Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации станции, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа. Новые станции этой серии мощностью в десятки и сотни мегаватт проектируются без судна. Это - одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии.

По сравнению с традиционными тепловыми и атомными электростанциями ГиТЭС оцениваются специалистами как более экономически эффективные и практически не загрязняющие океанскую среду. Недавнее открытие гидротермальных источников на дне Тихого океана рождают привлекательную идею создания подводных ГиТЭС, работающих на разности температур источников и окружающих вод. Наиболее привлекательными для размещения ГиТЭС являются тропические и арктические широты.

4.2 Волновые электростанции

В основе работы волновых энергетических станций (ВолЭС) лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую энергию.

Участвуя в глобальных солнечно-земных процессах океаны, по оценкам различных источников, располагают громадной совокупной волновой энергией до 3*10¹⁴ кВт•час. При этом океанские волны способны развивать наибольшую для возобновляемых источников энергии удельную мощность. Так сравнительно небольшая волна высотой 5 м в расчете на один квадратный метр колеблющейся поверхности развивает мощность более 10 кВт.

Различают следующие основные типы волновых энергетических установок:

1. Поплавковые волновые электростанции.

В основе работы такой электростанции различные механические преобразователи, электрогенератор и накопитель энергии, размещенные внутри герметичной капсулы - поплавка. Капсула - поплавок имеет форму цилиндра. Механический преобразователь энергии волн состоит из колебательной системы и механического привода, раскручивающего электрогенератор.

Маломощные поплавковые волновые электростанции служат для энергообеспечения прибрежных и островных поселений, аварийных систем жизнеобеспечения, метеосистем радиомаяков, глобальных и региональных систем навигации и связи и др.

Мощные поплавковые волновые электростанции, представляющие собой плавучие заводы, обеспечивают переработку морепродуктов, химическое производство, электролизное производство, переработку флоры и фауны морей в продукты питания и в сырье для технических нужд и т.п.

Мощности маломощных поплавковых волновых электростанций достигают десятка кВт, мощных модульных (проекты) - до десятков МВт.

В настоящее время волноэнергетические установки такого типа используются преимущественно для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. Известен также проект под названием «Утка Солтера» (Великобритания). Он представляет собой поплавковый преобразователь волновой энергии, рабочей конструкцией которого является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. Мощность электростанций с таким преобразователем достигает 1 МВт. Разработан проект более мощной установки типа «Утка Солтера» из 20-30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 МВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

2. Установки с пневматическим преобразователем.

Для этих установок была разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках, таких как «Каймей» (Япония), «Моллюск» (Великобритания) и др.

4.3 Приливные электростанции

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив - отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением

где р - плотность воды, g - ускорение силы тяжести, S - площадь приливного бассейна, R - разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2-20 МВт.

Приливные электростанции (ПЭС) работают по следующему принципу: в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой установлены гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При отливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В некоторых проектах предусмотрены двух- и более бассейновые схемы ПЭС с целью выравнивания выработки электроэнергии.

С созданием особых, капсульных турбин, действующих в обоих направлениях, открылись новые возможности повышения эффективности ПЭС при условии их включения в единую энергетическую систему региона или страны.

При совпадении времени прилива или отлива с периодом наибольшего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины

ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.

В 1966 г. во Франции на реке Ране построена первая в мире ПЭС, 24 гидроагрегата которой вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт•час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, строительство этой ПЭС экономически оправдано. Годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений.

В 1968 г. на побережье Баренцева моря в Кислой губе сооружена первая в нашей стране опытно-промышленная ПЭС. В здании электростанции размещено 2 гидроагрегата мощностью 400 кВт.

Десятилетний опыт эксплуатации первой ПЭС позволил приступить к составлению проектов Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской и Тугурской на Охотском море.



4.4 Электростанции морских течений

Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

Важнейшее и самое известное морское течение - Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км². Энергию W, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой

где т - масса воды (кг), р - плотность воды (кг/м³), А - сечение (м²), v - скорость (м/с), t - время работы. Подставив цифры, и разделив энергию на время, получим мощность

Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии более 50 крупных электростанций мощностью по 1000 МВт, но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, и во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.

Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.

В США с 1973 г. разрабатывается другой проект - программа «Кориолис», которая предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система «Кориолис» общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км, а общая мощность 20000 МВт. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе.

Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, и, прежде всего, с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.



5. Энергия солнца и солнечные электростанции

Почти все источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначе, используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Заметим, что солнечное излучение -- экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии эквивалентно сжиганию 2•10¹² тонн условного топлива в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре.

Чтобы в полной мере использовать лучистую энергию Солнца, ее нужно превратить в какой-либо иной вид.

В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - в сущности, первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной мощностью 15л.с.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию позднее стали использовать после ее концентрации при помощи зеркал для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т.д.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии для получения теплоты должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

Простейшее устройство такого рода - плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т.п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем на 200-500 °С выше, чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.

Вместе с тем, Солнце может служить источником получения не только тепловой, но и электрической энергии. Различают ряд принципов преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, т.е. создания солнечной электростанция (СЭС), а в условиях космоса - космических солнечных электростанций (СКЭС). Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее известны паро- и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях. Пригодны они и для работы в космосе, но в этом случае необходим специальный теплообменник-излучатель, выполняющий роль конденсатора пара. При этом если в наземной паротурбинной установке теплота конденсации отводится циркулирующей водой, то в условиях космоса отвод тепла отработавшего в турбине пара или газа (если это газовая турбина) возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой. Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки СКЭС показана на рис. 3,а. Здесь солнечная радиация, собранная концентратором 1 на поверхности солнечного котла 2, нагревает рабочее тело -- инертный газ и под давлением, создаваемым компрессором 3, подает горячий газ на лопатки газовой турбины 4, приводящей в действие электрогенератор переменного тока Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор 6, где подогревает рабочий газ после компрессора, облегчая тем самым работу основного нагревателя - солнечного котла, а затем охлаждается в холодильнике-излучателе 7. Наземные испытания трехкиловаттной газотурбинной установки были проведены в 1977 году в Физико-техническом институте АН Узбекистана. КПД этой установки составил 11%.

Возможно создание энергоустановки с паротурбинным преобразователем (рис. 3,б). Здесь собранная концентратором 1 солнечная энергия нагревает в солнечном котле 2 рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине 4, соединяющей с электрогенератором После конденсации в холодильнике-излучателе 7 отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом 8, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке (при одинаковых температурах подвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше, чем в газотурбинной установке.

Рис. 3. Принципиальные схемы газотурбинной (а) и паротурбинной (б) солнечных электростанций

На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток СЭС мощностью 1 МВт. Принцип ее работы башенный: зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике-теплогенераторе, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную паровую турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью до 20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу. На аналогичном принципе работает Крымская солнечная электростанция мощностью 5 МВт.

Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные - до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят и они работают.

От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.

Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств-термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940-1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. В 40-50-е годы была разработана теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы.

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) явился следствием открытого Эдисоном явления, получившего название термоэлектронной эмиссии. Подобно термоэлектричеству, оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество.

По мнению специалистов, наиболее привлекательным является создание фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии (использовании фотоэлектрического эффекта в полупроводниках). Это один из наиболее распространенных ныне и перспективных способов преобразования света - фотоны передают свою энергию электронам в полупроводниках, и в нагрузке возникает электрический ток.

К сожалению, производство полупроводниковых фотоэлементов недешево и эффективность наземных СЭС мала из-за неустойчивых атмосферных условий и, соответственно, относительно слабой интенсивности солнечной радиации и колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи. Известные пути преодоления этих препятствий -- создание аккумуляторов энергии и комбинированных солнечно-топливных или солнечно-атомных энергосистем, а также применение концентрирующих солнечную энергию устройств, повышающих ее плотность. К сожалению, эти решения не нашли широкого применения особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.

КПД современных солнечных батарей достигает 13--15%. Наиболее перспективным для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м² и 200 Вт/кг. Для создания СКЭС мощностью 10 ГВт площадь солнечных батарей составила бы 50 км² при весе 10 тыс. тонн.

