Главная   >>   Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Биоконверсия солнечной энергии

Способы получения энергии из биомассы

Биомасса, если иметь в виду древесину, Солому, является одним из самых древних возобновляемых энергоресурсов, используемых человеком.

В биомассе - зеленой массе растений, создаваемой в процессе фотосинтеза, - солнечная энергия запасается в виде химической энергии, которая может быть высвобождена различными путями.

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно 3-1022 Дж. Эта цифра соответствует известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - 8%. В целом на Земле при помощи фотосинтеза ежегодно производится 173 млрд.т сухого вещества, что более чем в 20 раз повышает используемую в мире энергию и в 200 раз - энергию, содержащуюся в пище всех более 4 млрд, обитателей планеты.

Запасенная в биомассе энергия органических соединений может быть использована непосредственно в виде пищевых продуктов человеком или животными или же для получения энергии в промышленных целях.

Сжигание

Древнейший способ прямого получения энергии из биомассы – это ее сжигание. Даже в настоящее время он является самым распространенным в сельской местности, где свыше 85% энергии получают именно этим путем

Биомасса как топливо имеет ряд достоинств. В отличие от ископаемого топлива при ее сжигании выделяется менее 0,1% серы и от 3 до 5% золы в сравнении 2-3 и 10-15% соответственно для угля. Количество углекислого газа, высвобождающегося при сжигании биомассы, компенсируется количеством углекислого газа, потребляемого при фотосинтезе. В результате содержание СОг в атмосфере остается неизменным.

Этиловый спирт (этанол)

Энергию можно получить из сельскохозяйственных культур, специально выращиваемых для этой цели. Это могут быть особые виды быстрорастущих деревьев, растения, богатые углеводами, из которых получают этиловый спирт (этанол). Для производства этилового спирта из такой растительной биомассы необходимо экстрагировать и подвергнуть гидролизу запасенные углеводы с последующим их сбраживанием в спирт.

Из растений, продуцирующих этиловый спирт, наиболее широко используется сахарный тростник. Этанол из сахарного тростника в больших количествах производится в Бразилии. В связи с растущим дефицитом торгового баланса, вызванного резким увеличением цен на нефть в последние годы, в Бразилии было решено использовать в качестве автомобильного топлива не бензин, а чистый этанол и смесь этанола с бензином. По сравнению с бензином этанол обладает не только экономическими, но и техническими преимуществами, например более высоким октановым числом. Производство этанола путем ферментации сока сахарного тростника возросло с 900 млн.л в 1973 г. до 6 млрдл в 1992 г., из них 2,2 млрд.л пошли на получение смеси безводного этанола с бензином. Благодаря использованию эта-нолового топлива воздух в таких загрязненных городах, как Сан-Паоло и Рио-де-Жанейро, стал значительно чище.

Стоимость этанола, производимого на юге Бразилии, составляет в среднем 18,5 цента за 1 л. При такой стоимости он мог бы легко конкурировать с импортной нефтью, если бы цена на мировом рынке оставалась равной 24 долл. за баррель. Эффективная стоимость этанола может снизиться еще более, если пар, полученный при сжигании выжимок сахарного тростника, использовать для выработки электроэнергии. В настоящее время паровые турбины низкого давления способны производить около 20 кВт/ч, электроэнергии при сжигании выжимок, полученных из 1 т сахарного тростника. С помощью паровых турбин высокого давления можно было бы производить в 3 раза, а с помощью газовых - в 10 раз больше электроэнергии. Комбинации подобных технологий представляются весьма перспективными, и благодаря им сахарные заводы могут стать экспортерами энергии. В США небольшое количество этанола, получаемого из зерновых, используется в качестве добавки к бензину. Этот этанол относительно дорог, однако в настоящее время разрабатывается технология получения сырья с использованием ферментов. Специалисты из научно-исследова-тельскрго института солнечной энергии считают, что к 2000 г. этанол, получаемый из дешевых источников, будет конкурентоспособен по отношению к бензину.

Биогаз

Другой способ производства энергии из биомассы состоит в получении биогаза.путем анаэробного перебраживания. Такой газ представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода и незначительного количества азота и водорода. Метановое "брожение", или биометаногенез, -давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он бьш открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Бездымное горение болотного газа причиняет людям гораздо меньше неудобств по сравнению со сгоранием дров и навоза. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.

