. Однако в связи с высокой стоимостью электрической и тепловой энергии в сельскохозяйственном секторе необходимо предусмотреть возможность использования газогенераторных систем, в которых часть отходов производства затрачивается на производство тепловой и электрической энергии, необходимой для получения высококачественных органических удобрений.

4. Использование биогазовых установок в последнее время перешагнуло рубеж Европы в направлении востока. Существуют примеры эффективного использования этого вида переработки отходов, но вместе с тем следует отметить, что указанная выше технология имеет целый ряд недостатков и может быть реализована только при условии строжайшего соблюдения технологической дисциплины производства. К числу таких параметров относятся: температура, точность поддержания которой должна быть не ниже 0,2 °С; полное отсутствие избыточного давления газа; поверхность газовыделения должна быть свободна от пленки. Как показывают энергетические расчеты, использование биогазовых установок при среднегодовой температуре ниже +5 °С вызывает целый ряд технических осложнений. Это, прежде всего, хорошая термоизоляция реакторов, предпочтительнее даже здания закрытого типа с системой отопления. Кроме того, высокая избирательность бактерий к температуре, при которой они работают эффективно, предъявляет повышенные требования к точности систем регулирования температуры, что особенно сложно при больших объемах переработки. Получаемые удобрения находятся в жидком состоянии и их внесение и реализация в зимнее время вызывает большие проблемы. Поэтому при больших объемах переработки возникают трудные технические задачи, решение которых связано со значитель-

ными финансовыми затратами. Следует указать также на сложность проведения процесса в жидкой фазе из-за наличия в перерабатываемых отходах некоторых лекарственных компонентов, вносимых в пищу животных. В связи с этим процесс сбраживания может быть нарушен, или может протекать с малыми скоростями. Неполная утилизация отходов (твердый остаток после окончания процесса) вызывает также определенные трудности, так как их внесение непосредственно в почву может вызвать повышение концентрации некоторых примесей с отрицательным воздействием на рост растений. Это связано с аккумулированием в твердой фазе солей тяжелых металлов, нерастворимых компонентов.

5. В этих системах основной вид топлива извлекается на первой стадии с помощью сепараторов. Процентный состав приблизительно оценивается в зависимости от режима потребления воды от 3-5%. Извлеченное топливо используется для работы газо-генерирующей системы, с помощью которой возможно получение, при среднем сбросе стоков 250 м3 в сутки, примерно 10 тонн. Количество выработанной энергии оценивается примерно в 10 МВт. После тонкой очистки стоков масса извлеченного сырья составляет около 1,5%, т.е. примерно 2 тонны. Однако этот компонент целесообразно перерабатывать в топливо, т. к. он наиболее богат водородной составляющей. В общем случае система очистки стоков полностью обеспечивает себя необходимой тепловой и электрической энергией. Разработанная система способна переработать все отходы в непрерывном режиме протока с конечным продуктом в виде технической чистой воды.

6. Газогенерирующие системы в зависимости от назначения используются по двум направлениям. Наиболее простые окислительные газогенераторы даже при невысоком КПД обеспечивают хорошую энергоотдачу и при среднем расходе топлива 1 кг на 750 Вт. Эта цифра увеличивается при увеличении мощности установок до 1 МВт и больше. При переработке отходов, содержащих сырье животного происхождения или растения масличных культур, целесообразно использовать комбинированные газогенераторы совмещенного типа. В этом случае более эффективно используется энергетический потенциал перерабатывающего сырья, т. к. во второй ступени газогенератора (анаэробный комплекс) возможно одновременное получение тепловой, электрической энергии, а также синтетического топлива. Генераторы указанного типа имеют наибольшую перспективу использования при переработке отходов животного происхождения, но имеются некоторые технически несовершенные узлы, недостатки в разработке которых сдерживают их промышленное применение в настоящее время (системы инициирования реакций получения топлива в условиях вакуума).

Таким образом, анализируя рассмотренные выше способы утилизации, можно свести укрупненные показатели в приведенной ниже табл. 3.

Таблица 3

Сравнительные экономические показатели альтернативных источников энергообеспечения

Table 3

Comparative economic indicators of alternative sources of power supply

Типы установок Стоимость энергии, кВтч

электрической тепловой

Солнечная от 6 до 30 руб. -

Ветряная от 12 руб. -

Биогазовая Стоимость 1 м3 от 6 руб. Потребление тепловой энергии для обеспечения процесса

Из 1 м3 получается до 2 кВтч энергии

Газогенераторная от 0,80 до 1,30 руб. 0,30-0,80 руб.

Комбинированная от 0,50 до 1,30 руб. 0,30-0,80 руб.

Список литературы

1. Алексеев В.В. Экология и экономика энергетики. М.: Знание, 1990.

2. Алферов Ж. Будущее есть только у одной области - это преобразование солнечной энергии // Вестник энергоснабжения Южного Урала. 2003. № 3(10).

3. Официальный сайт: «Windsite» Режим доступа: http://www.windsite.

4. Ребанс К.К. Энергия, энтропия, среда обитания. М.: Знание, 1985.

5. Сайт: «Солнечная энергетика» Режим доступа: http://www.solareview.

6. Беляев Ю.М. Стратегия альтернативной энергетики. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ, 2003.

7. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Гос. изд-во с/х литературы, 1957.

8. Андруз Дж. Введение в химию окружающей среды. М.: Мир, 1999.

9. Кашин В.И. Природа России в смертельной опасности. М.: редакция газеты «Правда», 2008.

10. Корчагина В.А. Биология. Растения, бактерии, грибы, лишайники. М.: Просвещение, 1992.

11. Официальный сайт: «БИОКОМПЛЕКС» Режим доступа: http://www.biokompleks.ru.

12. Langmuir I. // J. Am. Chem. Soc. 1917. Vol. 39. P. 1848.

13. Blodgett K.B. //J. Am. Chem. Soc. 1935. Vol. 57. P. 1007.

14. Blodgett K.B., Langmuir I. // Phys. Rev. 1937. Vol. 51. P. 964.

15. Гамбург Д.Ю., Дубовкина Н.Ф. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Справочник. М.: Химия, 1989.

16. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энерго-атомиздат, 1984.

17. Проценко А. Н., Белоусов И. Г. Атомно-водородная энергетика и технология. М.: Атомиздат, 1980. № 3. С. 5-57.

18. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности: Учебник-монография. М.: Изд. дом «Интеллект», 2008.

Г'-": — TATA — LXJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010