Таблица 7.9 – Энергетический потенциал биомассы в Украине (1997 г.)

Таблица 7.9 – Энергетический потенциал биомассы в Украине (1997 г.)

Действительно, в Украине только на крупных свиноводческих и птицеводческих предприятиях ежегодно образуется более 3 млн. т органических отходов по сухому веществу, переработка которых позволит получить около 1 млн. т у.т. в виде биогаза, что эквивалентно 8 млрд. кВт.ч. электроэнергии. Кроме того, имеется около 2 млн. негазифицированных семейных подворий. Опыт стран, не обеспеченных природным газом, например КНР, показывает, что отдаленные сельские местности целесообразно газифицировать с помощью малых биоустановок, работающих на органических отходах семейных подворий. Так, внедрение 2 млн. установок в Украине позволило бы получить около 2 млрд. м³ биогаза в год, что эквивалентно 13 млрд. кВт.ч энергии и обеспечило бы семейные усадьбы органическим удобрением в количестве 10 млн. тонн в год.

Полученный практический опыт показал, что производство биогаза является для Украины наиболее перспективным направлением использования энергии биомассы. Главные потенциальные источники, кроме отмеченных выше: городские коммунальные очистные сооружения, органические отходы некоторых промышленных отраслей, полигоны твердых бытовых отходов городов (свалки).

Предварительные оценки потенциальных запасов биогаза (табл.7.9) в Украине свидетельствуют, что (при максимальном использовании органических отходов и внедрении современной техники получения биогаза) его часть в общем использовании горючих газов может составить около 10%. Потенциал анаэробной ферментации Украины позволяет покрыть 30% потребности в энергии животноводческих комплексов. При этом кроме биогаза будут получены высококачественные удобрения. Если в целом энергетические ресурсы нетрадиционных энергетических источников Украины составляет 78,2 млн.т.у.т./год, то из них на долю биоэнергетики приходится 21,2 млн.т.у.т/год (27% потенциала НВИЭ).

Согласно «Протоколу о совместных усилиях по снижению эмиссии парниковых газов в атмосферу» (г.Кито, Япония, 1997 г.) промышленно развитые страны должны к 2010 г. снизить эмиссию парниковых газов в среднем на 5,2% по сравнению с 1990 г. (страны ЕС – на 8%, США – на 7%, Япония – на 6%). Использование БМ как топлива вносит существенный вклад в решении этого вопроса, так как БМ является СО₂ – нейтральной. При ее сжигании выделяется то же количество СО₂, которое было поглощено в процессе ее роста. Выбросы парниковых газов (СО₂, СН₄, N₂O) в пересчете на СО₂ -эквивалент при сжигании угля составляют величину полезной энергии, которая в 20 раз превышает их количество при сжигании древесной щепы.

В настоящее время биомасса все шире используется для выработки биогаза с последующей его переработкой для производства электроэнергии, удобрений, производства тепла (рис.7.8).

Рис.7.8 – Процесс получения биогаза

Биогаз получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, поэтому на практике выход определить довольно трудно. Существенным преимуществом переработки биомассы в метантенках (биогазовых агрегатах) является то, что в отходах биомассы содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Получение биогаза экономически оправдано и выгодно, когда перерабатывается постоянный поток отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, поток растительных отходов и т.п.). Экономичность состоит в том, что нет необходимости предварительно собирать отходы и управлять их подачей, при этом видно, когда и сколько будет получено отходов.

Биогаз можно получать в установках различных размеров. Особенно выгодно использовать биогаз в агропромышленных комплексах, где возможен полный экологический цикл. Его используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие различных механизмов, транспорта, электрогенератора.

Последовательность процесса показана на рис.7.8. На первом этапе сложные органические полимеры (клетки, белки, жиры и др.) под воздействием различных видов анаэробных бактерии разлагаются до более простых соединении: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и оксида углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта. На втором этапе бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.

Температура значительно влияет на ход процесса анаэробного сбраживания органических веществ. Наиболее благоприятна температура 30-40°С (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также 50-60°С (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима работы определяется анализом климатических и экономических условий.

Помимо температурных условий на процесс метанового сбраживания и на количество получаемого газа влияет время обработки отходов.

При эксплуатации реакторов необходимо контролировать показатель рН, оптимальное значение которого — 6,7-7,6. Регулирование этого показателя осуществляется путем добавления извести.