Биогаз дает возможность использовать самые современные средства теплоэнергетики - газовые турбины, В этих установках газ сгорает, приводя в движение турбину, которая вращает генератор, производящий электроэнергию. В свою очередь газообразные продукты сгорания затем направляются в котел для нагревания воды и получения пара, который может быть использован в промышленности или для дополнительного производства энергии.

Газовые турбины проще и дешевле традиционных паровых. В то время как у последних эффективность не улучшалась с конца 50-х годов, газовые турбины непрерывно совершенствуются.

Наиболее многообещающим вариантом использования биомассы в газовых турбинах является ее газификация при взаимодействии с воздухом и паром при высоких давлениях и очистке газа от примесей, которые могут повредить лопасти турбин. Для повышения эффективности процесс газификации и производство электроэнергии следует смещать в одной установке. Такая технология разрабатывается сейчас для угля. Однако эта технология может даже быстрее найти коммерческое применение с использованием биомассы, нежели угля, так как биомассу легче газифицировать и она обычно содержит малое количество серы. Предварительные оценки показывают, что энергия, полученная на установке с газофи-цированием биомассы и газовбй турбиной, по стоимости может быть сравнима с электроэнергией, производимой на обычных угольных или ядерных электростанциях в большинстве промышленных и развивающихся стран.

Одним из направлений при получении биогаза является использование органических отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности. Производство биогаза в процессе метанового брожения - одно из возможных решений энергетической проблемы сельскохозяйственных районов. Перспективы этого направления весьма многообещающие. Действительно, если 300 млн.т сухого вещества, содержащегося в навозе, превратить в биогаз, то выход энергии составит 33 млн.т нефтяного эквивалента. Производство можно также увеличить за счет таких сельскохозяйственных отходов, как солома, жом сахарного тростника и др. В Индии с 1980 по 1984 гг. был построен 1 млн. небольших установок для производства биогаза, удовлетворяющих потребности в энергии отдельных семей.

Производство биогаза из сельскохозяйсвенных отходов во все более возрастающих масштабах осуществляется также в Китае. Так, уже в конце 1978 г. здесь работало 7,15 млн. установок для получения биогаза - в 15 раз больше, чем в 1975 г. К 1980 г. было построено еще 20 млн., а к 1985-70 млн, что позволяет 70% крестьянских семей использовать биогаз для приготовления пищи.

Преимущество производства биогаза из сельскохозяйственных отходов заключается в том, что они являются средством получения энергии, доступным даже на семейном уровне. Отходы процесса служат высококачественным удобрением, а сам процесс способствует поддержанию чистоты в окружающей среде. Однако количество биомассы данного вида ограничено земельной площадью, на которой осуществляется сельскохозяйственная деятельность. Существенное увеличение пригодных для культивирования площадей вряд ли реально. Вместе с тем имеется возможность использовать для получения биомассы водную среду, а именно - осуществлять культивирование водорослей, в частности микроводорослей.

Итак, достоинством биогаза можно считать следующее: возможность получения его из бросового сырья (сельскохозяйственных, промышленных и городских углеродосодержащих отходов), попутное получение при этом высокоэффективных удобрений и кормовых добавок, очистка сточных вод. Недостатками получения и потребления биогаза являются расход кислорода и выброс углекислого газа при сжигании биогаза, неуправляемость и длительность процесса брожения, необходимость иметь емкости значительного объема для осуществления процесса брожения.

Микроводоросли

Первые сообщения о возможности использования микроводорослей для производства пищевых продуктов относятся к XVI в. В 1521 г. Бер-нол Диас упомянул о галетах, которые продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев микроводоросли спирулины. Дальнейший тщательный анализ образцов спирулины показал, что она содержит до 70% белка, 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 4% нуклеиновых кислот. Возник интерес к массовому культивированию микроводорослей. Сначала основное внимание было сконцентрировано на получении продуктов питания, но затем выявили другие области применения микроводорослей, включая биоконверсию солнечной энергии. Эксперименты по массовому культивированию микроводорослей проводятся все более интенсивно с начала 50-х годов.

