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

• 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.