Тема 6. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Экономический ресурс возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мире в настоящее время оценивают в 20 млрд т у. т. в год, что в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов ископаемого топлива. Это обстоятельство указывает путь развития энергетики ближайшего будущего.

К ВИЭ относят: энергию Солнца, ветра, тепла Земли, энергию морей и океана, биомассу новые виды жидкого и газообразного топлива, представленные синтетической нефтью на основе угля, органической составляющей горючих сланцев и битуминозных пород (дополнительные углеводородные ресурсы), а также некоторые виды топливных спиртов и водород.

Указанные энергоносители в процессе технологических превращений различной глубины и сложности позволяют получать продукцию свойства которой сопоставимы с продукцией получаемой за счет природного газа, угля, нефти и продуктов их переработки и тем самым могут обеспечить экономию традиционного энергетического сырья.

Главное преимущество этих энергоресурсов состоит в том, что большинство из них являются местным видом топлива, а районы наибольшей концентрации их сырьевой базы, как правило, испытывают определенные трудности в формировании своего ТЭБ. Хозяйственное освоение их будет не только способствовать оптимизации структуры ТЭБ этих районов, но и снижению напряженности транспортных грузопотоков.

Многие из нетрадиционных источников энергии являются сложными энергоресурсами, компоненты которых позволяют получать и нетопливную продукцию, широко применяемую в химии, строительной индустрии, сельском хозяйстве, металлургии и т. д. Например, термальные воды, горючие сланцы и битуминозные породы содержат в промышленных концентрациях литий, ванадий, никель, рубидий, серу и другие элементы, принципиальная возможность извлечения которых доказана. Минеральная составляющая горючих сланцев и битуминозных пород является исходным сырьем для производства изделий для дорожной и строительной индустрии. Рациональная утилизация различных видов отходов (биомасса) позволит получать высококачественные удобрения. Ресурсы этих видов энергии велики. Так, например, теплоту, которую можно извлечь из земной коры с глубины до 3 км, оценивают в 2∙10¹⁷ ккал, до 5 км - до 10∙10¹⁷ ккал; полная мощность солнечной радиации, приходящей к Земле от Солнца за год, составляет 1500х10¹⁵ кВт∙ч и только 40% ее достигает поверхности Земли. Энергопотенциал морских приливов и отливов оценивается в мире в целом - 3000 ГВт.

Основное преимущество ВИЭ - неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. Возобновляемые источники энергии играют значительную роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетики, экологии, продовольствия (табл. 1).

Таблица 1. Роль ВИЭ в решении трех глобальных проблем человечества

Вид ресурсов или установок	Энергетика	Экология	Продовольствие
Ветроустановки	+	+	+^1
Малые и микроГЭС	+	+	+^2
Солнечные тепловые установки	+	+	+^3
Солнечные фотоэлектрические установки	+	+	+^4
Геотермальные электрические станции	+	+/-
Геотермальные тепловые установки	+	+/-	+^5
Биомасса. Сжигание твердых бытовых отходов	+	+/-
Биомасса. Сжигание сельскохозяйственных отходов, отходов лесозаготовок и лесопереработок	+	+/-	+^6
Биомасса. Биоэнергетическая переработка отходов	+	+	+^7
Биомасса. Газификация	+	+
Биомасса. Получение жидкого топлива	+	+	+^8
Установка по утилизации низкопотенциального тепла	+	+

Примечание. + - положительное влияние, - - отрицательное влияние, 0 – отсутствие влияния.

¹ Водоподъемные установки на пастбищах и в удаленных населенных пунктах.

² Орошение земель на базе малых водохранилищ, водоподъемные устройства таранного типа.

³ Установки для сушки сена, зерна, сельскохозяйственных продуктов, фруктов.

⁴ Водоподъемные системы, питание охранных устройств на пастбищах.

⁵ Обогрев теплиц геотермальными водами.

⁶ Использование золы в качестве удобрения.

⁷ Получение экологически чистых удобрений в результате сбраживания отходов.

⁸ Получение дизельного топлива из семян рапса – самообеспечение сельского хозяйства дизельным топливом.

Ветроэнергетика

Установленная мощность ветроустановок в мире увеличилась с 6172 МВт в 1966 г. до 12000 МВт в 1999 г., прогноз на 2012 г. - ~36000 МВт. Страны-лидеры: Германия - 4444, США - 1819, Дания – 1752, Испания – 1539, Индия - 1100 МВт. Оборот ветроэнергетической индустрии в мире в 2004 г. составил 1,9 млрд долл. и увеличился по сравнению с предыдущим годом на 32 %.

Приоритет как в развитии теоретических исследований ветроэнергетики, так и в создании проектов ветроэнергетических станций принадлежит нашей стране.

Еще в 1931 г. была сооружена в Крыму самая крупная в мире ветровая электрическая станция (ВЭС) мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 г. и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии на ВЭС превышала 270 МВт∙ч. Во время Великой Отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

Особенно широко в целях энергообеспечения индивидуальных объектов ветродвигатели в нашей стране применялись в период 1950-1965 гг., когда их производство достигло 8-9 тыс. единиц в год. Снижение потребности в ветродвигателях и прекращение их серийного производства в дальнейшем связало с широким развертыванием электрификации сельского хозяйства и подключением сельскохозяйственных объектов к электрическим сетям.

Сфера экономически целесообразного применения ветроустановок в современных условиях ограничивается в основном районами имеющими децентрализованное энергоснабжение благоприятные ветровые условия и возможность эксплуатации ветроустановок в течение большей части года.

Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Каспийского моря, нижней и средней Волги, на побережье Охотского, Баренцева. Черного и Азовского морей и составляют почти 5 млн км². Валовой ветровой потенциал оценивается в 80∙10¹⁵кВт∙ч/г., технический в 6,2∙10¹⁵ кВт∙ч/г., экономический - в 31∙10¹² кВт∙ч/г. При этом длительность действия энергетического потока ветра составляет от 2000 до 5000 ч в год.

Акционерное общество «Нетраэл» с привлечением ряда организаций разработал «Атлас ветропотенциала России» с программным обеспечением расчета ветропотенциала и выработки электроэнергии для любой намечаемой строительной площадки и любого ветроэнергетического оборудования.

Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, примерно по 16% - в Западной и Восточной Сибири, 14 % - в Северном экономическом районе и менее чем по 5% - в остальных районах.

Наиболее перспективны для размещения ветроэнергетических установок являются побережья морей и участки их шельфов. На шельфах морей удельная мощность ветрового потока достигает 1000...1500Вт/м², а на побережьях - 500…1000Вт/м², в то время как на удалении от побережий и в глубинных районах удельная мощность ветрового потока составляет 100...500 Вт/м².

Кинетическую энергию Э_кин (Дж) воздушного потока со средней скоростью v (м/с), проходящего через поперечное сечение F (м² ), перпендикулярное v, и массой воздуха т (кг) рассчитывают по формуле:

Э_кин=mv²/2 (1)

Величину m определяет по формуле:

M=pv (2)

где p – плотность воздуха, кг/м³.

При расчетах в качестве р часто принимают ее значение, равное 1,226 кг/м³ соответствующее нормальным климатическим условиям: t=15˚C, р=760 мм рт. ст., или 101,3 кПа. Если в (8.1)в качестве m принять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т. е.

N=0,5pv³F. (3)

Вветроэнергетике обычно используют рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже приведены значения для указанного рабочего диапазона скоростей ветра:

v, м/с………….. 2 3 4 5 10 14 18 20 23 25

Nуд, Вт/м²……4,9 16,55 39,2 76,6 613 1682 3575 4904 7458 9578

Ветроэнергетические установки (ВЭУ), классифицируют по следующим признакам:

• мощности - малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

• числу лопастей рабочего колеса - одно-, двух-, трех- и многолопастные;

• отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока - с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 1, а) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис.1,б).

