Распределенное производство электроэнергии
Новые технологии в мировой энергетике XXI века
Ученые и конструкторы во всем мире давно пытаются решить проблему исключения или хотя бы уменьшения огромных потерь энергии при передаче электроэнергии от вырабатывающих ее станций потребителям, находящимся зачастую на значительных расстояниях от источника энергии. О том, какую роль в решении этой проблемы может сыграть биомасса, рассказывают авторы этой публикации.
Рис. 1. Энергетические установки с двигателями
Стирлинга в административном здании
Сегодня промышленно развитые страны производят основную часть электроэнергии централизованно, на больших энергостанциях, таких как угольные, атомные и гидроэлектростанции или электростанции, работающие на природном газе. Современные крупные электростанции имеют довольно высокие энергетические показатели, но вынуждены передавать энергию конечным потребителям на большие расстояния.
Потери энергии - большая проблема
По мнению ведущих специалистов в области мировой энергетики, наиболее серьезным недостатком «большой энергетики» являются огромные потери полезной энергии при доставке ее от производителей конечным потребителям. Даже при применении самых последних достижений науки и техники в развитых странах эти потери составляют от 60 до 70%. Кроме того, создание крупных электростанций обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. Природоохранные ограничения, высокая стоимость земли и воды, значительные капитальные затраты, государственное регулирование и множество других препятствий создают трудности во всем мире для энергокомпаний, вынашивающих планы строительства новых мощных электростанций. Сейчас все большую привлекательность приобретает идея создания и объединения под единым управлением тысячи микрогенераторов, расположенных в жилом секторе, больницах, маленьких мастерских или небольших офисах.
В связи с этим одним из перспективных направлений развития мировой энергетики является создание инфраструктуры распределенного производства энергии - распределенной энергетики. Распределенное производство энергии (Distributed power generation) - концепция распределенных энергетических ресурсов - подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя излишки в общую сеть. Такая схема обеспечивает уменьшение потерь электроэнергии при транспортировке по причине максимальной приближенности электрогенераторов к потребителям электричества - вплоть до их расположения в одном здании, а также ведет к уменьшению количества и протяженности линий электропередачи (хотя бы потому, что не нужно будет строить новые).
Распределенное производство электроэнергии характеризуется малыми затратами на обслуживание, низким загрязнением окружающей среды и высокой эффективностью. В рамках этой концепции в качестве генераторов энергии выступают когенерационные установки малой и средней мощности, которые позволяют добиться высокой эффективности использования топлива - до 95% потенциальной энергии топлива.
Перспективы РПЭ и биомасса
Широкое использование биотоплива в энергетике отражает мировую тенденцию к энерго- и ресурсосбережению. Обращение к биоресурсам - это не возврат в прошлое, а разумный подход к экономике и экологии.
Наиболее интенсивно это направление развивается в странах, имеющих значительный запас биоресурсов (лесов, торфяных болот и т. д.), к которым относятся Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия, а также страны Балтии. Значительных результатов в использовании местных видов биотоплива достигла, например, Швеция. Природный газ как энергетическое топливо в шведской энергетике занимает не более 2%, и в то же время биоресурсы дают не менее 21% общего объема получаемой энергии. Такие же показатели использования биоресурсов характерны для топливного баланса других стран. В Австрии на биоресурсы приходится 12% общего объема вырабатываемой энергии, в Финляндии - 23%. В целом в странах Европейского союза около 14% общего объема энергии сегодня производится из биоресурсов. В развивающихся странах этот вид энергоресурсов составляет в среднем 20%, в ряде стран Африки - примерно 60%, в азиатских странах - 40%, в странах Латинской Америки - до 30%.
Биотопливо (биомасса) - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса подразделяется на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т. д.) и вторичную (отходы переработки первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных). В свою очередь, отходы также подразделяются на первичные - отходы при переработке первичной биомассы (соломы, ботвы, опилок, щепы, спиртовой барды и т. д.) и вторичные (продукты физиологического обмена животных и человека). Ежегодно воспроизводимый на земле энергетический потенциал растительной биомассы оценивается в 3•1021 Дж, что в десять раз больше объема мировой добычи ископаемых видов топлива.
