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

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ИНСТИТУТ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 
 
 
 
 
 
 
 
 

КАФЕДРА «ИННОВАЦИОННЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ»

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

По  дисциплине «Производственные  технологии»

На  тему: «Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в республике Беларусь» 
 
 
 
 
 
 

Проверил:                                                              профессор Пустовалов В.К. 

Выполнила:                                                            слушатель группы 2020812

Турина  Ю.А.

Минск 2008

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

   Под нетрадиционными (альтернативными  или возобновляемыми) топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) понимают энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, солнца, биомассы, сточных вод и твердых бытовых отходов. Энергообъекты, использующие альтернативные ТЭР для получения тепловой, механической и электрической энергии, называют альтернативными источниками энергии.

   Основной  особенностью возобновляемых источников энергии является то, что воспроизводство их энергетического потенциала происходит быстрее, чем расходование. Установки, работающие на возобновляемых источниках, оказывают гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные потоки энергии.

   Государственная программа Республики Беларусь на период до 2020 г. предусматривает использование  нетрадиционных источников энергии  в нарастающих масштабах. С учетом природных условий республики предпочтение отдается малым гидроэлектростанциям, ветро- и биоэнергетическим установкам, установкам для сжигания отходов растениеводства и бытовых отходов, гелиоводоподогревателям. В Государственной программе потенциал экономии традиционных (ископаемых) ТЭР за счет использования альтернативных источников энергии к 2020 г. оценивается примерно в 5 млн. т у. т. (более 15 % от всех ТЭР). В отличие от многих других мероприятий использование альтернативных ТЭР дает реальную, легко учитываемую экономию топлива и социальный эффект. Альтернативные источники энергии зачастую не требуют транспортирования, удобны для локального энергоснабжения небольших удаленных объектов, что особенно важно для агропромышленных комплексов (АПК).

     При выборе источников энергии следует иметь в виду их качество, оценивающееся долей энергии, которая может быть превращена в механическую работу. Возобновляемые источники энергии по их качеству условно делятся на три группы:

— источники механической энергии довольно высокого качества: около 30% - ветроустановки, 60% - гидроустановки, 75% - волновые и приливные станции;

— источники тепловой энергии с качеством не более 35% - прямое или рассеянное солнечное излучение, биотопливо;

— источники энергии, использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления, имеют различное качество на разных частотах излучения; в среднем КПД (коэффициент полезного действия) фотопреобразователей составляет примерно 15%.

Далее, характеризуя возможности различных  возобновляемых энергетических ресурсов (ЭР), уделим особое внимание целесообразности их развития и использования в энергобалансе республики.

1. Использование солнечной энергии в Республике Беларусь

   Для всей территории республики поступление  солнечной энергии составляет около 208∙10¹² кВт∙ч в год или 256∙10⁹ т у. т. при планируемом потреблении в 2020 г. всех видов ТЭР (топливно-энергетические ресурсы) 32,8∙10⁶ т у. т. Это в 7800 раз превышает потребность нашей республики в энергоресурсах и говорит о больших потенциальных возможностях гелиоэнергетики.

   На  нашей планете за счет естественных процессов и производственно-хозяйственной деятельности человека происходит преобразование солнечной энергии в другие виды. Общая схема этих процессов приведена на рис. 1. 

Рис.1. Преобразование солнечной энергии. 

   Способы утилизации солнечной  энергии можно  разделить на три большие группы:

   1)прямое преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую;

   2)непрямое преобразование — использование энергии ветра, морских волн, океанских течений, температурного перепада океанов и т. д.;

   3)биологическое преобразование — сжигание биомассы, газификация городских и сельскохозяйственных отходов и т. д.

     Для территории Беларуси свойственна относительно малая интенсивность солнечной радиации и существенное изменение её в течение суток и года. В этой связи необходимо отчуждение значительных участков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие материальные и трудовые затраты. По оценкам, для обеспечения потребностей Беларуси в электроэнергии при современном технологическом уровне требуемая площадь фотоэлектрического преобразования составляет 200-600 км², то есть 0,1 – 0,3 % площади республики. Появились предложения об использовании территории Чернобыльской зоны для строительства площадок солнечных и ветровых электростанций.

   Для нашей республики реально использование  солнечной энергии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъёма и подогрева воды на технологические и бытовые нужды. В результате возможная экономия ТЭР оценивается всего в 5 тысяч тонн условного топлива в год (тыс. т у. т. / г.). В республике начат выпуск гелиоводонагревателей и уже накоплен некоторый опыт в их эксплуатации.