В мире и в России в настоящее время наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие конструктивные узлы: рабочее колесо 1, гондола с редуктором 2 и генератором, башня 3 и фундамент 4.

Конструкция башни чаще имеет трубообразную форму, реже - решетчатую, на ней в гондоле размещают основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ (рис. 1, в), в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра: v _p^min – для 0≤ v ≤ v _p^min мощность ВЭУ равна нулю; v _p^N - расчетная скорость ветра по мощности, для v _p^min < v ≤ v _p^N мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора; v _p^max для v > v _p^max мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скоростей ветра.

Рис. 1. Современная ВЭУ с горизонтальной (а) и с вертикальной (б) осью вращения (1 - рабочее колесо; 2 - гондола; 3 - башня; 4 - фундамент); а также типовая конструкция (в) (1 - лопасть; 2 - система разворота лопасти; 3 - втулка; 4 - дисковый тормоз; 5 - мультипликатор; 6 - гидромуфта; 7 - генератор; 8 - механизм системы поворота; 9 - тормоз системы поворота; 10 - датчик системы поворота)

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от v _p^min до v _p^N полезную мощность ВЭУ N_ВЭУ (кВт) для заданной скорости ветра v (м/с) на высоте башни H_б (м) и диаметре ротора ВЭУ D₁ (м) рассчитывают по формуле

N_ВЭУ=N_удF_ВЭУη_pη_r10^-3 , (5)

где N_уд (Вт/м²) определяют по(8.4); F_ВЭУ (м²) - отметаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, вычисляют по формуле

F_ВЭУ=πD₁² / 4 (6)

η_p - КПД ротора (порядка 0,9), отн. ед.; η_r - КПД генератора (порядка 0,95), отн. ед.

После подстановки всех указанных значений в (8.5) получаем для ориентировочных расчетов:

N_ВЭУ = 1,85 D₁² v ³ (7)

Для малых ВЭУ v _p^min находится обычно в пределах 2,5...4 м/с, а v _p^N – от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4...5 м/с и 12…15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ равна 60 м/с.

Турбины в составе ветровых электростанций (ВЭС) нужно располагать на расстоянии не менее пяти диаметров ротора одна от другой. Если ВЭУ располагают в ряд перпендикулярно направлению доминирующих ветров, то расстояние между ними может быть сокращено до четырех диаметров ротора. Системы управления современных ВЭС - микропроцессоры, осуществляющие мониторинг всех функций ВЭУ с возможностью дистанционного контроля.

Интенсификация по вовлечению энергии ветра в ТЭБ России возобновилась в 1981 г. и финансировалась из госбюджета. В результате этих работ создана экспериментальная база нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в Дагестане, начато и ведется строительство Калмыцкой ВЭС мощностью 22 МВт, продолжается строительство Заполярной ВЭС мощностью 2,5 МВт в условиях вечной мерзлоты (табл. 8.2). Созданы и испытаны сетевые ВЭУ мощностью 200 и 250 кВт, опытный образец ВЭУ мощностью 1000 кВт, начато производство сетевых ВЭУ мощностью 1000 кВт улучшенной конструкции.

Таблица 2. Технико-экономические показатели сетевых ВЭС в России

Наименование ВЭС	Установленная мощность, тыс. кВт	Годовая выработка электроэнергии, млн кВт∙ч	Общие капитальные затраты/на установленный 1 кВт, млн долл.	Себестоимость электроэнергии цент/(кВт∙ч)	Среднесистемный тариф, цент/(кВт∙ч)
Калмыцкая ВЭС	22,0	53,0	39,5/0,0018	4,52	6,5
Морская ВЭС (I очередь)	8,0	17,6	12,5/0,0016	5,5	4,6
Ленинградская ВЭС	3,0	6,0	6,6/0,0022	4,75	5,3
Валаамская ВЭС	5,0	11,4	11,1/0,0022	4,2	4,6
Магаданская ВЭС	50,0	127,0	125,0/0,0025	9,7	4,2
Сахалинская ВЭС	5,0	10,0	10,2/0,0020	8,9	12,8
Радаевская ВЭС	6,0	17,6	12,4/0,0021	4,6	4,3
Камчатская ВДЭС	16,0	64,0	16,9/0,0011	10,1	17,1
Воркутинская ВДЭС	2,4	2,5	2,8/0,0012	4,8	4,63
Таймырская ВДЭС	3,0	15,4	9,3/0,0031	8,6	13,8
Ямальская ВДЭС	3,0	18,6	9,3/0,0031	6,7	13,8

Примечание. ВДЭС – ветродизельная электростанция.

В системе АО «Ростовэнерго» действует ВЭС установленной мощностью 300 кВт, состоящая из десяти ВЭУ фирмы Husumer Sciffswerft HSW-30 мощностью по 30 кВт каждая.

На Куликовской ВЭС (Калиниградская обл.) введена в действие ВЭУ 600 кВт датского производства. Решаются вопросы строительства ВЭС мощностью 5 МВт с участием датских фирм.

Энергоснабжение практически всех объектов на указанных территориях традиционно осуществляется с помощью дизельных или газотурбинных электростанций, как правило, с использованием привозного топлива. Отопление и горячее водоснабжение также осуществляется либо путем сжигания привозного органического топлива в централизованных котельных, либо с помощью индивидуального печного отопления с использованием местных лесных ресурсов. Применение гибридных энергосистем в комплексе с ВЭУ позволит по меньшей мере вдвое сократить завоз топлива, перейти частично или полностью на электроотопление и электронагрев воды, резко сократить лесосводку, улучшить экологическую обстановку за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу и сохранения лесных угодий.

При решении вопроса о целесообразности строительства гибридных электростанций в указанных регионах следует иметь в виду, что стоимость электроэнергии, производимой для изолированного потребителя, определяется, в основном стоимостью топлива, которая для обеспечения экономической эффективности ветроэнергетики не должна быть меньше 30...35 центов за килограмм, а стоимость электроэнергии не выше 10 центов за 1 кВт∙ч.

Эффективное и широкое использование энергии ветра России может быть достигнуто при условии, что стоимость сетевых ВЭУ не будет превышать 500…600 долл. за установленный 1 кВт, суммарные капитальные затраты на строительство ВЭС – 800…1000 долл. за установленный 1 кВт, количество часов использования установленной мощности - не менее 2500 ч.

Общая мощность ВЭС, по которым выполнены проектные или предпроектные проработки, превышает 200 МВт.

Широкое развитие ветроэнергетики в России позволило бы использовать экономический потенциал, эквивалентный 13...15 млн т у. т. в год, а также существенно сократить вредные выбросы СО₂ в атмосферу, что весьма важно, в частности, по условиям конвенции со скандинавскими странами об охране окружающей среды.

Системная ветроэнергетика в мире представляет собой направление, с которым прежде всего связывается крупномасштабное использование энергии ветра, значимое для ТЭБ стран. При этом предполагается использование ВЭУ мощностью более 100 кВт, главным образом, мощностью в несколько мегаватт, являющейся предельной по современным понятиям.

В настоящее время ВЭУ мощностью 100 кВт и выше построены в США, Канаде, ФРГ, Дании, Швеции, Нидерландах, Великобритании, Франции. ВЭУ мегаваттного класса построены в США, Швеции и ФРГ, создаются в Великобритании и Канаде. Однако мощные ВЭУ не прошли опытной эксплуатации и еще неясно, готова ли современная наука и техника к созданию надежных и долговечных ВЭУ мощностью в несколько мегаватт с ветроколесами диаметром около 100 м. Параллельно с созданием и испытанием опытных ВЭУ выполняется большой объем работ по поиску более рациональных схем мощных ВЭУ, их узлов и систем, разработке ВЭУ новых типов. Активные исследования проводятся по использованию ВЭС в энергосистемах.

Геотермальная энергетика

Установленная мощность геотермальных электростанций (ГеоЭС) возросла с 678 МВт, в 1970 г. до 8000 МВт в 2000 г.

