Транспортировка газа 9 страница

Энергия волн морей и океанов.

Энергозапас волн от 10 до 90 млрд. кВт. Может быть использовано 2,7 млрд. кВт. Но эта величина существенно превышает мощность приливов и отливов. Это больше суммарной мощности всех электростанций мира. Целесообразность использования энергии волн определяется ее высокой удельной мощностью. Считается, что в открытом океане при высоте волны удельная мощность может достигать 2 МВтм. Однако технически возможно использовать энергию волн в прибрежных зонах, где она не превышает 80 кВтм. Удельная мощность волн, образующихся на больших глубинах при значительной удаленности от берега, на порядок выше. Т. о. Использование волн на глубине выгоднее. На волновых электростанциях потенциальная и кинетическая энергия волн преобразуется в электрическую. Энергия волн может непосредственно может превращаться в электрическую путем вращения ротора генератора или через вращение турбины, соединенной с генератором.

Достоинства волновых установок:

1. Не требуют изъятия земельных угодий под водохранилища

2. Волновые установки, располагаемые вблизи берега, могут снижать энергию волн и предотвращать размывание береговой линии

Удельная плотность волновой энергии кВт/м в 10 раз больше плотности ветровой энергии и намного больше солнечной. Особенность волновой энергии – это ее неравномерность во времени. Максимальное значение в 5-11 раз больше средних. Энергия волн существенно зависит от размеров самих волн. На сегодняшний день разрешены не все технические вопросы при строительстве электростанции:

1. Крепление установок в море

2. Антикоррозийная защита

3. Долговременность работы

4. Передача энергии на большие расстояния при больших глубинах.

Существуют экологические последствия, заключающиеся в уменьшении кислорода в морской воде.

Тепловая энергия океана.

Известно, что Солнце нагревает лишь верхний слой морей и океанов и нагретая вода опускается вниз, т. к. плотность теплой воды меньше, чем холодной. Температура воды на глубине 1 км не превышает 5 °С. Получившийся тепловой градиент создает громадные запасы тепловой энергии, равной 95·10¹² кВтч/год.

Принцип использования разности температур слоев морской воды в энергетических целях опирается на основные законы термодинамики. При этом теплая морская вода верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25-30°С (фреон, пропан, аммиак). Пар этой жидкости подается в турбогенератор и приводит его в движение. Отработанный пар при выходе его из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из турбины, конденсируется и вновь поступает в ТО для превращения в пар.

Проведенные расчеты и опытные работы показывают, что себестоимость энергии

на океанических ТЭС примерно соответствует этому показателю на ТЭС и АЭС. Однако переменность некоторых технических проблем, таких, как отсутствие эффективных средств борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов, препятствует развитию данных станций.

В экологическом плане ОЭС безвредны, но если в контуре, где циркулирует фреон, возникают утечки, то морской микрофауне может быть нанесен вред.

Схема ОТЭС

теплая вода

7 6

холодная вода

1 – насос

2 – теплообменник

3 – турбина

4 - генератор

5 - конденсатор

6,7 – насосы

Данный способ преобразования тепловой энергии в электрическую наиболее эффективен там, где перепад температур теплой и холодной воды наибольший, т. е. Тропические и субтропические районы мирового океана.

Энергия океанических течений.

В океанических течениях: поверхностных и глубинных, сосредоточены большие запасы энергии равной 7,2·10¹² кВтч/год, которую можно преобразовать в электрическую. Всю акваторию мирового океана в самых разных направлениях пересекают морские течения. Под этими течениями есть и глубинные. Важнейшее и самое известное течение – Гольфстрим – оно пересекает Атлантический океан в северо-восточном направлении, его ширина составляет 60 км, глубина – 800 м, живое сечение – 48 км². Это течение несет воды в 50 раз больше, чем все реки мира, его скорость – 2 м/с. В США с 73 г. разрабатывается программа – Кориолис, она предусматривает установку во Флоридском заливе 242 установок суммарной мощностью 20 тыс. МВт.

Рассматривается возможность использования в качестве первичного двигателя таких установок прямоточной турбины с диаметром 168 м и частотой вращения 1 об/мин. Расстояние между лопатками будет таким, чтобы обеспечить безопасный проход рыб. Вся установка будет погружена на глубину 30 м, чтобы не мешать прохождению судов. В Японии используется возможность течения Курасиво, расход воды которого 55·10⁶ м³/с, и скорость 1,5 м/с. Предполагается установить аналогичную турбину диаметром 53 м.

Имеются также проекты получения электроэнергии за счет водяных парашютов.

Экономическая оценка океанических электростанций.

