Джерела енергії
Тема уроку № 11 Джерела енергії
План
Енергія вітру
Гідроенергетика
Енергія хвиль та припливів
Біоенергетика
Енергія вітру
Близько 1% сонячної енергії, яку отримує Земля, спричиняє рух атмосферних
повітряних мас, викликаний перепадом температур у різних шарах атмосфери через
нерівномірний нагрів її Сонцем. Такий рух називається вітром. Отже, енергія Сонця
перетворюється в механічну енергію вітру. Установки, що в свою чергу перетворюють
енергію вітру на корисну механічну або електричну енергію, називають вітроенергетичними
(ВЕУ) або вітрогенераторами.
Новому кроку у розвитку сучасної вітроенергетики сприяла енергетична криза 70-х
років XX століття. Виявилося, що вартість електроенергії, отриманої на
вітроелектростанціях, відносно невелика. Розвиток вітроенергетики відбувся, насамперед, у
країнах, які не мають власних потужних джерел енергії: великих рік, нафти, газу, вугілля.
Проте, наприклад, такі континентальні місцевості, як Великі Рівнини в США чи Внутрішня
Монголія в Китаї, мають вітрові ресурси, достатні для задоволення повних потреб цих країн
в електроенергії. Стимулом для розвитку вітроенергетики є також бажання виробляти на своїй території екологічно чисту енергію.
У теперішній час ВЕУ застосовуються для енергозабезпечення споживачів,
віддалених від електромереж. Зокрема, в Китаї побудовано понад 150000 вітрових турбін
потужністю лише 200 Вт кожна. Деякі місцевості у Данії, Німеччині й Іспанії одержують 10-
15% електрики від вітру. Автономні вітроустановки можуть замінити дизельні
електростанції, опалювальні установки, що працюють на нафтопродуктах. ВЕУ також
можуть бути призначені для безпосереднього виконання механічної роботи, наприклад,
приведення в дію водяного насоса.
Будова ВЕУ подібна до будови гідроустановки. Основними частинами установки є
ротор, генератор, турбіна, обладнана пропелером (вітроколесом), яке безпосередньо приймає
на себе енергію вітру. У більшості конструкцій ВЕУ ротор, турбіна і генератор розташовані
на єдиному валу і мають горизонтальну орієнтацію. Вітрові турбіни, сучасні технології яких
були розроблені у 1980-х роках, як правило, обладнані трилопатевими пропелерами, що
орієнтуються проти вітру.
Останнім часом зусилля розробників ВЕУ пов'язані зі створенням систем, що зможуть
функціонувати при незначних швидкостях вітру. Також важливим для виробництва
установок є зменшення вартості опор, на яких вони розташовуються. Багато
вітроенергетичних об'єктів складаються з великих груп вітряків, які звуть "вітряковими
фермами" або вітроенергетичними станціями (ВЕС).
Сучасні вітроустановки мають потужність 600-3000 кВт, а найпотужніші - 4,5 МВт. У
теперішній час вітротехнологія отримання енергії є найбільш дешевим способом вироблення
екологічно чистої енергії. Безперечною перевагою вітрових електростанцій є те, що єдиним
чинником забруднення навколишнього середовища є утворення при їх роботі шуму низької
частоти.
Вітроенергетичний потенціал в Україні досить великий. Більшість ВЕС призначена
для роботи при швидкості вітру від 4 до 30 м/сек. В Україні можна виділити 6 регіонів, для
яких використання енергії вітру є економічно ефективним. Це Карпатський, Приазовський,
Донбаський, Західно-Кримський, Гірсько-Кримський і Керченський, а також дві зони -
Харківську і Полтавську.
Сьогодні Україна - лідер у галузі розвитку вітроенергетики серед країн Східної
Європи і республік колишнього СРСР. Загальна потужність її ВЕС наприкінці 2007 р. вже
досягла 83,35 МВт. І хоча цей показник занадто низький порівняно з Німеччиною або
Данією, Україна належить до тих небагатьох країн, де налагоджене серійне виробництво 750
кВт вітроустановок (ВЕУ) і розпочато підготовку до виробництва установок з потужністю
понад 1000 кВт і більше. До того ж українськими вченими Національної Академії наук
України створений вітроенергетичний атлас країни, що дозволяє обрати найкращі райони
для будівництва вітроелектростанцій. За допомогою спеціальних комп'ютерних програм
тепер можна визначити майданчики, на яких ВЕУ будуть працювати з максимальною
ефективністю.
