Возобновляемые источники энергии

Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно  на гидротермальном пару. Пар поступает  непосредственно в турбину, которая  питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также  отпадает необходимость в транспортировке  и хранении топлива). Это старейшие  геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена  в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

 

 

 

 

Геотермальные электростанции на парогидротермах Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

 Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии. Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

2.3.2. Тепловые насосы.

Одним их приоритетных направлений  развития альтернативной энергетики в  мире является освоение низкопотенциальной энергии Земли (тепла грунта, грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированное в поверхностных слоях земной коры).

 Низкопотенциальные геотермальные ресурсы (НГР) могут использоваться для обеспечения тепло- и хладоснабжения (кондиционирования), горячего водоснабжения зданий и сооружений всех типов, а также энергоснабжения технологических процессов. Технология их освоения заключается в использовании систем извлечения энергии, ее обработки и доставки теплоносителя к потребителю. Главным компонентом подобных систем являются геотермальные тепловые насосы (ГТН).

Геотермальные тепловые насосы представляют собой устройства, осуществляющие обратный термодинамический цикл, благодаря  чему низкопотенциальная энергия переносится на более высокий уровень.

 Помимо геотермального тепла, источником энергии для тепловых насосов может служить тепло сточных и оборотных вод, что позволяет параллельно решать проблему эксплуатации вторичных энергоносителей.

 На сегодняшний день используются  парокомпрессионные геотермальные  тепловые насосы (ПТН), работающие  на хладонах, и адбсорционные геотермальные тепловые насосы (АТН), в которых рабочими веществами выступают вода и водный раствор бромистого лития. Однако, в связи с меньшей эффективностью и сложностью конструкции, АТН не получили распространения.

 

 

Принцип работы теплового  насоса

Тепловой насос – это устройство, которое работает по принципу обратной холодильной машины, передавая тепло  от низкотемпературного источника  к среде с более высокой  температурой, например системе отопления вашего дома.

Каждая теплонасосная система имеет следующие основные компоненты:

- бак-аккумулятор – теплоизолированная  ёмкость для воды, предназначена  для накопления горячей воды, с целью выравнивания тепловых  нагрузок системы отопления и  горячего водоснабжения, а также  увеличивает срок работы теплового насоса.

- первичный грунтовый контур  – закрытая циркуляционная система, которая состоит из испарителя (теплового насоса), циркуляционного насоса грунтового контура, трубопроводов, и служит для передачи тепла от грунта к тепловому насосу.

- вторичный грунтовый контур  – закрытая система, которая  состоит с конденсатора (теплового  насоса), циркуляционного насоса, трубопроводов,  и служит для передачи тепла  от теплового насоса к системе  отопления в доме.

Принцип работы теплового насоса похож  к работе обыкновенного холодильника, только наоборот. Холодильник отбирает тепло от пищевых продуктов и  переносит его наружу. Тепловой насос  переносит тепло, накопленное в  почве, земле, водоеме, подземных водах  или воздухе, в Ваш дом. Как  и холодильник, этот энергоэффективный теплогенератор имеет следующие основные элементы:

- конденсатор (теплообменник, в  котором происходит передача  тепла от хладагента к элементам  системы отопления помещения:  низкотемпературным радиаторам, фанкойлам, теплому полу);

- дроссель (устройство, которое служит  для снижения давления, температуры  и, как следствие, замыкания  теплофикационного цикла в тепловом насосе);

- испаритель (теплообменник, в котором  происходит отбор тепла от  низкотемпературного источника к тепловому насосу);

- компрессор (устройство, в которое  повышает давление и температуру  паров хладагента).

 

Виды тепло съема тепловым насосам.

1) Земляной горизонтальный контур

Использует энергию, накопленную  на поверхности земли (глубина от 1м до 2,5 м).Летом Тепловой насос забирает лишнее тепло из дома и переносит его под землю. Зимой Тепловой насос забирает накопленное за лето тепло и отдаёт обратно в дом

2) Земляной вертикальный контур

Использует энергию, накопленную  в глубине земли (глубина 30-200 м). Бурится  вертикальная скважина и в неё  опускается замкнутая труба, по которому течёт теплоноситель. Тепло уносится грунтовыми водами летом и подается зимой.

3) Подземные воды

Использует энергию, грунтовой  воды.Грунтовые воды круглогодично имеют температуру +5+12 С.Даже в самый сильный мороз Вы получите «бездонный» источник тепла, а летом – приятную прохладу

4) Энергия водоёма

Использует энергию, накопленную  в летний период водоёма. Энергия водоёма имеет зимой температуру +3 +5 С .Даже в самый сильный мороз Вы получите «бездонный» источник тепла, а летом – приятную прохладу.

 

 

Преимущества и недостатки теплового насоса

Преимущества

- Высокая экономичность. 

- Не требует постоянного сервисного обслуживани.

- Длительный срок эксплуатации (до 50 лет).

- Экологически чистая и безопасная систем.

- Возможность использования в одной установке нескольких систем (отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование.

- Низкий уровень шумов.

- Срок окупаемости установки от 3-х до 5-ти лет.

Недостатки

- Высокая начальная стоимость оборудования и установки внешнего коллектора или скважины забора воды.  

 

 

 

 

 

 

 

2.3.3. Преимущества и недостатки геотермальной энергетики.

Основной недостаток геотермальной  энергии – необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный  водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой  минерализации термальных вод большинства  месторождений и наличии в  воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев  исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности  природные водные системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии  приводят к тому, что для   практического  использования теплоты геотермальных  вод необходимы значительные капитальные  затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной  воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

2.3.4. Вывод.

