Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Вжиток різних видів енергії лежить в основі існування і роз­витку сучасного суспільства. Безперервне зростання виробництва в сучасному суспільстві приводить до збільшення витрати енергії, а, отже, і до зростання вжитку паливно-енергетичних ресурсів, які на­далі перетворяться в теплову і електричну енергію.

Енергія може бути отримана як з не поновлюваних джерел (вугілля, нафта, природний газ, торф, ядерна енергія), так і з понов­люваних (біомаса, енергія сонця, вітру, хвиль, геотермальна енер­гія).

Використання методів біологічної конверсії органічних відхо­дів з метою здобуття газоподібного або рідкого палива в даний час є вельми перспективним. Це дозволяє вирішити не лише енергети­чну проблему, але також економічну і екологічну, тому привертає увагу фахівців-екологів, енергетиків, економістів, біотехнолотів. Вона вельми істотна для сільського господарства, де є велика кіль­кість органічних відходів. Перспективною сировиною в біоенерге­тиці є також відходи харчовою, мікробіологічною; лісопереробної промисловості, стічні води комунального господарства.

Сучасне енергоспоживання зводиться, в основному, до вико­ристання природних (первинних) паливно-енергетичних ресурсів, таких, як викопне паливо і продукти його переробки (моторне па­ливо, мазут), а також ядерне паливо. Це зв’язано, головним чином, з відносно нескладним процесом здобуття цих видів палива при їх високих енергетичних потенціалах.

Найважливішим чинником, що впливає на ситуацію в енерге­тиці і економіці як в світі в цілому, так і для України зокрема, є іс­тотне збільшення цін на енергоносії, зокрема, на природний газ. У

зв’язку з чим, ще актуальнішим стає завдання пошуку альтернатив­них джерел енергії.

Як відомо, основними споживачами енергії є промисловість, енергетика і транспорт [2, 105], при цьому необхідно враховувати, що, споживаючи величезну кількість первинних ресурсів у вигляді твердого, рідкого, газоподібного палива і кисню повітря, вони по­вертають в довкілля значну кількість газоподібних і твердих забру­днюючих речовин.

Одним з найбільш важливих моментів у сфері охорони до­вкілля в даний час є зміна клімату. Це пов’язано з наслідками, які дане явище надає на життя людей в даний час і в осяжному майбу­тньому. Так, лише в Україні не кажучи про світ в цілому, кількість негативних природних явищ, пов’язаних із зміною клімату, в період з 1997 по 1999 роки перевищило 20 [116]. Підвищення середньої температури в атмосфері за останніх 120 років склало 1… 1,2 °С [105, 106], а в XXI столітті прогнозується подальше потепління на З — 5°С [107]. Основною причиною цього явища, на думку більшості експертів, є парниковий ефект, викликаний підвищенням концент­рації парникових газів (С02, СН4, N20 і інших) в атмосфері землі.

З метою запобігання і уповільнення процесу глобального по­тепління в 1992 році в Ріо-де-Жанейро була вироблена «Рамкова конвенція по зміні клімату», що містить пропозиції про інвентари­зацію викидів парникових газів і про розробку національних планів по їх зниженню. У грудні 1997 року в Кіото (Японія) ухвалили Протокол Конференції Сторін Конвенції по зміні клімату, який за­пропонував конкретні механізми зниження викиду парникових га­зів. Україна ратифікувала Кіотський протокол 4 лютого 2004 року. Він набрав чинності 16 лютого 2005 року [107-115].

Аналіз антропогенних джерел парникових газів в Україні (рис. 4.2) [3, 117, 118] не говорячи вже про світ в цілому показує, що спалювання викопного палива для здобуття енергії складає значну долю в сумарних викидах і визначає загальний рівень емісії парни­кових газів. Таким чином, основним напрямом боротьби з викида­ми є енергозбереження і заміна викопного палива на нетрадиційні і поновлювані джерела енергії (вітрова і сонячна енергія, енергія бі­омаси).