Сторінки історії
Ще за 3500 років до н.е. мореплавці використовували силу вітру, щоб йти під
вітрилами. Вітрильні човни ходили по Нілу в Давньому Єгипті. Звичайні вітряні млини
використовувалися в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, у Персії, близько 200
року до н.е. почали застосовувати вітряні млини з вертикальною віссю для перемелювання
зерна. Їх виготовляли з в'язанок очерету, прикріплених до дерев'яної рами, що оберталася,
коли був вітер. Стіна, що оточувала вітряк, спрямовувала потік вітру проти лопатей. В XI ст.
у Європі почали поширюватися вітряні млини, завезені мандрівними купцями і ветеранами
хрестових походів. Ці перші млини поступово вдосконалювалися спочатку голландцями, а
згодом англійцями, і, зрештою, у їхній конструкції з'явилася горизонтальна вісь. Мешканці
Голландії з'ясували, що за допомогою вітру дуже зручно відкачувати воду з метою осушення
землі. Адже це було актуально для країни, що розташована в низовинах і тому неодноразово
зазнає повеней. Найактивніше в допромисловій Європі вітряні млини використовувалися у
XVIII ст. Тоді лише в Нідерландах їх було понад сто тисяч. З їхньою допомогою мололи
зерно, качали воду і пиляли дерево. Згодом більшість вітряних млинів, не здатних
конкурувати з дешевим і надійним викопним паливом, замінили парові двигуни. Однак і
зараз вітряні млини досить розповсюджені. У старих вітряках лопаті були дерев'яними і
здатні були використовувати близько 7 % енергії вітру.
З давніх-давен енергію вітру використовували і в Україні. У 1917 р. тут налічувалося близько 30 тисяч вітряків, які виробляли 150-200 МВт механічної енергії. З початком
колективізації число вітряків значно зменшилося, а пристрасть до гігантизму в радянський
час практично витіснила їх з ужитку. З середини 60-х років XX ст. у сільському господарстві
країни експлуатувалося кілька сотень вітроенергетичних установок середньою потужністю
близько 4 кВт. Їх використовували для водопостачання, вироблення постійного струму, перемелювання зерна. До 1987 р. їхня кількість скоротилася до 15 одиниць, а економія елек-
троенергії становила всього 10 тис.кВт*год.
Перший етап розвитку вітроенергетики для виробництва електричної енергії в Україні
почався ще в 30-х роках минулого століття. Під керівництвом винахідника Юрія Кондратюка
у Балаклаві був розроблений і запроваджений експериментальний вітроагрегат потужністю
100 кВт. У 1935 р. Ю. Кондратюк розпочав проектувати вітряк на 1000 кВт. Згодом був
спроектований двоповерховий вітроагрегат загальною потужністю 10 000 кВт (по 5000 кВт
на кожнім рівні; висота до першого рівня - 65 м, до другого - 150 м). Проекти так і залишилися незреалізованими, хоча фундамент для вітряка у 10000 кВт все-таки був споруджений на горі Ай-Петрі в Криму (він існує донині).
Завдяки новаторським розробкам Томаса Перрі, що наприкінці XIX ст. здійснив
близько 5000 експериментів з різними видами колеса, дерев'яні лопаті поступилися місцем
лопатям з вигнутого металу, що збільшило ефективність установок удвічі - до 15%. Широкий
вигин лопаті захоплює ще більшу частину повітряного потоку, спрямовуючи його уздовж
задньої частини однієї лопаті на наступну. Цей каскадний ефект підвищив ефективність
пристрою. Дизайн вітроколеса Перрі одержав визнання і поширився в усьому світі.
Подумайте і дайте відповідь
1. Чому вітер належить до відновлюваних джерел енергії?
2. У чому, на вашу думку, основний недолік вітру як джерела енергії?
3. Наведіть приклади використання енергії вітру в сучасному світі й у далекому
минулому?
Чи знаєте ви, що...
Нестабільність, мінливість вітру утруднює використання вітрової енергії.
ВЕС завдають шкоди птахам, якщо розташовані у напрямку масових міграцій і
місцях гніздувань.
Гідроенергетика
Термін «гідроенергетика» визначає галузь енергетики, яка використовує енергію
рухомої води, як правило, річок. Ця енергія перетворюється або на механічну, або
найчастіше на електричну. Поза гідроенергетикою водними джерелами енергії є морські
хвилі й припливи, спричинені гравітаційною взаємодією Землі з Місяцем та Сонцем.
Гідроенергетика - найрозвиненіша галузь енергетики на відновлюваних ресурсах.
Річки є потоками води, що рухаються під дією сили тяжіння з вищих поверхонь Землі до
нижчих і зрештою впадають у Світовий океан. Під впливом сонячного випромінювання вода
випаровується з поверхні Світового океану, її пара підіймається в горішні шари атмосфери,
конденсується у хмари й випадає у вигляді дощу, поповнюючи виснажені витоки річок.
