Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в Республике Беларусь (стр. 2 из 8)

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. 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).

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.

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.

Ресурсы	Процессы	Энергоносители	Потребители
Сухая биомасса древесина и ее отходы	Сжигание	Теплота, электроэнергия	Промышленность, бытовой сектор
	Газификация	Газообразные топлива (метанол)	Промышленность, транспорт
		Водород, аммиак	Химическое производство
	Пиролиз	Нефть, смола, газ	Промышленность, транспорт
	Гидролиз и перегонка	Этанол	Транспорт, химическое производство
Жидкая биомасса (сточные воды и водные живые организмы)	Анаэробная ферментация	Метан	Промышленность, бытовой сектор
Сахар (соки, целлюлоза)	Ферментация и перегонка	Этанол	Транспорт, химическое производство
Вода	Фотохимичес-кие фотосинтез, катализифотосинтез,	Водород	Промышленность, химическое производство, транспорт
Мусор	Сжигание	Теплота	Промышленность, бытовой сектор

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