Страны-лидеры: США - 2228, Филиппипы - 1909, Италия - 785, Мексика -755, Индонезия -589 МВт (Россия -23 МВт). Среднегодовой рост мощности ГеоЭС за последние 30 лет составил 8,6%. Установленная мощность геотермальных тепловых установок за последние 20 лет возросла с 1950 до 17 175 МВт.

На начало 2000 г. ГеоЭС работали в 21 стране. За последние 5 лет было пробурено 1150 скважин глубиной более 100 м.

Россия располагает огромными запасами глубинного тепла Земли следующих типов: геотермальные (месторождения горячей воды с температурой от 20° до 100...120 °С), парогидротермальные (месторождения пароводяной смеси и пара с температурой от 100... 120 до 250 °С) и петротермальные или тепло горных сухих пород.

На 01.01.01 г. в эксплуатации находилось 56 месторождений термальных вод с общим количеством 210 скважин. Добыто и использовано потребителями термальной воды и пароводяной смеси эквивалентное замещению 1,05 млн т у. т.

Термальные воды в основном используют в теплоснабжении. Из общего объема использованной термальной воды на сельское хозяйство израсходовано до 46 %, на жилищно-коммунальное хозяйство - до 28 %, на промышленное теплоснабжение - до 18 % (сушка чайного листа, производство железобетонных конструкций, деревообрабатывающая промышленность и др.) и до 8 % - бальнеология, плавательные бассейны, прудовое хозяйство и прочие потребители. Геотермальным отоплением и горячим водоснабжением пользовался ряд районов в городах Грозный, Кизляр и других с населением около 350 тыс. человек. Общая площадь теплично-парниковых хозяйств на базе геотермальных вод составляет 80,1 га. Значение термальных вод не ограничивается использованием только их теплового потенциала. Минерализованные воды содержат гамму ценных компонентов, из которых особый интерес представляют редкие и рассеянные элементы: литий, рубидий, стронций, цезий, йод, бром и др. Целесообразность получения ценного химического сырья из термальных вод подтверждается длительной добычей его во многих странах. В России технология эффективного получения концентратов и попутных продуктов разработана Институтом физико-химических основ переработки минерального сырья Сибирского отделения АН России ин настоящее время прошла опытно-промышленную проверку.

Потенциальные эксплуатационные запасы термальных вод России с температурой 40…140 ˚С и минерализацией 1…200 г/л предварительно оценены (в зависимости от метода эксплуатации):

• при фонтанном способе 1,2 млн м³/сут. (2,6 млн т у. т/год);

• при насосном способе 37 млн м³/сут. (59 млн т у. т/год);

• при осуществлении обратной закачки с поддержанием пластового давления 70...75 млн м³/сут. (130...140 млн т у. т/год).

Месторождения пароводяных смесей, перспективные для освоения, расположены, главным образом, в вулканических областях: на Камчатке, Курильских островах, о. Сахалине.

На территории Камчатки имеется 26 районов многие из которых перспективны для выработки электроэнергии и способны обеспечить суммарную электрическую мощность около 1000 МВт (Мутновское, Ходуткинское, Паужетское, Кошелевское, Киреунское и др.).

Есть сведения о наличии месторождений пароводяных смесей в Дагестанской, Чеченской, Ингушской и Кабардино-Балкарской республиках, Краснодарском и Ставропольском краях.

В целом можно сказать, что расширение фронта работ в области освоения новых методов и способов как добычи, так и использования геотермальной энергии, решение ряда экономических и организационных вопросов, а также комплексный подход к использованию не только теплового потенциала, но и самих термальных вод - вот основные задачи, решение которых позволит более широко использовать тепло Земли в ТЭБ страны.

Еще в 1970 г. в России был предложен новый способ преобразования энергии пароводяной смеси в электрическую, получивший название метода полного потока, который апробирован на Паужетском и Паратунском месторождениях на Камчатке. Однако первая ГеоТЭС («Дезерт Пик» мощностью 9,5 МВт), использующая этот метод преобразования, построена в США в 1985 г.

Камчатская область является уникальным районом страны по своим особенностям, стимулирующим использование геотермальной энергии. Во-первых, она расположена в области современного вулканизма, где геотермальная энергия наиболее доступна и создание на ее основе систем энергоснабжения экономически наиболее целесообразно. Во-вторых, Камчатка по существу лишена собственных ресурсов органического топлива за исключением небольшого месторождения газа на западном экономически мало развитом побережье и двух небольших месторождений угля, уголь одного из которых имеет очень высокую зольность, а второе расположено на севере в плохо освоенном районе. Ежегодный завоз топлива на Камчатку составляет около 2 млн т у. т., в том числе до 0,9 млн т жидкого.

Запасы природных теплоносителей Камчатского полуострова позволят покрыть до 100 % потребности в централизованном электроснабжении и более 50% в теплоснабжении.

Однако в настоящее время доля геотермальных ресурсов в общем балансе полуострова составляет в электроэнергии менее 2%, а в теплоснабжении около 8 %. При этом использование теплового потенциала уже освоенных и разведанных месторождений осуществляется часто неудовлетворительно. Так, например, максимальная нагрузка Паужетской ГеоТЭС менее 50% установленной мощности, не решен вопрос об использовании тепловой энергии добываемой вместе с паром термальной воды в количестве 23 тыс. м³ в сутки, законсервировано Верхне-Паратунское месторождение с утвержденными запасами в 23,3 тыс. м³ в сутки. Прогнозные запасы пара на семи наиболее перспективных месторождениях Камчатки намечаемых к освоению до 2015 г., достаточны для создания ГеоТЭС суммарной мощностью около 500 МВт. В 1999г. (по заказу АО «Камчатскэнерго») завершилось строительство блочно-модульной Верхне-Мутновской ГеоЭС (рис. 2). Мощность станции 12 МВт. Насосы системы закачки отработавшего теплоносителя, пожарные и вспомогательные насосы, электрощиты управления, а также система защиты рабочего тракта ГеоЭС от коррозии и солеотложений расположены в насосном отсеке. При эксплуатации система защиты позволяет удалять отложения солей из турбин и воздушных конденсаторов, в период простоя предотвращать стояночную коррозию.

Рис. 2. Принципиальная тепловая схема энергоблока:

1 - турбина; 2 -генератор; 3 – Воздушно-конденсационная установка; 4 – конденсатосборник; 5 – бак охлаждающей воды; 6 – насос; 7 - сепаратор; 8 - расширитель; 9 – станционный шумоглушитель; 10 -маслоохладитель; 11 – воздухоохладитель; 12 - абсорбер; 13 – дроссельно-увлажнительная установка; 14 -эжекторная установка; 15 - водо-кольцевой компрессор; 16 - выхлопная труба; 17- добычная скважина; 18 - скважина закачки сепарата; 19 - скважина закачки конденсата

Турбины для Верхне-Мутновской ГеоЭС имеют несколько специфических отличий: регулирование расхода пара на входном трубопроводе осуществляется с помощью вращательной захлопки типа «баттерфляй» а выхлоп пара из турбин происходит вертикально вверх. Все 10 ступеней турбины имеют наружный бандаж и развитую систему сепарации влаги.

В перспективе предстоят реконструкция и расширение до 21 МВт Паужетской ГеоТЭС, начаты работы по разведке Нижне-Кошелевского месторождения. На Курильских островах АО «Сахалинэнерго» осваивает Океанское месторождение на о. Итуруп и Менделеевское на о. Кунашир.

Уникальным объектом является система централизованного теплоснабжения, создаваемая на базе Мутновского геотермального месторождения и использующая сбросное тепло ГеоТЭС (тепловая энергия сепарата и конденсата паровых турбин) и тепло пароводяной смеси некондиционных скважин.

