Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в Республике Беларусь

Между перечисленными процессами существуют многочисленные взаимные связи. Новый подход в развитии сельского хозяйства характеризуется минимальным уровнем потерь энергетических и минеральных ресурсов, сокращением потребления химических удобрений и пестицидов, гораздо большим разнообразием выращиваемых культур, использованием аквакультуры и, самое важное, применением биотехнологии в масштабах домашнего хозяйства, деревни и целой отрасли промышленности. Таким образом, утилизация сельскохозяйственных отходов с помощью процессов ферментации или биологического преобразования, не требующих использования топлива, может способствовать более полному удовлетворению потребностей в энергии.

2.3 Фотосинтез на службе энергетики

Фотосинтез — древнейшая и наиболее известная биохимическая реакции на планете. Нынешний интерес к овладению фотосинтезом для нужд прогресса и развития является существенным показателем давления — экономического, экологического, энергетического, технологического. В результате фотосинтеза растения ежегодно ассимилируют приблизительно 2∙1011 т (тонн) углерода с энергосодержанием 3∙1021 Дж, что в 10 раз больше годового потребления энергии в мире и в 200 раз больше того количества энергии, которое содержится в используемых человечеством за год продуктах питания. Фотосинтез — это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез является ключевым процессом жизни на Земле. Можно упрощенно представить его следующим образом:

растения

Н2О + СО2 ____________________ органические вещества + О2

солнечная энергия

Растения являются средоточием двух реакций, от которых зависит жизнь на Земле: расщепления воды видимым светом на кислород и водород и ассимиляция С02 в органические соединения. Растения отличает очень высокая приспособляемость и огромное разнообразие видов; поэтому они неопределенно долго на возобновляемой основе могут снабжать нас продовольствием, волокном, топливом и химическими продуктами. В настоящее время многие лаборатории изучают принципиальную возможность выращивать и использовать растения для выработки энергии. В первую очередь речь идет о таких сельскохозяйственных культурах, как сахарная свекла. При использовании сахарной свеклы для получения этанола на топливо его выход составляет около 79 кг с 1 т свеклы. Энергосодержание этанола около 34 МДж/кг. При урожайности сахарной свеклы около 500 ц/га можно получить до 4 т этанола. Эквивалентный выход энергии с 1 га пашни составит около 135 ГДж/га. Наиболее значимым возобновляемым энергетическим ресурсом, как разновидностью фитомассы, является древесина. Ее сжигание — традиционный для сельской местности способ получения тепловой энергии. Как вид топлива она имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, древесина — "чистое" топливо (серы менее 0,02 %, азота — около 0,12 %, что обуславливает низкий уровень содержания в продуктах сгорания сернистых и азотистых соединений). Зольность древесины составляет 0,5±0,1 % сухого вещества. В коре деревьев содержится 3±2 % золы, в листьях около 6 %. Древесная зола — хорошее минеральное удобрение. Теплота сгорания древесины зависит как от ее сорта (сосна, береза, ива и др.), так и от влажности.