Экономические показатели ОТЭС зависят от следующих факторов:

1. Плотность рассматриваемого источника энергии

2. Степень близости или аналогичность рассматриваемых проектов к существующим технологиям

3. Оригинальность технологических предложений и реализация их конструкций

4. Стоимость самого проекта

Затраты на передачу электроэнергии, особенно океанической. В целом следует отметить высокие начальные капиталовложения при строительстве морских и океанических типов ЭС. Расчеты показывают, что стоимость энергии сопоставима со стоимостью энергии с ТЭС и АЭС. Например, себестоимость электроэнергии, выработанной на приливной ЭС во Франции в 2,5 раза выше, чем на ГЭС и составила 0,0967 франка за кВтч. В то время, как себестоимость электроэнергии на приливной станции 0,12 F/кВтч.

Экологические последствия.

Экологические последствия выражаются в следующем:

В приливной энергетике:

1. Периодическое затопление прибрежных территорий, изменение землеиспользования в районе ПЭС, флоры и фауны в акватории

В волновой энергетике:

1. Эррозия побережья

2. Изменение характера движения прибрежных насосов

3. Изменение сложившихся судоходных путей

В гидротермальной энергетике (ОТЭС):

1. Утечки в океан аммиака, фреона, хлора

2. Изменение циркуляции вод

3. Появление биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений.

Тепловая энергия океана является более чистым источником.

Энергия приливов.

В настоящее время находится в эксплуатации следующие ПЭС: во Франции – 240 МВт, 2 в Канаде – 20 МВт, в России – 0,4 МВт.

Запасы энергии биомассы и особенности биотоплива.

То, из чего состоят растения и животные, принято называть биомассой. Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании или естественном разложении выделяют тепло. Посредством химических или биологических процессов биомасса может быть трансформирована в такие виды топлива, как газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются в различных регионах. Биомасса относится к возобновляемым источникам энергии.

Мировые потребления энергии составляют 1/10 часть того количества энергии, которое ежегодно образуется в процессе фотосинтеза. За счет энергии и топлива, получаемых из биомассы, нельзя удовлетворить потребности промышленно развитых стран. Однако их 10% может повлиять на мировой баланс.

Накопленная в биомассе растительного мира энергия эквивалентна доказанным запасам органического топлива. В пересчете на сухую массу накопление биологических материалов в биосфере идет со скоростью 250·10⁹ т/год. Из этого количества только 0,5% употребляется человеком в пищу.

Образование зависит также от места. Так, на суше образуется в 2 раза больше, чем в мировом океане.

Промышленное потребление биомассы может быть весьма значительным. Например, за счет отходов переработки сахара в отдельных странах покрывается до 40% потребностей в топливе.

Применение биомассы в виде навоза и ботвы растений имеет первостепенное значение в домашнем хозяйстве для половины населения планеты. Для человечества гибельно то обстоятельство, что в настоящее время расход древесного угля значительно опережает его воспроизводство.

Успешное развитие систем и производств, основанное на переработке биомассы, возможно при соблюдении следующих принципов:

1. Каждый вид производства биомассы способен дать широкий спектр разнообразных продуктов, что делает целесообразным комплексное их использование

2. При некоторых технологиях отдельные виды топлива, полученные из биомассы, могут потребовать от своего производства больше, чем могут дать, что требует разработки прогрессивных технологий.

3. Общий экономический эффект для агропромышленных отраслей от внедрения комплексной переработки биомассы трудно оценить

4. Производство биомассы экономически оправдано только в том случае, если используются ритмично пополняемые запасы биомассы.

5. Основные опасности экстенсивного использования топлива из биомассы – уничтожение лесов, эрозия почв и снижение урожайности

6. Биотопливо – производная органических соединений и всегда существует возможность использовать биотопливо в качестве химического сырья или конструкционных материалов.

Сегодня использование биомассы в качестве топлива составляет 10%. Особенно большое значение это имеет в Развивающихся странах, где проживает около 40% всего населения Земли.

Такие некоммерческие виды топлива как древесина, навоз, отходы сельскохозяйственного производства, удовлетворяют до 90 % общей потребности энергии, получаемой из биомассы. Сегодня за счет сжигания дров в мире получают до 2 тыс. МВт энергии. Сжигание отходов древесины, а также получение брикетов коры, щепы и отходов древесины, используется в химической переработке.

Технология получения энергии из биомассы.