В качестве теплоносителя для 1-й очереди системы теплоснабжения будет использовано 600 т/ч конденсата паровых турбин ГеоТЭС и 600 т/ч артезианской воды, которые после дегазации и подщелачивания по однотрубной тепломагистрали с трубопроводом диаметром 500 мм будут подавать в г. Елизово на расстояние 83 км. К этому теплопроводу подключат системы отопления восьми населенных пунктов.

Замена в системах отопления подключаемых населенных пунктов органического топлива геотермальным теплом сократит завоз на полуостров 65 тыс. т мазута и 150 тыс. т каменного угля в год, сократит загрязнение воздушного бассейна и, кроме того, заметно улучшит технико-экономические показатели ГеоТЭС.

Оценивая состояние проблемы изучения и практического использования геотермальных ресурсов в России в целом, необходимо отметить следующее.

Современная практика, организация, техническая и технологическая обеспеченность работ не может быть признана удовлетворительной. Темпы наращивания объемов использования термальных вод остаются низкими, сроки изучения и ввода в эксплуатацию месторождений, а также затраты на их освоение неоправданно завышены, степень использования ресурсов и их теплоэнергетического потенциала очень мала, составляя доли процента от имеющихся возможностей.

Не соответствует объективным возможностям и зарубежному опыту научно-технический уровень решения задач в этой области на этапах изучения и оценки месторождений, их обустройства, эксплуатации и разработки.

Все современные достижения в практическом использовании геотермальных ресурсов связаны в основном с низкоминерализованными высоко- и среднепотенциальными природными теплоносителями, которые могут быть использованы по прямому циклу без серьезных затрат на решение экологических задач безопасного их сброса. Однако такие теплоносители имеют сравнительно ограниченное распространение и ресурсы. Низкопотенциальные подземные воды пользуются очень широким распространением, охватывая обширные районы страны, в том числе лишенные местных топливных ресурсов и характеризуются неблагоприятной экологической ситуацией. Однако введение низкопотенциальных теплоносителей в хозяйственный оборот требует предварительного решения ряда научно-технических и технологических задач, так как в России отсутствует как опыт их эксплуатации по «замкнутой» геоциркуляционной технологии, так и соответствующие технические средства, обеспечивающие глубокую сработку теплоэнергетического потенциала (в первую очередь тепловые насосы и теплообменное оборудование), а также комплексное использование в качестве гидроминеральных и бальнеологических ресурсов.

Накопленный опыт использования энергии недр, возможность решения технических и технологических проблем, уровень подготовленности практических и теоретических вопросов, методы добычи геотермальной тепловой энергии свидетельствуют о том, что основным направлением использования в настоящее время и в ближайшей перспективе является геотермальное теплоснабжение жилищно-коммунальных, сельскохозяйственных и промышленных объектов, за счет которого и может быть получена значительная экономия традиционного органического топлива.

Солнечная энергетика

Использование солнечной энергии в России в соответствии с программой развития нетрадиционной энергетики предусматривалось в 13 регионах: Алтайском, Краснодарском, Приморском, Ставропольском и Хабаровском краях, Кабардино-Балкарии, Калмыкии, Северной Осетии, Чечне и Ингушетии, Астраханской, Волгоградской и Ростовской областях.

Однако осуществляется программа пока только в четырех регионах: в Краснодарском крае (города Краснодар, Новороссийск, Тимошевск, Усть-Лабинск), Ростовской обл., (г. Азов), Кабардино-Балкарии (г. Нальчик) и в Дагестане (села Гимры, Рубас, Хунзах и др.).

Использование солнечной энергии для отопления, горячего водоснабжения, сушки овощей и фруктов и ряд других технологических процессов в сельском хозяйстве определяется объемом выпуска солнечных коллекторов.

Простейшая и наиболее дешевая система солнечного горячего водоснабжения основана на термосифонном принципе. Система состоит из солнечного коллектора и расположенного выше него бака-аккумулятора горячей воды. Плотность воды, нагретой в коллекторе, меньше, чем плотность более холодной воды в нижней части бака-аккумулятора, в результате чего в контуре возникает циркуляция. Когда бак-аккумулятор не может быть расположен выше коллектора (например, в больших системах), тогда циркуляция воды осуществляется насосом.

Помимо небольших солнечных систем теплоснабжения, рассчитанных на односемейный дом, все большее распространение получают системы, способные удовлетворить потребности многоквартирного дома или даже жилого района. Такие системы состоят из центрального блока теплоснабжения, распределительной сети и тепловых аккумуляторов.

В Краснодарском крае эксплуатируется шесть солнечно-топливных котельных в городах Краснодаре, Анапе, Новороссийске, Тимашевске, Усть-Лабинске общей площадью солнечных коллекторов 1000 м². В установках применены солнечные коллекторы (СК) Братского, Тбилисского и Киевского заводов. Анализ опыта работы солнечно-топливных котельных показал низкую надежность СК Братского завода, высокую стоимость СК других заводов и незаинтересованность эксплуатационного персонала в обслуживании гелиоустановок (техническое обслуживание систем горячего водоснабжения с применением солнечных коллекторов не всегда соответствует техническим условиям заводов-изготовителей).

Солнечные приставки могут выполняться по всем котельным, работающим по открытой схеме (т. е. на нужды горячего водоснабжения) при наличии территории для размещения СК более 2 тыс. м² (пустыри, эстакады и пр.). Гелиоприставки можно сооружать к существующим котельным и вновь проектируемым. Мощность солнечных приставок может составлять 5...30 % -от мощности котельных, в среднем порядке 15%.

Конструктивные и технические характеристики некоторых гелеоустройств повышенной эффективности приведены ниже.

Концентрирующий солнечный водонагреватель КСВ-3 на основе двугранного фоклина предназначен для нагревания воды или других жидкостей за счет использования солнечной энергии. Солнечный водонагреватель КСВ-3 (рис. 3), в отличие от применяемых в настоящее время у нас в стране и за рубежом плоских солнечных водонагревателей, обеспечивает нагрев воды до более высокой температуры и может работать. Не только в летнее время, но и зимой. Трубчатая конструкция теплоприемника КСВ-3 повышает его долговечность (по сравнению с плоским водонагревателем) более чем в 2 раза.

Рис. 3. Схема концентрирующего солнечного водонагревателя КСВ-3

1 - корпус; 2 - теплоприемник; 3 - фоклин; 4 - теплоизоляция; 5 - днище, 6 - оконное стекло

Концентрирующие солнечные водонагреватели устанавливают на кровлях зданий или на специальных опорах на открытых площадках, облучаемых солнцем и ориентированных на юг. Основными элементами их являются: трубчатый теплоприемник и набор зеркальных концентрирующих элементов в виде двугранных фоклинов. Теплоприемник и фоклины помещены в алюминиевый теплоизолированный корпус, закрытый сверху оконным стеклом. В качестве теплоизоляции применяется пенополистирол. Для лучшего восприятия солнечной радиации поверхность труб имеет черное гальваническое покрытие.

Принцип действия водонагревателя заключается в концентрации солнечной энергии на поверхности труб и передаче его теплоносителю, который под давлением 1 - 6 атмосфер поступает через подающий штуцер в теплоприемник, где воспринимает тепло от горячих стенок и подается через сливной штуцер потребителю.

Техническая характеристика (при интенсивности солнечной радиации 600 Вт/м² и температуре окружающей среды не ниже 0 ˚С)

Суточная производительность:

по теплоте, кДж - 15 000

по воде (80 ˚С), кг - 50

КПД, % - 50

Площадь нагрева, м² - 1,0

Габаритные размеры, мм - 1200 х 880 х 160

Вес (сухой), кг - 40

Емкость теплоприемника, л - 0,7

Использование водонагревателей площадью 100 м² позволяют экономить 15 т у.т. в год.

Водонагреватель рекомендуется использовать для систем отопления и горячего водоснабжения гражданских зданий, а также для технологических целей, где требуется горячая вода с температурой до 80 °С.

Гелиополигон круглогодичного действия мощностью 9 тыс. м³/год с механизированной технологической линией размещен на действующем заводе железобетонных изделий.

