M_Vozobnovl_energ_v_dets_elsnab

Для использования в энергетических целях влажной биомассы – животноводческих отходов используется технология анатробного сбраживания. Как и в случае пиролиза, процесс происходит при отсутствии воздуха, однако разложение сырья происходит под воздействием бактерий, а не высоких температур.

Получаемый в процессе брожения биогаз содержит 60–70% метана, 30–40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, примеси водорода, аммиака и окислов азота.

Процесс сбраживания может занимать от 10 дней до нескольких недель. В процессе сбраживания выделятся тепло, однако в условиях холодного климата необходим дополнительный подогрев для поддержания оптимальной температуры около 35о С. Источником тепла может быть производимый биогаз. Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, может использоваться в качестве удобрения в сельском хозяйстве.

Довольно распространенной технологией сегодня становится производство биотоплива из специально выращиваемых сельскохозяйственных культур: рапс, соя, подсолнечник и др. Наиболее распространены два вида топлива: биоэтанол и биодизель.

Биоэтанол производится по технологии получения обычного пищевого спирта. Этанол является спиртовым топливом, которое может использоваться в двигателях внутреннего сгорания либо в чистом виде, либо в качестве добавки к бензину. В качестве сырья могут использоваться многие доступные растительные культуры: картофель, свекла, кукуруза и др.

Мировым лидером по производству этанола является Бразилия, в которой более 600 заводов производят 16,5 миллиардов литров этанола в год. По данным Международного энергетического агентства, за четверть века производство этанола в мире выросло в 8 раз, причем динамика роста соответствует росту цен на нефть.

Биодизель – это эфиры растительных масел или животных жиров, получаемых в результате химической реакции масла или жира с метиловым или этиловым спиртом.

Технология получения биодизеля довольно проста и доступна в условиях любого предприятия или фермерского хозяйства. Основным сырьем для его производства в Европе является рапс, в США и Южной Америке – соя [7]. Любое растительное масло может служить исходным сырьем для получения биотоплива, которое получается при замещении в масле глицерина на спирт. Из одной тонны растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина [8].

221

Биодизельное топливо получило распространение во многих странах Европы и Америки. Объемы производства биодизеля в Европе достигли 6 млн. тонн в 2006 году, что на 44% больше чем в 2005 году.

6.2. Технико-экономические характеристики автономных электростанций, использующих биотопливо

Технико-экономические характеристики автономных электростанций, использующих биотопливо, зависят от многих факторов, важнейшими из которых являются топливная составляющая в стоимости электроэнергии, затраты на энергетическое оборудование и его эксплуатацию и другие.

Для значительной территории России к наиболее перспективным энергоресурсам растительного происхождения следует отнести биомассу лесов. В частности, территория Томской области обладает значительными запасами леса. Объем эксплуатационного запаса древесины, с распределением по породам, приведен в таблице 37 [9].

		Т а б л и ц а 37
Состав	Запасы древесины спелых и перестойных лесов
	тыс. м3	%
Хвойные	485480	36
Лиственные	864070	64
Всего по области	1349550	100

Расчеты показывают, что при полном рациональном использовании лесосырьевых ресурсов доля дровяной древесины может составлять 10 млн. м3 плюс до 2 млн. м3 отходов от переработки древесины на лесоперерабатывающих предприятиях. По теплотворной способности это эквивалентно 3,5 млн. тонн угля Кузнецкого бассейна.

При этом общий объем ввозимого в Томскую область угля за последние 5 лет не превышает 2–2,5 млн. тонн.

Следует отметить существенно меньшее количество вредных примесей в продуктах сгорания древесины по сравнению с углем. Таким образом, речь идет о значительном энергетическом потенциале биомассы лесных отходов. Исследования потенциала биомассы лесов Томской области дают основания считать, что вся ее территория обладает достаточным потенциалом для использования биомассы в энергетических целях. Энергетическая плотность ресурса территории области находится в диапазоне 274–1046 Вт/м2.

222

Как было показано в предыдущем разделе, наиболее перспективным способом энергетического использования древесных отходов является газификация древесины.