Тем не менее, солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле - в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (электромобили, радиоаппаратура, электрические бритвы и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).

С конца 60-х годов началась интенсивная теоретическая и экспериментальная проработка различных вариантов мощных СКЭС на геосинхронной орбите и отдельных элементов их конструкции, но сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии.



6. Водородная энергетика

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей и т.п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина - только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива - самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока.

Водород - синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа, либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное - на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

Сейчас водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.

Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т.п.

Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе) заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000 °С). Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий, что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000 °С.

В 1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с КПД 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в повторных циклах. Другие - сконструированные установки работали - при температурах 700-800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять КПД таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.

Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.

Как мы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом -- он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух). Отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает КПД отопления на 30%.

Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.



7. Вторичные энергоресурсы

Прогрессивное направление и развитие промышленности - создание безотходных производств, по технологии которых используются все элементы производственного процесса, а также энергия реакции технологических процессов для получения полезной продукции. Однако технологические процессы сопровождаются материальными и энергетическими отходами.

На технологический процесс расходуется определенное количество топлива, электрической и тепловой энергии. Кроме того, сами технологические процессы протекают с выделением различных энергетических ресурсов - теплоносителей, горючих продуктов, газов и жидкостей с избыточным давлением. Далеко не всё количество этой энергии используется в технологическом процессе или агрегате; такие неиспользуемые в процессе (агрегате) энергетические отходы называют вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР).

Количество образующихся вторичных энергетических ресурсов достаточно велико. Поэтому полезное их использование - одно из важнейших направлений экономии энергетических ресурсов. Утилизация этих ресурсов связана с определёнными затратами, в том числе и капитальными, поэтому возникает необходимость экономической оценки целесообразности такой утилизации.

Под ВЭР понимают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся при технологических процессах, в агрегатах и установках, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использоваться для энергосбережения других агрегатов (процессов).

ВЭР промышленности делятся на три основные группы:

горючие;

тепловые;

избыточного давления.

Горючие (топливные) ВЭР - химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырья. К таким отходам относят:

- побочные горючие газы плавильных печей (доменный газ, газ шахтных печей, конверторный газ и т.д.);

- горючие отходы процессов химической и термохимической переработки углеродистого сырья (синтез, отходы электродного производства, горючие газы при получении исходного сырья для пластмасс и т.д.);

- твёрдые и жидкие топливные отходы, непригодные для дальнейшей технологической переработки;

- отходы деревообработки, целлюлозно-бумажного производства.

Тепловые ВЭР - это тепло отходящих газов при сжигании топлива, тепло воды или воздуха, использованных для охлаждения технологических агрегатов и установок, теплоотходов производства, например, горячих металлургических шлаков.

Одним из весьма перспективных направлений использования тепла слабо нагретых вод является применение так называемых тепловых насосов, работающих по тому же принципу, что и компрессорный агрегат в домашнем холодильнике. Тепловой насос отбирает тепло от сбросной воды и аккумулирует тепловую энергию при температуре около 90 °С, иными словами, эта энергия становится пригодной для использования в системах отопления и вентиляции.

Следует отметить, что пока ещё большое количество тепловой энергии теряется при так называемом "сбросе" промышленных сточных вод, имеющих температуру 40 - 60 °С и более, при отводе дымовых газов котельных установок с температурой 200 - 300 °С, а также в вентиляционных системах промышленных и общественных зданий, животноводческих комплексов (температура удаляемого из этих помещений воздуха не менее 20 - 25 °С).

Особенно значительны объемы тепловых вторичных ресурсов в чёрной и цветной металлургии, в химической, газовой и других отраслях промышленности.

Вторичные энергетические ресурсы избыточного давления преобразуются в механическую энергию, которая или непосредственно используется для привода механизмов и машин или преобразуется в электрическую энергию.

Примером применения этих ресурсов может служить использование избыточного давления доменного газа в утилизационных бескомпрессорных турбинах для выработки электрической энергии.