Отже, використовувана енергія річок вже є перетвореною в механічну енергією Сонця.
Теперішні гідроелектростанції (ГЕС) є складними гідротехнічними спорудами. Основними їх
елементами є водосховище, гребля, гідротурбіна, генератор. Шляхом створення греблі
створюється різниця рівнів води. Вода, перетікаючи з верхнього рівня (б'єфа) на нижній,
набуває великої швидкості. Водяний потік падає на лопаті турбіни, що обертає генератор,
виробляючи тим самим електрику.
У горах зустрічаються річки, вода яких падає зі значної висоти, і потужність її потоку
майже не змінюється ні взимку, ні влітку. Для будівництва гідростанцій на таких річках
навіть не потрібні водосховища.
Отримання електроенергії у такій спосіб є значно ефективнішим і дешевшим, ніж,
скажімо, тепловим способом. Саме тому приблизно з 80-х років XIX століття сумарна
потужність гідроелектростанцій продовжує зростати, подвоюючись приблизно кожні 15 років.
Потужність гідроелектростанції залежить від витрат води й висоти її падіння. Навіть
річки з невеликими витратами води, яка падає з чималої висоти, можуть виробляти велику
кількість енергії.
Проте, будуючи гідростанції, не вдається зробити це безболісно для природи і людей.
Насамперед, будівництво водосховищ пов'язано з екологічними й соціальними проблемами,
такими, як зменшення площ родючих земель, порушення природних водних екосистем (у
тому числі і через відсутність рибопропускних пунктів), переселення людей, які мешкають у
зоні затоплення, скорочення кількості корисних речовин в землях, розташованих вниз за
течією та іншими. Але найбільші збитки гідроенергетика завдає внаслідок затоплення
великих площ при створенні водосховищ, замулювання гребель, корозія гідротурбін і,
порівняно з тепловими електростанціями, чималі капітальні витрати на спорудження ГЕС.
У залежності від запровадженої потужності гідроелектростанції (ГЕС) поділяються
на великі і малі. До малої гідроенергетики належать системи потужністю до 30000 кВт, які, у
свою чергу, можна поділити на малі, міні- і мікро-ГЕС. Потужності малої гідроелектростанції цілком достатньо для забезпечення потреб в електроенергії невеликого міста, селища,
а мікро-ГЕС може повністю забезпечити електроенергією приватний будинок. Невеликі
гідростанції дозволяють зберігати природний ландшафт, навколишнє середовище не тільки
на етапі будівництва, але й у процесі експлуатації. Саме тому найбільш перспективним є виробництво гідроенергії на малих річках без створення штучних водосховищ. Це так звані
міні- та мікро- ГЕС, які допомагають зберігати природний ландшафт і навколишнє
середовище не лише на етапі будівництва, а й під час подальшої експлуатації гідроелектростанцій.
На сьогодні мала гідроенергетика стає дедалі популярнішою в світі. Так, Китай, лідер
у малій гідроенергетиці, за останні 40 років збільшив загальну потужність малих ГЕС у
понад три тисячі разів! Серед європейських країн цей вид відновної енергетики найбільш
популярний в Австрії (10% від загального виробництва електроенергії).
В Україні нараховується понад 63 тис. малих річок загальною довжиною 135,8
тис.км, де можна встановлювати міні- чи мікро- ГЕС. Експлуатація малих ГЕС у нашій країні
дає можливість виробляти близько 250 млн. кВтгод електроенергії, що дозволило б
зекономити до 75000 т. дефіцитного органічного палива.
Сторінки історії
На початку 20-х років XIX ст. в Україні було 84 гідроелектростанції загальною потужністю 4000 кВт, а наприкінці 1929 р. - уже 150 станцій загальною потужністю 8400 кВт.
Серед них - Вознесенська (840 кВт), Бузька (570 кВт), Сутиська(1000 кВт) та інші. У 1934 р.
введено в експлуатацію Корсунь-Шевченківську ГЕС (2650 кВт), що за своїми технічними
характеристиками була однією з кращих станцій того часу.
У післявоєнний період електрифікація сільського господарства також орієнтувалась
на збільшення потужності й поліпшення техніко-економічних показників малих
електростанцій. На початку 50-х років кількість побудованих малих гідроелектростанцій
становила 956 одиниць загальною потужністю 30000 кВт. Однак із будівництвом могутніх
тепло- і гідростанцій малих ГЕС майже не лишилося. Протягом 1984-1988 рр. було
перевірено технічний стан устаткування і споруд існуючих малих ГЕС. З'ясувалося, що
збереглося 150 малих гідроелектростанцій: діючих - 49 і недіючих -101.
Історія людства нерозривно пов'язана з історією розвитку гідроенергетики.
