CC BY
14
ВОДОРОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И СОХРАНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СЛУЖБЫ МЧС
С.А. Колодяжный, и.о. ректора, к.т.н., доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, г. Воронеж В.И. Ступин, руководитель, к.г.н., Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по воронежской области, г. Воронеж Ю.Н. Шалимов, научный руководитель лаборатории, д.т.н., профессор,
А.В. Руссу, заведующий лабораторией, Воронежский государственный технический университет,
г. Воронеж В.И. Кудряш доцент, к.ф.-м.н., Воронежский институт МВД России, г. Воронеж
Существующее представление в мире науке о том, что водородная энергетика - перспектива далекого будущего, весьма сомнительна. Еще в середине 60-х годов прошлого века авторами этой статьи был установлен факт использования баллонного водорода для охлаждения обмоток электрогенератора мощностью 12 МВт на Воронежской ТЭЦ-2. Суточный прирост мощности турбогенератор за счет использования водородного охлаждения составил порядка 6МВт/ч.
Основополагающие работы по использованию водорода для охлаждения обмоток электрических машин проводились под руководством академика А.Н. Фрумкина, начиная с 1926 года. С тех пор, все электрогенераторы на электростанциях СССР мощностью свыше 1 МВт охлаждаются водородом. Что касается мифа о его чрезвычайно опасности, то следует отметить, что почти за 90 лет ни на одной электроцентрали не произошло ни одного взрыва по его вине.
Экономический эффект этой разработки позволил высвободить средства на производство порядка 7% электрической мощности всех электростанций СССР.
Помимо этого, в пищевой промышленности водород стал использоваться в технологиях гидрирования жиров. Следует отметить, что в области развития водородных технологий, Россия занимает не главное место, что является отнюдь не положительным фактом развития страны. И, хотя I Всемирный конгресс по водороду был проведен в России (август 2006 г.), заслуга этого принадлежит энтузиастам науки (академик, профессор Трутнев Ю.А., Журнал «Альтернативная энергетика и экология», гл. редактор Гусев А.Л. и др.). На одной из конференций по космонавтике (г. Рязань, август 2007г.) академик В.Ф. Уткин высоко оценил вклад воронежских ученых КБХА (С.А. Козберга и А.Д. Конопатова) в развитие водородного направления в космонавтике.
Отдельной строкой необходимо отметить вклад в развитие теории взаимодействия водорода с металлами основателя Воронежского политехнического института профессора Постникова В.С. В созданной им
научной школе получены уникальные результаты по взаимодействию водорода с металлами различной природы. Для проведения экспериментальных работ были созданы три отраслевые лаборатории и построен отдельный корпус СКБ. Некоторые результаты наших разработок приведены ниже.
Парадоксально, но одна из главных проблем водородной энергетики, а именно безопасное хранение и водорода в форме гидридов металлов была решена с помощью обратной задачи. Автором данной работы [1] был Э.А. Гранкин (кафедра общей химии ВПИ). В ней было установлено, что водород наиболее эффективно взаимодействует с металлами по дефектам их структуры. Прямое решение задачи по совершенствованию структуры электролитических металлов и сплавов позволило предположить, а далее подтвердить экспериментально, что для эффективного аккумулирования водорода необходимо формировать стриктуры с максимальным числом дефектов в единице объема (обратная задача). Это направление является в настоящее время наиболее перспективным в технологии гидридного хранения водорода.
1. Получение водорода.
Рассмотрим наиболее часто применяемые в промышленном производстве технологии получения водорода:
а) электрохимическое разложение воды.
ниже приведены процессы, протекающие на указанных электродах:
КАТОД
Н30+ — Н20+—> Н+ дегидратация;
Н+ + е—>Н0 восстановление атом водорода;
Н0 + Н0—> Н2 образование молекулы водорода;
пН2—> Н2п образование пузырька газа. АНОД
А2Н20 — 4е—> 0 + 4Н+ ;
2 0—> 02 реакция молизации;
4Н+ + 4Н20 —> 4Н30+ образование иона гидроксония.
В промышленных электролизерах как правило используется мембраны с малой степенью проницаемости пузырьков газа. Поэтому такие мембраны обладают большим сопротивлением не только для газовых пузырьков, но и большим электрическим сопротивлением. Для снижения потерь в электролизере нами разработана конструкция мембраны с малым омическим сопротивлением. это позволило снизить потери и упростить конструкцию электролизера. Электролизеры такой конструкции могут быть использованы для зарядки аккумуляторов водорода.
б) Способ термического разложения метана (газа).