ВЭР имеются также на электрических станциях и представляют собой тепловые отходы или потери тепла, получаемые в процессе энергопроизводства. На гидроэлектростанциях такими тепловыми отходами являются только тепловыделения в гидрогенераторах станций.

ВЭР электростанций по своей величине значительно меньше, чем на промышленных предприятиях, и непрерывно уменьшаются по мере повышения экономичности энергопроизводства.

Различают следующие основные направления использования потребителями ВЭР:

- топливное - непосредственно в качестве топлива;

- тепловое - непосредственно в качестве тепла или выработки тепла в утилизационных установках;

- силовое - использование электрической или механической энергии, вырабатываемой из ВЭР в утилизационных установках;

- комбинированное, т.е. тепловая и электрическая (механическая) энергия, одновременно вырабатываемые из ВЭР в утилизационных установках.

Показатели использования ВЭР.

Для оценки выхода и использования ВЭР применяются следующие показатели:

1) Выход ВЭР - количество ВЭР, образующихся в процессе

производства в данном технологическом агрегате за единицу времени.

Выработка энергии за счёт ВЭР - количество энергии, получаемое при использовании ВЭР в утилизационной установке. Выработка энергии отличается от её выхода на величину потерь тепла в утилизационной установке. Различают возможную, экономически целесообразную, планируемую и фактическую выработки энергии.

Использование ВЭР - количество используемой у потребителей энергии, вырабатываемой за счёт ВЭР в утилизационных установках.

4) Экономия топлива за счет ВЭР - количество первичного топлива,

которое экономится в результате использования ВЭР.



8. Биомасса как возобновляемый источник энергии

Эффективным возобновляемым источником энергии является биомасса. Ресурсы биомассы в различных видах есть почти во всех регионах мира, и почти в каждом из них может быть налажена ее переработка в энергию и топливо. На современном уровне за счет биомассы можно перекрыть 6-10% от общего количества энергетических потребностей промышленно развитых стран.

Биомасса сегодня является четвертым по значению топливом в мире, давая ежегодно 1250 млн. тонн условного топлива энергии и составляя около 15% всех первичных энергоносителей (в развивающихся странах - до 38%).

Россия обладает 20% мировых лесных запасов, но в лесу ежегодно остается до 500 млн. кубометров перезрелой древесины, которая захламляет леса, увеличивает пожарную опасность. На различных стадиях переработки древесины появляются древесные отходы, которые составляют около 40% от исходного сырья. В России имеется достаточная сырьевая база для использования древесины в качестве энергетического топлива.

Растительная биомасса, в том числе древесное сырье, является единственным видом возобновляемого ресурса. При разумном использовании этого сырья оно может обеспечить потребности современной цивилизации как в промышленной продукции (бумага, стройматериалы, мебель), так и в энергетическом топливе. Ежегодная потребность мировой энергетики составляет 10 млрд. тонн условного топлива. Прирост растительной биомассы может полностью удовлетворить потребности человечества, поскольку ежегодно на поверхности Земли выращивается порядка 60 млрд. м³, что эквивалентно 30 млрд. тонн угля.

Рассмотрим направления использования биомассы.

1. Прямое сжигание биомассы

Биомасса, главным образом в форме древесного топлива, является основным источником энергии приблизительно для 2 млрд. человек. В целом биомасса дает седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с природным газом третье место. Из биомассы получают в 4 раза больше энергии, чем дает ядерная энергетика.

Древесное топливо относится к экологически чистым видам топлива, минимально загрязняющим окружающую среду. В нем практически отсутствует сера, и содержание азота не превышает 1% от массы, то есть при сжигании древесины образуется очень мало вредных окислов азота и серы.

Существует два способа использования древесины в качестве топлива -- прямое одностадийное сжигание в слоевых топках на колосниковой решетке и двухстадийное сжигание, включающее предварительное превращение твердой древесины в газовое топливо с последующим сжиганием газа в различных устройствах (камерных топках, паровых и водогрейных котлах, в химических печах, в двигателях внутреннего сгорания, в бытовых печах и газовых плитах). Область использования газового топлива значительно шире, технологичнее, легче автоматизируется, меньше загрязняет окружающую среду.

