Безкоштовна технічна бібліотека ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Біоенергетика. Стан та перспективи. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Альтернативні джерела енергії Такі потрясіння, як енергетична криза 1973 р. та Чорнобильська катастрофа 1986 р., змусили більшість країн переглянути свою енергетичну політику щодо темпів та перспектив використання відновлюваних джерел енергії (ВІЗ). Стало ясно, що недостатньо розвинути екологічно чисту енергетику лише у своїй країні, коли сусідні країни продовжують будівництво та експлуатацію атомних об'єктів, подібних до надійності четвертого блоку Чорнобильської АЕС. Необхідне об'єднання зусиль вчених різних країн у галузі розвитку нетрадиційної енергетики. Негативні тенденції розвитку традиційної енергетики обумовлені в основному наявністю двох факторів-швидким виснаженням природних ресурсів та забрудненням довкілля. За даними ООН, виснаження покладів вугілля передбачається 2082-2500 р.р. Перспективні технології традиційної енергетики підвищують ефективність використання енергоносіїв, але не покращують екологічну ситуацію: теплове, хімічне та радіоактивне забруднення навколишнього середовища може призвести до катастрофічних наслідків. У зв'язку з цим виникає необхідність виявлення можливостей раціонального використання ресурсів традиційної енергетики з одного боку та розвиток науково-технічних робіт з використання нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії – з іншого. Усі енергетичні ресурси Землі є зрештою продуктами діяльності Сонця. Практично вся нетрадиційна енергетика - це перетворення та використання енергії Сонця прямими та непрямими методами. Прямі методи використання сонячної енергії ґрунтуються на перетворенні сонячного випромінювання на електричну або теплову енергію. Непрямі методи ґрунтуються на використанні кінетичної та потенційної енергії, які виникають внаслідок взаємодії сонячного випромінювання з геосферою. Найбільшим енергетичним потенціалом характеризуються енергія вітру, енергія річок, морських припливів та хвиль, енергія біомаси У ряді розвинених країн прийнято національні програми з освоєння енергії нетрадиційних джерел, роботи проводяться з ініціативи державних установ, приватних фірм, забезпечується видача кредитів під низькі відсотки. Виробництво енергії з використанням відновлюваних джерел у 1992 році у країнах Європейського Союзу представлено у таблиці 1. Негативні чинники розвитку традиційної енергетики в Україні виявляються особливо гостро та посилюються дисбалансом у розвитку енергетичного комплексу, тому використання відновлюваних джерел енергії набуває особливої ваги. Необхідність та можливість розвитку цього напряму енергетики обумовлені такими причинами:
Таблиця 1. Виробництво енергії з використанням ВІЕ у 1992р. у країнах ЄЕС
Ресурси відновлюваних джерел енергії в Україні є значними, ефективне їх використання може становити дуже відчутну частку в енергетичному господарстві. Так - при використанні доцільних обсягів енергії відновлюваних джерел та можливості заміни ними нафтопродуктів, - відсоткове ставлення цієї енергії до загальної кількості споживаних за рік у країні нафтопродуктів (300 млн. тонн. у.т./рік) становить для біогазу 0,2%. Розташування та робочі характеристики діючих енергетичних установок наведено у таблиці 2. Таблиця 2. Базові установки в Україні
Ефективним відновлюваним джерелом енергії є біомаса. Ресурси біомаси в різних видах є майже у всіх регіонах, і майже в кожному з них може бути налагоджено її переробку в енергію та паливо. На сучасному рівні за рахунок біомаси можна перекрити 6-10% загальної кількості енергетичних потреб промислово розвинених країн. Щороку Землі з допомогою фотосинтезу утворюється близько 120 млрд. тонн сухого органічного речовини, що енергетично еквівалентно понад 400 млрд. тонн нафти. Використання біомаси проводиться у таких напрямках: пряме спалювання, газифікація, виробництво етилового спирту для одержання моторного палива, виробництво біогазу із сільськогосподарських та побутових відходів. Біомаса, головним чином формі деревного палива, є основним джерелом енергії приблизно 2 млрд. людина. Для більшості жителів сільських районів "третього світу" вона є єдиним доступним джерелом енергії. Біомаса як джерело енергії відіграє найважливішу роль і в розвинених країнах. Загалом біомаса дає сьому частину світового обсягу палива, а за кількістю отриманої енергії посідає