Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативные источники энергии

1. Альтернативная энергетика

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером, он связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрным цветом либо спецраствором, для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом. Трубки, по которым распространяется вода, изготавливаются из сшитого полиэтилена или меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком. [8]

Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность.

Вакуумный солнечный коллектор. Солнечная тепловая труба имеет устройство схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка дает возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии.

При облучении установки солнечным светом, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. [7]

Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30-90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.

Достоинства гелиоэнергетики

· Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить характеристику отражательной способности земной поверхности и привести к изменению климата.

Недостатки гелиоэнергетики

· Необходимость аккумуляции энергии.

· При промышленном производстве - необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.

· Высокая стоимость конструкции.

· Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.

· Нагрев атмосферы над электростанцией.

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30-50 лет. Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20-25% потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов - или 20-25% всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно [9].

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10%. [10]

5. Биотопливо

Биотопливо - это твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом.

Это определение ложится в основу наиболее распространенной и самой простой, для понимания, классификации биотопливных продуктов, а именно - разделению их по агрегатному состоянию. Специалисты биотопливной отрасли чаще оперируют классификациями биотоплива по поколениям или по способу их производства.

Классификация видов биотоплива по агрегатному состоянию

Самый распространенный представитель вида - дрова. В настоящее время для производства дров или биомассы используются, так называемые, энергетические леса. В их составе включают быстрорастущие породы древесины, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.). В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (так называемые, комбинированные посадки). Период ротации энергетического леса (от срезания до срезания) составляет 4-6 лет. Экологические достоинства энергетической биомассы:

· предупреждение эрозии почвы;

· при сжигании биомассы, в атмосферу выделяется только CO2, поглощенный при ее росте.

Пока несколько менее распространенными видом твердого биотоплива являются древесные топливные гранулы (ДТГ). Это топливный продукт, полученный прессованием древесных отходов (опилок, щепы, коры, некондиционной древесины и др.), соломы, отходов сельского хозяйства (навоза, куриного помета, лузги подсолнечника, ореховой скорлупы,) и другой биомассы. Это экологически чистое биотопливо, зольность которого не превышает 3%.

Упрощенно, процесс производства ДГТ (или, как их еще называют, пеллет) выглядит следующим образом. Биосырье поступает в дробилку, где измельчается до консистенции муки. Данная мука передается в сушилку, а уже из неё - в специальный пресс-гранулятор. Сжатие во время прессовки повышает температуру муки, при этом лигнин, содержащийся в древесине, становится клейким, что позволяет получать на выходе плотные цилиндрики. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в стандартную упаковку или доставляют потребителю россыпью. Наиболее распространенное применение пеллет - отопление объектов индивидуального строительства (частные дома, коттеджи), а также небольших производственных помещений. Самый динамично развивающийся рынок потребления пеллет - страны Европейского Содружества. По разным оценкам, в некоторых странах Европы до 2/3 жилых помещений отапливаются с помощью пеллет. Также необходимо отметить, что в США и европейских странах действует ряд стандартов на топливные гранулы.

Среди видов твердого биотоплива необходимо упомянуть топливные брикеты (высушенные и брикетированные энергоносители биологического происхождения, например, навоз) и биологические отходы с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, щепа, кора, лузга, солома, шелуха и т.д.). В Европе топливные брикеты, наряду с пеллетами, используют для отопления жилых и производственных помещений, а щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью до нескольких десятков мегаватт.

Жидкое биотопливо

Весьма и весьма перспективный класс биотоплива, основное применение которого - двигатели. Его получают из самых разнообразных растений - от пшеницы и сахарной свеклы, до рапса и отходов деревообработки.

Жидкое, или как его еще называют, моторное биотопливо - вещество, получаемое в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свеклы, сахарного тростника), средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения).

