ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

Литературный  обзор

К нетрадиционным источникам энергии (НИЭ) относятся  ветряная, солнечная, приливная, геотермальная виды энергии, а также водородное топливо. На начало 2001 года на долю НИЭ приходилось 1,3% от общемирового энергопотребления.

Задача удовлетворения потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства в электрической и тепловой энергии, особенно в регионах, удалённых от централизованных энергосетей, а также вопросы устойчивого развития России и снижение негативного воздействия энергетики на окружающую среду, приводят к необходимости развития нетрадиционной энергетики.

Среди несомненных достоинств альтернативных источников энергии  стоит отметить повсеместную распространенность большинства видов, экологичность и возобновляемость, а также низкие эксплуатационные затраты. Среди отрицательных - нестабильность во времени и низкую плотность потока энергии, которая вынуждает производителей использовать большие площади энергоустановок. При этом существенным препятствием на пути широкого распространения НИЭ являются значительные начальные капиталовложения, несмотря на то, что они окупаются впоследствии за счет низких эксплуатационных затрат. Кроме того, производители традиционных источников энергии совершенно не заинтересованы в развитии НИЭ. И хотя они проявляют большой интерес к новым технологиям и финансируют научно-исследовательские программы в этой области, они, тем не менее, не торопятся внедрять их в массовое производство.

Говоря о  роли возобновляемых источников энергии  в будущем, целесообразно обратить свой взгляд в прошлое. В 70-х гг. прошлого века нефть была основой энергопотребления большинства стран. В то время казалось, что исследования в области использования НИЭ - это нечто экзотическое - то, что никогда не найдет применения в реальной жизни. Однако после нефтяного кризиса 1973 года стало очевидно, что ориентация на импортную нефть представляет реальную угрозу энергетической безопасности многих государств.

Большинству экономически развитых стран пришлось разрабатывать  новую энергетическую стратегию, направленную на диверсификацию источников энергии, энергосбережение, а также на изучение возможностей применения альтернативной энергетики.

К настоящему времени  в данном направлении удалось  достигнуть впечатляющих результатов. Так, в развитых странах была разработана правовая база, согласно которой энергоснабжающие компании обязаны принимать энергию, полученную из нетрадиционных источников. Кроме того, организована экономическая поддержка производителей энергии из НИЭ, включающая в себя налоговые и кредитные льготы, дотации и т.п. Появились и хорошо финансируемые научно-исследовательские программы в этой области, ежегодные расходы на которые составляют в мире сегодня не менее $1 млрд.

1 Ветряная энергия

Энергия ветра  может быть использована для вращения синхронного генератора переменного тока; получаемая электрическая энергия непосредственно подаётся в сеть энергосистемы через повышающий трансформатор. В других случаях энергия ветра используется для изготовления электрической энергии в виде постоянного тока и в нагревательных и отопительных приборах постоянного тока, например, реостатных, или же она аккумулируется в батареях и потом превращается при использовании нагрузки, которая работает на переменном токе.

В этих случаях  энергию можно превращать в механическую энергию вращающегося маховика или аккумулировать в виде газов (водорода и кислорода), полученных при электролитическом разложении воды. Газы можно сохранять в сжиженном состоянии в резервуарах или в газообразном состоянии в резервуарах и подземных хранилищах, которые остались от использованных буровых скважин природного газа.

Водород можно  непосредственно использовать как  топливо в системах отопления и промышленных процессах, превращать в электрическую энергию при использовании ёмкостей для сохранности топлива и газотурбинных генераторов, которые работают на водороде, или другими способами.

Представляется, что важное значение имеет использование  энергии ветра вместе с другими источниками энергии, в частности с традиционным топливом, энергией солнечного излучения, энергией, получаемой за счет разности температур в океане, биологическим преобразованием топлива и т.п.