Тепловая  энергия

Механическая

энергия Электрическая энергия

Электрическая энергия

Тепловая  и электрическая

 энергия Синтетическое

топливо

Тепловая  энергия

Биогаз

Мускульная  энергия

1.2. Тепловые гелиоустановки.

Электрическая энергия

Тепловая  и электрическая

 энергия Синтетическое

топливо

Тепловая  энергия

Биогаз

Мускульная  энергия

1.2. Тепловые гелиоустановки. 

   Наиболее  простым способом использования  солнечной энергии для бытовых  и промышленных нужд является ее преобразование в тепловую энергию. Тепловая гелиоустановка включает в себя:

   — приемник, в котором происходит поглощение и преобразование солнечного излучения в тепловую энергию;

   — передающее устройство с теплоносителем;

   — теплоаккумулятор и другие элементы.

     В качестве приемника используют коллекторы различных типов и конструкций.

   В основе функционирования плоского коллектора лежит парниковый эффект. Плоские коллекторы предпочтительны при нагреве теплоносителя до температуры не выше 100 ^оС, а эффективность их работы зависит от светопропускающих и теплоизолирующих свойств покрытия, а также поглощающих свойств нагреваемого тела. Тепловая гелиоустановка с плоским коллектором для обеспечения более надежного теплоснабжения должна оборудоваться тепловым аккумулятором.

   Концентрирующие коллекторы используют в случаях, когда требуется получить температуру нагрева более 100 ^оС.

   Объемные коллекторы используют солнечное излучение для нагрева больших объемов воздуха, воды, почвы, строительных конструкций и других поглотителей тепла.

   Для объектов АПК использование тепловых гелиоустановок очень перспективно. Установка небольшой мощности с  площадью коллектора до 10 м² способна обеспечивать горячей водой отдельно стоящий сельский дом с семьей 4 - 5 человек с апреля по октябрь. В отопительный период применение таких установок, а также объемных коллекторов, позволит существенно снизить затраты топлива для отопления здания.

2. Биоэнергетика

2.1.Общие сведения

     Биоэнергетика — это наука, изучающая механизмы и закономерности преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов, энергетические процессы в биосфере.

   Биомасса  — общая масса растений, микроорганизмов и животных, приходящаяся на единицу площади или объема их обитания. Численно она выражается в массе сырого или сухого вещества (кг/м²; кг/га; кг/м³ и т. д.). Биомассу растений называют фитомассой, животных организмов — зоомассой. В Государственной программе вопросам использования фитомассы, коммунальных отходов, отходов растениеводства, получения биогаза, топливного эталона и биодизельного топлива в качестве возобновляемых ТЭР уделяется серьезное внимание. Общий годовой объем использования в Республике Беларусь этих энергоресурсов к 2010 г. оценивается примерно в 113 тыс. т у. т., а потенциальный запас составляет более 3,7 млн. т у. т. Эти цифры не учитывают использование древесного топлива, отходов деревообработки и лигнина в качестве топлива, потенциальный запас которых оценивается примерно в 7,58 млн. т у. т. Годовое использование к 2010 г. этих видов энергоресурсов планируется в объеме около 3,1 млн. т у. т. [10].

Рис.2. Система биоэнергетики

2.2. Биомасса - аккумулятор солнечной энергии

   В республике Беларусь разрабатываются идеи использования биомассы растений, выращиваемых специально для энергетических целей, или сельскохозяйственные отходы и отходы других производств, используемых в качестве источника энергии, особенно для производства    жидких    топлив,    а    также для выработки электроэнергии. В качестве биотоплива для обогрева, например, парников, давно используются соломинистый навоз, растительные остатки, торф, древесные опилки.

   Биомасса  является важным источником для получения химических продуктов (глицерола, фурфурола, сорбитола, манитола). По мере увеличения стоимости нефтехимического сырья растет интерес к использованию в качестве сырья биомассы. В некоторых случаях спирт, полученный путем ферментации зерна, конкурирует с синтетическим спиртом, произведенным из этилена.  

   Системы производства и использования биомассы имеют следующие преимущества:

• способность к накоплению энергии для использования ее в любое удобное время;
• возобновляемость;
• опора на уже имеющуюся в наличии технологию при минимуме капитальных затрат;
• возможность их создания с помощью наличных ресурсов рабочей силы и материалов;
• умеренные цены;
• экологическая безвредность и безопасность;
• не увеличивается количество атмосферного углекислого газа.