Биогаз содержит 50-80% метана, имеет теплоту сгорания 5340-6230 ккал/кг (6,21-7,24 кВтч/кг) и может эффективно использоваться как топливо для газогенераторов и газотурбин с КПД до 80%, для вырабатывания в дальнейшем электричества (33%) или тепла (50%).

Микробиологические технологии используют способность метановых бактерий расщеплять в бескислородной среде органические вещества растительного происхождения и образовывать из них биогаз. Из одной тонны сухих органических веществ метановые бактерии продуцируют 200-600 м³ биогаза, что эквивалентно энергоемкости 0,5-0,6 кг бензина или 0,77 кг условного топлива (т.е. 5-6 кВтч электроэнергии).

В процессе микробиологической переработки отходов, используемых в качестве дешевого энергохимического сырья путем расщепления, не происходит загрязнения окружающей среды, поскольку создается замкнутый кругооборот веществ и энергии. При этом достигается 90% степень преобразования энергии органических отходов в биогаз. Это в 3-4 раза превышает данный показатель при сжигании растительного топлива в печах.

Размеры современных биогазовых установок бывают самыми различными: от семейных, производительностью 3-8 м³ до средних (25-170 м³) и крупных (250-500 м³ и более).

Ведущее место по производству биогаза занимает Китай, где строительство небольших биогазовых установок началось с 70-х годов. В год здесь производилось до 1 млн. установок и к 1996 году их насчитывалось более 17 млн. (объемом 8-10 м³). В Китае также построено более 40000 больших биогазовых агрегатов, это позволяет перерабатывать до 230 млн. тонн отходов в год и производить при этом около 110 млрд. кубометров газа, что эквивалентно использованию природного газа в Украине. К началу ХХI столетия количество биогазовых установок в Китае превысит 30 млн. Они будут перерабатывать около 1 млрд. т отходов, вырабатывая до 500 млрд. м³ газа, что эквивалентно 350 млн. т условного топлива.

Второе место по развитию биоэнергетики занимает Индия – более 1 млн. биогазовых установок. Быстрому распространению биотехнологии в Китае и Индии способствовало предоставление государством субсидий и льгот на приобретение строительных материалов для сооружения биогазовых установок.

Родиной первого промышленного метантенка является Англия. Здесь биогазовые установки очень эффективно используются в сельском хозяйстве: еще в 1990 г. были покрыты все энергозатраты в сельском хозяйстве с помощью биогаза. В Лондоне функционирует один из крупнейших в мире комплексов по переработке бытовых сточных вод и производству биогаза – до 92 млн. м³ в год.

Интересен тот факт, что, по сведениям американских специалистов, в США у населения сельскохозяйственных районов в последние десятилетия повышается интерес к использованию в качестве топлива дров. С 1974 по 1985 г. было продано около 11,5 млн. дровяных печей, в 1982-83 гг. – еще 2,7 млн. Возросли за этот период и масштабы сжигания древесины в промышленности (с 59 млн. т в 1969 г. до 81 млн. т в 1981 г.). Это, главным образом, – отходы бумажной, целлюлозной, деревообрабатывающей промышленности и лесопродукты.

Топливо для дровяных печей – экологически довольно чистое, его потенциальная энергия велика. Оно не уменьшает ресурсы леса, если производится из отходов лесопромышленности, из упавших деревьев, при расчистке леса.

Если же на топливо вырубаются хорошие лесные массивы и при этом не восстанавливается лесной фонд, природе наносится непоправимый ущерб. Обычный хвойный, хвойно-буковый или хвойно-дубовый лес восстанавливается через 25-100 лет и более. Быстрорастущий тополь, западный и кленолистный каштан, дающие высокие урожаи, могут помочь решить проблему более быстрого восстановления лесных массивов, но далеко не везде.

Использование органических отходов имеет тройной положительный эффект: дает энергию, уменьшает количество отходов, способствует сохранению окружающей среды. Поэтому в ряде стран интерес к биомассе возрос не только как к топливу, но и как к сырью, из которого можно производить топливный спирт для автомобилей. В Бразилии более 2 млн. автомобилей работают на гидролизном спирте, 8 млн. – на смеси бензина и спирта (спирта – до 20%). Это опыт все больше распространяется в США, Швеции, Кении, Зимбабве, Малайзии, на Филиппинах.

