Потенциал использования биомассы в Беларуси

Биогаз из отходов животноводства.Потенциал использования биомассы в Беларуси. Источинк: ОО "Белорусское Отделение Междунарожнгой Академии Экологии". 03.11.2006 г.

Биогаз возникает при ферментации органических веществ, таких как навозная жижа, навоз, жидкое навозное удобрение, растения, пищевые отходы. Если органический материал складируется без доступа воздуха (анаэробно), то при воздействии связывающих метан бактерий (кокки, палочки, спирали, спирохеты, микоплазмы и нитевые бактерии) начинается биологический процесс, при котором образуется газ. Это и есть биогаз.

Образующийся биогаз состоит в основном из:

ВЕЩЕСТВО ХИМ.ФОРМУЛА СОДЕРЖАНИЕ, %

Метан CH₄ 40-75

Углекислый газ CO₂ 25-55

Водяной пар Н₂О 0-10

Азот N₂ <5

Кислород O₂ <2

Водород H₂ <1

Сероводород H₂S <2

Аммиак NH₃ <1

Теплота сгорания на 1 м³ биогаза соответствует в зависимости от содержания метана 6,4 киловаттчасов (кВт·ч). Из этого количества можно произвести, в зависимости от эффективности блочной тепловой установки, до 2кВт·ч электрической энергии и 2кВт·ч тепла (за вычетом теплоты при процессе).

Рис. 8. Область применения биогаза

Биогазогенератор – устройство, в котором реализуется процесс преимущественного получения СН₄ посредством анаэробного разложения исходной биомассы. Конструкции биогазогенераторов отличаются чрезвычайным разнообразием как по организации собственно технологического процесса анаэробной переработки биомассы, так и по составу исходного продукта (рис.9).

Рис. 9. Технологические схемы китайского биогазогенератора (а) и установки для промышленной переработки отходов животноводства (б):

1- ввод материала; 2- газопровод; 3 – съемная крышка; 4 – вывод переработанного материала; 5 – разделительная стенка; 6 – ферментатор; 7 – газ; 8 – ферма; 9 – навозоприемник; 10 – насос; 11 – метантенк; 12 – газгольдер; 13 – теплообменник; 14 – котел; 15 – переработанный остаток

Результаты испытаний биогазовых установок для производства биогаза из отходов животноводческих комплексов подтвердили требование комплексной оценки их эффективности, так как их использование только для получения биогаза экономически не конкурентоспособно с другими видами топлива. Основная составляющая эффекта состоит в том, что без дополнительных энергетических затрат можно получить экологически чистое высококачественное органическое удобрение и вследствие этого пропорционально сократить энергоемкое производство минеральных удобрений.

Применение биогазовых установок позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных ферм и животноводческих комплексов, а также на посевных площадях, куда в настоящее время сбрасываются отходы животноводства.

На данный момент в Беларуси смонтировано три биогазовые установки. Одна из установок мощностью 330 киловатт построена в районе города Заславля в птицеплемпредприятии "Белорусское", другая - мощностью 500 киловатт - в Брестской области в свинокомплексе "Западный", третья на Гомельской птицефабрике.

На Гомельской птицефабрике содержится около 500 тыс. кур-несушек, которые ежедневно производят 90 тонн помета. Учитывая результаты химического анализа навоза одной из белорусских птицефабрик, проведенного германскими специалистами, предполагается, что ежедневная

выработка биогаза превысит 4,5 тыс. кубических метров /куб.м./, а годовая составит около 1,7 млн. куб.м. Такого объема газа достаточно для производства 2863,4 МВт.ч электрической энергии и 3 690,5 МВт.ч тепловой. Помимо получения тепловой и электрической энергии, биогазовые установки позволяют без дополнительных затрат перерабатывать навоз в высококачественное и экологически чистое удобрение, не требующее дополнительной дезинфекции. (www.belaruspartisan.org)

Специалисты отметечают, что при реализации вырабатываемой электрической энергии в энергосистему, а тепловой - на поддержание техпроцесса предприятия срок окупаемости такой установки, без учета доходов от реализации органических удобрений, не превысит 5 лет.

Потенциал самообеспечения Беларуси возобновляемыми источниками энергии за счет использования биогаза, по прогнозам специалистов, составляет не менее 15% от нынешнего объема потребления традиционных источников энергии.

Отходы растениеводства

Потенциал использования биомассы в Беларуси. Источинк: ОО "Белорусское Отделение Междунарожнгой Академии Экологии". 03.11.2006 г.