В зависимости от способа подвода теплоты различают два метода газификации: автотермический и аллотермический. При осуществлении автотермического процесса газификации теплота, необходимая для осуществления реакций, получается в процессе сжигания части исходного топлива внутри аппарата -- газогенератора (газификатора). В настоящее время генераторы автотермического метода газификации наиболее конструктивно разработаны и получили широкое распространение.

Газовое топливо, получаемое в газогенераторах на воздушном дутье, может быть использовано в стационарных топочных устройствах, газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания вместо жидкого топлива и природного газа. В аллотермических газогенераторах необходимая для процесса нагревания исходного топлива и процесса газификации теплота подается внутрь газогенератора или через поверхность стенок, или путем подачи нагретого до 800-1000 °С газового теплоносителя.

Аллотермические газогенераторы в настоящее время находятся в стадии экспериментальных исследований и опытной проверки. Газовое топливо, получаемое с их помощью, может быть использовано для бытовых нужд, для заправки газовых баллонов и в качестве топлива для транспортных средств, при баллонной системе хранения.

2. Получение биогаза

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70% метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

Биогаз -- это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах -- метантанках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т.д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов.

Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

Подсчитано, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м³ на 1 м² жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для 100 голов крупного рогатого скота -- 5-6 м³. Потребление биогаза при сушке сена (1 т) влажностью 40% равно 100 м³, 1 т зерна -- 15 м³, для получения 1 кВт·ч электроэнергии -- 0,7-0,8 м³.

Следует отметить, что смесь биогаза и природного газа в соотношении 1:10 является по своим характеристикам полностью взаимозаменяемой с природным газом.

Биогаз может использоваться в качестве топлива для когенерационных установок.

Когенерационные установки представляют собой оборудование для комбинированного производства тепла и электроэнергии. B установках малой мощности применяются преимущественно поршневые двигатели внутреннего сгорания, приспособленные для сжигания газового топлива. Главным топливом бывает природный газ, но все чаще применяются и альтернативные виды топлива, прежде всего различные виды биогаза. Биогаз можно получать с помощью биогазовых станций, сооруженных около водоочистительных станций, свалок коммунальных отходов или земледельческих организаций, специализирующихся в животноводческом производстве.

Наряду с производством тепла при сжигании биогаза, например, в котлах, когенерация предлагает и возможность производства электрической энергии, которая может быть использована для собственных нужд объекта или может продаваться в общую распределительную сеть. Производство электроэнергии для собственных нужд в этом случае приходится значительно дешевле по сравнению с покупкой ее из сети, а в случае ее продажи можно воспользоваться выгодными тарифами для электроэнергии, произведенной из обновительных источников энергии. Поскольку биогаз является сопроводительным продуктом при переработке органических отходов, затраты по эксплуатации установки будут связаны только с отчислениями на оборудование и на сервисное обслуживание. Доходы будут составлять как сэкономленные средства за тепло и электроэнергию, так и средства за продажу электричества в сеть.

Для того чтобы когенерационная установка могла работать на биогазе с ожидаемым экономическим эффектом, нужно уточнить следующее:

Каковы свойства биогаза? Свойства биогаза являются решающим фактором для его применения с точки зрения вредных веществ и энергетического содержания (теплотворности). Важной считается следующая информация:

- содержание метана (лучше полный состав газа);

- постоянство качества газа;

- содержание вредных веществ.

Какой объем газа и способ его улавливания в газгольдер? Объем улавливаемого газа влияет на выбор типа когенерационной установки.

Какова доступность газопровода? Если есть возможность подсоединения к газопроводу, можно использовать двухтопливную когенерационную установку для комбинированного использования как природного газа, так и биогаза (переключение топлива). Это выгодно при нерегулярном объеме подаваемого биогаза. При низком качестве биогаза можно его обогатить смешиванием с природным газом.

Какие требования предоставляются к способу работы когенерационной установки?

Будет она работать параллельно с сетью или будет целесообразно использовать ее и в качестве аварийного источника электроэнергии, или эксплуатировать ее в автономном режиме?

Какой действительный расход энергии объекта и ее цена?