За период с 1950 по 1970 г. был достигнут значительный прогресс в технологии массового культивирования микроводорослей в таких странах, как Япония, ФРГ, Израиль, Франция, США и Мексика. Культивирование производилось как в специально построенных для этой цели установках, так и в естественных водоемах. В этих странах была получена следующая средняя продуктивность: в США 30 г/м2 в день, Японии - 12 г/м2 в день, Израиле - от 10 до 40 г/м2 для зимних и летних условий соответственно.

В зависимости от целей использования культивируются различные микроводоросли. Некоторые из низ в процессе метаболизма продуцируют углеводы, которые можно использовать для получения газообраз,но-го, жидкого или твердого топлива.

Идея использования углеводородов, вырабатываемых растениями, не нова. В США из молочая чиновидного, распространенного в Калифорнии, получают 3000 л масла с 1 га. Такое же количество дает молочай, культивируемый в Японии. Из нефтяного ореха, растущего на Филиппинах, получают 300 л масла, содержащего 75-80 долей октана.

Появились сообщения о способности некоторых водорослей вырабатывать углеводороды, об успешном их использовании для производства нефти. Так, в Израиле в 1976 г. была получена высокосортная нефть из водорослей, обильно разрастающихся в соленых водоемах при ярком солнечном свете. Обнаружили быстро растущую зеленую водоросль ду-налиеллу, которая в естественных условиях при минимальных затратах дает значительный "урожай". Было показано, что из биомассы дуналиел-лы, получаемой с 1м2, в день можно выделить 11 г протеина, 8 г глицерина, 0,4 бета-каротина.

Исследование возможности применения различных видов водорослей в промышленных целях проводились в Институте исследований солнечной энергии (США). Изучив несколько тысяч видов водорослей выделили 10-12 наиболее перспективных. Однако исследования показали, что в большинстве случаев количество углеводородов составляет лишь примерно 0,1% сухого веса биомассы. Единственным исключением является ботриококкус браунии, которая имеет две разновидности: зеленая - до 36% углеводородов и коричневая - до 86% сухой массы клеток водоросли.

Углеводороды, вырабатываемые ботриококкусом браунии, в основном локализованы на наружной поверхности клетки и могут быть удалены простыми механическими методами. Остающуюся биомассу можно либо возвратить в культиватор, либо подвергнуть гидрокрекингу, в процессе которого из нее получают 65% газолина, 15% авиационного топлива, 3% остаточных масел. Таким образом, задача культивирования микроводорослей для производства энергии принципиально решена: созданы соответствующие установки, найдены подходящие виды водорослей. Вместе при получении таким способом энергии, сравнимой по стоимости с энергией от традиционных источников, возникает ряд проблем. Одна из них - повышение эффективности и производительности установок. Для интенсификации процесса образования биомассы надо одновременно добиться необходимой освещенности клеток, обеспечить их нужным количеством СОг и максимально увеличить количество клеток, подвергающихся действию света и способных поглотить его.

Рассмотрим устройство для культивирования микроводорослей, содержащих фотоблок с профилированным дном и барботажные трубки, расположенные на дне фотоблока ( 30). Дно фотоблока выполнено в виде волнистой поверхности, вдоль которой расположены барботажные трубки, снабженные патрубками, направленными вниз по касательной к поверхности дна.

Устройство работает следующим образом. В фотоблок наливают суспензию, содержащую питательный раствор и рассаду микроводорослей, и пропускают по барботаж-ным трубкам газовоздушную смесь, содержащую 0,5-1% СО2. Необходимый для фотосинтеза свет поступает к водорослям через верхнюю открытую часть фотоблока от внешнего источника освещения (Солнца или искусственного источника). Струя газовоздушной смеси, обогощающая суспензию СС% одновременно используется для вертикального перемешивания жидкости: расположение барботажных трубок и форма дна позволяют создать потоки жидкости во всем рабочем объеме среды культивации.

Низкая эффективность установок пока не дает возможности приступить к промышленному культивированию микроводорослей для производства энергии. Существенным препятствием на этом пути является необходимость отторжения под размещение установок больших площадей земли, что практически нереально.



Швейная машина pfaff hobby 1142 купить швейную машину pfaff.