Использование отходов растениеводства в качестве топлива является принципиально новым направлением энергосбережения. Практический опыт их применения в качестве энергоносителя накоплен в Бельгии и Скандинавских странах, а в нашей республике опыт массового применения отсутствует. Общий потенциал отходов растениеводства оценивается до 1,46 млн. т у т в год. Целесообразные объемы их сжигания для топливных целей следует решать в сопоставлении с конкретными нуждами хозяйств в индивидуальном порядке, а к концу прогнозируемого периода (2005 г.) эта величина не превысит 20 тыс. т у т.

Дрова и древесные отходы

Централизованная заготовка дров и отходов деревообработки осуществляется предприятиями Министерства лесного хозяйства и концерна "Беллесбумпром". Наряду с использованием отходов деревообработки для получения тепла целесообразно предусмотреть экономически обоснованное вовлечение лигнина в топливный баланс республики. В целом по республике годовой объем использования дров и отходов лесопиления составлял около 1,0-1,1 млн. тут. Часть дров поступает населению за счет самозаготовок, объем которых оценивается на уровне 0,3-0,4 млн. тут. Предельные возможности республики по использованию дров в качестве топлива можно определить, исходя из естественного годового прироста древесины, который приближенно оценивается в 25 млн. куб.м или 6,6 млн. тут. в год, в т.ч. в загрязненных районах Гомельской области 20 тыс.куб.м или 5,3 тыс.т У.т. Для использования древесины из данных районов в качестве топлива необходимо разработать и внедрить технологии и оборудование по газификации и параллельной дезактивации. Исходя из планируемого к 2015 г. роста заготовок древесины в 2 раза, а также с учетом увеличения объемов использования отходов деревообработки, лесопиления и переработки древесины прогнозируемый годовой объем древесного топлива к 2005 г. может возрасти до 1,6 млн. тут.

Фитомасса

В качестве сырья для получения жидкого и газообразного топлива можно применять периодически возобновляемый источник энергии фитомассу быстрорастущих растений и деревьев. В климатических условиях республики с 1 га энергетических плантаций собирается масса растений в количестве до 10 т сухого вещества, что эквивалентно примерно 5 тут. При дополнительных агроприемах продуктивность гектара может быть повышена в 2 раза. Из этого количества фитомассы можно получить 5-7 т жидких продуктов эквивалентных нефти. Наиболее целесообразно использовать для получения сырья площади выработанных торфяных месторождений, на которых отсутствуют условия для произрастания сельскохозяйственных культур. Площадь таких месторождений в республике составляет около 180 тыс.га, которая может стать стабильным, экологически чистым источником энергетического сырья в объеме до 1,3 млн. тут в год. Отсутствие опыта массового использования фитомассы для энергетических целей не позволяет сделать оценку затрат и будущих цен на топливо, т. к. для этой цели потребуется разработка специальной техники, дорожная инфраструктура, перерабатывающие предприятия и т.д. Однако по укрупненным расчетам цена составит около 35$/тут За счет названного источника к 2005 г. может быть получено не более 20 тыс. тут. Вопросы цены и объемов требуют уточнения после освоения опытных площадей, которые засеяны в Гомельской области.

Гидроэнергетика

Мини-ГЭС и малые ГЭС.

К нетрадиционной энергетике относят мини-ГЭС и малые ГЭС. До сих пор нет общепринятого понятия малой гидроэлектростанции (МГЭС). В большинстве государств в качестве основной характеристики принята установленная мощность ГЭС. Чаще всего – как, например, в Австрии, Германии, Испании, Польше и ряде других стран – к МГЭС причисляют гидроэнергетические установки, мощность которых не превышает 5 МВт. В Латвии и Швеции эта планка снижена до 2 МВт, а в Греции, Ирландии и Португалии, наоборот, повышена до 10 МВт.

В США после того, как там начали стимулировать развитие малой гидроэнергетики, верхний предел мощности, характеризующий МГЭС, поэтапно увеличивался и в 1980 году достиг 30 МВт. В Советском Союзе в 1986 году был утвержден СниП, в соответствии с которым к малым были отнесены ГЭС с установленной мощностью до 30 МВт при диаметре рабочего колеса турбины до 3 метров.

Нижним же пределом мощности МГЭС принято считать 0,1 МВт. Если меньше, то это уже, микроГЭС.