Системы производства и использования биомассы для получения энергии имеют следующие преимущества:

1. Возобновляемость

2. Относительная дешевизна

3. Экологическая безопасность

4. Короткий срок их проектирования и строительства

5. Повышение надежности электроснабжения, повышение эффективности энергии топлива и снижение остроты избавления от отходов

Есть 2 основных способа получения биотоплива из биомассы:

1. Традиционный – с помощью термохимических процессов, сжигание

2. Биотехнологическая переработка

Термохимические способы:

1. Прямое сжигание для непосредственного получения тепла

2. Пиролиз – биомассу нагревают либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой его части при малом доступе воздуха

3. Прочие термохимические процессы

Биохимические способы:

1. Спиртовая ферментация (получение этилового спирта, который вырабатывается микроорганизмами в процессе ферментации)

2. Анаэробная переработка – в отсутствии воздуха

3. Биофотолиз – разложение воды на водород и кислород под воздействием света. Некоторые организмы могут при определенных условиях производить кислород путем биофотолиза.

Из биомассы получают энергетические продукты:

На конечном этапе полное разложение происходит под воздействием множества бактерий, классифицированных как аэробные, либо как анаэробные.

Аэробные бактерии.

Развиваются в присутствии кислорода, с их участием углерод окисляется до СО₂. В замкнутых объемах при недостатке кислорода развиваются анаэробные бактерии. В итоге углерод под воздействием этих бактерий делится между СО₂ и СН₄.

Биогаз (смесь СО₂ и СН₄ ) образуется в биогенераторах, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. При этом удается получить от 60 до 90% полезной энергии. Важным процессом является то, что в отходах содержится меньше болезнетворных организмов, чем в исходном материале.

Получение биомассы становится оправданным и предпочтительным, когда биогенератор работает на постоянной основе и при значительном потоке биоотходов.

Примеры отходов: стоки канализации, свинофермы. Экологичность этих систем в том, что нет необходимости в сборе этих отходов. Заранее известно, сколько и откуда поступит отходов.

Для успешного создания биоэнергоустановок, необходимо:

1. Активное участие общественности во всех стадиях развития, планирования, разработки и внедрения в систему

2. Долгосрочная поддержка и техническая помощь со стороны государства и коммерческих организаций

3. Развитие генной инженерии и методов получения культур, пригодных для различных целей

4. Стимулирование всех видов сотрудничества, направленных на обмен опытом и новыми технологиями.

Экономика биоэнергетических установок.

Для обоснования параметров установки по переработке биомассы необходимо знать расход и стоимость сырья, возможные ресурсы биомассы, рабочие силы и требования по охране окружающей среды. Учитывая, что установки для получения энергии из биомассы являются дорогими, целесообразно при их основании метод общей экономической эффективности, т. е. Увязать их с существующей системой энергоснабжения.

Развитие биоэнергетики за счет использования с/х культур, может дать большое количество газа, однако при этом будут и недостатки:

1. Производство энергии будет конкурировать с производством пищи. Например, зерновые фирмы США производят до 10% мирового зерна, а экспорт 1/3 произведенного зерна позволяет частично покрыть дефицит во многих странах. Увеличение производства биотоплива, а конкретно, спирта, может оказать существенное отрицательное влияние на мировой рынок пищевых продуктов.

2. Возможность обеднения и эрозии почв, в результате интенсификации энергетических культур. В леспромхозах, предприятий целлюлозно-бумажной промышленности скапливается ежегодно 16 млн м³ коры, из которой используется только 4. Главным образом, для сжигания вместе с мазутом. Остальные выбрасываются в отвалы. Более сложна переработка твердых бытовых отходов, которые появляются в результате деятельности человека.

В большинстве стран ТБО вывозят на свалки. Москва ежегодно образует 12-13 м³ ТБО и только 2 млн. перерабатывается на мусоросжигательных заводах. Специалисты считают, что твердые бытовые отходы обладают высоким энергетическим потенциалом и могут использоваться для теплоэнергосбережения крупных городов. Имеются различные проекты по утилизации ТБО, начиная от сжигания и получения при этом теплоты и заканчивая получением синтетического топлива в жидком или газообразном виде.

Преимуществом топлива из биомассы является его относительная дешевизна. При налаженном производстве биогаз может быть в 1,5-3 раза дешевле традиционного топлива. В нашей стране получение биотоплива из бытовых отходов практически отсутствует. Целесообразно сооружение небольших установок по переработке лесных, городских и с/х отходов.

Экологическая характеристика биоэнергетики.

Биоэнергетические установки по сравнению с другими источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Например, анаэробная ферментация является эффективным средством переработки животных отходов. При этом уничтожаются болезнетворные микробы и запахи. Плюс образуется дополнительный корм для скота и удобрение после переработки.

В целом у нас по стране их величина оценивается 60 млн. тонн органического топлива. Свалки заполняют овраги и другие пониженные участки местности. Если на этих свалках применяется сжигание мусора, то при захоронении свалки начинается метановое брожение, при котором в атмосферу выделяется метан, что ее существенно загрязняет. Вместе с метаном могут выделяться различные токсические вещества, разнообразные по составу и очень опасные.