Застосування водяних коліс - це найдавніший тип гідроенергетичної системи - почалося з
200 року до н.е. у Римській імперії. Їх використовували передусім у сільському господарстві:
вони перекачували воду для зрошення землі, мололи зерно тощо. І хоча ці пристосування
були низькоефективними, використовували лише мізерну частину енергії водного потоку,
вони набагато полегшували фізичну працю людей. Починаючи з XIX ст., після відкриття
технологій виробництва електроенергії, водяні колеса почали використовувати для роботи
електрогенераторів, що виробляють електроенергію.
Подумайте і дайте відповідь
1. Які ГЕС відносять до малої гідроенергетики?
2. Чому мала гідроенергетика стає дедалі популярнішою в світі?
3.Як пояснити, що відновлюваність гідроенергетичних ресурсів також забезпечена
енергією Сонця?
4. Якої шкоди довкіллю завдають греблі ГЕС?
5. У чому полягають складнощі використання припливних електростанцій?
Енергія хвиль та припливів
Всі ми спостерігали за тим, як хвилі бють у берег, як на них гойдаються красені
морські лайнери, читали або бачили у фільмах, як могутні цунамі спустошують все навколо.
Хвилі мають величезну енергію, яку людям потрібно навчитися використовувати. І такі
спроби вже зроблено. У Норвегії побудовано 500-кіловатну хвильову енергетичну установку.
Менші за потужністю хвильові установки забезпечують енергією бакени і маяки, що
вказують напрямок руху кораблям. Попри величезні запаси енергії хвиль, цей напрямок
розвивається досить повільно через велику кількість технічних проблем, з якими пов'язане
перетворення енергії хвиль в електричну. Основними з них є розосередження енергії на
великій поверхні, непостійне хвилевідтворення, низька швидкість руху хвиль при значній
силі їхньої дії.
Більш поширеним є використання енергії припливів. Припливні коливання рівня
всесвітнього океану пов'язані з гравітаційним впливом Місяця на водні маси Землі. Двічі на
добу рівень світового океану піднімається і опускається.
Висота припливу (різниця між найвищим і найнижчим рівнями води) в середньому
сягає 0,5-10 м , а на Таїті становить аж 25 м. Швидкість руху води в протоках між островами
доходить до 5 м/с (18 км/год).
Серед сучасних припливних електростанцій (ПЕС) найбільш відома перша у світі і
найпотужніша на сьогодні станція (240 МВт), що міститься у Франції на березі Ла-Маншу в
гирлі річки Ране. Приплив у цьому місці переміщує 189 тис. М3 води за секунду. Різниця
рівнів становить 13 м, а швидкість течії між містами Брестом і Сен-Мало часто досягає 90
км/год.
До недоліків ПЕС слід віднести труднощі, пов'язані із захистом дамб та устаткування
від ударів крижаних торосів, особливо у північних районах. Поблизу дамб морська флора й
фауна дуже потерпають внаслідок нагромадження забруднюючих речовин на прилеглій
території та, хоча й незначного, але підвищення температури і зменшення вмісту кисню у
воді. Крім того, дамби перешкоджають міграції риб.
Сторінки історії
Перетворення енергії припливу на механічну енергію використовувалося ще на
початку XI століття в припливних млинах, які будували в гирлах річок, що впадали в океан.
Для цього перегороджували дамбами річки і створювали резервуари, в яких
встановлювалися засувні ворота чи шлюзи. У перших припливних млинах
використовувалась тільки потенційна енергія води, зібраної в резервуар. Пізніше, коли були
винайдені ефективні насоси, з'явилася можливість використання й другого виду енергії
припливів -кінетичної, тобто енергії води, яка рухається.
Біоенергетика
Біоенергетика - це галузь енергетики, що як енергоресурс використовує органічні
речовини рослинного або тваринного походження (біомасу), котрі мають енергетичну
цінність і можуть бути використані як паливо. Оскільки зростають потреби в енергії, з
одного боку, і виснажуються ресурси викопного палива, з іншого, біомаса може стати одним
з основних джерел сировини для хімічних виробництв і енергії.
Біомаса поділяється на первинну (рослини, тварини, мікроорганізми) і вторинну
(відходи від переробки первинної біомаси і продуктів життєдіяльності людини і тварин).
Остання група досить різноманітна:
• Біологічні відходи тварин (гній великої рогатої худоби, послід домашніх птахів та інше);
• Залишки від зберігання врожаю сільськогосподарських культур і побічні продукти їх
переробки: солома, стебла та качани кукурудзи, стебла бавовни, шкаралупа арахісу, відходи
картоплі, рисове лушпиння і солома тощо);
• Відходи лісопереробної промисловості: кора, листя, гілля, тирса, стружки, щепа;
• Промислові стічні води (зокрема, текстильних, а також молочних, цукрових та
інших підприємств з переробки харчових продуктів);
• Тверді побутові відходи та стічні води.
