Приливная энергия

Могучая волна океанского прилива каждые 12 ч. 25 мин. поднимает уровень моря на Беломорском и Охотском побережьях на 9 – 13 м. Прилив обладает огромной энергией. Использоваться могут обе фазы; прилив и отлив. Для современной энергетики крайне важно, что среднемесячная величина приливной энергии остается неизменной в любой период года и не зависит от водности, в отличие от энергии рек, подверженной значительным сезонным и многолетним колебаниям.

Разработана тонкостенная конструкция здания приливной электростанции (ПЭС), которая возводится в приморском промышленном центре и транспортируется на плаву к месту установки, например, к створу губы. При этом отпадает необходимость в возведении дорогостоящих перемычек, ограждающих котлован ПЭС от моря.

Энергия волн

Простейшим и наиболее распространенным являются поплавковые установки, в которых колебательное движение поплавков преобразуется в электрическую энергию. Другой тип установки – «осуществляющий (колеблющийся) водяной столб» – основан на принципе сжатия и расширения воздушного столба, расположенного над поверхностью воды и заключенного в камеру. Нижняя открытая часть камеры расположена ниже минимального уровня воды. Воздух приводит в движение турбину, связанную с генератором.

Энергия ветра

Сильные и постоянные ветры дуют на крайнем Севере, на побережье Охотского моря, на Камчатке и Курилах, в Приморском крае, на юге Западной Сибири, в Прикаспийской низменности и позволяет устанавливать ветряки, позволяющие вырабатывать электроэнергию.

Энергия биомассы

Принципиально возможно также освоение энергии солнечного света, падающего на поверхности морей и океанов через преобразование ее в биомассу фитопланктона с последующей конверсией биомассы в метан и метанол. Плантации микроводорослей, по оценкам специалистов, представляют собой наиболее продуктивные системы 50-100 т/га в год.

Растительный покров Земли составляет свыше 1800 млрд. т сухого вещества, образованного в процессе фотосинтеза лесными, травяными, сельскохозяйственными экосистемами. Существенная часть энергетического потенциала биомассы потребляется человеком. Для сухого вещества простейшим способом превращения биомассы в энергию является сгорание, в процессе которого выделяется тепло, преобразуемое далее в механическую или электрическую энергию. Сырая биомасса может быть преобразована в энергию в процессе биометаниогенеза и получения спирта.

Биомасса – термин объединяющих все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы) и вторичную – отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных.

Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассы, может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергию несколькими путями:

• получение растительных углеводородов (растительные масла, предельные и непредельные углеводороды);

• термохимическая конверсия (твердой, до 60 % биомассы в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фестпиролиз);

• биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75 % и более в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты и биогаз).

Доля биомассы среди первичных источников энергии в мире составляло в 1995 г. 14,7 % их общего энергетического потребления, равного 373 ЭДж, в том числе в промышленных странах – 2,8 % (из 247 ЭДж используемой энергии), в развивающихся странах – 38,1 % (из 126 ЭДж). Ресурсы биомассы (Эдж) в середине ХХI века оцениваются следующим образом: всего 298,1 (в том числе от энергетических плантаций 266,9); в США (Канаде 40,7 (34,8)); Европе 15,2 (11,4); Японии 1,2 (0,9); Австралии и Новой Зеландии 18,5 (17,9); Латинской Америке 55,9 (51,4); Африке 55,5 (52,9); Китае 19,7 (16,3), в остальных странах Азии 40,2 (33,4); Океании 1,4 (1,11).

Достоинства растительной биомассы как источника энергии:

• возобновляемость данного вида топлива;

• экологическая чистота в сравнении с другими видами топлива;

• отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере, ведущего к развитию «парникового эффекта».

Недостатки:

• неравномерность распределения биомассы;

• недоступность определенной доли растительных ресурсов для рентабельного использования;

• наличие альтернативных направлений применения;

• технические трудности при использовании на транспорте.

Расчетами установлено, что если незанятые сельскохозяйственные почвы использовать для производства биомассы, то можно получить 15-20 млн. т.н.э./год. Использование биомассы и отходов может к 2010 году достичь 70 млн. т.н.э./год, при этом на 1 млн. т.н.э./год потребуется установленная мощность солнечных батарей, ветроустановок и малых ТЭС в странах ЕС 5,3 ГВт, а к 2010 году она может достичь 55 ГВт. Активные солнечные установки дадут ЕС 200 000 т.н.э./год.

Технологии получения энергии из биомассы находятся на пороге нового прорыва, как считают в Великобритании специалисты Королевского института международных отношений. Правительства и международные организации призывают к большой поддержке развития этих технологий. Подобные проекты осуществляются в США, Скандинавии, Бразилии и некоторых странах ЕС. В министерстве энергетики США считают, что биомасса станет наиболее важной из возобновляемых источников в ближайшие 25 лет. Наибольший энергетический потенциал имеют энергетические технические культуры; предназначение для сжигания на электростанциях с передовыми технологиями. Эти культуры должны районироваться. Так, в Северной Европе оптимальными являются тополь, ива, хвойные и miscanthus – гигантская трава. В дальнейшем растительное топливо будет играть особо важную роль в тропических и субтропических регионах.

При рассмотрении технических и экономических аспектов энергетического использования растительной биомассы следует учитывать, что для энергетики представляет интерес три возможных направления:

• прямое сжигание биомассы в специализированных топках;

• термодинамическая газификация растительной биомассы с последующим использованием генераторного газа в тепловых двигателях;

• каталитический реформинг с получением жидкого топлива.