Специалистами биомасса рассматривается как наиболее вероятный источник энергии после истощения запасов традиционных энергоносителей, поскольку многие виды биомассы имеют высокие энергетические показатели. Так, по теплотворной способности 1 т сухого вещества соломы эквивалентна 415 кг сырой нефти, теплотворность 1 кг пшеничной соломы и сухих кукурузных стеблей равна 15,5 МДж, соевой соломы - 14,9 МДж, рисовой шелухи - 14,3 МДж, подсолнечной лузги - 17,2 МДж. По этому показателю растительные отходы полеводства приближаются к дровам (14,6-15,9 МДж/кг) и превосходят бурый уголь (12,5 МДж/кг).
Традиционными для России, а также наиболее распространенными и доступными для населения возобновляемыми источниками энергии из биомассы являются древесина и торф.
Россия располагает огромным потенциалом избыточной биомассы (особенно в районах децентрализованного энергоснабжения), которая может быть использована как дешевый вид местного топлива. Такой вид топлива, как дрова, в настоящее время используют более 5 млн семей, потребляя свыше 50 млн м3 древесины в год. Централизованно топливоснабжающими предприятиями ежегодно реализуется около 6 млн м3 дров. Торф относится к возобновляемым ресурсам. Ежегодно в мире образуется почти 3 млрд м3 торфа, что примерно в 120 раз больше, чем используется. Торф оставался долгое время «кризисным топливом», однако в последнее время в некоторых европейских странах он перешел в разряд постоянного вида топлива для систем централизованного теплоснабжения. Калорийность сухого торфа довольно высока. Так, если при сжигании воркутинского угля выделяется от 3,5 до 4 тыс. ккал на килограмм, то в случае тщательно высушенного торфа - от 5 до 5,5 тыс. ккал.
При сгорании торфа выделяется почти в десять раз меньше серы, чем при сгорании угля, окружающая среда не загрязняется радионуклидами, как это происходит при сжигании не только угля, но и нефти и мазута. Торф можно сжигать в той же топке, где и древесную щепу, его энергоемкость почти такая же, как топлива из древесной массы, а использовать его можно и в обычном виде (высушенный сыпучий торф), и в виде брикетов.
Общие запасы торфа на территории Российской Федерации оцениваются в 162,7 млрд т (при влажности 40%). Наиболее значительные запасы торфа сосредоточены в северных районах европейской части страны, в Западной Сибири, на Урале и СевероЗападе. Запасы торфа могут при определенных условиях возобновляться.
Ежегодный прирост торфа на болотах России составляет 250 млн т. Запасы торфа только на разрабатываемых месторождениях позволяют довести объем его добычи в год до уровня, который эквивалентен 7% объема ежегодно потребляемого угля.
Кроме того, лесо и деревопереработка дают около 700 млн т отходов ежегодно (в лесопильном производстве России 50% древесины превращается в отходы, к которым добавляются соизмеримые по величине отходы деревообрабатывающих и мебельных предприятий). Общий объем органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 390 млн т в год.
Сельскохозяйственное производство дает 250 млн т, из них 150 млн т приходится на животноводство и птицеводство, а 100 млн т - на растениеводство и др.
Энергетические установки с двигателями Стирлинга
Рис. 3. Энергетическая установка, состоящая из
газогенератора и двигателя Стирлинга мощностью
3 кВт
Наряду с другими направлениями развития распределенной энергетики в настоящее время в России значительный интерес представляет серийное производство электрогенераторов на основе двигателей Стирлинга мощностью от 3 до 100 кВт с модификацией под местное биотопливо. Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). По сравнению с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) в двигателях Стирлинга процесс горения проходит вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно; рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя и плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура; при этом нет необходимости в газораспределительном механизме клапанов.
В качестве местного биотоплива для стирлинггенераторов могут использоваться все виды биоресурсов: торф, измельченный уголь, сланцы, биогаз, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Широкое применение энергетических установок с двигателями Стирлинга уже в ближайшее время позволит обеспечить многие регионы мира и России дешевыми в эксплуатации автономными источниками электроэнергии на местном топливе.