Всего в России можно  выделить три основные зоны, в зависимости  от типа и возможностей использования  геотермальной энергии:

 Камчатка и Курилы  — наиболее «горячие»точки;

 Северный Кавказ  и зона, прилегающая к Байкалу,  где возможно использование глубинных  вод для теплоснабжения;

 Потенциально обширная  территория, охватывающая 2/3 России, где  возможно использование низкопотенциальной энергии с помощью тепловых насосов.

 Принципом теплового  насоса, используемым в большом  масштабе, можно назвать и петротермальную энергетику, использующую энергию фонового теплового потока, исходящего из недр Земли.

Геотермальная энергетика России ориентирована как на строительство  «гигантов» (крупных объектов), так  и на использование геотермальной  энергии для отдельных домов, школ, больниц, частных магазинов  и других объектов мощностью 0,1-0,4 МВт  с использованием геотермальных  циркуляционных систем.

 В настоящий момент  в России разведано около полусотни  геотермальных месторождений. Для  дальнейшего развития геотермальной  энергетики необходимы инвестиции  и поддержка государства. Введение  геотермальной энергетики в энергобаланс  страны позволит, с одной стороны,  повысить энергетическую безопасность, с другой - снизить вредное воздействие  на экологическую обстановку  по сравнению с традиционными  источниками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Биогазовая энергетика.

Биогаз — газ, получаемый метановым брожением биомассы. В результате биохимической реакции, в которой принимают участие метановые бактерии, выделяется биогаз, его основными составляющими являются: метан (СН₄, около 70%), углекислый газ (СО², около 30%) и некоторое количество H₂, H₂S, N₂. Теплотворная способность данной газовой смеси от 5000 до 8000 Ккал/м3, в зависимости от состава органических отходов.

 

 

            2.4.1.   Получение биогаза.

Суть процесса получения биогаза  в биореакторе сводится к следующему:

• загрузка реактора измельченными органическими отходами,
• создание условий для начала химической реакции разложения органики,
• отвод полученного биогаза и его накопление с одновременным созданием необходимого рабочего давления,
• вывод твердых фракций за пределы реактора, полученных в результате реакции разложения.

Теперь более подробно о каждом процессе.

 

 

2.4.2. Сырьё:

навоз и помет птиц, растительные и молочные отходы, энергетические культуры (силосная кукуруза).

Следует отметить, что для большей  эффективности, растительные отходы следует  измельчать до минимально возможных размеров и готовить смесь.

Пропорциональное смешение органики с целью повышения объема выхода биогаза:

• навоз КРС + помет птиц дает увеличение выхода биогаза на 6%
• навоз КРС + куриный помет + навоз свиней (1 : 0,5 : 0,5) – на 11%
• навоз КРС + свиной – на 7%
• навоз КРС + сосняки (опавшая хвоя) – на 5%
• надо заметить, что птичий помет в чистом виде не может перерабатываться в биогаз в обычном реакторе поскольку содержат высокий уровень кислот, при котором метановые бактерии погибают (на птицефабриках дополнительно используют реактор гидролиза)
• наличие большого количества мочи не способствует увеличению выхода биогаза, зато, сказывается на азотонасыщенности конечных твердых фракций; вода так же является лишь источником разжижения массы для ускорения реакции и ее (воды) объем на увеличении количества биогаза не отражается (достаточная влажность биосырья должна составлять 60-70%).

В принципе, процесс биореакции в закрытом пространстве (анаэробное сбраживание), со временем, начинается сам по себе, но существенно замедляется при низких температурах воздуха. Наиболее оптимальная температура для поддержания биологической активности метановых бактерий 30-40⁰С. Для искусственного ускорения начала процесса применяют подогрев биомассы с помощью обычного обогревателя-змеевика до температуры +38⁰С. Метантек (биореактор) с целью поддержания температурного режима тщательно теплоизолируют.

Для увеличения скорости брожения и  образования биогаза применяют  механическое перемешивание биомассы в биогазовой установке. Этот прием позволяет существенно сэкономить на объеме реактора, так как при отсутствии данной процедуры для получения того же объема биогаза потребуется реактор больших размеров.

На процесс брожения влияют и  химические показатели, в частности, уровнь РН: если он высок, процесс существеннно замедляется либо вовсе останавливается.

Замедлению реакции сбраживания способствует наличие в биомассе сырья, содержащего антибиотики, консерванты и остатки моющих средств. Поэтому отходы жизнедеятельности человека малопригодны для биогазовых реакторов.

С целью ускорения биопроцесса в метантеках применяются стимулирующие добавки.

В примитивных биогазовых установках биогаз скапливается под тяжелой  крышкой реактора, доводится до определенного  давления и после отводится в  систему газопотребления. В качестве газгольдера на подворье может служить и внешняя установка наподобие кузнечных мехов. Для поддержания необходимого давления в данной конструкции используется гнет.      

2.4.3.  Типы биогазовых установок.

По типу конструкции биогазовые установки бывают следующих типов:

- без обогрева и без промешивания ферментируемой органики в реакторе;

- без обогрева, но с промешиванием органической массы;

- с обогревом и промешиванием;

- с обогревом, с промешиванием и с приборам, позволяющими контролировать и управлять процесс ферментации.

Биогазовая установка первого  типа подходит для небольшого хозяйства  и рассчитана на психрофильные бактерии: внутренний объем биореактора 1-10 м³ (переработка 50-200 кг навоза за сутки), минимальная комплектация, полученный биогаз не хранится — сразу поступает к потребляющим его бытовым приборам. Такую установку можно использовать только в южных районах, она рассчитана на внутреннюю температуру 5-20 °С. Удаление ферментированной (сброженной) органики производится одновременно с загрузкой новой партии, отгрузка выполняется в емкость, объем которой должен быть равным или больше внутреннего объема биореактора. Содержимое емкости храниться в ней до введения в удобряемую почву.