поряд із природним газом третє місце. З біомаси одержують у 4 рази більше енергії, ніж дає ядерна енергетика. У країнах Європейського Союзу частка енергії біомаси у 1992 році становила близько 55% від загального виробництва енергії відновлюваних джерел. Найбільш ефективно енергія біомаси використовується у Португалії, Франції, Німеччині, Данії, Італії та Іспанії. У Т986 р. комісія ЄС прийняла рішення фінансувати 153 проекти з використання біомаси та відходів. Обсяг фінансування становив 70,6 млн. екю. Директорат ЄС розпочав нову 4-річну програму досліджень у галузі неядерних джерел енергії. На дослідження щодо використання біомаси асигновано на 2 роки 12 млн. дол. США. Ресурси біомаси в Європі в 2000 році склали: деревного палива - 75, деревних відходів - 70, сільськогосподарських відходів - 250, міського сміття - 75 млн. т. Крім того, біомаса, що вирощується на енергетичних плантаціях, дасть 250 млн т/рік. У зв'язку з необхідністю різкого зменшення шкідливого впливу автотранспорту на довкілля було звернено увагу використання у цій сфері біомаси. Тут намітилася низка напрямів із заміни екологічно небезпечного бензину на екологічно чисте паливо. У Бразилії розроблено програму використання етанолу як альтернативного палива, що замінює до 22% (за обсягом) бензину. Етанол отримують в результаті переробки очерету, що спеціально вирощується. Більше 7% пропонованого бензину містить 10% добавки етанолу та 80% автопарків цієї країни використовують цю добавку. У США також реалізується велика програма заміни бензинового палива етанолом, який одержують шляхом переробки надлишків кукурудзи та інших зернових культур. Використання спирту як паливо отримало підтримку і в деяких європейських країнах, зокрема у Франції та Швеції. В Україні проблема заміни бензину спиртом поки що не розглядалася. Вивчається можливість вирощування ріпаку в районах, заражених радіоактивними елементами з метою одержання ріпакової олії, використання її як паливо в дизельних двигунах. Ця ідея зараз розробляється фахівцями України та Німеччини. У нетрадиційній енергетиці особливе місце займає переробка біомаси (органічних сільськогосподарських та побутових відходів) метановим бродінням з отриманням біогазу, що містить близько 70% метану, та знезаражених органічних добрив. Надзвичайно важливою є утилізація біомаси в сільському господарстві, де на різні технологічні потреби витрачається велика кількість палива і безперервно зростає потреба у високоякісних добривах. Загалом у світі нині використовується або розробляється близько 60 різновидів біогазових технологій. Біогаз - це суміш метану та вуглекислого газу, що утворюється в спеціальних реакторах - метантенках, влаштованих та керованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Енергія, одержувана при спалюванні біогазу може досягати від 60 до 90% тієї, якою має вихідний матеріал. Однак біогаз отримують з рідкої маси, що містить 95% води, тому на практиці вихід досить важко визначити. Інша, і дуже важлива, перевага процесу переробки біомаси полягає в тому, що в його відходах міститься значно менше хвороботворних мікроорганізмів, ніж у вихідному матеріалі. Отримання біогазу економічно виправдано і є кращим під час переробки постійного потоку відходів (стоки тваринницьких ферм, скотобоєн, рослинних відходів тощо). Економічність полягає в тому, що немає потреби у попередньому збиранні відходів, в організації та управлінні їх подачею; при цьому відомо, скільки і коли буде отримано відходів. Отримання біогазу, можливе в установках різних масштабів, особливо ефективно на агропромислових комплексах, де існує можливість повного екологічного циклу. Біогаз використовують для освітлення, опалення, приготування їжі, приведення в дію механізмів, транспорту, електрогенераторів. При анаеробному зброджуванні органічні речовини розкладаються без кисню. Цей процес включає два етапи (рис. 1). На першому етапі складні органічні полімери (клітковина, білки, жири та ін.) під дією природної спільноти різноманітних видів анаеробних бактерій, розкладаються до більш простих сполук: летких жирних кислот, нижчих спиртів, водню та окису вуглецю, оцтової та мурашиної кислот, . На другому етапі метанообраеуючі бактерії перетворюють органічні кислоти на метан, вуглекислий газ і воду. Рисунок 1 Схема зброджування органічних речовин Первинні анаероби представлені різноманітними фізіологічними групами бактерій: клітиноруйнуючими, вуглецевими речовинами, що розкладають жири і т.