В Беларуси малыми считаются ГЭС с установленной мощностью до 6 МВт. Подобная градация вызвана экономическими соображениями. Согласно принятому правительством в 1997 году постановлению «О развитии малой и нетрадиционной энергетики», был установлен двойной тариф на вырабатываемую МГЭС электроэнергию, которую закупает концерн «Белэнерго».

Принцип действия ГЭС.

Источником гидроэнергии является преобразованная энергия Солнца в виде запасенной потенциальной энергии воды, которая затем преобразуется в механическую работу и электроэнергию. Действительно, под действием солнечного излучения вода испаряется с поверхности озер, рек, морей и океанов. Пар поднимается в верхние слои атмосферы, образуя облака; затем он, конденсируясь, выпадает в виде дождя, пополняя запасы воды в водоемах.

Потенциал гидроресурсов определяется объемным расходом потока Q (м³/с) и высотой падения потока или напором H (м). Максимальная мощность P_o (Вт), развиваемая потоком падающей воды без учета потерь напора,

, (1)

где ρ - плотность, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Преобразование потенциальной энергии воды в электрическую производится на гидроэлектростанции (рис. 10).

Рис. 10. Схема гидроэлектростанции

Поддержание постоянного напора H осуществляется с помощью плотины, которая образует водохранилище, служащее аккумулятором гидроэнергии. В связи с этим при строительстве ГЭС предъявляются определенные требования к рельефу местности, который должен позволить организовать водохранилище и создать требуемый напор за счет плотины. Все это связано со значительными затратами, и стоимость строительных работ может превышать стоимость оборудования ГЭС. Вместе с тем удельная стоимость электроэнергии, генерируемой ГЭС, является самой низкой по сравнению с себестоимостью энергии, производимой другими источниками. Как правило, срок окупаемости малых ГЭС не превышает 10 лет.

Для преобразования энергии воды в механическую работу используются гидротурбины (рис. 11).

Рис. 11. Схемы активной (а) и реактивной радиально-осевой (б) гидротурбин:

1 – вход; 2 – спиральная камера; 3 – неподвижные лопатки направляющего аппарата; 4 – выход; 5 – вращающиеся лопатки.

Различают активные и реактивные гидротурбины. В активной турбине кинетическая энергия потока преобразуется в механическую. Дополнительные устройства, обеспечивающие работу турбины, - водовод и сопло. Из сопла выходит струя, обладающая кинетической энергией, которая направляется на лопасти турбины, находящейся в воздухе. Сила, действующая со стороны струи на лопасти, приводит во вращение колесо турбины, с валом которого непосредственно или через привод сопряжен электрогенератор. КПД реальных турбин колеблется от 50 до 90%. В гидротурбинах малой мощности КПД ниже. Максимальное значение КПД, равное 100%, может быть достигнуто, если струя после взаимодействия с лопатками будет двигаться вертикально вниз только под действием силы тяжести. КПД активной гидротурбины может быть повышен за счет ограниченного увеличения числа сопел, так как при большом их количестве будет сказываться взаимное влияние струй.

В реактивной гидротурбине рабочее колесо полностью погружено в поток, который постоянно воздействует на лопасти турбины. В наиболее распространенной турбине Фрэнсиса вращение колеса осуществляется за счет разновидности давлений потока на входе и выходе. Вода поступает в рабочее колесо радиально. Зазор между рабочим колесом и камерой – переменный. После взаимодействия потока с колесом он разворачивается на 90^°. Переменный зазор и поворот потока повышают эффективность турбины. Имеются и другие конструктивные решения реактивных гидротурбин, например пропеллерная гидротурбина Каплана. Однако этот тип турбин распространен в меньшей степени из-за больших перепадов давления.

Полный КПД гидроэлектростанции определяется потерями в водоводе и в каналах, турбине и генераторе. Рабочий напор определяется по соотношению

Нв = Н_t – Н_f,

где Н_t – полный напор; Н_f – потери на трение в водоводах и каналах. Рекомендуется, чтобы Н_f ≤ Н_t /3.

В общем случае полный КПД гидроэлектростанции определяется по соотношению

,

где Р_э- мощность, снимаемая с клемм электрогенератора;

η_м – механический КПД турбины;

η_э – электрический КПД генератора.

КПД современных турбогенераторов не превышает 86%.

Гидроэнергетический потенциал Беларуси. По материалам Рекам придется напрячься Журнал «PRO электричество» № 3(23)-200708.05.2008 г.