В технологическую линию изготовления сборных железобетонных изделий с использованием солнечной энергии для термовлажностной обработки входят гелиокамеры, накрытые несъемными гелиопокрытиями типа СВИТАП (рис. 4).

Форма-вагонетка (типовая форма, оснащенная колесами) по сигналу с пульта управления системой цепной передачи выкатывается на линию формовки, козловой кран укладывает арматуру, бетоноукладчик с вибротележкой укладывает бетон, вибрирует и переходит на следующий заданный пост. Форма-вагонетка закатывается в гелиокамеру. Оборот форм суточный. В осенне-зимне-весенний период в качестве дополнительного источника тепловой энергии для термовлажностной обработки применены инфракрасные излучатели с напряжением 36 В.

Рис. 4. Состав технологической линии:

1 - бетоновозная эстакада; 2 - бетоноукладчик с виброустановкой;

3 - козловый кран; 4 - гелиокамеры; 5 - щитовые и пультовые; 6 - склад арматуры и готовой продукции

Система термовлажностной обработки автоматизирована. Применение этой системы позволяет экономить около 80 % тепловой энергии на термовлажносную обработку сборных железобетонных изделий.

Используется при изготовлении сборных железобетонных изделий для мелиоративного строительства.

Плоский солнечный коллектор повышенной эффективности предназначен для преобразования энергии излучения Солнца в тепловую. Он позволяет без использования концентратора солнечного излучения нагревать в ясный летний день 60...70 л воды (в расчете на 1 м² площади тепловоспринимающей поверхности) до температуры 55...60˚С.

Плоский солнечный коллектор (рис. 5) работает в комплекте с баком-аккумулятором. Основными его элементами являются: поглощающая панель с каналами для теплоносителя; прозрачная изоляция, состоящая обычно из одного или двух слоев стекла; тыльная и боковая изоляция и корпус, в котором размещаются все перечисленные выше элементы. Прозрачная изоляция фронтальной поверхности и тыльная (и боковая) изоляция предназначены для снижения тепловых потерь от нагреваемой лучами Солнца панели в окружающую среду.

Рис. 5. Схема солнечной установки с коллектором повышенной эффективности:

1 -солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - вентиль

В коллекторе теплопоглощающая панель выполнена в виде листотрубной конструкции из латуни. Трубки уложены в цилиндрические продольные пазы и равномерно припаяны к листу.

Для повышения КПД коллектора на поглощающую панель наносится покрытие с селективными оптическими свойствами, обеспечивающее снижение тепловых потерь от излучения в несколько раз по сравнению с обычным коллектором.

Применение селективного покрытия в солнечных коллекторах повышает их эффективность и обеспечивает более высокий уровень рабочих температур. Так, например, эффективность плоского солнечного коллектора с селективным покрытием при температуре теплоносителя 60…80 ˚С в 1,5 - 2 раза выше, чем у неселективных коллекторов. Без использования концентратора солнечного излучения можно нагревать в солнечный день 80…100 л воды.

Плоский солнечный коллектор с площадью тепловоспринимающей панели 1 м² экономит от 0,1 до 0,2 т у. т. в год в зонах с благоприятными для использования солнечной энергии климатическими условиями.

Указанный коллектор может использоваться как в небольшой душевой установке индивидуального назначения (для нужд одной семьи), так и в крупных установках для горячего водоснабжения объектов коммунально-бытовой сферы (гостиницы, больницы, санатории, пионерские лагеря и т. д.) и сельскохозяйственных потребителей.

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС) основываются пока на двух способах преобразования солнечной энергии в электрическую: термодинамическом и фотоэлектрическом.

Все современные СТЭС независимо от их типа имеют следующие основные элементы: концентратор, теплоприемник, систему транспорта и аккумулирования теплоты, систему преобразования теплоты в работу.

В настоящее время нашли применение две разновидности СТЭС: башенного типа и с параболоцилиндрическими концентраторами.

В первом случае теплоприемник-парогенератор кругового облучения или полостного типа расположен на вершине башни. Вокруг башни (теплоприемник кругового облучения) или с ее северной стороны (теплоприемник полостного типа) расположены плоские зеркала на подвижных опорах (гелиостаты), которые следят за солнцем и отражают солнечные лучи на по верхность теплоприемника. Водяной пар, полученный в теплоприемнике, направляется в паровую турбину. Дальнейшее преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется по обычной схеме с циклом Ренкина. Пример тепловой схемы СТЭС башенного типа (10 МВт, Барстоу, США) показан на рис.6.

Рис.6. Схема СТЭС башенного типа:

1 - центральный приемник; 2 – турбина; 3 – тепловой аккумулятор; 4 – парогенератор системы аккумулирования; 5 – расширительный бак; 6 – охладитель пара, идущего на зарядку системы аккумулирования; 7 – промежуточный нагреватель системы аккумулирования теплоты; 8 – регенеративные подогреватели; 9 - деаэратор

Техническая характеристика СТЭС Барстоу

Площадь теплоприемной поверхности, м² - 302

Общая площадь гелиостатов, м² - 340 000

Количество гелиостатов - 1818

Температура пара на входе в турбину, ˚С - 510

Давление пара на входе в турбину, МПа - 10

Электрический КПД (нетто) при расчетной радиации, % - 15,3

Экспериментальные СТЭС башенного типа были построены в США (10 МВт), СССР (5 МВт), Франции (2 МВт), Японии (1 МВт), Италии (1 МВт), Испании (0,5 МВт).

В настоящее время разрабатывается новая концепция СТЭС башенного типа в которой рабочим телом служит сжатый воздух. В теплоприемнике сжатый воздух нагревается до температуры 1000 ˚С и направляется в газовую турбину. На рис. 7 показана принципиальная тепловая схема СТЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (80 МВт, Калифорния, США).

Рис. 7. Принципиальная тепловая схема СТЭС с параболоцилиндрическими концентраторами:

1 – поле параболоцилиндрических концентраторов; 2 – пароперегреватель; 3 – парогенератор; 4 – экономайзер; 5 – теплоприемник промперегрева; 6 – паровая турбина; 7 – газовый котел

Вдоль линейного фокуса каждого параболоцилиндрического концентратора расположен теплоприемник в виде стальной трубы, окруженной стеклянной оболочкой. Пространство между трубой и стеклянной оболочкой вакуумировано, а на поверхность трубы нанесено селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в инфракрасной области. Такая конструкция теплоприемника позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающее пространство за счет излучения, конвекции и теплопроводности. Теплоноситель (термостойкое кремнийорганическое масло), проходя через теплоприемник, нагревается до температуры 390˚С и передает теплоту воде и водяному пару.

Солнечные фотоэлектрические электростанции (СФЭС) предусматривают прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Внастоящее время фотопреобразователи установлены на маяках, навигационных знаках Баренцева и Черного морей, Рыбинского водохранилища, Ладожского озера, озера Байкал, на радиорелейной линии УКВ связи газопровода Средняя Азия - Центр и др. Все они выполнены на основе унифицированных модулей с пиковой электрической мощностью от 10 до 240 Вт.

Важным обстоятельством является тот факт, что СФЭС отличаются относительной простотой конструкции, низкой металлоемкостью, могут работать одинаковой эффективностью в любом диапазоне мощности и на любой географической широте. Трудности в практической реализации строительства СФЭС обусловлены прежде всего высокой стоимостью фотопреобразователей (в настоящее время 10.12 тыс. руб./кВт).

Удешевление СФЭС и увеличение их мощности связано с продолжением исследований в области электродинамики и выявлением новых перспективных способов преобразования солнечной энергии. Необходим переход к крупномасштабной, автоматизированной технологии изготовления солнечных элементов из монокристаллического и поликристаллического кремния, а также переход к тонкопленочной технологии производства солнечных элементов,

Солнечный элемент на основе кремниевых пластин представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (рис. 8). Он отличается от типичного микроэлектронного прибора только тем, что имеет большую площадь р - n -переходов, простирающуюся по всей поверхности пластины.