Ефективність біомаси як джерела енергії обумовлена легкістю її отримання та
швидким поновленням запасів. Залежно від вологості і ступеня розпаду біомасу
переробляють термохімічними методами (пряме спалювання, газифікація, піроліз,
ожиження) або біологічними методами (анаеробна переробка, етанольна ферментація). В
залежності від методу з біомаси можна отримати різні кінцеві енергетичні продукти,
включаючи тепло, пару, низько- і висококалорійні гази та різні види рідкого палива. Енергія,
прихована в біомасі, своїм походженням завдячує Сонцю. У зеленій частині рослини
міститься особлива речовина - хлорофіл, з допомогою якої вони вловлюють сонячну енергію.
За фотосинтезу відбуваються хімічні реакції, в яких беруть участь Карбон (С), Гідроген (Н),
Оксиген (О) і сонячне випромінювання. В підсумку цього процесу утворюються органічні
сполуки, енергія яких більша за енергію початкових матеріалів на величину поглинутої
сонячної енергії. В процесі фотосинтезу також виділяється кисень, необхідний усьому
живому на Землі, й поглинається карбону (IV) оксид.
Щорічно на Землі за допомогою фотосинтезу утворюється близько 120 млрд тонн
сухої органічної речовини, або біомаси, що енергетично еквівалентно понад 40 млрд. тонн
нафти. Утворення біомаси змінюється залежно від місцевих умов, і на одиниці площі
суходолу її утворюється приблизно в два рази більше, ніж на одиниці поверхні моря.
Відповідно до програми розвитку поновлюваних джерел енергії (ПДЕ) у країнах
Європейського Союзу у 2010 р. біомаса буде покривати близько 74% загального внеску ПДЕ,
що становить близько 9% споживання первинних енергоносіїв. Загальні ресурси біомаси в
Європі (у млн тонн сухої маси/рік) такі:
• деревного палива - 75;
• деревинних відходів - 70;
• біомаса, вирощувана на енергетичних плантаціях, складає 250 млн тонн/рік
сільськогосподарських відходів - 250;
• міського сміття - 75.
На сучасному рівні за рахунок біомаси отримують сьому частину світового обсягу
палива за кількістю отриманої енергії вона посідає, поряд із природним газом, третє місце.
Україна має досить великий потенціал біомаси, придатний для одержання енергії. Загальні
річні обсяги відновлюваних ресурсів біомаси в Україні сталять понад 115 мільйонів тонн.
Біомаса (без частки, що використовується іншими секторами економіки) може забезпечити
близько 10-17 млн тонн умовного палива на рік, або 5-8 % загальної потреби в енергії.
Це цікаво
Рисова лузга має таку ж теплотворну здатність, що й деревина. П'ять тонн
очищеного рису дають тонну лузги.
В Україні щороку залишаються невикористаними близько 5 мільйонів тонн соломи.
4.10.1. Спалювання біомаси
Теплову або електричну енергію можна отримувати простим спалюванням біомаси.
Для половини населення Землі використання біомаси (деревини, гною, бадилля тощо) є
основним, а іноді єдиним доступним джерелом енергії. Як ми вже згадували, в рослинах
фотосинтез перетворює енергію сонця на хімічну енергію. Частина енергії зберігається в
органічних молекулах, з яких складається біомаса. Карбон, що утворює кистяк органічних
молекул, у процесі згоряння реагує з киснем і при цьому частина енергії виділяється у
вигляді тепла. Одночасно виділяється й карбону (IV) оксид.
Під час горіння біомаси не утворюється більше карбону (IV) оксиду, ніж було
поглинуто рослиною за життя, оскільки рослини в процесі фотосинтезу засвоюють цей газ,
відтак обсяги СО2 що виділяються при спалюванні біомаси і споживаються рослинами при
фотосинтезі врівноважують одне одного. Тобто використання біомаси для виробництва
енергії не збільшує концентрацію карбону (IV) оксида у атмосфері. Але пам'ятаймо: щоб ми
могли розглядати біомасу як відновлюване джерело енергії, слід забезпечити її виробництво
принаймні на одному рівні зі споживанням. У багатьох країнах витрати деревного палива
значно випереджають його відтворення. Це призвело до знищення більшості лісів Азії та
Африки й прискорило утворення пустель у цих регіонах. Щороку, в тому числі і для
спалювання, у світі вирубують 25 млн. гектарів лісу (це відповідає площі лісів трьох Україн).