Объем капиталовложений в вариант системы электроснабжения от газогенераторной станции, работающей на биомассе, зависит от следующих показателей: варианта исполнения газогенераторной установки, расходов на транспортировку оборудования, расходы на строитель- но-монтажные, пуско-наладочные, проектно-конструкторские работы.

Зависимость, позволяющая оценивать объем капиталовложений в исследуемые объекты, представляется в виде выражения:

К = Nуд Kуд.уст + Kтр(m, s) + П [тыс.руб],

где Nуд – установленная мощность газогенератора, кВт; Kуд.уст– удельная стоимость 1 кВт установленной мощности, руб./кВт; Kтр (m,

s) – расходы по транспортировке газогенератора, зависящие от массы оборудования (m) и дальности транспортировки (s); П – прочие расходы (расходы на строительно-монтажные, пуско-наладочные, проектноконструкторские работы).

Зависимость величины капиталовложений от мощности энергоустановки в графическом виде показана на рис. 72.

K,
тыс.руб.
20000
15000
10000
5000
0	10	30	50	100	200	400	1000
		Мощность потребителя, кВт

Газопоршневый вариант исполнения

Газодизельный вариант исполнения

Рис. 72. Изменение капиталовложений в установку газогенераторной электростанции в зависимости от варианта исполнения и мощности потребителя

223

Удельная стоимость 1 кВт установленной мощности электрической станции [10]:

– с газопоршневым двигателем (работающем на 100% генераторном газе) составляет:

Kуд.уст= 20000, руб./кВт;

– электростанции с газодизельным двигателем (работает 70% на генераторном газе, 30% на дизельном топливе):

Kуд.уст= 11000, руб./кВт.

Эксплуатационные затраты З (NГГ) 103 [руб./год] при эксплуатации одного агрегата газогенератора можно определить из выражения:

З(NГГ) = α K + F(NГГ) + Зтоп,

где α – коэффициент амортизационных отчислений (на капитальный ремонт и реновацию, расходы на эксплуатацию) от капиталовложений, принятый по [11] 4% в год; F(NГГ) – среднегодовой фонд заработной платы, в зависимости от мощности газогенератора и соответственно численности обслуживающего персонала в течение срока эксплуатации оборудования [11]; Зтоп– затраты на топливо.

Для газодизельного варианта исполнения электростанции

Зд.топ = Вбиом Цm.биом + Вдиз Цгсм,

где Цm.биом– прейскурантная цена биомассы, руб./кг; Цгсм– стоимость ГСМ (дизельного топлива и масла) для конкретных децентрали-

зованных потребителей; Вдиз, Вбиом				– расход топлива на выработку
электроэнергии.
Объемы расходуемого топлива равны:
В	диз	= W	bдиз; В	биом	= W	bбиом,
		год	э		год	э

где Wгод – годовая выработка электроэнергии на газодизельной стан-

ции, кВт ч; bдиз	– удельный расход дизельного топлива, л/кВт ч;	bбиом
э		э

– удельный расход биомассы, кг/кВт ч. Для газогенераторной электростанции:

Зд.топ = Вбиом Цm.биом,

224

где Цm.биом– прейскурантная цена биомассы, руб./кг; Вбиом– расход топлива на выработку электроэнергии:

Вбиом = Wгод bэбиом

где Wгод– годовая выработка электроэнергии на газопоршневой станции, кВт ч; bэбиом – удельный расход биомассы, кг/кВт ч.

Расчет стоимости заготовки и транспортировки топливных дров и щепы основан на определении суммы стоимости лесосечных, транспортных и вспомогательных работ. По данным исследований техникоэкономических показателей [12] удельная стоимость лесосечных работ составляет 47–56 руб./м3 при сплошной рубке и 36–38 руб./м3 при выборочной рубке. Удельная стоимость транспортировки щепы зависит от расстояния транспортировки и в общем виде представлена зависимостью, приведенной на рис. 73.

Удельная стоимость транспортировки, тыс.руб/м3

250

200

150

100

50

0

10 100 190 280 370 км

Рис. 73. Удельная стоимость транспортировки щепы в зависимости от расстояния транспортировки

Расстояние транспортировки топливных дров и щепы, в условиях разброса децентрализованных потребителей Томской области, не превышает 500 км. При условии, что одному м3 древесного топлива, в зависимости от его влажности и породного состава, соответствует 500–750 кг, а удаленность потребителей электроэнергии от места лесозаготовки не превышает 500 км, стоимость биотоплива в области находится в пределах 0,1–0,7 руб./кг.