Биоэтанол. Большая доля мирового производства жидкого биотоплива приходится на биоэтанол (этанол, получаемый из сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса). Причина популярности биоэтанола кроется в экономической эффективности его производства, т. к. при урожайности семян рапса 2-4 т/га с 1 гектара можно получить 1-1,5 тонны биоэтанола и 2-2,5 тонны высококачественных растительных кормов. Характеристики моторного топлива, получаемого из растений, близки к показателям дизельного топлива. При этом вредные выбросы при использовании биодизельного топлива существенно меньше. [11]

В декабре 2007 года MnCAR (Центр Автомобильных Исследований Миннесоты) опубликовал результаты своих исследований по теме энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте. Наибольший интерес исследования представляет результат эксплуатации обычных автомобилей. Исследованию подверглись смеси от 2% до 85% содержания этанола в бензине. Для обычных автомобилей с ДВС самой оптимальной оказалась смесь Е30 (30% этанола и 70% бензина). На этой смеси потребление топлива снизилось на 1% (немного, но гораздо важнее экологические показатели) по сравнению с бензином (октановое число 95). Одной из важнейших характеристик биоэтанола является топливный баланс (соотношение энергии, выделяемой топливом, к энергетическим затратам на его производство). В настоящее время, наилучший результат составляет 1,24 (энергия, полученная из этанола, на 24% превышает энергию, затраченную на его производство). Топливный баланс бензина ощутимо хуже - для его производства требуется большое количество энергии (разведка нефти, её добыча и транспортировка, переработка и доставка). [12]

Экологический эффект применение биоэтанола в качестве топлива - снижение выбросов диоксида углерода. Снижение выбросов CO2 при производстве этанола из зерна по состоянию на 2008 г. в США составляло в среднем 21%. Однако, при модернизации спиртового производства, заключающегося в переводе его на природный газ, возможно снижение выбросов углекислого газа на 29-35%. Максимальное снижение выбросов CO2 может быть достигнуто при производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов (например, отходов лесной промышленности, 52%) в качестве как источников целлюлозы, так и топлива в спиртовом производстве. Теоретический максимум снижения выбросов - 82% - может быть достигнут при производстве этанола из целлюлозной биомассы проса Panicum virgatum, однако такие производства в настоящее время отсутствуют [13].

Биометанол. Это метанол, получаемый посредством биологического преобразования морского фитопланктона. Производство этого вида биотоплива начало зарождаться в конце 70-х, начале 80-х годов, когда несколько европейских стран объединили свои усилия по разработке проекта промышленного культивирования и переработки биомассы фитопланктона. Проектом предусматривалось создание промышленных зон в пустовавших на тот момент прибрежных районах. Однако, развития тот проект не получил, чему в большой мере способствовало существенное снижение мировых цен на нефть. Сейчас данное направление производства биотоплива считается одним из самых перспективных, так как отличается от других более высокой выработкой биомассы (до 110 т/га фитопланктона в год), отсутствием серьезных требований к производственной площадке (не требуются плодородные почвы и пресная вода, процесс не создает конкуренции сельскому хозяйству) и высоким уровнем энергоотдачи.

Биодизель. Это вид биотоплива, для производства которого используются жиры растительного, микробного и животного происхождения (а также получаемые из них эфироы). Сырьем для производства биодизеля может выступать пальмовое, рапсовое, соевое и другие масла, отходы пищевой промышленности, а также морские водоросли. Биодизель находит применение в автомобильных двигателях, причем использовать его можно как в чистом виде, так и в виде смесей с традиционном дизельным топливом. Обычно такие смеси маркируют, указывая процентное содержание биодизеля, так в США для обозначения смесей дизельного топлива с биодизелем используется буква B, после которой следует число, означающее процентное вхождение биодизеля (В2 - 2%, В100 - 100%). Применение таких смесей не требует внесения конструктивных изменений в двигатели.

Экологический эффект от использования биодизеля доказан достаточно давно и не подвергается сомнению:

· попадание биодизеля в воду не причиняет вреда животному и растительному миру;

· в почве и воде биодизель практически полностью распадается за 25-30 дней;

· при сгорании биодизеля выделяется точно такой же объем углекислого газа, который был потреблен растениями, являющимися сырьем для его производства, за весь период жизни;

· в отличие от классического дизельного топлива, биодизель почти не содержит серы.

Из практико-технических достоинств биодизеля можно выделить следующие:

· полученный в ходе производства биодизеля жмых можно использовать в качестве корма для скота, что позволяет наиболее полно использовать сырьевую биомассу;

· производство биодизеля способствует вводу в оборот низкокачественных неиспользуемых сельскохозяйственных земель;

· биодизель обладает исключительными смазочными характеристиками, несмотря на гораздо меньшее содержание серы, в то время как обычное минеральное дизельное топливо при исключении из состава сернистых соединений теряет смазочные способности. Результаты различных независимых исследований влияния биологического дизельного топлива на двигатели показывают, что при использовании биодизеля в серийных, не модернизированных двигателях, срок службы двигателя и топливного насоса увеличивается в среднем не менее чем на 50%.