В основе фотоэлектрического эффекта лежит процесс поглощения света в объеме полупроводника (в базовой области 5, см. рис. 8), при котором рассеиваемый фотон рождает электронно-дырочную пару. Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая за счет разности коэффициентов диффузии носителей заряда - электронов и дырок, в однородном полупроводнике обычно очень мала. При поглощении света значительную ЭДС получают в неоднородном полупроводнике, в котором обеспечивается пространственное разделение носителей заряда разного знака (электронов (-) и дырок (+)) за счет встроенного электрического поля, создаваемого конструкционного на основе р - n -переходов (3 и 5 на рис. 8, а и 11 и 5 на рис.8, б). Области р -проводимости (дырочной) и n -проводимости (электронной) получают за счет диффузионного легирования основного вещества (Si) акцепторами (В, Al) и донорами электронов (Р, Аs, Sb) соответственно. Разница работ выхода носителей заряда на р - n -переходе образует потенциальный барьер для основных носителей (равновесных носителей заряда в базовом материале, т. е, дырок в базе р -типа).

Для работы СЭ основную роль играют неосновные носители заряда (НН), т. е. неравновесные носители, появляющиеся в результате поглощения фотонов. Неосновные носители, проходя через p - n -переход, ускоряются и создают фототок, отвод которого обеспечивают контакты (1, 7,8, 9 на рис. 8, а и 7, 14 на рис. 8, б). Величина фототока в значительной мере зависит от времени жизни τ_н.н (или от «диффузионной длины» l_н.н) неосновных носителей.

Рис. 8. Конструкции кремниевых солнечных элементов:
а – простейшая типичная конструкция; б – конструкция с утопленным контактом; 1 - лицевой сетчатый токосъемный контакт (многослойная системаTi - Pd– Ag - припой);
2 – просветляющее покрытие; З – легированный слой n -типа; 4 – слой объемного заряда; 5 - база р -типа; 6 – тыльный p_g⁺ -слой; 7 - тыльный контакт; 8 – токосъемная шина; 9 – сетчатый токосъем; 10 – приконтактная сильнолегированная n ⁺⁺ - область; 11 - фронтальный n ^+- - слой; 12 – слой оксида; 13 – канавка; 14 – утопленный фронтальный контакт

В настоящее время уже предложено большое число конструкций солнечных элементов как па основе кремния, так и с использованием других полупроводниковых материалов. Различия конструкций во многом обусловлены стремлением повышения КПД за счет применения эффективных оптических систем светособирания и светопоглощения.

Конструкции СЭ на базе плоской поверхности пластин достаточно широко применяют благодаря относительной простоте технологии. На рис. 8, а показана одна из простейших конструкций солнечного элемента, созданного на пластине кремния.

Элемент, изображенный на рис. 8.8, б, имеет лучшие характеристики светопоглощения, чем элемент на рис.8.8, а, и соответственно более заполненную вольтамперную характеристику (ВАХ) и больший КПД, а также - большую площадь p - n -перехода, что обеспечивает менее крутой наклон ВАХ в рабочей области.

Основная технологическая цепочка производства СЭ на пластинах кремния включает следующие этапы:

1) обезжиривание и очистка пластин (начальные и промежуточные);

2) полировка пластин;

3) травление для создания текстурированной поверхности (см. рис. 8,6);

4 ) газодиффузное внедрение фосфора для создания n -слоя на
обеих сторонах пластины кремния;

5) травление для удаления стеклообразного слоя диффузанта;

6) осаждение (напыление) слоя алюминия на тыльную поверхность СЭ в вакууме;

7) термодиффузионная обработка для создания р -слоя на тыльной стороне путем проведения диффузии Al через n -слой при - 800 ˚С;

8) маскирование для создания рисунка токосъемной сетки на световой стороне с помощью фотолитографии или теневой маски;

9) осаждение токосъемных слоев (в частности, из Ni, Тi, Pd или Al) на световую и тыльную поверхности;

10) удаление маски (стравливание);

11) отжиг токосъемных слоев при ~ 550 ˚С;

12) погружение в расплавленный припой для создания подсоединительных контактов;

13) осаждение просветляющего покрытия из Та₂О₅ (или др.) и последующее его спекание при 450 ˚С;

14) резка на прямоугольники (при необходимости) и обработка торцов для удаления диффузионных закороток;

15) контроль качества - определение КПД и сортировка.

Цепочка 2-14 обычно содержит еще промежуточные этапы очистки, сушки и контроля параметров. Если для улучшения светособирания фронтальная поверхность элемента делается текстурированной - с канавками, бороздками и т. п. (рис. 8, б), то между этапами 2-4 существует еще специальная операция образования поверхности сложной формы - вытравливание, лазерное или механическое скрайбирование.

В производстве фотоэлементов (прямое преобразование солнечной энергии в электрическую) и систем на их основе наблюдается настоящий бум. В 1999 г. годовое производство энергии с помощью фотоэлементов в мире составило 200 МВт. Годовые темпы роста за последние 5 лет составляют 30 %. Страны-лидеры: Япония - 80, США-6О, Германия -50 МВт (Россия - 0,5 МВт). Общая площадь солнечных водонагревателей (солнечных коллекторов) в мире превысила по неполным данным 21 млн м², при этом годовое производство солнечных коллекторов превышает 1,7 млн м², Страны-лидеры: Япония - 7, США - 4, Израиль - 28, Греция - 2,0 млн м² (Россия -0,1 млн м²).

СФЭС в сравнении с другими видами СЭС обладает рядом преимуществ, такими, как возможность получения электроэнергии даже при рассеянном солнечном свете, постепенного наращивания мощности добавлением новых секций солнечных батарей, малое потребление энергии па собственные нужды, большой (более 30 лет) срок службы, высокие надежность, ремонтопригодность и безопасность, относительная простота комплексной их автоматизации с возможностью работы без постоянного обслуживающего персонала.

Внедрение новой технологии и расширение производственной базы создают благоприятные условия для строительства СФЭС средней мощности (10...1000 кВт) в северных широтах для электро- снабжения сезонных потребителей, в горных районах, на Дальнем Востоке для питания автономных потребителей, а также для экспорта их в другие страны.

Создание крупномасштабной машиностроительной базы, основанной на принципиально новых технологических процессах производства СФЭС, позволит создавать крупные наземные СФЭС.

Если до 1966 г. на мировом рынке преобладала в основном сфера применения фотоэнергетических технологий в потребительском секторе, а также в коммуникации и связи, то сейчас все больше и больше начинает преобладать сфера чисто энергетического применения фотоэлектричества. В настоящее время СФЭУ с успехом используются в ряде стран мира, особенно в Японии, Германии и США. В Японии и Германии развитию СФЭУ способствовали специальные государственные программы поддержки этого нетрадиционного сектора современной энергетики. В Германии вначале была принята и успешно реализована в начале 90-х годов ХХ в. программа «1000 солнечных крыш», а сегодня также успешно реализуется программа «100 тысяч фотоэлектрических крыш». В 1995-1996 гг. в Японии приступили к реализации программы 470 000 фотоэлектрических крыш. В 1998г. эта программа была пересмотрена в сторону увеличения до 1 млн крыш. В США с 1997 г. реализуется программа «Миллион солнечных крыш».

В нашей стране также велика потребность в автономных энергоустановках с использованием фотопреобразователей. Одной из причин неудовлетворения имеющихся потребностей являются ограничение по сырьевой базе кристаллического кремния и медленное освоение технологии производства преобразователей на основе аморфного кремния. НПО «Квант» сегодня является монополистом в производстве солнечных элементов из кристаллического кремния. «КвантЭМПАГРО» осуществило часть крупномасштабного эксперимента по сооружению в пос. Черноморский Краснодарского края «Солнечной деревни» - построено Виз 20 намечавшихся к строительству коттеджей. Солнечные батареи мощностью 4 кВт сооружены на крышах домов, объединены между собой и могут отдавать излишки энергии в сеть. Среднесуточная выработка электроэнергии на одну установку составляет 10 кВт∙ч.