В то же время, повышение интереса к биомассе как к топливу за счет использования тех ее ресурсов, которые могут быть продовольствием (зерна, сахарного тростника и др.), стало причиной возникновения в Бразилии и США социальных конфликтов.

Опыт последних лет показывает, что возможности сельскохозяйственных культур как потенциального топлива в действительности весьма ограничены (в несколько раз меньше, чем лесов). Поэтому учеными разработаны технологии комплексного использования биомассы, когда корма, продовольствие и топливо производят в разумных соотношениях с использованием принципов многоотраслевого сельского хозяйства и рециклирования побочных продуктов и отходов.

В странах СНГ переработка биомассы в топливо осуществляется по трем направлениям:

- разложение органических веществ растительного или животного происхождения без доступа воздуха специальными видами бактерий с образованием биогаза (метана) или/и жидких топлив (этанола, бутанола и др.). Получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении органических веществ (биоподогрев, компостирование огородных и садовых отходов) также относится к этому направлению, называемому биоконверсией;

- термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, синтез) твердых органических веществ (дерево, торф, уголь) в метанол, искусственный бензин, древесный уголь, чаще называемая термической газификацией. Представляет собой процесс нагрева биомассы в камере с контролируемой подачей воздуха. При этом выделяются летучие газы, являющиеся основой твердой биомассы (соломы, древесины и т.д.). Так, при газификации древесины образуются: азот – 50-54%, оксид углерода – 20-22%, водород – 12-15%, двуокись углерода – 9-12%, метан.

Топливо в газ превращается в результате химических процессов: высушивания, пиролиза, сжигания (окисления), и восстановления. На рис.6.9 показана схема противоточного газификатора, основные химические реакции и потоки, уровни температур и зоны реакций.

- сжигание отходов (жмых, щепа, лигнин и др.) в котлах специальной конструкции, в печках, в кострах. К этому направлению относится и сжигание дров в бытовых печках.

Самым перспективным и экологическим считается первое направление – биоконверсия. Оно предполагает значительное сокращение отходов животноводства, птицеводства и загрязнения ими почвы, воды, воздуха, так как эти отходы полностью идут в переработку. При биоконверсии получаются высококачественные удобрения, так как при анаэробном сбраживании азот и фосфор в навозе полностью сохраняются, а при традиционном вывозе навоза на поля теряется до 30-40%. Получаются также и качественные кормовые добавки и препараты.

При переработке всех отходов животноводства и растениеводства в России (около 20 млн. т по сухому веществу) можно получить около 35 млрд. м³ биогаза (т.е. около 60 млн. т условного топлива), а в Украине – около 3,5 млрд. м³ метана.

Разработка и внедрение биоэнергетических установок (БЭУ) в России и Украине намного отстают от Китая, Индии и Англии. Наиболее эффективными считаются крупные БЭУ (объем биореактора 6000 м³), работающие сейчас в Пярну (Эстония), где перерабатываются отходы свинокомплекса на 54000 голов и в других крупных хозяйствах, и БЭУ (с объемом биореактора 150 м³, мощность фермы – 3000 голов), работающие в Латвии. С 1985 г. в серийном производстве находятся БЭУ “Кобос-1”, предназначенные для установки на фермах с количеством рогатого скота 400-500 голов.

Рис.7.9 – Схема противопоточного газификатора с зонами реакций

Принцип работы “Кобос” следующий: измельченная биомасса с исходной влажностью 95-98% нагревается, выдерживается одни сутки, затем подается в один из метантенков, где поддерживается температура 42-43 С и пониженное давление (300-500 мм водного столба). Суточная доля загрузки – примерно четверть объема одного метантенка.

Основной причиной очень медленного внедрения разработок БЭУ в производство и использование их в агропромышленных комплексах СНГ является полное отсутствие государственной поддержки производств, изготавливающих ЭУ, очень высокая цена на них и отсутствие льгот на приобретение и эксплуатацию БЭУ, как это имеет место в других странах (США, Китай).