Эти данные важно знать для выбора подходящего типа когенерационной установки и способа ее эксплуатации.

Свойства биогаза являются одним из главных параметров, которые влияют на пригодность его использования в качестве топлива для двигателя когенерационной установки. Некоторые свойства могут значительно повысить цену целого проекта, или сделать его невозможным. Поэтому к оценке биогаза следует приступать с полной ответственностью. При его оценке следует знать следующие свойства:

1. Содержание метана CH₄: нормальное содержание 55-65%. Минимальной считается 50-процентная концентрация.

2. Давление биогаза: давление газа при сжигании в когенерационной установке находится в пределах от 1,5 до 10 кПа.

3. Постоянство качества газа (константный состав и давление биогаза): оказывает влияние на стабильность работы и количество выпускаемых эмиссий.

4. Содержание вредных веществ (прежде всего соединения серы, флора и хлора): эти соединения могут вызвать коррозию компонентов всасывающего тракта и внутренних частей двигателя, соприкасающихся со смазочным маслом. При более высоком содержании серы является целесообразным устанавливать сероочиститель.

3. Использование отходов сельскохозяйственного производства

Обострение экологических проблем, истощение запасов невозобновляемых энергоресурсов, рост цен на них, обусловили интерес к разработке и использованию технологии биоконверсии органических отходов для получения энергии.

Известно, что животные плохо усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который является ценным органическим удобрением и может быть при этом использован в качестве возобновляемого источника энергии. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах обусловили увеличение объемов навоза и навозных стоков, которые должны утилизироваться, не загрязняя окружающую среду.

Одним из путей рациональной утилизации навоза и навозных стоков является их анаэробное сбраживание, которое обеспечивает обезвреживание навоза и сохранение его как удобрения при одновременном получении биогаза.

При анаэробном сбраживании навоза получается 2 вида полезных продуктов -- биогаз и удобрения. Выход биогаза зависит как от исходного сырья (табл. 2), так и от технологии переработки.

Таблица 2

Исходное сырье	Выход биогаза из 1 кг сухого вещества, л/кг.	Содержание метана в газе, %
Трава	630	70
Древесная листва	220	59
Сосновая игла	370	69
Ботва картофельная	420	60
Стебли кукурузы	420	53
Мякина	615	62
Солома пшеничная	340	58
Солома льняная	360	59
Шелуха подсолнечника	300	60
Навоз КРС	200..300	60
Конский навоз с соломой	250	56..60
Домашние отходы и мусор	600	50
Фекальные осадки	250..310	60
Твердый осадок сточных вод	570	70

Метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные для растений вещества (азот, фосфор и калий) практически не теряются.

Потери азота, которые при других методах обработки навоза составляют до 30%, в процессе метаногенеза не превышают 5%. При этом значительная часть азота, присутствующего в свежем навозе в форме органических соединений, в сброженном -- содержится в аммиачной форме, которая быстро усваивается растениями.



Литература

1. ПУЭ, 7-е изд. М.: Энергосервис, 2004 г.

2. Стерман Л.С., Лавыгин Л.М., Тишин С.Г. Тепловые и атомные электрические станции: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: МЭИ, 2004. - 424 с.

3. Тепловые и атомные электрические станции // Под ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1988.

4. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - М: Машиностроение, 1967.

Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Энергоатомиздат, 1982.

6. Стырикович М.А., Катковская К.Я., Серов Е.П. Парогенераторы электростанций. - М.-Л.: Энергия, 1966.

7. Роддатис К.Ф., Справочник по котельным установкам малой мощности. - М.: Машиностроение, 1984.

8. Газомазутные паровые котлы типа Е (ДЕ). Техническое описание, инструкция по монтажу, обслуживанию и ремонту. - Бийск: Бийскэнергомаш, 199

9. Зыков А.К. Паровые и водогрейные котлы. - М.: Машиностроение, 1987.

10. Марочкин В.К. Паровые, водогрейные котлы низкого давления. Справочник. - М.: Энергетика, 1991.

11. Нормы технологического проектирования тепловых электростанций ВНТП 81. - М.: Теплоэлектропроект, 1981.

...