   Вместе  с тем эти системы имеют  и свои проблемы, а именно:

• конкуренция со стороны других вариантов использования земель;
• потребность в земельных площадях;
• неопределенность в отношении эксплуатационных показателей на начальной стадии;
• потребность в удобрениях, почве и воде.

   Системы биомассы принесут существенные выгоды в области развития сельского и лесного хозяйств, улучшения структуры землепользования и разработки технологии биоэнергетики.

   Существуют  различные энергетические способы переработки  биомассы:

• биохимические (спиртовая ферментация, анаэробная или аэробная переработка, биофотолиз);
• термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз);
• агрохимические (экстракция топлива).

   С помощью биохимического способа энергию получают   из осадков сточных вод, городских отходов и твердых отходов жизнедеятельности животных.

   Для переработки отходов сельскохозяйственного  производства и, прежде всего, навоза и  навозных стоков животноводческих предприятий, особенно актуален анаэробный процесс.

   При анаэробном метановом сбраживании навоза решаются три важные задачи. Первая состоит в том, что производится хороший энергоноситель — биогаз, который даже без очистки от примесей имеет энергосодержание от 20 до 25 МДж/м³ (в среднем принимается 23 МДж/м³). Второй полезный эффект — экологический. В сброженной массе оказываются практически обезвреженными семена сорняков и в значительной степени ликвидируются болезнетворные микроорганизмы. Третий выигрыш заключается в том, что после анаэробной обработки получают высокоэффективное органическое удобрение повышенной биологической активности. При этом его удобрительная ценность по сравнению с традиционными формами переработки (отстаивание и естественная аэрация, компостирование) даже улучшается, т. к. потери основных питательных веществ (N, Р, К) невелики. Переработка навоза осуществляется в биогазовых установках (БГУ). Например, в Беларуси уже 30 лет назад существовала такая установка на станции аэрации в г. Минске в микрорайоне Шабаны.

   Упрощенная  схема БГУ приведена      на рис. 3 

   Исходное

   сырьё 
 
 

         Выход

         газа 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 3. Упрощенная схема БГУ: 1 — сборник сырья;

   2 — мешалка-гомогенизатор; 3 — теплообменник-утилизатор;

   4 — метантенк; 5 — мешалка;    6 — теплообменник-подогреватель; 7 — газгольдер;

   8 — водогрейный котел; 9 — навозохранилище.

   Принципы, лежащие в основе работы биогазовых установок, очень просты. Органические отходы разлагаются в закрытых реакторах  под воздействием метаногенных бактерий, образуя метан, используемый для  приготовления пищи и освещения. При этом в качестве ценного побочного продукта получают удобрение.

    Существует три режима брожения — психрофильный (Т = 15...25 °С), мезофильный (Т = 30...40 °С) и термофильный (Т = 45...55 °С). В процессе анаэробного брожения степень разложения органического вещества навоза не превышает 47 %. Удельный расход энергии на получение 1м³ биогаза для термофильного режима равен 5,5 кВт∙ч, что в 1,5 раза превышает энергозатраты для мезофильного режима (3,7 кВт∙ч/м³). При использовании теплообменника с коэффициентом утилизации теплоты в пределах от 0,3 до 0,5 энергозатраты для термофильного режима можно уменьшить до уровня мезофильного. При этом время обработки навозных стоков при термофильном режиме — 5...8 суток, а при мезофильном - до 20 суток, так как метантенк для работы в термофильном режиме имеет меньший объем. Он менее материалоёмкий, его проще теплоизолировать и механизировать.

   Для  выработки высокого качества биогаза  применяют биоэнергетические установки  с  дополненными  элементами очистки получаемого биогаза от углекислого газа и соединений серы до состояния практически чистого метана.

   Биогаз  с успехом можно  получать в метантенке БГУ путем анаэробного  разложения фитомассы. В качестве исходного сырья здесь может использоваться льнокостра, древесные опилки, соломенная резка и другие отходы растениеводства, а также масса специально выращенных растений или водорослей.

   Основная  причина, сдерживающая широкое внедрение  БГУ на животноводческих фермах и  комплексах нашей республики, —  это большие капитальные затраты  на строительство, что обуславливает большой срок окупаемости БГУ (4...8 лет) и высокую себестоимость биогаза. В настоящее время ведутся исследования по повышению технологичности процесса метанового брожения, а также в направлении получения и использования новых, более эффективных штаммов микроорганизмов, обеспечивающих быстрое и эффективное разложение органических соединений в этом процессе.