Эффективность работы газогенераторной электростанции можно оценивать по величине общего (годового) экономического эффекта (ОЭЭ), обусловленного экономией дизельного топлива, [тыс. руб.]:

225

ОЭЭ = Вдиз Цгсм – З(NГГ),

где Цгсм – стоимость ГСМ (дизельного топлива и масла) для конкретных децентрализованных потребителей, тыс. руб./тонну; З(NГГ) – годовые затраты на эксплуатацию газогенераторной электростанции, руб.; Вдиз – объем сэкономленного топлива, обусловленного применением газогенератора, тонны.

Изменения ОЭЭ в зависимости от стоимости биомассы Цm.биом и

степени неравномерности графика нагрузки KЗП представлен на рис.74 для станции мощностью 30 кВт.

Себестоимость электроэнергии от газогенераторной электростанции определяется как

С = З(NГГ) ,

Wгод

где Wгод – годовая выработка электроэнергии.

ОЭЭ, тыс.руб./год

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	KЗП
	Цm.биом = 0,1 руб./кг					Цm.биом = 0,5 руб./кг
	Цm.биом = 0,3 руб./кг					Цm.биом = 0,7 руб./кг

Рис. 74. Изменение ОЭЭ для газопоршневого варианта исполнения газогенераторной электростанции, при варьировании параметра КЗП = 1–0,1

Расчеты показывают, что для мощностей до 400 кВт и цены на биомассу 0,1–0,7 руб./кг себестоимость производимой электроэнергии находится в пределах 1–4 руб./кВт ч, что определяет экономическую

226

целесообразность использования биомассы лесов для производства электроэнергии в локальных системах электроснабжения.

Литература к главе 6

1.Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учеб. пособие. – СПБ.: СЗТУ, 2003. – 38 с.

2.Обзор современных технологий использования биомассы. //Инерсоларцентр. – Москва, 2002.

3.http://www.ecology-energy.ru/

4.Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/50.html

5.Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог технологий и изделий, разработанных и производимых в системе ГНУ ВИЭСХ. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. – 32 с.

6.http://www.ecomuseum/

7.Аблаев А. Биотопливо: мыслить за пределами нефтяной трубы.// Российское экспертное обозрение. – №1–2. –2007. – с. 25–29.

8.Российская биотопливная ассоциация//www.biotoplivo.ru

9.Кадастр возможностей./Под ред. Б.В.Лукутина. –Томск: Изд-во НТЛ, 2002. – 280с.

10.Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии./Под ред. В.И.Виссарионова. –М.: «ВИЭН», 2004.–448с.

11.Лещинская Т.Б., Князев П.В. Применение автономного источника электрической энергии для электроснабжения сельскохозяйственного района.//Электрика. –2004. –№9. – с.21.

12.Некрасов М.Д., Козлов А.Ф. Экономика рубок леса плавного и промежуточного использования. Карельский филиал АН СССР. Отдел экономики. – Петрозаводск, 1985. – 152 с.

Заключение

Современный период развития энергетики характеризуется противоречивыми тенденциями, которые не позволяют просто наращивать ее мощности в соответствии с экономическим и социальным развитием общества. Экологические проблемы и ограниченность запасов углеводородного топлива вынуждают искать новые виды энергоресурсов и, соответственно, новые технологии энергообеспечения потребителей.

227

Особенно остры проблемы энергообеспечения децентрализованных зон, где стоимость электроэнергии многократно превышает действующие тарифы централизованного электроснабжения. Реальной возможностью улучшения технико-экономических показателей локальных систем электроснабжения является использование местных, в том числе возобновляемых, энергоресурсов.

Важнейшими преимуществами возобновляемой энергетики являются: неисчерпаемость энергоресурсов, экологическая чистота, отсутствие топливной составляющей в стоимости производимой энергии, как правило, большая надежность, срок службы и меньшие расходы на эксплуатацию энергетического оборудования.