д. та тваринного походження , що одна із найважливіших особливостей метанового співтовариства. Тісний зв'язок між цими групами бактерій забезпечують достатню стабільність процесу. Метанове бродіння протікає при середніх (мезофільному) та високих (термофільних) температурах. Найбільша продуктивність досягається при термофільному метановому бродінні. Особливість метанового консорціуму дозволяє зробити процес бродіння безперервним. Для нормального перебігу процесу анаеробного зброджування потрібні оптимальні умови в реакторі: температура, анаеробні умови, достатня концентрація поживних речовин, допустимий діапазон значень рН, відсутність або низька концентрація токсичних речовин. Температура значною мірою впливає на анаеробне зброджування органічних матеріалів. Найкраще зброджування відбувається при температурі 30-40°C (розвиток мезофільної бактеріальної флори), а також при температурі 50-60°C (розвиток термофільної бактеріальної флори). Вибір мезофільного або термофільного режиму роботи ґрунтується на аналізі кліматичних умов. Якщо для забезпечення термофільних температур необхідні значні витрати енергії, то ефективнішою буде експлуатація реакторів при мезофільних температурах. Поряд з температурними умовами на процес метанового бродіння і кількість біогазу, що отримується, впливає час обробки відходів. При експлуатації реакторів необхідно проводити контроль за показником рН оптимальне значення якого знаходиться в межах 6,7-7,6. Регулювання цього показника здійснюється шляхом додавання вапна. При нормальній роботі реактора одержуваний біогаз містить 60-70% метану, 30-40% двоокису вуглецю, невелику кількість сірководню, а також домішки водню, аміаку та оксидів азоту. Найбільш ефективними є реактори, що працюють у термофільному режимі при 43-52°C. При тривалості обробки гною 3 дні вихід біогазу на таких установках становить 4,5 л на кожний літр корисного об'єму реактора. У вихідну масу для інтенсифікації процесу анаеробного зброджування гною і виділення біогазу додаються органічні каталізатори, які змінюють співвідношення вуглецю і азоту в зброджуваній масі (оптимальне співвідношення С/N=20/1 - 30/1). Як такі каталізатори використовуються глюкоза та целюлоза. Орієнтовний вміст азоту та співвідношення вмісту вуглецю та азоту в різних відходах по сухій масі представлені в таблиці 3. Таблиця 3. Вміст азоту та співвідношення C/N у різних відходах
Отриманий при бродінні біогаз має теплоту згоряння 5340-6230 ккал/м3 (6,21+7,24 кВт·год/м3). У бродильних камерах необхідно проводити енергійне перемішування для запобігання утворенню у верхній частині шару спливаючої речовини. Це значно прискорює процес бродіння та вихід біогазу. Без перемішування для одержання такої ж продуктивності обсяг реакторів має бути значно збільшений. Звідси слідство – великі витрати та подорожчання установки. Перемішування здійснюється:
Залишок, що утворюється в процесі отримання біогазу, містить значну кількість поживних речовин і може бути використаний як добрива. Склад залишку, отриманого при анаеробній переробці тваринницьких відходів, залежить від хімічного складу вихідної сировини, що завантажується в реактор. У разі, сприятливих для анаеробного зброджування, зазвичай розкладається близько 70% органічних речовин, а 30% міститься у залишку. Основна перевага анаеробного зброджування полягає у збереженні в органічній або амонійній формі практично всього азоту, що міститься у вихідній сировині. Метод анаеробного зброджування найбільш прийнятний для переробки тваринницьких відходів з точки зору гігієни та охорони навколишнього середовища, оскільки забезпечує найбільше знезараження залишку та усунення патогенних мікроорганізмів. Рідка фаза гною після анаеробної переробки зазвичай відповідає вимогам до якості стічних вод органами охорони природи. Відпрацьована рідка органічна маса надходить через камеру вивантаження в резервуар збродженої маси, а звідти перекачується в цистерни, за допомогою яких вносять на поля звичайну гнойову масу. Кількість біогазу, яка може бути виділена з різних с/г відходів, залишків та сумішей за оптимальних умов анаеробної переробки, залежить від кількості субстрату, умов протікання процесу, бактеріального складу в реакторі та ін. Деякі дані наведені в таблиці 4. Таблиця 4. Вихід метану (біогазу) при метановому зброджуванні сільськогосподарських відходів