При спалюванні нафти, вугілля та газу спостерігаються ті ж закономірності, але час,
необхідний для поновлення балансу С02 сягає кількох мільйонів років (як ми пам'ятаємо,
саме такий час потрібен для утворення викопних копалин з відмерлих рештків рослин і
тварин).
Спалювання деревини, певно, найстаріший спосіб перетворення біомаси на
біоенергію. Переваги використання деревини як біопалива полягають у низькому вмісті
забруднюючих речовин порівняно з нафтою і вугіллям. При правильному спалюванні
біомаси викид оксидів Нітрогену і Сульфуру в атмосферу може становити тільки 10% від
загальної кількості оксидів, що утворюються при спалюванні нафти. Хоча кількість пилу і
сажі залишається такою ж, як і при спалюванні викопного палива.
Основною проблемою при прямому спалюванні є відносно низький ККД печей і
топок та відносно великий, порівняно з іншими видами палива, вміст вологи. А в разі
використання відходів лісопереробної промисловості та сільского господарства ще і
необхідність спеціальної конструкції топок і підготовки біомаси до спалювання
(брикетування тирси та щепи, пакування соломи і т.п). Просте вогнище для приготування їжі
має ККД 14-15%. Використання більш досконалих сучасних пристроїв дає змогу підвищити
ККД до 70% і вище, скоротити потребу в паливі більш ніж утричі.
Серйозною проблемою є енергетичне використання твердих побутових відходів.
Сміттєспалювальні установки (інсинератори) в багатьох країнах світу малоефективні та
спричиняють викид у навколишнє середовище токсичних продуктів згоряння. Тому пошук та
розробка нових схем використання твердих побутових відходів є дуже актуальними.
Теплотворність окремих видів відходів:
• відходи лісового господарства - 2050 ккал/кг;
• відходи деревообробки - 2300 ккал/кг;
• міські тверді відходи - 2400 ккал/кг;
• пластмаса - до 12000 ккал/кг.
Правильне спалювання біомаси дозволяє уникнути багатьох проблем, пов'язаних із
забрудненням довкілля та економією ресурсів.
Піроліз
Німецький інженер Карл Кінер винайшов спосіб перетворювати відходи палива в кокс
- це так званий низькотемпературний піроліз (у перекладі з грецької - "руйнування вогнем").
Піроліз - це розклад органічних речовин без доступу повітря і відносно низькій температурі
(450-800 °С). Власне, треба відзначити ефективність такого методу переробки біомаси,
промислових і побутових відходів. При піролізі хімічні сполуки руйнуються і утворюються
первинні (рідина, тверда вугільна речовина і гази) та вторинні (енергія, пальне і хімічні
елементи) продукти.
Продукти піролізу:
Рідкі продукти. Важливо, що їх можна використовувати як замінник палива для
котлів, а також використовувати для газових турбін та дизельних двигунів. Рідина, що
утворюється у процесі піролізу, має теплоту згоряння 20-25 мдж/кг.
Тверді продукти. Тверда вугільна речовина, що утворюється у процесі піролізу,
придатна для використання як паливо у побуті (каміни, грубки), а ще може застосовуватися у
промисловій сфері (металургії, тепловій енергетиці, для очищення води і газів).
Газоподібні продукти. Це гази, що горять (метан, карбону (II) оксид). Тепловіддача
цих газів підвищується, якщо їх використовувати поки вони гарячі і містять відносно багато
смол. Такий газ, як правило, використовують у процесі піролізу для підримання
температурного режиму і сушіння вихідних речовин.
Хімічні продукти. Серед вихідних продуктів піролізу виявлено кілька сотень
хімічних сполук, що викликають інтерес як сировина для окремих галузей промисловості.
Більш висока цінність окремих хімічних продуктів порівняно з паливом могла б гарантувати
вигоду отримання їх навіть у невеликих концентрацій.
Новий метод зацікавив спеціалістів, які займаються санітарним очищенням міст у
багатьох країнах. Установки для піролізу на відміну від звичних сміттєспалювальних
фактично можуть переробити будь-який матеріал - починаючи від осаду стічних вод і старих
шин і закінчуючи відходами пластмас, деревини, ганчір'ям тощо. Звичайно, що в переробку
може йти побутове сміття. Подрібнені відходи нагріваються у барабані, який постійно
обертається, без доступу повітря. Температура відносно невелика. Гази і пара, що виділяються, охолоджуються, внаслідок чого утворюються леткі масла, що можуть
використовуватися для опалення або як пальне для двигунів. А технічна вода, яка
утворюється при цьому, настільки очищена, що її без будь-якої шкоди можна зливати прямо
в каналізацію. Єдиний залишок після переробки - зола. Вона складає 12 відсотків від
початкової маси відходів і сміття, і її цілком легко можна захоронити на полігоні. Третину
енергії, отриманої від піролізу, можна перетворити в електроенергію. Дві третини йдуть з
водою, яка охолоджується, і газами. Воду можна використати для опалення приміщення, а
гази для розігріву чергової порції сміття і відходів, що потрапляють у барабан. Втрачається
лише невелика кількість енергії: ККД установки наближається до 80 відсотків.