Реакция разложения осуществляется по схеме:
2СН4 — > ЗН2 + С2Н2 ли
в качестве инициатора реакции используется лазерное облучение.
Далее газы разделяются на молекулярных ситах. Ацетилен используется в качестве коммерческого продукта. В данной технологии предъявляются повышенные требования к исходной чистоте газа.
в) Получение водорода с помощью газогенератора.
Газогенератора представляет собой устройство для газификации твердого топлива. При этом основными оставляющими генераторного газа являются метан, угарный газ и водород. Соотношение компонентов в общем объеме генераторного газа зависит главным образом от состава компонентов газифицированного твердого топлива, а также зависит от особенностей конструкции элементов фурменного пояса. На рисунке 1 приведена конструкция термокамеры газогенератора.
Рис. 1. Термокамера газогенератора
В газогенераторе обращенного типа в процессе разложения топлива реализуется процесс восстановления диоксида углерод за счет восстановления его свободным углеродом по схеме:
С02 + С-> 2СО
Соотношение компонентов генераторного газа можно также изменить, вводя в зону фурменного пояса различные катализаторы.
Основополагающим элементом предлагаемой конструкции газогенератора является разработанная нами система обратной связи, функциональная схема которой представлена на рисунке 2.
2. Получение водорода микробиологическим способом.
Известны способы получения водорода в реакторах с помощью бактерий. Продуктами жизнедеятельности таких бактерий является молекулярный водород. Правда, технология этого процесса достаточно сложна и экономически затратная. Но в последнее время обнадеживающие результаты получены в институте имени Николы Теслы (Сербская Республика). В биореакторе стандартного типа водородсинтезирующие бактерии имеют короткое время жизни и, вследствие этого, пока малоэффективны.
Рис. 2. Функциональная схема обратной связи газогенератора
3. Переработка отходов - основа альтернативной энергетики.
Анализ потребления ископаемых углеводородов из разведанных месторождений показывает, что запасы нефти и газа не безграничны и исчисляются несколькими десятилетиями. При всем возрастающем экспорте углеводородов из страны пора всерьез принять меры по развитию действенной альтернативной энергетики. Действительно, анализируя объемы иловых карт полей фильтрации г. Воронежа можно просчитать, что «золотой запас» отходов жизнедеятельности населения составляет 800 тысяч тонн. По нашим расчетам при переработке может быть получено 800 ГВТ час электрической и 2 тысячи Гкал тепловой энергии. При этом себестоимость электрической энергии по нашим расчетам составляет 1,5-1,8 рубля за киловатт час, а тепловой - 200-220 рублей за Гкал.
Следует отметить, что себестоимость киловатт часа установленной мощности в установках нашего проекта, по меньшей мере, в 2-2,5 раза ниже уровня сложившихся цен. В проекте используются машины и агрегаты только отечественного производства.
Получаемая тепловая и электрическая энергия может быть использована на предприятии «Воронежводоканал» для повышения качества очистки воды и коренной реконструкции сооружения.
При этом должна резко улучшится экологическая обстановка на территориях, примыкающих к предприятию. Наличие дополнительной энергии позволит применить более эффективные технологии биологической очистки.
Естественное воспроизводство биомассы на Земле при соответствующем способе переработки с избытком обеспечит потребность человечества в тепловой
и электрической энергии. Существующие в животных и растительных организмах рецепторы с более высоким КПД преобразуют солнечную энергию в биомассу. И задача человечества сводится к созданию энергоустановки эффективно преобразующих энергию биомассы в другие виды энергии.
Так, при анализе возможностей одного из сельхозпредприятий воронежской области было определено, что используя только отходы сельхозпроизводства (стебли подсолнечника, кукурузы, ботвы растений, лузги и т.п.) можно произвести около 8 тысяч тонн условного топлива, из которого может быть произведено 10 ГВт час электрической и около 25 тысяч Гкал тепловой мощности.
Это втрое превышает собственное потребление вышеназванного предприятия. На рисунке 3 представлено фото образца топлива для газогенератора.
I
Рис. 3. Фото образца топлива для газогенератора
Резюмируя вышесказанное, можно сделать три главных заключения в корне меняющих подходы к основам природопользования.
Сравнение существующих запасов полезных ископаемых.