Сегодня в России имеются хорошая научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство (в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Рязани и других городах), которое способно создавать практически любые современные СФЭУ любого назначения.

НПО «Астрофизика» в порядке конверсии оборонного производства ведет разработку и изготовление автономных гелиоэнергетических установок (ГЭУ) и блочных модульных электростанций на основе параболических концентраторов с металлическими зеркалами и различными преобразователями (двигатели Стирлинга, термоэмиссионные преобразователи и т. д.), оснащенных системами слежения за Солнцем.

Создание экологически чистых СЭС электрической мощностью 1…10 МВт и выше на основе параболоидных и параболоцилиндрических ГЭУ, многобашенных солнечных станций возможно с использованием газотурбинных преобразователей энергии.

Такие СЭС и автономные ГЭУ могут найти применение в регионах, отдаленных от централизованных сетей электро-, тепло - и газо - снабжения, обеспечивая потребителя электрической, тепловой, механической энергией, в том числе и холодом.

НПО «Астрофизика» в кооперации с другими предприятиями создало два модуля мощностью 2,5 и 5 кВт с двигателем Стирлинга (разработка физико-энергетического института АН РФ) и диаметром зеркала соответственно 5 и 7 м.

Отдельные модули солнечных установок со светосильными концентраторами мощностью 1…5 кВт можно использовать в качестве автономных источников электропитания.

В 2000 г. США обнародовали новую перспективную цель энергетики страны: строительство солнечной электростанции в Техасе размером 107 Х 107 миль, которая могла бы полностью обеспечить потребности США в электроэнергии.

По экспертным оценкам вновь вводимая за год мощность СФЭУ в мире в 2005 г. составит 200 МВт, а в 2010 г. - 700 МВт при среднегодовом приросте около 25%.

Рациональное использование биомассы

Реальная возможность экономии традиционных топлив может быть достигнута в ближайшее время и наперспективу за счет утилизации отходов лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной промышленности, сельскохозяйственного производства (животноводства и птицеводства), осадков сточных вод, органических отходов ряда отраслей промышленности, в том числе пищевой, мясомолочной, а также твердых отходов коммунального хозяйства.

Общий запас древесины в стране - 85 млрд м³, в том числе запас спелых и перестойных насаждений - 54,4 млрд м³. Средний ежегодный прирост древесины в настоящее время оценивают в размере 800…900 млн м³, а ежегодный (общий) объем лесозаготовок составляет около 400 млн м³. Санитарные рубки, рубки ухода дают около 40 млн м³ древесины, т. е. примерно 1/10 общего объема лесозаготовок. Удельный вес же их в перспективе может достигать 30…50 %.

Около 60 млн м³древесины, или 15 млн т у. т., используют в качестве топлива, что составляет примерно 1 % в топливном балансе страны. Из 60…80 млн м³ ежегодных древесных отходов всего лишь 6…8% утилизируют, несмотря на то, что это самое высококачественное сырье для целлюлозно-бумажной промышленности.

В энергетических целях древесина может использоваться в двух направлениях: непосредственное сжигание в топках и производство на ее основе твердого жидкого и газообразного топлива. Для сжигания древесины разработаны и эксплуатируются на Братском лесоперерабатывающем и Котласском целлюлозно-бумажном комбинатах высокопроизводительные агрегаты (до 75 т/ч). В 1980 г. за счет сжигания только коры было замещено около 600 тыс. т у. т.

Начато производство топливных брикетов из отходов деревообрабатывающей промышленности - опилок, стружки, древесной пыли, технологической щепы и разных видов малоценной древесины, не используемых до последнего времени в промышленности. Такое производство позволит превратить неиспользуемое сырье, вывозимое на свалку, в продукцию народнохозяйственного назначения.

В настоящее время научно-исследовательский институт лесной промышленности разработал технологию и подобрал эффективное оборудование для производства брикетов, при этом топливные брикеты из древесных отходов близки по свойствам к торфяным и угольным.

Масштаб рациональной мощности цехов (линий) брикетирования древесных отходов составляет 0,26…2,5 т/ч, что позволяет утилизировать древесные отходы на предприятиях с концентрацией их от 2 до 10 тыс. м³. Использование побочных продуктов лесного комплекса в качестве источника энергии в виде брикетов существенно повышает экономическую ценность древесины. Для осуществления безотходной технологии лесопиления и деревообработки Гипроторф (Москва) предложил технологические схемы брикетирования не только для производства топливных и технологических брикетов, но и строительных материалов с использованием торфяных брикетных прессов с оптимальной производительностью для каждого конкретного варианта.

Предпринята попытка организации выпуска топливных брикетов из сухих древесных отходов на Одинцовском ДСК (Московская область) по технологии прибалтийских предприятий на отечественной линии мощностью 4 тыс. брикетов в год.

Низкий уровень использования окорки и влажных древесных отходов (стружки, опилок) также связан с отсутствием оборудования для их переработки. Влажные опилки, стружка и кора в настоящее время брикетируются на Камском ЦБК и Пермском лесозаводе. На Нововятском комбинате древесных плит кора используется в виде брикетов в количестве 10 тыс. м³. Были попытки создания цеха по производству топливных брикетов из коры на Кондопожском ДОЗе (Карелия), топливные брикеты поставлялись для отопления вагонов МПС.

Ресурсами для газогенераторных установок могут служить древесные отходы, в настоящее время используемые в качестве топлива во многих промышленных котельных лесопильной подотрасли. Газогенераторные установки позволяют увеличить мощность промышленных котельных, тепловая энергия которых на многих предприятиях в связи с организацией сушки пиломатериалов, является дефицитной. Основным видом топлива для газогенераторов могут служить окорки древесины, которые не используются котельными из-за большой влажности.

В условиях леспромхозов и лесхозов генераторный газ может использоваться в качестве топлива для газовой котельной, предназначенной для отопления и горячего водоснабжения жилых домов лесорубов.

В настоящее время интенсивные исследования в области газификации биомассы (древесные и растительные отходы лигнин, твердые бытовые отходы) и разработки газогенераторов различных типов ведутся в Лесотехнической Академии, Академии коммунального хозяйства. Целевой программой ‘Экологически чистая энергетика как одно из приоритетных направлений предусмотрена разработка и организация серийного выпуска газогенераторов.

В промышленном теплоснабжении используется лигнин - крупнотоннажный отходгидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности. На большинстве заводовлигнин все еще вывозится на свалки-отвалы. Лигнин как котельное топливополностью используется в системе лесной промышленности (ПО «Сыктывкарский лесопромышленный комплекс», Сегежский ЦБК, Усть-Илимский ЛПК, Братский ЛПК).

К настоящему времени сформированы три основных направления производства энергетического топлива из лесного и растительного сырья: гидролиз с получением спиртов; получение синтетической нефти; пиролиз с получением пиролитического топлива и газа.

Спирты (этиловый и метиловый), получаемые из древесины, представляют значительный интерес как энергетическое топливо, а так же, как сырье для микробиологической промышленности, производящей кормовые белки, аминокислоты и др. Синтез метанола на основе биомассы в стране ни в промышленном, ни в опытно-промышленном масштабах не проводят. Этиловый спирт получают в промышленном масштабе путем гидролиза целлюлозосодержащего растительного сырья. При этом объем производства составляет около 5 % всею производимого в стране этилового спирта. Остальное количество спирта производят из пищевого и нефтяного сырья.

При гидролизе 1 т сухого древесного сырья производят порядка 200 л этилового спирта. Поскольку ресурсы древесного сырья (отходы лесопиления и деревообработки и т. д.) у нас значительны и возобновляемы, имеется реальная возможность экономии нефтяного сырья за счет расширения производства этилового спирта из биомассы по освоенной в промышленности технологии.