Рисунок 4.2 — Аналіз антропогенних джерел парникових газів в Україні [22]

Відмінність біомаси від інших видів поновлюваних джерел енергії при заміні викопного палива полягає в наступному. При спалюванні біомаси виділяється відповідна кількість парникових газів, проте, при її зростанні, аналогічна кількість С02 поглинаєть­ся і, таким чином, зростання концентрації парникових газів в атмо­сфері не відбувається.

Окрім цього, використання деревини як паливо призводить до зниження емісії оксидів вуглецю і сірки в атмосферу до 10 % від за­гальної кількості оксидів, що утворюються при спалюванні широко споживаної в світі нафти з високим вмістом сірки [3, 117].

Проте, однією з основних вимог до технологій енергетичного використання біомаси є виконання всіх екологічних норм і, в першу чергу, максимальне скорочення кількості викидів канцерогенних речовин, що утворюються при спалюванні біомаси [119, 120]. Під терміном біомаса (БМ) зазвичай розуміють вуглецевмісні органічні речовини рослинного і тваринного походження (деревина, солома, гній і тому подібне). Часто до поняття БМ відносять і органічну ча­стину твердих міських відходів. Як сировина для виробництва ене­ргії, біомаса займає перше місце серед всіх видів поновлюваних джерел енергії (ПДЕ), використовуваних в даний час [120, 121], які еквівалентні 1250 млн. т. у.п. і складає близько 15 % первинних ене­ргоносіїв в світі (у країнах, що розвиваються, — до 38 %) [122, 123]. Вона грає істотну роль і в промислово розвинених країнах — в сере­дньому 23 % загального енергоспоживання (ОЕП): у СІЛА її доля складає 3,2 % [122, 123, 153], в Данії — 6 % [3]; в Канаді — 7 % [123], в Австрії — 13 % [3], в Швеції — 16 % [3, 153], в Фінляндії — 20 % (максимальна доля для розвинених країн) [116, 153];. Переваги БМ як палива: повна відсутність або незначна кількість викидів

з’єднань сірки і збереження рівноваги вуглекислого газу С02 в ат­мосфері. Найширше використовуваною в даний час є рослинна БМ.

Прогноз світової енергетичної ради (МІРЕС) відносно вкладу БМ в енергетику майбутнього поряд з іншими поновлюваними джерелами енергії (ПДЕ) приведений на рисунку 4.3 [116, 3]. Тер­мін «сучасна біомаса» має на увазі використання сучасних промис­лових технологій здобуття; енергії з БМ (виключається побутове використання БМ для здобуття теплоти і приготування їжі). Згідно з прогнозом доля БМ складе 42…46 % від загальної частки ПДЕ в 2020 р., істотно перевищуючи вклад сонячною, вітровою, геотерма­льної і інших видів ВІЗ.

В даний час в багатьох країнах існують плантації для вирощу­вання швидкорослих дерев і високоврожайних культур для енерге­тичних потреб (вирощування рапсу для здобуття моторного палива в Еерманії, плантації швидкорослих порід деревини в Швеції, ви­рощування цукрового очерету для здобуття етанолу в Бразилії і то­му подібне) [3, 116, 122].

Основним недоліком використання біомаси в енергетичних цілях є те, що енергія, отримана за допомогою розглянутих техно­логій, має високу вартість і в більшості випадків не може конкуру­вати з викопними видами палив на вільному ринку. За кордоном ці питання вирішуються шляхом виділення субсидій на будівництво енергетичних об’єктів, що використовують біомасу, а також вве-

149

дення «зелених» податків, тобто, розвиток цього сектора енергети­ки заснований в західних країнах на державній підтримці.

Науковою новизною даної роботи є запропонована авторами і обґрунтована математична модель ефективного вживання енергії різних видів біомаси в світовому енергетичному господарстві.

Для дослідження можливості розширеного використання ене­ргії біомаси була розроблена математична модель, основними еле­ментами якої є інформаційно-енергетична мережа паливо — біоенергетичного балансу (рис. 4.4) і база даних біоенергетичного устаткування.