Биогазовые технологии

Биогазовые технологии – наиболее радикальный, экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обезвреживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения. Эти технологии одновременно решают несколько проблем:

• экологическую (ликвидация отходов);

• агрохимическую (получение экологически чистых удобрений и повышение плодородия почв с постепенным восстановлением и экологической чистоты);

• социальную (улучшение условий труда и быта, получение экологически чистой продукции).

Биометаногенез или метановое брожение – давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил получение метана в болотном газе. Биогаз, полученный из органического сырья в ходе метанового брожения в результате разложения органических субстратов различной природы при участии смешанной микробной популяции, представляет собой смесь из 65-75 % метана и 20-30 % углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, метана и водорода. Теплотворная способность биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет 5-7 ккал/м³; 1 м³ биогаза эквивалентен 4 кВт·ч электроэнергии, 0,6 л керосина, 1,5 кг угля и 3,5 кг дров.

Технически реализация биогазовых технологий достаточно проста и они могут применяться в широком диапазоне: от индивидуального крестьянского подворья до крупных животноводческих комплексов, городов-миллионеров при любых климатических условиях. Переработка 1 тонны свежего коровьего или свиного навоза (при влажности 85 %) может дать 45-60 м³ биогаза, 1 т куриного помета – 1 м³ биогаза. Биогаз несложно компенсировать и использовать в дизельных двигателях вместо бензина или мазута.

Переработка органических отходов производится в закрытом помещении. Технология переработки состоит из этапов:

• сортировка отходов, отделение неорганических примесей;

• размельчение до фракции не более 50 мм;

• подготовка суспензии из мелких фракций и воды с температурой 42⁰ С;

• анаэробная переработка в течение 2 недель;

• сбор газа и удаление остатков на поля.

Сегодня разработаны установки для биометаногенеза нескольких категорий: реакторы для небольших ферм развитых стран 150-500 м³; реакторы для переработки промышленных стоков (спиртовой, сахарной промышленности) 150-10000 м³и реакторы для переработки твердого мусора городских свалок (1-20·10⁶ м³).

Наиболее интенсивно биогазовые технологии внедрены в Китае. В 80-х годах там производилось около 110 млрд. м³ биогаза, что эквивалентно 60-80 млн. т сырой нефти. Затем биогазовые установки стали внедряться на Филиппинах, Израиле, в 90-е годы ХХ века они пришли в страны центральной Европы. Уже сейчас на территории Франции работает более 20 установок, перерабатывающих городской мусор. В Нью-Йорке биогазовая установка при переработке содержимого городской свалки производит около 100 млн. м³ биогаза в год.

Биоконверсия с получением спирта

Этиловый спирт является прекрасным экологически чистым горючим для двигателей внутреннего сгорания. Поэтому в странах с большими запасами растительной биомассы сегодня уже налажено производство моторных топлив из нее.

В качестве топлива спирт стали применять в США и Германии в 30 – 40-е гг., а в настоящее время интерес к такому топливу существенно возрос, в таких странах как Бразилия.

Спирт для технических целей производят путем спиртового брожения биомассы. Это чаще всего отходы сахарного тростника – бегасса, маниоки, батата, сладкого сорго, топинамбура. Для стран умеренного климата сырьем для получения спирта и применения эталона в качестве топлива очевидны. Это касается экономических – они определяются рядом условий: климатом и продуктивностью зеленой биомассы, себестоимостью продукции и наличием других энергоносителей.

Углеводороды из биомассы

Первые попытки найти среди фотосинтезирующих организмов потенциальных продуцентов энергоносителей в виде жидких углеводородов относятся к 1978 г., когда исследователи обнаружили в соке некоторых растений, главным образом, у представителей семейства молочайных, жидкие углеводороды. Несколько позже удалось найти способность к синтезу жидких углеводородов у водорослей и бактерий. Было установлено, что у зеленой водоросли Botrococcus braunu содержание углеводородов может составлять от 15 до 75 %. Эта гигантская одноклеточная водоросль обитает в водоемах с пресной и солоноватой водой в умеренных и тропических широтах.

Углеводороды накапливаются в биомассе ботрикокцены и могут быть выделены простым центрифугированием, в ходе которого они вытекают из клеток. Фракция углеводородов, синтезируемая водорослью, аналогична керосину или дизельному топливу.

Такие водоросли найдены в других частях света – в оз. Мозамбик в Африке, Казахстане в районе оз. Балхаш. Сегодня в США уже действует ферма по выращиванию таких водорослей на площади 52 тыс. га. Продуктивность процесса получения углеводородов составляет до 4800 м³ в сутки. Для улучшения топливных характеристик водорослевые углеводороды гидрируют.

Возможности использования возобновимых источников энергии в России представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Производство энергоресурсов за счет использования НВИЭ в России (млн. т.у.т. в год)

Показатели	2000 г.	2010 г.
НВИЭ, в том числе	3,7 – 6,5	12,7 – 18,0
ТНУ (тепловые насосы); малые и мини ТЭС; биомасса; энергия ветра; энергия Солнца; геотермальная энергия.	0,02 – 0,15 0,03 – 0,15 1,9 – 3,4 0,1 – 0,25 0,4 – 1,05 1,25 – 1,5	0,1 – 0,2 0,03 – 0,15 7,3 – 10,0 0,5 – 0,8 2,13 – 3,2 2,6 – 3,6

Особенно перспективно использование нетрадиционных источников энергии в конкретных районах Сибири, где отсутствуют сосредоточенные потребители, а потребление энергии характеризуется малой плотностью. Наиболее реальными возобновляемыми ресурсами Иркутской области могут быть: малая бесплотинная энергетика, ветровая энергетика, солнечная энергия для теплоснабжения, биомасса в виде отходов лесосеки, горючая составляющая твердых бытовых отходов.