По разнообразности, эффективности и оригинальности последние разработки БЭУ в России и Украине (1992-1998 гг.) вполне конкурентоспособны с западными образцами. Имеются установки для интенсивного выращивания микроводорослей и их переработки в глицерин и жидкие углеводороды (разработчик – МГУ). Разработаны проекты комплексов на базе прудов-охладителей атомных и тепловых электростанций, которые вырабатывают жидкое топливо и поставляют рыбу; разработаны биореакторы для индивидуальных небольших хозяйств (объем метатенка 3 м³) и дачных участков (разработка Киевского ин-та УкрНИИАгропроект). Еще с 1965 г. возле г. Киева в с. Бортничи построена биоустановка, вырабатывающая около 10 млн. м³ биогаза в год из осадков сточных вод г. Киева. Аналогичные установки функционируют в г. Харькове, Одессе, Кривом Роге.

Расчеты подтверждают целесообразность ускоренного развития биоэнергетики как с экономической, так и с экологической точек зрения.
7.5. Другие нетрадиционные природные источники энергии
7.5.1. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия – энергия тепла, на протяжении сотен миллионов лет выделяющаяся из внутренних зон Земли. По данным геолого-геофизических исследований температура в ядре Земли достигает 3000-6000 градусов Цельсия, постепенно снижаясь по направлению от центра планеты к поверхности. Извержения тысяч вулканов, движение блоков земной коры, землетрясения являются свидетельствами деятельности мощной внутренней энергии Земли. Ученые считают, что тепловое поле Земли обусловлено радиоактивным распадом в недрах планеты, а также гравитационной сепарацией вещества ядра.

Главными источниками разогрева недр планеты являются уран, торий и радиоактивный калий. Процессы радиоактивного распада на континентах происходят, главным образом, в гранитном слое земной коры на глубинах 20-30 км и больше, в океанах – в верхней мантии. Предполагают, что в подошве земной коры на глубинах 10-15 км на континентах вероятное значение температур – 600-800 С, а в океанах – 150-200 С.

Человек может использовать геотермальную энергию только там, где она обнаруживается близко к поверхности Земли, т.е. в районах вулканической и сейсмической активности. Среди стран, которые в настоящее время эффективно используют геотермальную энергию – Италия, США, Исландия, Мексика, Япония, Новая Зеландия, Россия, Филиппины, Венгрия, Сальвадор. Здесь земное внутренне тепло поднимается к самой поверхности в виде горячей воды и пара с температурой до 300 С и часто вырывается наружу в виде фонтанирующих источников (гейзеров) – знаменитые гейзеры Иеллоустонского парка в США, гейзеры Камчатки, Исландии.

Геотермальные ресурсы подразделяют на сухой горячий пар, влажный горячий пар и горячую воду. Скважина, которая является важным источником энергии для электрической железной дороги в Италии (вблизи г.Лардерелло), с 1904 г. питается сухим горячим паром. Два других известнейших в мире места с горячим сухим паром – поле Мацукава в Японии и поле гейзеров возле Сан-Франциско, где также давно и эффективно используется геотермальная энергия. Наибольший в мире источник влажного горячего пара находится в Новой Зеландии (Вайракей), геотермальные поля несколько меньшей мощности – в Мексике, Японии, Сальвадоре, Никарагуа, России.

Таким образом, можно выделить четыре основных типа ресурсов геотермальной энергии:

• 
  поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами;
  
• 
  энергетические ресурсы пара, горячей и тепловой воды у поверхности земли, используемые в настоящее время для выработки электрической энергии;
  
• 
  теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли (возможно, при отсутствии воды);
  
• 
  энергия магмы и теплота, накапливаемая под вулканами.
  

Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии была введена в эксплуатацию первая геотермальная электростанция мощностью 7,5 МВт. За прошедшее время накоплен значительный опыт в области практического освоения геотермальных энергоресурсов. Общая установленная мощность действующих геотермальных электростанций (ГеоТЭС) составила: 1975 г. – 1278 МВт, в 1990 г. - 7300 МВт. Наибольший прогресс достигнут в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии.

Технико-экономические параметры ГеоТЭС изменяются в очень широких пределах и зависят от геологических характеристик месторождения (глубины залегания, параметров рабочего тела, его состава и т.д.). Для большинства введенных в эксплуатацию ГеоТЭС себестоимость электроэнергии приближается к себестоимости электроэнергии, получаемой на угольных ТЭС и составляет 1200  2000 дол. США/кВт.