QA= - 0,196σ + 19,7,

где Qд — удельная теплота сгорания древесины, МДж/кг; σ — относительная влажность, % [7]. Сразу после заготовки древесины ее влажность составляет около 50 %. При этом Qд = 8... 12 МДж/кг. В процессе хранения под навесом или в хорошо проветриваемом сарае в течении года влажность древесины снижается до 20...25 %, что обеспечивает повышение удельной теплоты сгорания до 10... 15 МДж/кг. Коэффициент полезного действия современных котлов для сжигания древесины находится в пределах от 80 % (при сжигании опилок, щепы и других отходов) до 90 % и выше при сжигании древесных чурок и брикетов. Для сравнения — у газовых котлов КПД равен 90...95 %, а при наличии теплоутилизатора — до 98 %. В Беларуси изучается финский опыт, где в 2004 г. на древесной щепе работали 485 котельных и ТЭЦ. В общем энергетическом балансе Финляндии древесина составила 20 %. Наша страна обладает большими запасами леса — около 40 % территории. Наряду с этим здесь требуется решить целый ряд проблем, таких как заготовка, транспортирование, хранение и подготовка к использованию древесных материалов в виде топлива. Альтернативными традиционному топливу из нефти могут стать биодизельное топливо и этанол. Наша республика имеет хорошие возможности для освоения и широкого использования технологий производства этих энергоносителей. Общий потенциал производства биодизельного топлива и этанола на топливо оценивается в 1 млн. т у. т. в год, а при активном инвестировании и внедрении данного направления к 2010 г. объем замещения традиционных видов топлива может составить около 20 тыс. т у. т. в год [10]. В качестве исходного материала для получения биодизельного топлива хорошо подходит рапсовое масло. При его дальнейшей переработке можно получать с 1 га пашни около 1 т топлива, что при удельном энергосодержании 39...40 МДж/кг будет соответствовать выходу энергии около 39 ГДж/га. Главный недостаток процесса фотосинтеза — низкий КПД преобразования энергии солнечного излучения, всего 1—2%. Другими словами, при урожайности пшеницы, например, 4 т/га каждый гектар посевов должен получить дозу солнечного излучения с энергией около 19 ТДж. Эта величина сравнима с суточной выработкой не очень большой электростанции. Поэтому широкое использование фотосинтеза для выработки энергии потребует огромных площадей земельных угодий. Кроме солнечного излучения, на КПД фотосинтеза влияет температура воздуха, осадки, поступление питательных веществ (особенно, азота), наличие «сточных колодцев» для продуктов фотосинтеза. Весьма важно знать, как действуют эти факторы в отдельности, однако гораздо более важно, попытаться понять, как они взаимодействуют между собой. Следует подчеркнуть, что фотосинтез является важнейшим процессом в живом мире и это положение сохранится, пока продолжается жизнь на Земле. Создавая систему переработки фитомассы, Беларусь, страна с умеренным климатом, может помочь себе, достигнув большего самообеспечения. И так, в процессе переработки фитомассы можно получать горючие газы, масла, древесный уголь. Здесь можно использовать пиролиз, который реализуется путем нагревания фитомассы без доступа воздуха либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе кислорода. Таким образом, задача нашей страны в области фотосинтеза состоит в том, чтобы попытаться путем селекции отобрать такие растения, которые будут давать наиболее высокие урожаи при приемлемых энергетических КПД. Необходимо сосредоточить гораздо больше усилий на изучении физиологии и биохимии растений и их взаимодействия с окружающей средой. Исследованиям такого рода оказывают все большую финансовую поддержку как промышленные, так и правительственные организации, считающие, что системы, основанные на использовании биомассы, имеют хорошие перспективы.

2.4 Время и место получать энергию из когенерационных установок

Когенерационные установки на базе газовых двигателей - наиболее эффективный путь производства тепла и электроэнергии. Это подтверждает их промышленная эксплуатация в течение нескольких десятилетий в странах западной Европы и более чем четырехлетний опыт эксплуатации мини-ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) в Беларуси. Среди объективных преимуществ этой технологии в первую очередь выделяются:

· высокая топливная эффективность (коэффициент использования топлива мини-ТЭЦ достигает 90%, себестоимость электроэнергии для потребителя до 3 евроцентов за 1 кВт∙ч, при цене природного газа 120 за 1000 м куб.).

· комбинированная выработка тепловой и электрической энергии плюс выработка холода, например, для кондиционирования;

· высокая мобильность, быстрый выход на номинальную мощность (несколько минут), адаптивность, то есть приспособление к изменению нагрузок.

Когенерационные распределенные энергоисточники фактически оказываются единственными в своем роде, дающими возможность энергетикам успевать за требованиями динамично растущего городского хозяйства. Мини-ТЭЦ состоит из ряда энергоустановок небольшой мощности, это позволяет осуществлять этапные закупки, разбивая строительство на пусковые комплексы и эффективно распределяя во времени инвестиционные потоки. Потребители высоко оценят и такие преимущества когенерационных установок, как компактность, экологичность и бесшумность. Они могут быть расположены на тех же площадях, что и традиционные котельные, которые в любом случае используются для обеспечения отопления зданий. Что касается качественных показателей, то имеется возможность создания островных изолированных систем с генерацией энергии с более высокими показателями по частоте и напряжению для особо ответственных потребителей. Это позволяет построить систему повышенного качества энергоснабжения. С 2007 года открыт и действует Республиканский сервисный и диспетчерский центр газовых двигателей GE Jenbacher в городе Минске. Начато создание региональных сервисных филиалов в областных городах – первый уже открыт в Гродно, готовится открытие второго в Гомеле. Построение собственной малой энергосистемы ничем не отличается от систем «большой» энергетики, при этом требует меньших инвестиций, позволяет рационально распределять инвестиционные затраты во времени, имеет высокую ритмичность строительства. Применение когенерационных установок в некоторых случаях может принести рекордный эффект, особенно в государственном масштабе. При этом раздельный график производства тепловой и электрической энергий замещается более эффективным комбинированным - это наиболее часто встречающийся случай в распределенной энергетике Беларуси. В качестве топлива для установок используются возобновляемые или вторичные энергетические ресурсы, такие как попутный газ, биогаз, свалочный газ, газ, получаемый в процессе газификации биомассы, специальные технологические газы, выделяемые на нефтехимических и металлургических производствах. Названные достоинства когенерационных установок ставят их вне конкуренции для вновь вводимых объектов с потребностью в обеспечении электричеством и теплом. Реализация инвестиционного проекта по внедрению мини-ТЭЦ может иметь эффект финансового рычага для выведения предприятия-потребителя энергии на совершенно новый уровень хозяйствования. Здесь вполне вероятен мультипликативный эффект, характерный для энергоемких производств с высокой энергетической составляющей в себестоимости продукции. В этом случае экономический эффект от реализации инвестиционного проекта по созданию собственного энергоисточника – своего рода трамплин для масштабного скачка, который предприятие сделает в результате ощутимого снижения себестоимости продукции, изменения ценовой политики, выхода на новые рынки сбыта, улучшения сальдо торгового баланса в пользу экспорта, повышения качества продукции и качества жизни работников.

