Статья: Инновационные технологии в области ВИЭ, разработанные в ВИЭСХ

Таблица 1. Доля биоэнергетики в мировой энергетике

Таблица 2. Темпы роста европейского рынка биотоплива

Биоэнергетика - единственный источник энергии для 2 млрд. человек с доходом 1 долл./сутки.

Европейский рынок биотоплива в 2010 году составил 28,2 млрд. долларов, что эквивалентно 102 млн. баррелей нефти, в 2015 году будет 56,6 млрд. долларов. Новая директива ЕЭС требует соблюдения принципа устойчивого развития при производстве биотоплива: не уменьшать качество жизни, не нарушать продовольственную безопасность, не увеличивать нормы выброса парниковых газов. С введением этой директивы связано снижение темпов роста европейского рынка биотоплива (таблица 2), поскольку для производства биотоплива первого поколения использовались продовольственные культуры.

Виды биотоплива: топливная древесина, древесный уголь, биодизель, биоэтанол, биогаз (метан), биоводород. Преимущества биотоплива: снижение зависимости от нефти, снижение выбросов парниковых газов. Для производства биотоплива первого поколения используются продовольственные культуры: кукуруза, рапс и др. Развитие биотоплива имеет значительные последствия для продовольственной безопасности и окружающей среды, в случае, если для производства биотоплива используются продовольственные культуры, земельные и водные ресурсы. Сырье для биотоплива второго поколения: целлюлозная биомасса энергетических плантаций, рисовая шелуха, отходы сахарного производства, сельскохозяйственные и городские отходы.

Применение биогазовых установок на животноводческих фермах обеспечивает получение дополнительной энергии в виде биогаза и высококачественных органических удобрений, а также позволяет значительно снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду.

Как теплоэнергетическое сырье навоз животных и помет птиц может служить для выработки горючего биогаза путем его аэробного и анаэробного метанового сбраживания. Из 1 тонны сухого вещества навоза в результате сбраживания при оптимальных условиях можно получить 340 м³ биогаза, или в пересчете на одну голову крупного рогатого скота (КРС) 2,5 м³ в сутки, а в течение года примерно 900 м³.

Стоимость биогазовой станции (БГС) - 4-6 млн. евро; время переработки - 20 дней (КРС), 55 дней (птицефабрика); санитарно-защитная зона свиноводческой фермы на 100000 голов: 12 км без БГС; 300 м с БГС.

В ГНУ ВИЭСХ в 2011 г. разработана установка для получения котельного биотоплива из органических отходов.

На рис. 6 представлены гидродинамические установки для смешивания многокомпонентных жидких сред разработки ГНУ ВИЭСХ.

а

б

Рис. 6Б. Установка для получения смесевого водомазутного топлива производительностью 2 тонны в час

Пиролизные энергетические установки используются для получения котельных топлив, пиролизного газа тепла и электроэнергии. Преимущества: нагрев до 700°С в отсутствии кислорода; продукты сгорания и зола, нетоксичны, нет сточных вод.

В таблице 3 показаны фракции биотоплива из сухой биомассы при различных температурах пиролиза.

Таблица 3. Фракции биотоплива из сухой биомассы при различных температурах пиролиза

Примеры. Пиролизный теплогенератор на биомассе с влажностью до 30% тепловой мощностью 1,5 МВт производства Псковского завода СПиКо. Разработаны пиролизные печи на биомассе с продолжительностью работы на одной закладке дров 3-6 суток. Пиролизные печи на пеллетах с ресурсом непрерывной работы в автоматическом режиме в течение всего отопительного сезона.

Мини-ТЭЦ с модулем пиролиза опилок разработки ГНУ ВИЭСХ показана на рис. 7.

Рис. 7. Образец мини-ТЭС электрической мощностью в диапазоне 30-100 кВт с модулем пиролиза производительностью 1 тонна растительного сырья в сутки

Жидкое топливо может использоваться в качестве печного топлива в котельных, а после модификации в качестве моторного топлива [5-8]. Себестоимость жидкого топлива при цене сырья 20 долл./т составляет 200 долл./т. Затраты энергии на собственные нужды не превышают 15 % от энергии перерабатываемого сырья.