80% жилых домов Исландии обогревается за счет горячей воды, получаемой из геотермальных скважин под городом Рейкьявик. На западе США около 180 домов и ферм обогреваются за счет геотермальных горячих вод. Специалисты считают, что между 1993 и 2000 годами глобальная выработка электричества при помощи геотермальной энергии увеличится более чем вдвое и будет использоваться в 40 странах. Запасов геотермального тепла в США столько, что оно может, теоретически, давать в 30 раз больше энергии, чем ее сейчас потребляет государство.

В перспективе возможно использование тепла магмы в тех районах, где она близко расположена к поверхности Земли, а также сухого тепла разогретых кристаллических пород. В последнем случае скважины бурят на несколько километров, закачивают вниз холодную воду, получая обратно горячую.

Электричество за счет геотермальных ресурсов можно выработать тремя способами (рис.7.10): А – при наличии сухого пара: его можно заставить непосредственно вращать турбину; Б – при наличии перегретой воды: части струи горячей воды, под давлением выходящие на поверхности и превращающиеся во влажный пар, который после сепарации капель воды направляется для вращения турбины; В – использование бинарного цикла: нагрев рабочей жидкости (изобутана или фреона) до парообразного состояния и вращение турбины полученным паром.

При невозможности прямого использования пара ввиду агрессивности воды гидротермальная энергия отдается теплоносителю посредством парообразования и водяного теплообменника (рис.7.11).

Рис.7.11 - Принципиальная схема геотермальной электростанции

В США, Японии, бывшем СССР проводились опыты по использованию гидротермальных вод в бинарном цикле, когда горячая вода нагревает до перехода в пар другую жидкость, имеющую температуру кипения ниже, чем вода (например, изобутан). Пар второй жидкости вращает турбину и возвращается после охлаждения в теплообменник для нового вскипания и работы. Геотермальный потенциал США, Японии, Италии, Исландии, Российской Камчатки, Сахалина очень велик.

Украина также располагает значительными ресурсами геотермальной энергии, потенциальные запасы которой оцениваются величиной 10²² Дж. Это эквивалентно запасам топлива 3,410¹¹ т.у.т. Потенциальная мощность ГеоТЭС с учетом извлекаемости запасов и кпд преобразования энергии составляет 230 ГВт.

Приоритетными районами первоочередного строительства являются: Керченский полуостров, Предкарпатье (Львовская область), отдельные месторождения в Харьковской, Полтавской и Донецкой областях. Значительными ресурсами геотермальной энергии располагает Крым, где наблюдаются наибольшие геотермические градиенты, а температура горных пород в отдельных районах на глубине 3,5  4 км достигает 160  180С.

В центральной части Украины только на глубине 1400 м встречаются воды с температурой выше 20С. Однако в связи с малым дебитом практического значения они не имеют. Частично термальные воды Украины используются для систем геотермального теплоснабжения различных объектов агропромышленного комплекса. Особый интерес в этом плане представляют термальные воды Крыма. По предварительным оценкам только использование потенциала Сивашского водохранилища с температурой 65С позволит сэкономить 1 млн. т.у.т. Наличие в Закарпатье зон с температурой воды 200С и пластовым давлением 45 МПа на глубине 4 тыс. м инициировали исследования по использованию тепла сухих горных пород и строительство Закарпатской ГеоТЭС.

Институтом технической теплофикации НАН Украины разработана система геотермального теплоносителя (рис.7.12), имеющая следующие показатели:

• 
  тепловая мощность модуля, МВТ – 5;
  
• 
  в том числе: теплоснабжение, МВт – 3;
  

• 
  температура воды на выходе из скважины, С – 60-80;
  
• 
  температура в отапливаемой системе, С – 50;
  
• 
  давление воды скважины, Мпа – не <1,5;
  
• 
  габариты здания – 6,5х15х6
  

Рис.7.12 - Схема системы геотермального теплоснабжения

Из представленных данных видно, что вовлечение геотермальных источников в систему энергоснабжения способствует улучшению топливно-энергетического баланса, а также снижению негативного влияния традиционной энергетики на экологическую обстановку, в том числе, наиболее напряженных регионов Украины.

Специалисты посчитали, что для снабжения электроэнергией города с населением 1 млн. человек необходима геотермальная электростанция мощностью 1000 МВт. Однако строительство геотермальных электростанций может иметь серьезные неблагоприятные, прежде всего – экологические, последствия (тепловое, солевое, газовое загрязнение окружающей среды).