3. Гидроэнергетика в Беларуси

3.1Общие сведения

Гидроэнергетика – область наиболее развитой на сегодня энергетики на возобновляемых ресурсах, использующая энергию падающей воды, волн и приливов. Республика Беларусь – преимущественно равнинная страна, тем не менее, её гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 850-1000МВт. Однако практически реализуемый потенциал малых рек и водотоков составляет едва ли 10% этой величины, что эквивалентно экономии 0,1 млн.т у.т./год. К концу 60-х гг. в Беларуси эксплуатировалось около 180 малых гидроэлектростанций (МГЭС) общей площадью 21 МВт. Основные направления развития гидроэнергетики республики: восстановление старых МГЭС путем капитального ремонта и частичной замены оборудования; сооружение новых МГЭС на водохранилищах неэнергетического (комплексного) назначения, на промышленных водосбросах; строительство бесплотинных ГЭС, в которых используется кинетическая энергия движущейся массы воды (течение). Такие станции, мощностью до 10...25 кВт, не требуют больших капитальных затрат на строительство, экологичны и удобны в использовании при энергоснабжении потребителей небольшой мощности, расположенных на берегах рек, при наличии перепадов высот на небольших ручьях (рукавные ГЭС) и др. При наличии водных потоков перспективно также применение водных таранов для целей водоснабжения, а также использование водяных колес и турбин небольшой мощности для привода компрессоров тепловых насосов. Работы по восстановлению МГЭС уже начаты. В 1992 -2000 годах в республике восстановлены следующие ГЭС:

· Добромыслянская (Витебская область) – 200 кВт;

· Гонолес (Минская область) – 250 кВт;

· Войтощизненская (Гродненская область) – 150 кВт;

· Жемыславльская (Гродненская область) – 160 кВт;

· 1-я очередь Вилейской ГЭС (Минская область) – 900 кВт;

· Богинская (Витебская область) – 300 кВт;

· Ольховка (Гродненская область) – 100 кВт;

· Тетеринская (Могилёвская область) – 600 кВт.

На начало 2004 года установленная мощность ГЭС, входящих в концерн «Белэнерго», составила 10,9 МВт, а их годовая выработка электроэнергии - около 29 млн. кВт∙ч, что позволяет заместить около 8 тыс. тонн условного топлива. В то же время потенциальная мощность всех водотоков Беларуси составляет 850 МВт, в том числе технически доступная - 520 МВт, а экономически целесообразная - 250 МВт. В последние годы идет активное восстановление гидроэлектростанций. На той же Гродненщине, например, в 2005 году начала работать мини-ГЭС «Немново» на Августовском канале. Мощность станции - 250 кВт, и этого достаточно, чтобы обеспечить светлом и теплом местный поселок Сапоцкино. Окупится установка уже через 11 лет, а служить будет как минимум целый век. А всего до 2010 года в Беларуси будет насчитываться около 30 мини-ГЭС. Предусматривается до 2020 г.: строительство каскада ГЭС на Западной Двине, строительство станций на Днепре и Немане (суммарная мощность около 200 МВт). (см. Приложение видио клип «Альтернатива»)