Газифікація
Газифікаційну технологію знешкодження відходів запозичили з металургійної
промисловості, де її використовують, щоб отримати гази з бурого дуже золистого вугілля.
Піроліз і термічна газифікація є спорідненими технологіями. Відмінність від піролізу хіба в
тім, що термічний розклад відбувається при температурі близько 1200 °С з наявністю
невеликої кількості кисню чи повітря.
Газ, що утворюється, можна використовувати для парових котлів, а при певному
очищенні і для газових турбін/генераторів. Тепловідтворююча властивість генераторного
газу на три чверті менша від природного газу. Кінцеві продукти газифікації - це тверді
шматки, що запеклися, і шлак, рідкі піролізні вуглеводні, гази, піролізний газ, синтез-газ.
Існують три продукти газифікації:
• вуглеводневі гази (так звані синтез-гази);
• рідкі вуглеводні;
• сажа (чорне вугілля і зола).
Синтез-газ, як правило, це карбону (П) оксид і водень (понад 85% від об'єму) і у
невеликій кількості карбону (IV) оксид та метан. Синтез-газ може використовуватися як
паливо для виробництва електроенергії чи пари, або як хімічна складова для отримання
багатьох речовин. При змішуванні з повітрям синтез-газ можна застосовувати у бензинових
або дизельних двигунах (останні дещо удосконаливши). Газифікація цілком підходить для
переробки відходів лісопереробної промисловості.
Біогаз
У нетрадиційній енергетиці особливе місце посідає переробка біомаси (органічних
сільськогосподарських і побутових відходів) метановим шумуванням з одержанням біогазу
та твердого залишку, який переважно використовується як високоякісне добриво.
Біогаз, що утворюється, містить близько 50-60% -метану, 30% - карбону (IV) оксида, а
також інші речовини, в тому числі невелику кількість сірководню (Н28), незначні кількості
азоту, кисню, водню, амоніаку та карбону (II) оксиду.
Перед використанням біогаз очищують від надлишків води та сірководню. Отримання
біогазу відбувається в спеціальних реакторах (метантенках), облаштованих і керованих
таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану.
Біогаз використовують для освітлення, опалення, приготування їжі, для приведення в
дію механізмів, транспорту, електрогенераторів. Коли йде мова про біогаз, всі, як правило,
мають на увазі, що джерелом його утворення є відходи життєдіяльності тварин і птахів
(тваринний гній, послід птахів) та каналізаційні стоки міст.
Але значні кількості біогазу можно отримати за анаеробної ферментації промислових
стічних вод, де велика концентрація розчинених органічних речовин. Це, передовсім,
стосується стічної води всіх без винятку харчових підприємств (особливо підприємств з
переробки молока, виробництва цукру, алкогольних напоїв та ін).
Сьогодні за рахунок недосконалих очисних систем, що здебільшого
використовуються, стічні води потрапляють в навколишнє середовище практично не
очищеними і викликають значне забруднення поверхневих та підземних вод.
В Україні тільки на великих свинофермах і птахофабриках щорічно утворюється
понад 3 млн тонн органічних відходів (у перерахунку на суху речовину), переробка яких
дозволить одержати близько 1 млн.т умовного палива у вигляді біогазу, що еквівалентно 8
млрд. КВт год електроенергії.
В основі виробництва біогазу лежить процес анаеробного бродіння, тобто
ферментація органічних речовин рослинного чи тваринного походження в умовах повної
відсутності кисню.
Відомо кілька десятків штамів мікроорганізмів, які розкладають складні органічні речовини до простих жирних кислот, і понад десяток штамів, які переробляють ці кислоти на
метан, карбону (IV) оксид і воду. Безумовно, що паралельно виділяються й інші продукти
біохімічних реакцій, але їх кількість незначна. Отриманий біогаз має теплоту згоряння 5340-
6230 ккал/м3 (6.21-7.24 кВттод/ м3). Найбільший вихід біогазу в метантенках отримують при
температурі 43-52°С. За таких умов, при ферментації 1000 літрів гною на протязі трьох днів
можна отримати 4500 літрів біогазу.
Зараз у світі запроваджено близько 60 різновидів біогазових технологій. Внаслідок постійного вдосконалення з'явилася можливість для отримання біогазу використовувати спеціально вирощені трави та інші сільськогосподарські культури, а також їх залишки та відходи
лісопереробної промисловості.