Поскольку скорость ветра в данный момент времени  может значительно изменяться на больших площадях, то большое число размещенных на них ВЭУ, которые работают на общую сеть, также может быть использовано для уменьшения ёмкости аккумуляторов при данной базисной нагрузке энергосистемы.

По экспертным оценкам валовой потенциал ветровой энергии в России составляет 26∙10⁶ т.у.т./год, а экономический – 12,5∙10⁶ т.у.т./год.

Наиболее распространенным типом ВЭУ является ветровая турбина  с горизонтальным валом, на котором установлено рабочее колесо с различным числом лопастей – чаще всего 2-3. Многолопастные колеса применяются в малых установках, предназначенных для работы при невысоких скоростях ветра. Турбина и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. Спектр единичных мощностей выпускаемых ветроустановок в мире весьма широк: от нескольких сот Вт до 2-4 МВт.

Малые ВЭУ (мощностью до 100 кВт) находят широкое применение для автономного питания потребителей, и сферы их использования во многом совпадают с фотопреобразователями. Особенно эффективно использование малых установок для водоснабжения (подъем воды из колодцев и скважин, ирригация). Автономные малые ветроустановки могут комплектоваться аккумуляторами электрической энергии и/или работать совместно с дизельгенераторами. В ряде случаев используются комбинированные ветро-солнечные установки, позволяющие обеспечивать более равномерную выработку электроэнергии, учитывая то обстоятельство, что при солнечной погоде ветер слабеет, а при пасмурной – наоборот, усиливается.

Крупные ветроустановки (мощностью более 100 кВт), как правило, - сетевые, т.е. предназначены для работы на электрическую сеть.

2 Геотермальная  энергия

Выражение "геотермальная  энергия" буквально означает, что  это энергия тепла земли (“гео” - земля, “термальная” - тепловая). Подсчитано, что температура ядра Земли составляет близко 5000 °С. В среднем температура повышается на 3 °С через каждые 100 метров в глубину. Так, на глубине 20 км она составляет около 500 °С, на глубине 50 км - порядка 700...800 °С. Основным источником геотермальной энергии является постоянный поток тепла от раскаленных недр, направленный к поверхности земли. Этого тепла достаточно, чтобы расплавлять горные породы под земной корой, превращая их в магму. Большая часть магмы остается под землей и, подобно печи, нагревает окружающую породу. Если подземные воды сталкиваются с этим теплом, они тоже сильно нагреваются - иногда до температуры 371 °С. В некоторых местах, в особенности по краям тектонических плит материков, а также в так называемых "горячих точках" теплота подходи так близко к поверхности, что ее можно добывать с помощью геотермальных буровых скважин.

Общее тепловое содержание первых 10 км земной коры составляет приблизительно калл, что в тысячи раз превышает теплообразовательную способность мировых запасов всех видов топлива.

Технически достижимые ресурсы геотермальной энергии ограничены общим тепловым содержанием верхних 10 км земной коры в границах суши, которая в топливном эквиваленте равняется 13 660 трлн. т у.т.

Пригодные для использования  геотермальные ресурсы составляют 137 трлн. т у.т., это составляет приблизительно 1 % общего теплосодержания верхней 10-километровой толщи земной коры. Основную их часть составляет энергия горячих горных пород, которая может быть получена при использовании циркуляционных систем. Соответственно этим данным на природный пар, воду и рассолы первых 10 км земной коры приходится лишь сотая часть ресурсов (1,4 трлн. т у.т.).

Добыча геотермальных  ресурсов осуществляется с помощью  систем, которые включают комплекс естественных или искусственных каналов и технических средств, обеспечивающих вывод теплоты из недр на земную поверхность.

Использование этой энергии  даже в небольшом объеме может  значительно изменить и улучшить энергетический баланс страны. Выполненные расчеты показывают, что внутри Земли помещается теплоты намного большее, чем можно было бы добыть ее в ядерных реакторах при расщеплении всех земных запасов урана и тория. Если человечество будет использовать только геотермальную энергию, минет 41 млн. лет прежде, чем температура недр Земли снизится только на полградуса.