Однако такие проблемы использования энергии природных возобновляемых источников как изменчивость в пространстве и во времени и низкая энергетическая плотность усложняют и удорожают технологию их практического применения для энергообеспечения потребителей.

Вэтой связи, на сегодняшний день особое значение приобретают вопросы изучения и систематизации энергетического потенциала территории, совершенствование методик выбора энергетического оборудования и способов оптимизации рабочих режимов и состава систем электроснабжения с электростанциями, использующими природные возобновляемые энергоресурсы.

Вкниге сделана попытка систематизации подходов к электроснабжению локальных потребителей с использованием энергии природных возобновляемых источников. Системный подход, как представляется авторам, включает составление энергетических кадастров возобновляемых энергоресурсов территории, разработку критериев оптимизации локальных систем электроснабжения и методик техникоэкономического анализа вариантов систем электроснабжения с учетом современных достижений в области оборудования и технологий возобновляемой энергетики.

Авторы отдают себе отчет, что в рамках данной работы не возможно в полном объеме отразить все поставленные проблемы локальной электроэнергетики с использованием возобновляемых энергоресурсов. Тем не менее, эта работа является шагом вперед в данной области и может быть полезна как для студентов и научных работников, так и для инженеров, занимающихся практическими вопросами возобновляемой энергетики.

228

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие………………………………………………..… 3

Глава 1. Возобновляемые энергоресурсы территории и условия их использования для генерирования

электроэнергии……………………………………………….. 5

1.1.Классификация ВИЭ…………………………………… 5

1.2.Энергия ветра…………………………………………… 15

1.3.Гидроэнергия…………………………………………… 23

1.4.Солнечная энергия……………………………………… 27

1.5.Геотермальная энергия……………………………........ 35

1.6.Энергия биомассы…………………………………........ 37

1.7.Экономические аспекты использования возобновляемых энергоресурсов для производства

электроэнергии…………………………………………. 39 Литература к главе 1………………………………………………………45

Глава 2. Состояние и перспективы развития возобновляемой энергетики в мире и в России………………………………... 48

2.1.Ветроэнергетика в мировом энергетическом балансе………………………………………………….. 48

2.2.Перспективы развития ветроэнергетики в России…………………………………………………… 58

2.3.Состояние и перспективы мировой гидроэнергетики…………………………………………66

2.4.Тенденции развития гидроэнергетики в России……… 74

2.5.Геотермальная энергетика в мире и в России………… 80

2.6.Солнечная энергетика в мире и в России……………... 86

2.7.Развитие биоэнергетики в мире и в России……………96

Литература к главе 2………………………………………………………102

Глава 3. Электростанции, использующие энергию ветра ……………110

3.1. Ветроэлектростанции и их основные характеристики………………………………………… 110

3.2.Повышение энергоэффективности режимов работы автономных ветроэнергетических

установок………………………………………………... 118

3.3.Децентрализованные системы электроснабжения с использованием ветроэлектростанций………………... 125

3.4.Методика определения технико-экономических характеристик автономных ветроэлектростанций…… 136

Литература к главе 3………………………………………………………140

229

Глава 4. Малая гидроэнергетика в децентрализованном электроснабжении……………………………………………. 142

4.1.Микрогидроэлектростанции…………………………… 142

4.2.Режимы работы микроГЭС с автобалластной стабилизацией напряжения……………………………. 153

4.3.Технико-экономические характеристики автономных микрогидроэлектростанций…………….. 190

Литература к главе 4………………………………………………………191

Глава 5. Геотермальные и солнечные электростанции……………… 198

5.1.Разновидности геотермальных электростанций и особенности их применения в децентрализованных системах электроснабжения………………………………. 198

5.2.Классификация солнечных электростанций и особенности их применения в децентрализованном электро-

снабжении………………………………………………. 202 Литература к главе 5………………………………………………………212

Глава 6. Электростанции, использующие химическую энергию биомассы……………………………………………. 213 6.1. Основные способы преобразования энергии

биотоплива в электроэнергию………………………… 213

6.2.Технико-экономические характеристики автономных электростанций, использующих

биотопливо………………………………………………222

Литература к главе 6……………………………………………………... 227 Заключение……………………………………………………………….. 227

230