Одержуваний біогаз переважно використовується в теплоенергетичних установках,
змонтованих поряд з біогазовими установками. Частково тепло використовується для
виробничих процесів, але більша частина, як і електроенергія, розподіляється між
споживачами.
Біогаз, що отримується в процесі анаеробного зброджування гною та інших
придатних для цього органічних відходів, є не тільки відновлюваним джерелом енергії, але й
екологічним методом переробки та утилізації цих відходів в органіче добриво. Особливі
умови ферментування призводять до втрати схожості насіння багатьох бур'янистих рослин та значно знижують забруднення продуктів бродіння хвороботворними мікробами і паразитами.
Велике значення технології отримання і утилізації біогазу мають і у боротьбі з
парниковим ефектом, оскільки здатні суттєво зменшити викиди парникових газів (зокрема,
метану та карбону (IV) оксиду), що утворюються при розкладанні біомаси.
Отже, впровадження анаеробної біотехнології одночасно вирішує низку важливих
проблем.
Програмою державної підтримки розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел
енергії та малої гідро- і теплоенергетики в Україні заплановано створити та освоїти виробництво необхідного обладнання і довести річне виробництво біогазу до 5 млрд.м3
, що еквівалентно 4,3 млн.т уп. щорічно, але реалізація цього заходу потребує істотних
капіталовкладень. Україна має технічні можливості побудувати та експлуатувати понад 100
промислових установок отримання біогазу в метантенках.
Це цікаво
Підраховано, що за рік для опалення 1 метра квадратного житлової площі будинку
витрачається 45 метрів кубічних газу, а для одержання 1 кВт год електроенергії необхідно
витрати менше 1 метра кубічного біогазу.
Звалищний газ
Не менш важливим джерелом отримання біогазу є сміттєзвалища. Біогаз, який
утворюється на них, називають "звалищним газом"; за своїм складом, окрім домішок
токсичних речовин, він мало відрізняється від біогазу, що отримується в метантенках.
Джерело звалищного газу -тверді побутові відходи (ТПВ). В Україні за рік їх утворюється
близько 40 млн.м3 (10 млн.т.). Понад 50% це органічні матеріали, зокрема харчові залишки,
папір, картон, деревина.
При захороненні на полігонах, в умовах відсутності кисню створюються сприятливі
умови для анаеробного бродіння. За середніми підрахунками, з 1 т твердих побутових
відходів протягом 20 років утворюється 100 м3, тобто за рік виділяється близько 5 м3
газу. Потенціал звалищного газу в країнах Європейського Союзу наближається до 9 млрд.м3
/рік, у США - 13 млрд.м3 /рік, в Україні - близько 1 млрд.м3 на рік. Звалищний газ утворюється
незалежно від того збирають його чи ні. Велика кількість метану при вільному поширенні
звалищного газу створює серйозну загрозу для клімату нашої планети.
За оцінками експертної групи Міжурядової комісії зі зміни клімату, звалищний метан
-це близько 18% всього метану, який утворюється на планеті. Окрім впливу на глобальні
зміни клімату, звалищний газ викликає ряд негативних явищ локального характеру: його
накопичення в спорудах створює вибухо- та пожежонебезпечні умови, негативно впливає на
людей, що займаються обслуговуванням інженерних комунікацій та живуть поблизу
полігонів захоронення ТПВ.
Крім того, звалищний газ пригнічує ріст рослин за рахунок згубної дії на їх кореневу
систему. Тому у більшості розвинених країн діють спеціальні закони, які зобов'язують
власників полігонів запобігати стихійному поширенню звалищного газу. Основний метод,
яким можна це здійснити - його збирання та утилізація.
Найпоширеніша система збирання біогазу складається з мережі вертикальних
свердловин, з'єднаних між собою горизонтальними трубами, в яких для його створюється
від'ємний тиск. Одна свердловина збирає біогаз в середньому в радіусі 30-35 м. Зазвичай на
один гектар полігону ТПВ бурять 2-3 свердловини глибиною 7-10 м. Залежно від місцевих
умов, з однієї свердловини можна отримати від 5-50 м3
/год до 250 м3/год газу.
Проекти, щодо видобування та використання звалищного газу є досить рентабельними, особливо за наявності звалища промислового споживача газу або використання мініТЕС.
Це цікаво
В Україні налічується 655 офіційних сміттєзвалищ, з яких тільки 140 - це полігони
ТПВ, що можуть вважатися придатними для видобутку та використання звалищного газу.
Завдання для самоконтролю:
Прочитайте нову тему та дайте відповіді на запитання