Рисунок 4.4 — Інформаційна мережа біоенергетичного балансу [28]

Сформована інформаційно-енергетична мережа паливо — біоенергетичного балансу представляє енергетичне господарство у вигляді сукупності об’єктів різного типа, що обмінюються потока­ми енергії. У даній запропонованій схемі об’єкти 3, 4, 5, 6, 7, 8 є по­стачальниками товарної біомаси в світове енергетичне господарст­во, а об’єкти 23, 24 є споживачами теплової і електричної енергії, а також мікроорганічних добрив. Вихідною інформацією для дослі­дження є дані, що характеризують енергетичний баланс по стадіях енергетичного потоку (видобуток, переробка, перетворення, транс­порт, зберігання і кінцеве використання).

Стадії енергетичного потоку представлені у вузлах мережі. Лінії, що сполучають вузли, відповідали потокам енергії між відпо­відними вузлами. Кожному типові вузла інформаційної мережі ене­ргетичного балансу відповідає свій обчислювальний блок у вигляді системи нелінійних рівнянь.

У інформаційній енергетичній мережі використовуються вуз­ли декількох типів, представлені на (рис. 4.4): вузли енергетичних ресурсів, перетворення, резерву, ухвалення рішення, попиту, вузли з багатьма виходами і з багатьма входами.

Якщо говорити про Україну, то з метою державної підтримки заходів і технологій, заснованих на енергетичному використанні бі­омаси, були прийняті ряд законів і програм (Закон України N555-iy від 20.03.03г. "О альтернативних дасерелах енергії", Указ № 1094/2003 Президента України "Про заходи щодо розвитку вироб­ництва палива з біологічноі сировини", Національна енергетична програма України до 2010 року, Програма державної підтримки ро­звитку нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії і малої гідро — і теплоенергетики і ін.). Проте, наявність правової бази загальної проблеми не вирішує у зв’язку з відсутністю джерел фінансування, тобто для України актуальним є пошук процесів і технологій, що відрізняються низькими капітальними і експлуатаційними витрата­ми, а також низькою собівартістю отримуваної енергетичної про­дукції.

Основна скрута при використанні відходів біомаси, як палива, в існуючих енергоагрегатах виникають із-за відмінності грануломе­тричного і хімічного складу біомаси. Низька насипна щільність ро­бить невигідним транспортування відходів біомаси від місця виро­бництва до споживача, а високий вихід летких утрудняє спалюван­ня біомаси в топках існуючих енергоагрегатів.

Таким чином, в Україні енергетичне використання біомаси найперспективніше на промислових підприємствах (масло екстрак­ційних заводах, меблевих фабриках і ін.), що мають в результаті випуску основної продукції значні об’єми відходів біомаси. При цьому економічний ефект від енергетичного використання визнача-

ється, в основному, капітальними витратами на устаткування. В цьому випадку реконструкція існуючого енергетичного і енерготе — хнологічного устаткування, що дозволяє використовувати біомасу, як паливо, є, поза сумнівом, ефективнішим напрямом, в порівнянні з установкою нового агрегату. Особливо це актуально, якщо зали­шається можливість використання викопного палива у вигляді ре­зервного [3, 116].

Додаткову економічну вигоду від енергетичного використання біомаси можна отримати при розробці комплексних технологій, що дають можливість поряд з виробництвом енергетичної продукції отримувати продукт, ліквідний на ринку, наприклад, вуглецевий матеріал, органічні добрива і тому подібне.

Аналіз енергетичного потенціалу біомаси в Україні (Рис. 4.5) [124, 125, 126], проведений Інститутом технічної теплофізики НАН України і науково-технічним центром «Біомаса», показав, що доля промислових відходів біомаси складає близько ЗО % від сумарного потенціалу біомаси.