В настоящее время в мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшего совершенствования. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных видах топлива, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, высокие характеристики крутящегося момента - все эти параметры позволяют машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двигатели внутреннего сгорания.
Высокая экологическая чистота и эффективность обеспечивают перспективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках мощностью до 100 кВт для одновременной выработки электроэнергии и тепла непосредственно в местах их эксплуатации.
Применение когенерационных установок на основе двигателей Стирлинга позволяет на 40% снизить расход топлива на производство электроэнергии и тепла по сравнению с централизованным энергоснабжением. Себестоимость 1 кВт•ч электроэнергии, выработанной в когенерационной установке, в 3-4 раза ниже, чем в централизованных энергосистемах. Использование автономных когенерационных установок позволяет увеличить объем поставляемого потребителям тепла, горячей воды и электроэнергии без реконструкции старых, перегруженных сетей.
Эффективность двигателей Стирлинга в когенерационных установках по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами обусловлена особенностью теплового баланса двигателя Стирлинга, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет 10 и 40% соответственно, что, с учетом более высокого КПД самого двигателя, позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки. КПД современных зарубежных стирлинг-генераторов (с учетом получения тепловой энергии) может достигать 95%.
В настоящее время на мировом рынке уже появились когенерационные установки с двигателями Стирлинга, для которых в качестве топлива используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства.
Другим направлением применения стирлинг-генераторов является их использование в технологии газификации биомассы. Газификация древесных отходов обеспечивает получение топлива, основу которого составляют СО, Н2 и N2 и которое может быть использовано в качестве газообразного топлива для двигателей Стирлинга. Теплотворная способность генераторного газа, получаемого из древесины, обычно составляет 12-13 МДж/кг, удельная масса - от 1,10 до 1,15 кг/м3. Выход газа - 1,8-2,5 м3 на каждый килограмм газифицируемой биомассы. Благодаря высокой эффективности процесса газификации (выход генераторного газа - 85-90%) и удобству использования газа в качестве топлива, газификация является более чистым и эффективным способом получения тепла, чем сжигание твердого топлива в топке котла. Несомненным плюсом является то, что для работы газогенератора можно использовать древесное топливо низкого качества - опилки, стружку, измельченную кору.
На рис. 3 представлен общий вид экспериментальной энергетической установки, состоящей из газогенератора и двигателя Стирлинга мощностью 3 кВт.
Переработка древесных отходов методом пиролизного генерирования газа позволяет получать дешевую энергию. В основу работы газогенератора положен принцип преобразования твердого топлива в газообразное под воздействием высокой температуры без доступа кислорода. В результате процесса, называемого пиролизом, вырабатывается генераторный древесный газ. Конструкция газогенераторной установки предельно проста, в работе не требует специально обученного обслуживающего персонала. Газогенератор состоит из трех основных частей: камеры газообразования, камеры возгорания и загрузочного бункера. Детали установки, работающие при повышенной температуре, изготавливаются из жаропрочных материалов. Высокая рентабельность газовых стирлинг-генераторов определяется дешевизной электрической и тепловой энергии, использованием местных видов топлива, близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих электросетях и подстанциях, экологической безопасностью и мобильностью.
Заключение
Помимо повышения энергоэффективности децентрализованного энергоснабжения широкое внедрение автономных источников энергии на основе двигателей Стирлинга, работающих на биотопливе, обеспечивает и ощутимый социальноэкономический эффект. Это увеличение количества рабочих мест на всех стадиях добычи, производства, транспортировки и использования местных видов топлива, рост налоговых поступлений в федеральный, региональный и местные бюджеты, развитие новых направлений машиностроения, научно-исследовательских работ и отраслевых конструкторских разработок в этой области.
Николай КИРИЛЛОВ, д-р техн. наук, заслуженный изобретатель РФ,
Сергей ПЕРЕДЕРИЙ, компания EKO Holz und Pellethandel GmbH, Германия