Получение синтетической нефти, газообразного ижидкого топливаиз растительного сырья находится еще в лабораторно-исследовательской стадии несмотря на то, что газообразное топливо получали в газогенераторах еще в 30-е годы ХХ в. В период 1955-1960 гг. вырабатывалось до 35 млрд. м³ газа в год. Газификация древесных отходов в газогенераторах небольшой мощности может представлять интерес в связи с возможностью их использования на месте, поскольку заготовка и обработка древесины происходит в местах, удаленных от централизованного энергоснабжения.

Особую роль в системе ВИЭ отводят органическим отходам сельскохозяйственного, промышленного производства, а также органическим отходам коммунально-бытового сектора.

Отходы сельскохозяйственного производства (пожневые остатки, побочные продукты переработки сырья и т. д.) составляют ежегодно миллионы тонн, и их можно рассматривать как достаточно крупный источник энергии. При переработке 100 млн т соломы может быть получено до 10 млн т жидкого топлива (этилового спирта), 1 млн т кормовых дрожжей, а из отходов переработки - до 15 млрд м³ метана, что в сумме может обеспечить экономию органического топлива в размере до 24 млн т у. т. в год. Одновременно будет возвращено в почву около 1,5 млн т высококачественных удобрений.

Отходы животноводства составляют ежегодно до 220 млн т (по сухому веществу), что эквивалентно 50…60 млрд м³ товарного метана и около 100 млн т минеральных удобрений.

В 1990 г. при Мосгорисполкоме зарегистрировано государственное межотраслевое научно-производственное объединение «Экоэнергетика по созданию и освоению экологически чистых технологий в промышленности, энергетике и агрокомплексе (акционерное общество «Экоэн»), В рамках НПО работает несколько научно-исследовательских институтов и научно-инженерных центров. Научно-инженерный центр «Биомасса» разрабатывает, проектирует и строит биогазовые установки и станции под все типоразмерные животноводческие фермы, комплексы и птицефабрики, установки индивидуального (семейного типа), для фермерских хозяйств и арендаторов. Работы в области биогазовых технологий проводятся по полному инновационному циклу, включая НИОКР, разработку сметной документации, исполнения строительно-монтажных и наладочных работ вплоть до сдачи объектов «под ключ». На основе разработанных биогазовых технологий строятся биоэнергетические установки в городах Саратове, Кимрах и Подмосковье.

На рис. 9 представлена схема комплексного энерготехнологического обеспечения фермы-комбиата, гарантирующая ее полную автономность и экологическую чистоту, достигаемую за счет безотходного характера хозяйственного цикла. В производственно-технологический цикл включается: животноводческий объект (коровник), цех молочной продукции, теплично-парниковое хозяйство, земельный участок под зерновые, кормовые и овощные культуры, фрукто-овощехранилище с регулируемой газовой средой, биогазовая установка, водонапорная башня, энерготехнологический комплекс и жилая зона.

Рис 9. Схема комплексного энерготехнологического обеспечения агропромышленного объекта:

ЖЗ - жилая зона; БГУ - биогазовая установка; ЭТК - энерготехнологический комплекс; Э - электроэнергия; Q_т – теплый воздух; ТПХ- теплично-парниковое хозяйство; ЖО- животноводческий объект; РГС- регулируемая газовая среда; Б- башня водонапорная; ЦМП- цех молочной продукции; П- пар; В- воздух

Биогазовая установка (БГУ) предназначается для выработки горючего газа, состоящего на 70…80 % объема из метана (СН₄) и на 20…30 % объема из СО₂, а также высококачественного удобрения. Производимый в БГУ горючий газ по своей теплотворной способности (5…6 тыс. ккал/м³) сопоставим с керосином, углем и бутаном, будучи в 1,5-З раза дешевле их по стоимости и экологичнее. С помощью БГУ не только производится необходимое топливо, но и утилизируются разнообразные хозяйственные отходы (навоз и стоки животноводческих объектов, отходы жилой зоны, растениеводства), вследствие чего делаются ненужными очистные сооружения, а также другие меры, связанные с защитой окружающей среды. Нуждаясь в электро-, теплоэнергии и воде, биогазовая установка «переваривает» практически все отходы биологического происхождения, вырабатывая топливо и высококачественные удобрения для поля и тепличного хозяйства.

Энерготехнологический комплекс (ЭТК) предназначается для сжигания биогаза с целью выработки широкого ассортимента энергоресурсов (электроэнергии Э, тепла Q_т, холодаQ_х), а также «сухого» льда или сжиженной углекислоты (СО₂) и газообразного технического азота путем утилизации образующихся продуктов сгорания. Принципиальная схема комплексной теплохладоэнергетической установки представлена на рис. 10. Схема состоит из трех ступеней: I - сжигания биогаза и генерации продуктов сгорания; II - выработки теплоты Q’_т или пара; III - выработка тепла Q’’_т, холода Q_х и СО₂. В камере КС осуществляется сжигание биогаза в среде подаваемого компрессором К сжатого атмосферного воздуха. Образующиеся здесь продукты сгорания при повышенном давлении и температуре направляются в газовую турбину Т, используемую для привода компрессора К. В турбине продукты сгорания расширяются до промежуточного давления и температуры 500…550 °С. Теплообменный аппарат Э служит для выработки горячей воды (60…90 °С), либо пара (110…150 °С), подаваемых в систему горячего водоснабжения.

Задача выработки электроэнергии и холода может решаться с использованием различного вида оборудования. На рис. 10 показан наиболее общий случай. Согласно схеме холод вырабатывается посредством двух технологических линий. Первая из них снабжена холодильно-нагревательной машиной волнового типа (ВРМ), с помощью которой вырабатывается холод Q_х на уровне 0…+1°С и тепло Q’’_т па уровне 60…80 °С. Производимый холод используется для охлаждения холодильной камеры в цехе молочных продуктов, а тепло Q”_т - для подогрева воды в системе теплоснабжения.

Рис. 10. Принципиальная технологическая схема комплексной теплохладоэнергетической установки:

КС - камера сгорания; Т - газовая турбина; К - компрессор; Э - теплообменный аппарат; ХНМ - холодильно-нагревательная машина; ТБД - турбодетандер; Р - регенератор; П - прессователь; С - сепаратор; ОП - ожижительная приставка

Вторая технологическая линия ступени III снабжена турбодетандером (ТБЛ) в комплекте с электрогенератором. Будучи включенным в цикл после регенератора Р, турбодетандер обеспечивает охлаждение продуктов сгорания в процессе расширения до конечного давления. Посредством электрогенератора ЭГ работа расширения продуктов сгорания преобразуется в электроэнергию, которая расходуется на технологические и бытовые нужды хозяйства. Достигаемые после турбодетандера температура и давление достаточны для осуществления процесса вымораживания СО₂. Хлопья этого вещества брикетируют с помощью прессователя П и отгружают потребителю в виде «сухого» льда. При необходимости в состав установки включается ожижительная приставка ОП, позволяющая производить сжиженную углекислоту. Отводимые из сепаратора С через регенератор Р остаточные газы, состоящие па 95...97 % объема из азота, направляются в качестве консервирующей среды во фрукто-овощехранилище (или хранилище зерна, комбикормов) в целях сохранения качества продукции.

Преимуществами предлагаемого энерготехнологического обеспечения являются его широкие функциональные возможности, экологическая чистота и высокая экономичность. Экономия условного топлива по сравнению с раздельной выработкой энергоресурсов и СО₂ составляет 40…45% только благодаря отсутствию потерь теплоты с уходящими газами, утилизации высшей теплотворной способности биогаза, использованию теплонасосного эффекта.

Технико - экономические показатели биоэнергетической установки, рассчитанной для ферм среднего размера с численностью в 400 голов крупного рогатого скота (КРС) приведены ниже:

Дата добавления: 2014-01-06