Прямое сжигание древесины дает большое количество органических компонентов, твердых частиц, окиси углерода и др. газов.

Биогаз более чистое топливо, однако при его сжигании необходимы меры предосторожности, т. к. метан взрывоопасен. При утилизации лесной биомассы неизбежна потеря питательных веществ в лесной почве. В целом необходима разработка научно обоснованной методики сопоставления различных экологических последствий применения возобновляемых источников энергии на окружающую среду.

Факторы воздействия ВЭС на природную среду.

Использование вторичных энергоресурсов.

ВЭР – это энергетический потенциал отходов продукции, побочных и промышленных продуктов, образующихся в технологических условиях и системах, которые не используются в самой установке, но могут быть частично или полностью использован для энергоснабжения других энергоустановок.

Вторичные материальные ресурсы – это материальные отходы технологических производств, которые могут быть использованы в народном хозяйстве.

Энергетический потенциал отходов и продукции – это запас энергии в виде химически связанной теплоты, физической теплоты и потенциальной энергии избыточного давления.

Отходы	Вид отходов	Потенциал энергоносителя	Носители энергетических или материальных ресурсов
Энергетические	Горючие	Низкая температура сгорания, Qрк, кДж/кг (кДж/м3)	Химическая энергия отходов технологических процессов химической переработки сырья
Тепловые	Перепад энтальпий, Н, кДж/кг	Физическая теплота отходящих газов, основной продукции , отходов основного производства, теплота пара или горячей воды, отработавших в технических установках
Избыточное давление	Работа изоэнтропного расширения А, кДж/кг	Потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические камеры с избыточным давлением
Материальные	Газ Твердые Жидкие	–	Газообразные, твердые или жидкие отходы образуются в процессе производства основной продукции, которые целиком или отдельными компонентами могут быть использованы как готовая продукция после доработки или в качестве сырья после переработки

Направление внешнего энергетического использования тепловых отходов.

1. Топливное – это непосредственное использование ВЭР в качестве топлива

2. Тепловое – это использование теплоты, полученной за счет ВЭР или выработанной за счет ВЭР в теплоутилизационных установках

3. Силовое – это использование механической и электрической энергии

4. Комбинированное - использование теплоты и электрической энергии одновременно за счет ВЭР (утилизационная ТЭЦ)

Удельный и общий выход ВЭР определяется по следующим формулам:

1. Удельный выход горючих

q^г_уд = m·Q^р_н

2.Удельный выход тепловых

Q^т_уд = m·(с₁ t₁ – с₂ t₂) = m · Н

3. Удельный выход избыточного давления

Q_изб^давл = m·А

4. Общий объем

Qвых = q_уд ·Н = q_час· ,

где m – удельное количество энергоносителя, кг или м³ на единицу выпускаемой продукции

q – нижняя рабочая теплота сгорания, кДж/кг,

t₁, t₂, с₁, с₂ – температуры и теплоемкости на входе и выходе из энергоустановки

q_уд – удельный выход ВЭР на единицу продукции, сырья или топлива

М – выпуск основной продукции или расход сырья за рассматриваемый период

q_час – часовой выход ВЭР

- число часов работы установки источников ВЭР

А – работа изоэнтропного расширения

Различают возможную, фактическую, планируемую выработку энергии. Возможная выработка энергии при использования пара высоких параметров, полученной в утилизационной установке за счет ВЭР, определяется выражением: W = Q_т / q_к , где q_к – удельный расход теплоты на производство единицы электроэнергии (кДж/кВтч), Q_т – выработка теплоты в утилизационной установке. Возможная комбинированная выработка теплоты и электроэнергии в теплофикационных турбинах. Отпуск теплоты Q₀ будет определяться как Q₀ = Q_т / (1 + Э q_т). А выработка электроэнергии будет определяться по формуле:

W = Э q_т / (1 + Э q_т), где

q_т – удельный расход теплоты на выработку электроэнергии на тепловом потреблении 4-4,5 тыс кДж/кВтч

Q_т – количество теплоты, поступающей в конденсационную турбину.

Возможная выработка электроэнергии в утилизационной турбине за счет избыточного давления определяется:

W = Н · m · А · , где

- относительный внутренний КПД утилизационной турбины

- механический КПД равный 0,98-0,99

- КПД электрогенератора равный 0,98-0,99

Экономия топлива за счет ВТЭР.

Экономия топлива может рассматриваться за какой-то период: год, месяц, сутки

, где Q_n – количество теплоты, используемых вторичным энергоресурсом

b₃ – удельный расход условного топлива, тонн/кДж.