На просторах Беларуси насчитывается более 20,8 тысячи рек и ручьев общей протяженностью 90,8 тысячи километров. Их суммарный сток составляет 58 кубических километров. К крупным рекам относятся Днепр, Неман, Припять, Западная Двина, Сож, Березина. Путь этих рек по нашей земле составляет сотни километров.

По центру равнинной территории Беларуси проходит водораздел между бассейнами Балтийского и Черного морей (примерно 46 процентов балтийского речного стока, 55 процентов черноморского). Причем есть уникальное место, где на площади менее 5 километров берут начало две реки, одна из которых взяла курс на Балтику, а вторая устремилась в теплые края. Однако для развития гидроэнергетики это проигрышная ситуация: зарождающиеся на территории Беларуси реки обретают мощь уже за ее пределами, что предопределяет строительство в нашей стране главным образом малых гидроэлектростанций.

В 1950-1960 годы в республике было построено более 170 небольших ГЭС общей мощностью около 20 тысяч кВт с годовой выработкой электроэнергии в средний по водности год 88 миллионов кВт·ч. Наиболее крупная – Осиповичская ГЭС (проектная мощность 2175 кВт) – возведена на реке Свислочь. Эксплуатировать ее начали более полувека назад, в 1953 году, и она до сих пор исправно обеспечивает город Осиповичи электроэнергией, вырабатывая ее до 10 миллионов кВт·ч в год. На Осиповичской ГЭС установлены три турбины мощностью 725 кВт каждая. Обычно работают две турбины, третья включается во время паводка или большого количества осадков.

Малые гидроэлектростанции неплохо потрудились на колхозы и совхозы. В 1959 году сельское хозяйство Беларуси получало от ГЭС 20 процентов всей потребляемой им электроэнергии. Но как только у сельских потребителей появилась возможность подключиться к государственным энергосистемам, дальнейшее развитие малой гидроэнергетики оказалось нецелесообразным. Большинство микро-ГЭС (до 100 кВт), принадлежавших в основном колхозам, было выведено из эксплуатации.

Состояние гидроэнергетики страны характеризуется соотнесением запасов ее гидроэнергетических ресурсов (гидроэнергопотенциала рек) и масштаба их освоения. Так называемый теоретический потенциал наших рек оценивается примерно в 7,5 миллиарда кВт·ч в средний по водности год. Технический потенциал (то, что может быть использовано путем выработки электроэнергии на ГЭС или иными техническими средствами) составляет 2,5­3 миллиарда кВт·ч/год. Но при этом в расчет берется прежде всего экономическая целесообразность строительства и эксплуатации ГЭС. Иными словами, чем выше цены на топливо, тем выгоднее становится гидроэнергетика.

Несколько лет назад методические указания по оценке экономического гидропотенциала рек Беларуси были разработаны Центральным научно­исследовательским институтом комплексного использования водных ресурсов (ЦНИИКИВР). В нашей стране пока освоено только 3 процента имеющегося экономического гидроэнергетического потенциала, тогда как в Литве – 30 процентов, в Польше – 44 процента.

Как уже отмечалось, территория Беларуси равнинная, поэтому здесь могут быть использованы только низконапорные гидроэнергетические объекты. И если на Днепре и в бассейне Припяти возможности строительства гидроэлектростанций ограничены из-за огромных площадей затапливаемых земель при создании водохранилищ, то на притоках Днепра, а также в бассейнах Западной Двины и Немана имеются условия для создания достаточно экономичных и экологически безопасных гидроэлектростанций.

По сравнению с тепловыми электростанциями у ГЭС есть целый ряд преимуществ:

– отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу;

– относительно низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии (примерно в десять раз ниже, чем у вырабатываемой на тепловых электростанциях);

– высокая маневренность в процессе обеспечения потребителей электроэнергией, что позволяет вырабатывать более дорогую пиковую электроэнергию, тарифы на которую в несколько раз превышают тарифы на базовую электроэнергию;

– возобновляемость (неистощимость) энергоресурсов рек;

– возможность улучшения многоцелевого (комплексного) водопользования вследствие создания водохранилищ ГЭС.

Вместе с тем создание ГЭС связано с большими удельными первоначальными затратами (капитальными вложениями), которые на 1 кВт мощности в два и более раза выше, чем при строительстве тепловых электростанций. Но при этом следует учитывать, что половина стоимости 1 кВт·ч электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях, – это цена газа или мазута.

Оценка экономического гидроэнергопотенциала наших рек показала, что в Беларуси выгодно строить ГЭС, если удельные капитальные вложения на 1 кВт ее установленной мощности не превышают 2750 долларов США.