Против первого заключения резко будут возражать газодобытчики и нефтяники. Но где тогда чувство ответственности перед потомками? Что останется им при таких темпах добычи углеводородов? Прежде всего, речь идет не о прекращении добычи ископаемых, а о сокращении темпов добычи. Главным результатом этого действия станет сохранение природных ресурсов. И не потребуется пока строить сверхмощных ледоколов и терминалов в высоких широтах. Кстати, окупаемость этих проектов весьма призрачна. А в предлагаемых нами вариантах все уже апробировано и проверено временем. На газогенераторах весь транспорт работал во время войны, так как нефтепродукты были нужны фронту. А добываемая их скважин нефть и газ могут быть использованы для синтеза лекарств и новых материалов, а не служить топливом вместо ассигнаций по меткому выражению Д.И. Менделеева.
Сокращение объемов добычи углеводородов, несомненно, приведет к повышению спроса и росту цен на нефть, что тоже станет благоприятным фактором для нашей страны.
Такой подход к решению этой задачи позволит надолго сохранить природный баланс на планете.
Внедрение в производство технологий с завершенным циклом переработки
Современная глобализация сельскохозяйственного производства позволило резко повысить его эффективность за счет использования адаптированных западных технологий. Но какова цена подобных приобретений? на ограниченной территории мы пытаемся получить огромное количество сельхозпродукции. Если каждый четвертый килограмм свинины производится в Белгородском регионе, то что приходится на долю остальных субъектов? А что стоит за планом построить в этой области боле 100 биогазовых установок? Вот уже пятый год работает лишь одна из них выдающая электроэнергию втрое дороже рыночной цены. Конечно, критиковать сделанное - задача несложная. Но ведь обязаны мы сделать должные вывод, хотя бы из опыта других. По нашему мнению используемые технологии имеют очень важный недостаток - у них отсутствует завершенный цикл производства. Утилизация отходов жизнедеятельности поголовья приносит непоправимый урон природе. Поэтому основные усилия научных и технических кадров должны быть направлены на решение этой проблемы.
Определяющее значение при проектировании комплексов имеет экспертная оценка экологических возможностей того или иного региона, а именно водные и земельные ресурсы, а также необходимое энергообеспечение.
Только при выполнении этих условий может быть реализована технология с завершенным циклом производства.
В качестве примера мы разработали пилотный проект сельхозпредприятия, где все технологии производства имеют завершенный цикл переработки отходов.
На рисунке 4 представлена конструкция ферментатора, предназначенного для производства органикоминеральных удобрений. Исходными компонентами для производства продукции служит навоз крупного рогатого скота и зольные отходы (пеплы) продукты утилизации исходного компонента газогенератора.
8
Рис. 4. Ферментатор
1 - реактор; 2 - приемный бункер; 3 - бункер дозатор; 4 - узел загрузки; 5 - узел выгрузки; 6 -узел фасовки готового удобрения; 7 - газопровод; 8 - привод вращения; 9 - электрический щит
Основным преимуществом органикоминеральных удобрений является их высокая эффективность.
Если эффект от внесения минеральных удобрений остается один сезон, то действия органики на гумусный слой исчисляют сроком 5-7 лет, тем самым
обеспечивая устойчивое плодородие почвы на этот срок. Кроме того, органикоминеральные удобрения лучше сохраняют влагу в поверхностном слое почвы, обеспечивая оптимальный температурный режим для развития и роста растений.
Зольный остаток содержит в своем составе необходимы для роста растений элементы (магний, кальций, цинк и др.).
Создание рабочих мест производителей продукции, а не сферы обслуживания. Это должно изменить социальные условия жизни на селе, прекратить миграцию молодежи в города. Ведь для осуществления новых технологий потребуются специалисты с высокой квалификацией.
Один из вариантов энергетического комплекса сельскохозяйственного предприятия представлен на рисунке 5.
Энергетический комплекс приведенного выше типа предполагает его размещение в районных центрах регионов, население которых занято в основном производстве сельхоз продукции. В этом случае появляется возможность использования паросиловых установок, агрегаты которых производятся на предприятиях России. Себестоимость тепловой и электрической энергии будет приближаться к показателям действующих энергопредприятий средней мощности за счет использования утилизационного топлива.
Формирование группы таких предприятий на территории области позволит создать более надежную и устойчивую схему энергообеспечения при возникновении нештатных ситуаций.
Таким образом, предлагаемы пилотный проект создает надежные предпосылки для решения экологических, энергетических, природоохранных и социальных проблем населения.
1. Гранкин Э.А. Влияние условий электролиза и термической обработки на внутреннее трение и коррозионную стойкость электролитического хрома. Дисс. канд. техн. наук. Воронеж: ВПИ, 1973. - 116 с.
Рис. 5. Энергетический комплекс сельскохозяйственного предприятия
Список использованной литературы