   Термохимические способы предусматривают применение процессов пиролиза и газификации, а также прямого сжигания. Эффективным процессом энергетического использования растений, является пиролиз, при котором органическое вещество нагревают до 500 °С и в качестве конечного продукта получают жидкое или газообразное топливо. Продукты пиролиза, как энергоносители, более универсальны и экологичны, чем исходный материал.

     При агрохимическом способе происходит экстракция топлива. 

   В табл. 1 приводится перечень видов топлива, получаемых в результате переработки биомассы. 

Таблица1. Упрощенная сводка данных о процессах, продуктах и потребителях продукции, получаемой в результате биологического преобразования под воздействием солнечных лучей.

   Между перечисленными процессами существуют многочисленные взаимные связи.

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

2.3. Фотосинтез на службе энергетики

   Фотосинтез  — древнейшая и наиболее известная  биохимическая реакции на планете. Нынешний интерес к овладению  фотосинтезом для нужд прогресса  и развития является существенным показателем давления — экономического, экологического, энергетического, технологического.

   В результате фотосинтеза растения ежегодно ассимилируют приблизительно 2∙10¹¹ т (тонн) углерода с энергосодержанием 3∙10²¹ Дж, что в 10 раз больше годового потребления энергии в мире и в 200 раз больше того количества энергии, которое содержится в используемых человечеством   за год продуктах питания.

   Фотосинтез  — это превращение  зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ.

   Фотосинтез  является ключевым процессом жизни  на Земле. Можно упрощенно представить  его следующим образом: 

                                     растения

Н₂О + СО₂        ____________________        органические вещества +  О₂

                                    солнечная энергия 

   Растения  являются средоточием двух реакций, от которых зависит жизнь на Земле: расщепления воды видимым светом на кислород и водород и ассимиляция  С0₂ в органические соединения. Растения отличает очень высокая приспособляемость и огромное разнообразие видов; поэтому они неопределенно долго на возобновляемой основе  могут снабжать нас продовольствием, волокном, топливом и химическими продуктами.

   В настоящее время  многие лаборатории изучают принципиальную возможность выращивать и использовать растения для выработки энергии. В первую очередь речь идет о таких сельскохозяйственных культурах, как сахарная свекла. При использовании сахарной свеклы для получения этанола на топливо его выход составляет около 79 кг с 1 т свеклы. Энергосодержание этанола около 34 МДж/кг. При урожайности сахарной свеклы около 500 ц/га можно получить до 4 т этанола. Эквивалентный выход энергии с 1 га пашни составит около 135 ГДж/га.

   Наиболее  значимым возобновляемым энергетическим ресурсом, как разновидностью фитомассы, является древесина. Ее сжигание — традиционный для сельской местности способ получения тепловой энергии. Как вид топлива она имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, древесина — "чистое" топливо (серы менее 0,02 %, азота — около 0,12 %, что обуславливает низкий уровень содержания в продуктах сгорания сернистых и азотистых соединений). Зольность древесины составляет 0,5±0,1 % сухого вещества. В коре деревьев содержится 3±2 % золы, в листьях около 6 %. Древесная зола — хорошее минеральное удобрение.

   Теплота сгорания древесины  зависит как от ее сорта (сосна, береза, ива и др.), так и от влажности. 

   QA= - 0,196σ + 19,7,

   где Q_д — удельная теплота сгорания древесины, МДж/кг; σ — относительная влажность, % [7].

   Сразу после заготовки древесины ее влажность составляет около 50 %. При  этом Q_д = 8... 12 МДж/кг. В процессе хранения под навесом или в хорошо проветриваемом сарае в течении года влажность древесины снижается до 20...25 %, что обеспечивает повышение удельной теплоты сгорания до 10... 15 МДж/кг.

   Коэффициент полезного действия современных  котлов для сжигания древесины находится  в пределах от 80 % (при сжигании опилок, щепы и других отходов) до 90 % и выше при сжигании древесных чурок  и брикетов. Для сравнения — у газовых котлов КПД равен 90...95 %, а при наличии теплоутилизатора — до 98 %.

   В Беларуси изучается финский опыт, где в 2004 г. на древесной щепе работали 485 котельных и ТЭЦ. В общем энергетическом балансе Финляндии древесина составила 20 %. Наша страна обладает большими запасами леса — около 40 % территории. Наряду с этим здесь требуется решить целый ряд проблем, таких как заготовка, транспортирование, хранение и подготовка к использованию древесных материалов в виде топлива.