Геотермальное теплоснабжение является достаточно хорошо освоенной  технологией.

В России наиболее перспективным  регионом для строительства ГеоЭС  является Камчатка, располагающая уникальными геотермальными месторождениями. Там действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт (э). В 1999г. введены в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт(э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт(э). Температура пароводяной смеси на выходе из скважин для этого месторождения составляет около 160⁰С, давление – около 7 бар.

3 Энергия биомассы

Первичная биомасса является продуктом преобразования энергии  солнечного излучения при фотосинтезе. К.п.д. фотосинтеза весьма низок (0,2-0,5%). Несмотря на это, ежегодно только на территории, занимаемой Россией, продуцируется до 14-15 млрд. тонн биомассы, энергия которой эквивалентна примерно 8 млрд. тонн условного топлива.

По оценкам экспертов  в энергетических целях в России технически возможно ежегодно использовать до 800 млн. т древесной биомассы, до 400 млн. т (по сухому веществу) органических отходов (от сельскохозяйственного производства – 250 млн. т, от лесной и деревообрабатывающей промышленности – 70 млн. т), до 60 млн. т твердых бытовых отходов городов и до 10 млн. т осадков коммунальных стоков.

В зависимости от свойств «органического сырья» возможны различные технологии его энергетического использования.

Для использования сухой  биомассы наиболее эффективны термохимические технологии (прямое сжигание, газификация, пиролиз и т.п.). Для влажной биомассы – биохимические технологии переработки с получением биогаза (анаэробное разложение органического сырья) или жидких биотоплив (процессы сбраживания).

Газификация древесных  отходов обеспечивает получение  топливного газа, основу которого составляет СО, Н₂ и N₂ и который может быть использован в качестве газообразного топлива в котельных, газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания.

В России имеется опыт создания и опытной эксплуатации установок тепловой мощностью от 100 кВт до 3 МВт, обеспечивающих производство топливного газа в объемах от 70 до 2500 м³/час, что соответствует объемам переработки древесных отходов от 40 до 2200 кг/час.

Прямое сжигание древесины  хорошо известно на бытовом уровне. Технологии энергетического использования древесных отходов постоянно совершенствуется.

Наиболее распространенным является перевод котельных с  жидкого топлива или угля на древесные отходы, что требует реконструкции топочных устройств и создания необходимой инфраструктуры хранения и подготовки топлива.

3.1 Биогаз

Из нетрадиционных источников энергоресурсов значительный интерес  во всем мире вызывает биогаз. Биогаз можно  добывать из органической массы растительного происхождения при ферментации ее анаэробными бактериями в метантенках.

Практически во всех странах  Западной Европы созданы национальные программы по получению и использованию биогаза. В основе технологий, результатом которых есть производство биогаза, есть анаэробная биотехнология, то есть ферментация органических веществ в условиях полного отсутствия кислорода.

Известно несколько  десятков микроорганизмов, которые  раскладывают сложные органические вещества на простые жирные кислоты  и свыше десятка, которые перерабатывают эти кислоты на метан и СО₂.

Если идет речь о биогазе, как правило, имеют в виду, что  источником его образования являются твердые органические отходы. Но есть еще и другой значительный потенциал получения биогаза путем анаэробной ферментации органических веществ растворённых в сточных водах, в особенности промышленных, где концентрация составляет десятки килограмм ХСК на 1 м³ воды. Больше всего растворённых органических веществ есть в сточных водах всех без исключения пищевых предприятий.

4 Тепловая энергия океана

Известно, что запасы энергии в  Мировом океане колоссальны, ведь две  трети земной поверхности (361 млн. км²) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км². Атлантического – 93 млн. км², Индийского – 75 млн. км². Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Последние десятилетие  характеризуется определенными  успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана – речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки.