Потребление энергии и эффективность энергоустановок

Потребление тепловой и электрической энергии происходит неравномерно в течение суток, недели, года. Это связано с особенностью работы промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных потребителей, электротранспорта.

Характер изменения потребления энергии удобно пред­ставлять в виде графиков тепловой и электрической нагрузок. Различают хронологические (календарные) графики и графики продолжительности нагрузки (рис. 6).

Первый, с характерными максимумами и минимумами, отражает последовательность изменения нагрузки во времени. Второй показывает продолжительность времени, в тече­ние которого имеются те или иные нагрузки.

Рис. 6. Суточные хронологический график (а) и график продолжи­тельности (б) нагрузки

Например, минимальная нагрузка имеет место в течение всех 24 ч суток. Кроме суточных строят также недельные, месячные и годовые графики максимумов нагрузок.

В зависимости от решаемых задач графики нагрузок могут характеризовать потребление энергии в энергетической системе в целом, отдельными потребителями в системе, отдельно на промышленном предприятии.

Изменение нагрузок может носить статический и динамический характер.

Статические нагрузки являются повторяющимися при неизменных составах потребителей и режимах потребления энергии.

Динамические нагрузки определяются изменением состава потребителей и режима потребляемой ими энергии.

Энергоустановки должны бесперебойно обеспечивать потребителей необходимым количеством энергии в соответствии с графиками нагрузки. Избыток электрической энергии можно передавать в сеть, в то время как теплоты должно производиться столько, сколько требуется потребителю. Иначе будут иметь место ее непроизводительные потери.

Наличие графиков нагрузки позволяет планировать оптимальную работу энергоустановок, которые имеют максимальный КПД на номинальном режиме. Это такой режим, который обеспечивает максимальную выработку энергии при минимальном потреблении первичной энергии в виде топлива.

Для того чтобы работа энергоустановок была эффективной, их разделяют по продолжительности работы на базовые, пиковые и полупиковые.

Базовые энергоустановки работают 6000-7000 ч в году, т. е. практически постоянно. Они обеспечивают при работе на номинальном режиме покрытие части графика нагрузки с минимальным потреблением энергии.

Пиковые энергоустановки работают периодически до 2000 ч в год и запускаются для покрытия нагрузки в зоне между максимальной Р_mах и средней Р_ср нагрузками.

Полупиковые энергоустановки покрывают часть графика в области между Р_ср и Р_тiп.

Кроме того, маневренность в выработке энергии повышается, когда энергетические установки имеют блочное исполнение. Отдельные блоки могут работать в пиковом режиме.

Комплексное применение базовых и пиковых энергоустановок, в том числе и в блочном исполнении, позволяет наиболее эффективно использовать первичную энергию топлива, так как они работают в оптимальном режиме покрытия нагрузок с максимальным КПД.

Нетрадиционная энергетика

Биоэнергетика

Методы конверсии биомассы. Сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные, принято называть биомассой.

Основа биомассы - органические соединения углерода, которые в процессе взаимодействия с кислородом при cгорании или в результате естественного метаболизма выделяют теплоту.

Первоначальная энергия биомассы возникает в процессе фотосинтеза под действием солнечного излучения. В обобщенном виде эту реакцию можно представить следующим образом:

Солнечная радиация

С0₂+2Н₂О => О₂+СН₂О+Н₂0

Среди основных энерготехнологических методов переработки биомассы можно выделить (рис. 7):

· термохимический метод;

· биохимический метод;

· агрохимический метод.

Рис. 7. Классификация основных типов энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы

Термохимический метод переработки биомассы. Пиролиз – процесс нагревания биомассы либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. КПД процесса пиролиза достигает 80-90%.

В качестве исходного энергетического продукта в процессе пиролиза могут использоваться:

· органическое топливо (уголь, сланцы, торф и т.д.);

· древесные отходы;

· сельскохозяйственные отходы (солома, ботва растений и т.п.);

· биобрикеты т.д.

Состав получаемых при этом вторичных энергетических продуктов чрезвычайно разнообразен. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса. Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, имеют несколько меньшую по сравнению с исходной биомассой суммарную энергию сгорания, но отличаются большей универсальностью применения:

· лучшей управляемостью процесса горения и соответственно повышением его энергоэффективности;

· большей технологичностью, более широким диапазоном возможных потребителей и соответственно более высокими экономическими и качественными показателями.

Газификация – способ ведения процесса пиролиза, при котором основным энергетическим продуктом является горючий газ. Газогенератор – устройство, в котором реализуется процесс газификации.

В состав образующегося в газогенераторе генераторного газа входят следующие горючие компоненты: окись углерода, водород, газообразные углеводороды, метан. Следует указать, что верхняя граница температуры прохождения реакции газогенерации ограничена значениями 1100-1200 ⁰С (температура плавления золы).

Биохимический метод переработки биомассы. Анаэробное разложение – процесс получения энергии из биомассы микроорганизмами (анаэробными бактериями) в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Полезный энергетический продукт этого процесса – биогаз.

Основное уравнение, описывающее процесс анаэробного разложения биомассы (на примере целлюлозы) имеет следующий вид:

С₆Н₁₀О₅ + Н₂О => 3СО₂ + 3СН₄.

Спиртовая ферментация – процесс получения этилового спирта в качестве энергетического продукта. Этиловый спирт (этанол) С₂Н₅ОН – летучее жидкое топливо, которое можно использовать вместо бензина.

В естественных условиях этанол образуется из сахаров соответствующими микроорганизмами в кислой среде (рН от 4 до5).

Основная реакция превращения сахарозы в этанол имеет следующий вид:

Дрожжи

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = 4С₂Н₅ОН + 4СО₂.

Жидкие топлива, и в частности этанол, отличаются чрезвычайной технологической эффективностью из-за удобства использования и хорошего управления процессом горения в двигателях внутреннего сгорания.

В качестве заменителя бензина этанол можно использовать в виде:

· 95%-го этанола в модернизированных двигателях;

· Смеси 100 %-го (обезвоженного) этанола с бензином в соотношении один к десяти в традиционных двигателях.

В настоящее время стоимость топливного этанола сравнима со стоимостью бензина, причем наблюдается тенденция ее снижения. Вместе с тем этанол характеризуется более высоким октановым числом.

Фотолиз– процесс разложения воды на водород и кислород под действием света. Если водород сгорает или взрывается в качестве топлива при смешении с воздухом, то происходит рекомбинация О₂ и Н₂.

Некоторые биологические организмы продуцируют или могут при определенных условиях продуцировать водород путем биофотолиза.

Подобный результат можно получить химическим путем без участия живых организмов в лабораторных условиях. Промышленного внедрения эти технологии еще не получили.

Агрохимический метод переработки биомассы. Экстракция топлив- процесс получения жидких или твердых топлив прямо от растений или животных.

Продукцию растений можно разделить на следующие категории:

- семена - подсолнечник с массовым содержанием масла до 50 %;

- орехи - пальмовое масло, копра кокосов с массовым
содержанием масла до 50 %;

- плоды - оливки;

- листья - эвкалипт с массовым содержанием масла до 25 %;

- сок растений - сок каучука;

- продукты переработки отходов растений - масла и
растворители до 15 % сухой массы (например, скипидар,
канифоль, маслянистые смолы и т. д.).

Возможна организация ферм по производству агрохимических топлив на основе перечисленных выше растений. Вместе с тем получаемые таким образом продукты по своим химическим свойствам могут быть гораздо ценнее, чем просто топливо.

В связи с этим более предпочтительным представляется способ получения агрохимических топлив, который основан на культивировании специализированных микроводорослей. Исследования возможности использования микроводорослей в процессе экстракции топлив показали, сто содержание в них углеводородов – основного горючего компонента – может быть довольно значительным. Так, в сухих клетках зеленой расы микроводоросли «ботриококкус браунии» содержится от 1 до 36% углеводородов, а в сухих клетках коричневой расы – до 86%. Предполагается, что залежи нефти обязаны своим происхождением предкам именно этих микроводорослей. Углеводороды, вырабатываемые «ботриококкус браунии», в основном локализованы на наружной поверхности клетки и могут быть удалены механическими методами. Оставшуюся биомассу можно подвергнуть гидрокрекингу, в результате которого получают 65% газолина, 15% авиационного топлива, 3% остаточных масел.