Рисунок 4.5 — Енергетичний потенціал біомаси в Україні

В даний час за рахунок біомаси Україна покриває близько 0,5 % потреби в первинних енергоносіях (~ 1 млн. т. у.п.) [3]. Наявність паливного потенціалу біомаси в Україні вимагає проведення аналі­зу існуючих технологій її енергетичного використання, в першу чергу, з екологічного погляду, у тому числі, визначення питомих викидів парникових газів. Останнє особливо актуально при реалі­зації проектів в рамках Кіотського протоколу. Вибір технології ви-

152

значається властивостями різних видів біомаси, як енергетичного палива. Теплота згорання більшості видів відходів біомаси знахо­диться в межах 13… 19 МДж/кг [3, 127]. Основний вплив на тепло­ту згорання надає вологість палива [128, 3].

Наявність в біопаливі таких домішок, як хлор (у деревині -0,1 %, у соломі — до 0,75 %) [1, 29, ЗО] знижує його якість, що компен­сується низьким вмістом сірки (0,2.. .0,77 %) [3], в порівнянні з ві­тчизняним вугіллям (SP = 2…3 %).

Вміст золи в біомасі залежить від пори року, ґрунту, клімату і тому подібне Реальна зольність деревного палива з врахуванням зберігання і транспортування досягає 1,5…2 % за рахунок забруд­нення деревини. Зольність біомаси у вигляді соломи різних куль­тур, соняшникового лушпиння, очерету, хвої і тому подібне пере­вершує зольність деревини і знаходиться, в основному, в діапазоні

3.. .7 % [129, 130], а зольність рисового лушпиння може досягати 20 % від робочої маси палива.

Форма і розміри часток, з яких складаються відходи біомаси, роблять великий вплив на способи їх використання. Значення має також дисперсний склад часток. В разі органічних відходів, як пра­вило, ми маємо справу з матеріалами, що складаються з дрібнодис­персних часток різної форми і мають низьку насипну щільність (120…260 кг/м3) [131, 132] Хімічний склад відходів біомаси обумо­влює великий вихід летких речовин при нагріванні (70…75 %). Ці особливості відходів біомаси необхідно враховувати при виборі і вдосконаленні технологій і устаткування для їх використання в енергетичних цілях.

Теоретично залежно від вологості біомаса переробляється термохімічними або біологічними способами. Біомаса з низькою вологістю (сільськогосподарські і міські тверді відходи) перероб­ляються з використанням термохімічних процесів: пряме спалю­вання, газифікація, піроліз, зрідасення, гідроліз. Біомаса з високою вологістю (стічні води, побутові відходи) переробляється із засто­суванням біологічних процесів. На практиці використовуються на­ступні методи переробки біомаси з метою здобуття енергії: г- пряме спалювання для безпосереднього здобуття теплоти; г — газифікація біомаси;

V піроліз (суха перегонка), направлений на здобуття максимального газоподібного палива (переважно водню і С). Генераторний газ має теплоту згорання в межах 4…8 МДж/м ;

‘г спиртна ферментація з метою здобуття з біомаси етилового спирту (етанол);

‘г — анаеробне зброджування, що є найбільш перспективним засобом здобуття палива з органічної маси.

Оцінні розрахунки зроблені на рис. 5 показують, що в Україні з гною при повній переробці біоконверсією можна отримувати що­рік велику кількість (~ 1 млн. т. у.п.) біогазу. При оцінці економіч­ної ефективності слід враховувати, що біогазова установка забезпе­чує одночасно знезараження гною і виробництво добрив. Вона від­носиться також до системи заходів по захисту довкілля. У такому разі біогазові установки завжди матимуть позитивний економічний ефект. Біогаз отримують також з комунальних (міських і селищ мі — ського типу) стічних вод. Його вихід складає 0,001 м на їм стічні води. Наявність паливного потенціалу біомаси в Україні вимагає проведення аналізу існуючих технологій її енергетичного викорис­тання, у першу чергу, з екологічної точки зору. Вибір технології ви­значається властивостями різних видів біомаси як енергетичного палива. Нижче наведені основні особливості біомаси як палива, і відповідні їм способи її енергетичного використання.

Комментарии запрещены.