Пиролизные энергетические установки используются для получения котельных топлив, пиролизного газа тепла и электроэнергии. Преимущества: нагрев до 700°С в отсутствии кислорода; продукты сгорания и зола, нетоксичны, нет сточных вод.

Разработаны пиролизные печи на биомассе с продолжительностью работы на одной закладке дров 3-6 суток. Пиролизные печи на пеллетах с ресурсом непрерывной работы в автоматическом режиме в течение всего отопительного сезона.

В России находятся в эксплуатации 80000 паровых котельных с производительностью 10-100т/час и давлением пара 13 ати для новых котлов и 7-8 ати для старых котлов. Неиспользуемый перепад давления пара 3-6 ати с расходом 6-50т/час можно использовать для получения 200-1500 кВт электрической мощности в паровых винтовых машинах и паровых поршневых машинах. Паровые винтовые машины разработаны в России, защищены 25 патентами. Удельный расход топлива 140-145 г. у.т./кВтч, электрическая мощность 800 кВт, срок окупаемости 1,5 года. Паровые поршневые машины потребляют до 40 т пара в час при давлении пара 6-60 бар, электрическая мощность до 1500 кВт.

Разработаны новые сорта быстрорастущих деревьев и растений (рис. 8) для энергетических плантаций.

Площадь энергетических плантаций, необходимая для производства жидкого топлива и электроэнергии по новой технологии, составляет:

- жидкое топливо: в объеме 1 млн. тонн (15% от потребности) - 250 тыс. га;

Рис. 8. Энергетические плантации Сорго в Ростовской области селекции чл.корр. РАСХН Б.Н. Малиновского (справа). Урожайность 80 т/га, выход биотоплива 7 т/га

- электроэнергия: в объеме 9 млрд. кВтч (15% от потребности) - 150 тыс. га.

- для обеспечения сельского хозяйства РФ на 100% в топливе и электроэнергии - 3,5 млн. га.

В таблице 4 представлены объемы производства масла из различного сырья с одного гектара [10]. Микроводоросли, используемые для производства биотоплива третьего поколения, имеют выход с одного гектара в 60 раз больше, чем рапс и другие продовольственные культуры. [10]. Основные компоненты закрытых фотобиореакторных систем: реакторные емкости, источник освещения, система очистки, система регулирования параметров, система сбора продуктов.

Таблица 4. Объемы производства масла из различного сырья с одного гектара

Завод по производству биодизеля снабжается растительными маслами, полученными при экстракции сырья, производимого на фермах по промышленному выращиванию водорослей; остаточная биомасса перерабатывается в биоэтанол и используется для кормления животных; завод по производству биодизеля и комплекс водорослевых ферм использует непитьевую (техническую) или соленую воду; не потребляет традиционные топлива (нефть, уголь), а самообеспечивается электрической и тепловой энергией; комплекс не загрязняет окружающую среду выбросами углекислого газа, а использует СО₂ в замкнутом цикле.

матричный солнечный кремний биомасса

Литература

1. Renewable Energy Focus, March/April 2011, p. 1, 4. 52-54.

2. Photon International, March 2011, p. 1. 186.

3. Bioenergy International, 2011, № 3 (20), p. 14.

4. Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2007, 315 с.

5. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2009, т. 1, 118 с, т. 2, 227 с, т. 3310 с.

6. Стребков Д.С., Некрасов А.И., Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2008, 351 с.

7. Bioenergy International, 2011, № 3 (20), p. 14.

8. Стребков Д.С. Энергетическое использование биомассы. // Возобновляемая энергия, 1998, № 3, с. 9-12.

9. Strebkov D.S., Bezrukikh P.P., Tyukhov I.I. Biomass energy conversion in Russia World Renewable Energy Congress. Energy Efficiency, Policy and the Environment, 1998, Italy, Florence, p. 2012-2015.

10. Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей. -М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2008, 251 с.