Для збільшення продуктивності змішують різні відходи (таблиця 5). Таблиця 5. Збільшення продукції біогазу при змішуванні різних відходів
Підраховано, що річна потреба у біогазі для обігріву житлового будинку становить близько 45 м2 на 1 м2 житлової площі, добове споживання при підігріві води для 100 голів великої рогатої худоби – 5-6 м2. Споживання біогазу при сушінні сіна (1 т) вологістю 40% дорівнює 100 м2, 1 т зерна - 15 м2 для отримання 1 КВт. год електроенергії – 0,7+0,8 м2. В Україні лише на великих свинарських та птахівницьких підприємствах щорічно утворюється понад 3 млн. тонн органічних відходів по сухій речовині, переробка яких дозволить одержати близько 1 млн. тонн у. т. як біогазу, що еквівалентно 8 млрд. кВт. год електроенергії. Крім того, в Україні є близько 2 млн. негазифікованих сімейних подвір'їв. Досвід країн, які не забезпечені природним газом (наприклад, КНР), показує, що віддалені сільські місцевості доцільно газифікувати за допомогою малих біоустановок, що працюють на органічних відходах сімейних подвір'їв. Так, впровадження 2 млн. установок в Україні дозволило б отримати близько 2 млрд. м2 біогазу на рік. що еквівалентно 13 млрд. квт. год енергії, та забезпечило б сімейні садиби органічними добривами у кількості 10 млн. тонн на рік. За даними 1990 р. середньорічне поголів'я свиней у колгоспах, радгоспах та інших господарствах України становило майже 20 млн. голів; для великої рогатої худоби ця цифра перевищувала 25 млн., для поголів'я овець та кіз відповідно близько 9 млн., для птахів – близько 85 млн. голів. Кількість гною та посліду від такого поголів'я на рік: від свиней – 45 млн. тонн, від великої рогатої худоби – понад 290 млн. тонн, овець та кіз – 6 млн. тонн, птиці – майже 4 млн. тонн. Досвід створення біогазових установок свідчить, що їх конструктивні та технологічні особливості визначають різні фактори та, насамперед, сировину, її властивості та попередня обробка. У багатьох країнах світу створено, випробувано та успішно експлуатуються як малі фермерські, так і великі промислові установки з переробки гною в біогаз. У Німеччині працює 60 нових біогазових установок із виробництва біогазу з відходів тваринницького господарства. За рахунок ферментації відходів із вмістом сухого залишку від 5 до 15% виходить біогаз із теплотою згоряння від 5,6 до 6,7 кВт·год/м2. Щільність біогазу – 1,22 г/м2. Вибухонебезпечна концентрація його повітря від 19 до 25%. Споживання енергії на власні потреби становить від 20 до 30% біогазу. Термін окупності витрат дорівнює 4,2 роки. Фірма Сaterpillar виробляє автономні ЕС (енергосистеми), оснащені двигунами з іскровим запалюванням, здатні використовувати біогаз, що утворюється внаслідок розкладання відходів на звалищах. У Норвегії встановлено першу з двох таких ЕС потужністю 360 кВт. ЕС повністю автоматизована, комутаційна апаратура здатна синхронізувати роботу ЕС із місцевою електромережею. Газ подається з 36 свердловин завглибшки 14м, що проникають до шару відходів двадцятирічної давності. При цьому забезпечується витрата біогазу 300 м3/годину. Зміст метану в біогазі становить 48-57%. У південно-східній частині Англії дві ЕС на основі біогазу забезпечують сумарну потужність 1000 кВт для гаеопереробного заводу, з якої лише 360 кВт використовуються для потреб заводу, а решта 650 кВт надходить у національну електромережу. Фірма Blue Cirkle (Великобританія) планує отримувати 7,5 МВт електричної потужності, використовуючи біогаз із трьох звалищ у Південній Англії. У країнах Західної Європи налагоджено серійний випуск біогазових установок потокового типу. Одна така установка переробляє пташиний послід від 10 тис. курей-несучок, забезпечуючи середньодобове виробництво 100 м3 біогазу (60% метану), і окупається за 1,9 року при використанні шлаку в якості органічного добрива. У Швейцарії біогазова установка із середньою продуктивністю 100 м3 на добу переробляє гній 30 корів, що надходить у заглиблений відстійник ємністю 80 м3. Для зброджування гною та зберігання біогазу служить циліндричний резервуар місткістю 540 м3, закритий полімерною плівкою. Біогаз використовується для вироблення електроенергії у водонагрівальній установці. Там же експлуатується біогазова установка, всі агрегати якої розташовані безпосередньо під свинарською фермою. Біогаз зберігається в резервуарі та використовується в опалювальній системі. Продуктивність біогазової установки при пасовищному утриманні худоби влітку вдвічі нижча, ніж узимку. При цьому близько третини біогазу використовується на власні технологічні потреби, а решта йде на підігрів води та опалення ферми. 1 м3 біогазу еквівалентний 0,7 л мазуту. Біогаз має високі антидетонаційні властивості і може служити відмінним паливом для двигунів внутрішнього згоряння з примусовим запалюванням і для дизелів, не вимагаючи їх додаткового переобладнання (необхідне тільки регулювання системи живлення). Порівняльні випробування показали, що питома витрата дизельного палива становить 220 г/кВт·год номінальної потужності, а біогазу 0,4 м3/кВт·год. При цьому потрібно близько 300 г/кВт, год (м. б. - 300 г) пускового палива (дизельного палива, що використовується як "запала" для біогазу). В результаті економія дизельного палива становила 86%. При 40% завантаженні двигуна та частоті обертання його колінчастого валу 1400 об/хв (середній рівень завантаження тракторів у Швейцарії) витрата дизельного палива дорівнює 250 г/кВт, год., при використанні біогазу - 80 г/кВт, год плюс витрата біогазу 9,6, 3 м70/кВт·год., що відповідає майже XNUMX% економії дизельного палива. У Віппахдельхаузені (ФРН) введена в експлуатацію біогазова установка універсального типу, призначена для зброджування гноївки та переробки гною великої рогатої худоби, свиней та курячого посліду. Біогазовий реактор працює при температурі 35°C та тиску 2,0-5,0 кПа як у безперервному, так і в періодичний режимах. В Україні у Запорізькому КТІСМ розроблено комплект обладнання типу "Кобос" для анаеробного зброджування гною. Така установка об'ємом 250 м3 працює у с. Гребінки Київської області. Установку продуктивністю по гною 10 м3/добу випробувано в радгоспі "Світанок" Запорізької області- УкрНДІАгропроект має дослідні установки: на Київській птахофабрикі - періодичної дії об'ємом 20 м3, у радгоспі "Росія" Черкаської області - об'ємом 200 м3. У підсобному господарстві Сумського МНВВ ім. Фрунзе на 3000 голів свиней діє установка переробки стоків обсягом 300 м3. Техніко-економічні та експлуатаційні характеристики деяких біогазових установок представлені у таблиці 7. Для розвитку біоенергетики в Україні з метою отримання біогазу та високоякісних добрив необхідне створення економічного механізму, що стимулює науково-технічні роботи у цій галузі, виробництво та впровадження відповідного обладнання. Таблиця 7. Техніко-економічні та експлуатаційні показники біогазових установок
Тепер ми вже знаємо, що звичайнісінькі органічні відходи сільського подвір'я - гній тварин, городне бадилля, бур'яни та інша "органіка" - в певних умовах зможуть стати джерелом такого необхідного в домашньому господарстві пального газу, який згодиться для приготування їжі, опалення приміщення та отримання гарячої води. Назвемо його біогазом. Біогаз якщо не повністю, то хоча б частково може забезпечити потреби сільських мешканців, власників дачних та садових ділянок у паливі. Крім того, при виробництві біогазу відходи повністю йдуть у справу, в результаті не тільки покращується санітарний стан території, знищуються збудники інфекційних захворювань, зникає неприємний залах рослин, що гниють, гинуть насіння бур'янів, а й утворюються найцінніші високоякісні органічні добрива, що володіють підвищеним гумусом. . Але щоб кожен бажаючий міг спорудити на своєму обійсті найпростішу біогазову установку власними руками, корисно мати уявлення про основні особливості технології отримання біогазу з органічних відходів, а також про фактори, що впливають на продуктивність біогазових установок, та конструкції цих установок. Автор: Шомін А.А. Дивіться інші статті розділу Альтернативні джерела енергії. Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті. Останні новини науки та техніки, новинки електроніки: Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
Інші цікаві новини: ▪ IBM збільшила ємність флеш-пам'яті у 100 разів ▪ Нова версія транкінгової системи ASTRO 25 Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки
Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки: ▪ розділ сайту Телебачення. Добірка статей ▪ стаття Російська мова. Шпаргалка ▪ стаття Чому страус не може літати? Детальна відповідь ▪ стаття Функціональний склад телевізорів Sony. Довідник ▪ стаття Парник із біопідігрівом. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Ріже тертя. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Залишіть свій коментар до цієї статті: All languages of this page Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт www.diagram.com.ua |