Газообразное биотопливо

Газообразное биотопливо (биогаз, биоводород) - продукт, получаемый в результате брожения биомассы или использования иных термо- и биохимических процессов, направленных на ее переработку. Наиболее распространенные вид газообразного биотоплива - биогаз, одной из разновидностей которого является биоводород.

Биогаз - газ, получаемый в ходе брожения биомассы (органических отходов) посредством воздействия различных видов бактерий. Современная технология производства биогаза последовательно используются три вида бактерий, каждый из которых питается продуктами жизнедеятельности предыдущего:

· гидролизные бактерии;

· кислотообразующие бактерии;

· метанобразующие бактерии.

Перечень сырья, пригодного для получения биогаза, весьма широк. В основном, это органические отходы, такие как навоз, птичий помёт, трава, бытовые отходы, а также отходы рыбных и забойных производств и так далее Кроме того, биогаз можно производить из энергетических культур - силосной, а также водорослей. Выход газа может достигать до 350 мі из 1 тонны отходов и зависит от вида сырья и применяемых технологий.

Экологический эффект от использования биогаза неоспорим. Его производство предотвращает выбросы в атмосферу метана, провоцирующего развитие парникового эффекта. Кроме того, переработанный навоз и другие отходы находят применение в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Это снижает потребность в химических удобрениях, что уменьшает загрязнение грунтовых вод. Практическое применение биогаза возможно во всех сферах, где используется обычный природный газ. После обогащения (очистки) биогаза до состояния биометана (полный аналог природного газа с концентрацией метана до 99%) газ может использоваться как моторное топливо, подаваться в общую систему газоснабжения в трубопроводы среднего или низкого давления, использоваться на технологические нужды в качестве полной замены природного газа.

Классификация видов биотоплива по поколениям

Биотопливо первого поколения производится из любого сельскохозяйственного сырья посредством применения традиционных технологий (близкие к естественным, биологические и термохимические процессы, такие как брожение). В настоящий момент, вопросы дальнейшего наращивания оборотов производства биотоплива первого поколения вызывает во всем мире ожесточенные дискуссии. К этому виду топлива относятся биоэтанол (производится из сахарного тростника, кукурузы, пшеницы и т.д.) и биодизель (получаемый из масляничных культур - сои, рапса, пальмы, подсолнечника).

Биотоплива второго поколения

Биотопливо второго поколения производятся из не пищевого сырья (отработанные жиры и растительные масла, биомасса деревьев и растений). Технологически производство биотоплива второго поколения представляет собой процесс получения топлива посредством переработки целлюлозы и лигнина, содержащихся в древесной или волокнистой биомассе. Преимущество такого биотоплива второго поколения заключается в том, что сырье, необходимое для производства (растения) может выращиваться на менее благоустроенных, по сравнению с биотопливом первого поколения, землях. Для их производства требуется минимум техники, удобрений и пестицидов. Основной недостаток производства кроется в свойствах самого сырья - лигноцеллюлоза древесины - сложный полимерный углевод, требующий большего числа химических превращений и, соответственно, энергии для получения из него жидких топлив. Условная эффективность производства энергии из биомассы биотоплива первого и второго поколений одинакова и составляет примерно 50%. Из лигноцеллюлозы растений получают два основных вида топлива: биоэтанол и бионефть. Таким образом, можно сделать вывод, что производство биотоплива второго поколения, в настоящий момент, является очень капиталоемким процессом, т. к. пока соответствующие технологии весьма дороги.

Биотоплива третьего поколения

Биотопливо третьего поколения производится из водорослей. Перспективность этого направления развития биотопливной отрасли связана со спецификой состава водорослей. По характеристикам, которые могут заинтересовать специалистов биотопливной отрасли, они значительно превосходят растения, средой обитания для которых является суша. В штамме водорослей содержание жиров составляет от 75 до 85% сухого веса. Дополнительным преимуществом водорослей является то, что с одной технологической площадки можно собирать до 35 урожаев в год. [11]

Список литературы

1. Kiehl, J.T., Kevin E. Trenberth, 1997: Earth's Annual Global Mean Energy Budget. Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, 197-208.

2. Концепция использования ветровой энергии в России. Под ред. Безруких П.П. - М.: Книга - Пента, 2005.

3. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. - Махачакала: Юпитер, 1996.

4. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989.

гелиоэнергетика альтернативный биотопливо ветрогенератор

Размещено на Allbest.ru