3.2 Описание работы гидроэлектростанций

Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию. Действительно под воздействием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах. Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую происходит на гидроэлектростанции. Поддержание постоянного напора осуществляется с помощью платины, которая образует водохранилище, Служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет. Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис.4). Различают активные и реактивные турбины. В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90 %. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже. Максимальное значение КПД, равно 100% . Оно может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести. КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй. В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Френсиса вращение колеса осуществляется за счет разности давления потока на входе и на выходе вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90°. Переменный зазор и поворот потока повышает эффективность турбины. Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная турбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за перепада давления. ГЭС бывают самых различных мощностей – от 3 кВт до 12 ГВт. Малыми ГЭС (именуемыми также микро-ГЭС и сельские ГЭС) называются ГЭС, установленной мощностью менее 500 кВт. Сооружение их осуществляется обычно в качестве составной части комплекса, предусматривающего также развитие сельскохозяйственного производства, водоснабжение и регулирование стока.

Рис. 4. Машинная станция с гидротурбиной.

3.3 Гидроэлектростанции и жизненная среда

Говоря о гидроэлектростанциях, нельзя не отметить, что никакие другие отдельно взятые инженерные сооружения не оказывают такого сильного воздействия на природу, как крупные водохранилища. Водохранилище снабжает водой не только людей, но и весь растительный и животный мир, который активно реагирует на новые благоприятные условия. Это способствует появлению новых биологических сообществ, развитию которых прежде препятствовал недостаток воды (что особенно наглядно проявляется у небольших прудов, устраиваемых для развития рыбного хозяйства). Однако при объективной оценке изменения экологических условий нельзя не учитывать некоторых отрицательных биохимических и лимнологических факторов. Как известно, в стоячей воде водохранилищ кислородный обмен происходит гораздо медленнее, чем в водотоках (реках и ручьях). Попадая в такую воду, химические примеси могут создать в ней столь неблагоприятную стратиграфию (т. е. образовать устойчивые слои различного состава), что биологическая жизнь станет невозможной, погибнут рыбы и многие другие водные организмы. А при спуске такой отравленной воды в реку может наступить гибель рыбы во всем водотоке. Опасны для водохранилища и водоросли, которые изменяют химический состав воды. Особенно вредны и экологически неблагоприятны процессы гниения в водоемах промышленных районов. В целом можно считать, что водохранилища оказывают экологически благоприятное влияние на окружающую среду, а отрицательные факторы обусловлены в первую очередь сбросом промышленных отходов и (в меньшей степени) безответственным поведением весьма большого числа туристов и отдыхающих. Что же касается непосредственно технологического процесса выработки электроэнергии на гидростанциях, то с точки зрения экологии он совершенно безопасен. Производство работ по возведению гидроэнергетических объектов следует проектировать с минимальным ущербом природе. При разработке стройгенпланов необходимо рационально выбирать карьеры, месторасположение дорог и т. п. К моменту завершения строительства должны быть проведены необходимые работы по рекультивации нарушения земель и озеленении территории. По водохранилищу наиболее эффективным природоохранным мероприятием является инженерная защита. Например, строительство дамб обвалования уменьшает площадь затопления и сохраняет для хозяйственного использования земли, месторождения полезных ископаемых, уменьшает площадь мелководий и улучшает санитарные условия водохранилища, сохраняет природные естественные комплексы. Если постройка дамб экономически не оправдана, то мелководья могут быть использованы для разведения птиц и для других хозяйственных нужд. При поддержании необходимых уровней воды мелководья могут быть использованы для рыбного хозяйства, как нерестилище и кормовая база. Для предотвращения или уменьшения переработки берегов производят берегоукрепления. Предприятия, железные дороги, жилые и коммунально-бытовые постройки, памятники старины выносятся из зоны затопления. Для обеспечения высокого качества воды необходима санитарная очистка ложа водохранилища до его затопления водой. С этой целью производят агротехнические мероприятия для уменьшения загрязненного поверхностного стока и строятся очистные сооружения. Строительство больших плотин с электростанциями, как правило, способствует сохранению и обогащению природы. Искусственные озера позволяют комплексно использовать водные ресурсы. Вода не только приводит в действие турбины, но и орошает обширные прилегающие земли и тем самым обеспечивает развитие сельского хозяйства. Водохранилища смягчают резкие контрасты погоды и климата, помогают бороться с засухой, на их берегах отдыхают тысячи людей.

Страницы: 1, 2, 3, 4