|
Читайте также: |
Биосфера [2] - это важнейшая форма представления при познании Земли как планеты, является энергетическим экраном между Землею и Космосом, на число разнообразных видов живых организмов, животных, растений, микроор-ганизмов, населяющих верхние слои земной коры на суше, Мирового океана, морских и пресных вод, и нижние слои атмосферы, окружающей земной шар. Общая масса живых организмов или биомасса Земли составляет примерно 1016 тонн [16].
Основной энергией, используемой в сельском хозяйстве, является солнечная энергия. До поверхности Земли доходит не более 67 % солнечной энергии, которая в биосфере отражается (30 %), превращается в теплоту (46 %), расходуется на испарение воды, осадки (23 %), преобразуется в энергию ветра, волн, течений (0,2 %) и идет на фотосинтез (0,8 %).
Все неживые и живые системы регулируются одними и теми же физичес-кими законами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них потенциальной энергии, способны само восста-навливаться, самоорганизовываться, а неживые системы восстанавливают, используя внешнюю энергию, превращая ее в формы, практически недоступные для использования.
Живая материя отличается от неживой способностью накапливать из окружающего пространства (электромагнитной солнечной энергии) свободную энергию, преобразовывать и концентрировать ее. Преобразование рассеянной солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ, пу-тем фотосинтеза выполняют растения. Превращение солнечной электромагнит-ной энергии в энергию пищи путем фотосинтеза в растении осуществляется в соответствии с двумя законами термодинамики [16].
Первый закон термодинамики гласит, что энергия в системе не создается и не исчезает. Для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. Солнечная энергия, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля солнечной энергии, усвоенной растением при фотосинтезе и преобразованная в потенциальную энергию биомассы, составляет несколько процентов от поступившей.
Согласно второму закону термодинамики процессы, связанные с превра-щением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, если энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную. Этот закон- закон энтропии, которая является мерой количества связанной энергии, недоступной для использования. В замкнутых системах изменение энтропии равно нулю при обратимых процессах или больше нуля - при необратимых процессах.
Система и ее окружение, предоставленные сами себе, т.е. без внешнего принудительного притока или отбора энергии, стремятся к состоянию макси-мальной энтропии (неупорядоченности). Для анализа энергопотоков в технологических процессах более приемлема другая формулировка второго закона: любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.
Энергия солнечного излучения, используемая растениями для фотосинте-за, используется также и для регуляции своего развития, которой необходимо несколько процентов от поглощенного растением излучения (прорастание, цветение, плодоношение и другие направления жизнедеятельности растения). Спектральные диапазоны излучения имеют для роста растений в фитоценозе определенные физиологические значения [36]:
- 280-320 нм (глубокий ультрафитолет): оказывает угнетающее на растение воздействие;
- 320-400 нм (ультрафиолет): выполняет регуляторную роль;
- 400-500 нм (синий): необходим для фотосинтеза биомассы и регуляции в растении;
- 500-600 нм (зеленый): полезен для фотосинтеза оптически плотных листьев, листьев нижних ярусов, густых посевов растений благодаря высокой проникающей способности;
- 600-700 нм (красный): необходим для фотосинтеза, развития и регуляции процессов в растении;
- 700-750 нм (ближний инфракрасный): выполняет регуляторную роль;
- 1200-1600 нм (инфракрасный): поглощается внутри- и межклеточной водой, увеличивает скорость тепловых биохимических реакций.
Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая энергию пищи, также большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую - в химическую потенциальную энергию синтезируемой ими протоплазмы.
Понятие “регуляции” фотосинтеза, т.е. управления накоплением биологи-ческой массы, скорее всего близко понятию “информационной энергетики”, приведенной в главе 1, или по крайней мере обозначают сходные направления управления превращением энергии в био и техносфере с помощью электромаг-нитной энергии низкой плотности. Применительно к повышению энергоэффек-тивности процессов выращивания растительной продукции более подробно это будет рассмотренов главе 11.
Процессы накопления и концентрации солнечной энергии при производ-стве растительной и животной продукции зависят от человеческого труда, приводящего к аккумуляции полезной энергии, которая в свою очередь приводит к расширению запасов продуктов питания, повышает количество концентрированной солнечной энергии с помощью технических средстви технологий, повышающих скорость ее накопления.
2.2- Виды энергии и ресурсы в сельском хозяйстве
2.2.1- Инфраструктура поставок энергии в сельском хозяйстве
Углеводородные энергоносители - нефть, газ и уголь образуют тот фундамент, на котором стоит вся экономика, бытовой уклад, образ жизни современного человека. Они являются источником тепла и других видов энергии, в частности электрической, без которой в настоящее время человечество не мыслит свое существование.
Для энергообеспечения производственного и жилого сектора экономики села требуется инфраструктура обеспечения водой, теплом и электроэнергией в виде систем водоснабжения, теплоснабжения, электроснабжения, которые в свою очередь могут состоять из более мелких, но не менее важных подсистем.
Водоснабжение. Сельское водоснабжение основано на использовании поверхностных и подземных - грунтовых и артезианских водах. Основным источником снабжения питьевой водой сельскохозяйственных животных и населения являются подземные воды. В России около 87 % сельского водопотребления приходится на подземные источники и 13 % - на поверхностные.
Водоснабжение села осуществляется централизовано и автономно. Цент-рализованное водоснабжение- это водопроводные сети сельской местности и, как правило, имеются только в крупных населенных пунктах и сельскохозяйс-твенных объектах. Запитываются водопроводные сети с одной или нескольких скважин, вода с которых насосом подается на аккумумулирующие емкости, расположенные над землей (башни Рожновского). Водоподготовка, как прави-ло, не производится. Вода под естественным напором или с помощью насоса подается в водопроводную сеть, которая через систему водоразборных уличных колонок и кранов в жилых домах и производственных помещениях используется для бытовых и технологических нужд.
Автономное водоснабжение выполняется на базе колодцев и скважин грунтовых вод. Снабжает, как правило, одну усадьбу или одно производство – животноводческую ферму, теплицу и т.п.
Теплоснабжение. Теплоснабжение для производственных и бытовых нужд базируется на углеводородном топливе (нефть, каменный уголь, дизельное топливо, газ, дрова и другое биотопливо) и электрической энергии.
Отопление может осуществляться с централизованных котельных, обеспечивающих тепловой энергией жилые дома, административные и общественные здания, индивидуальные котельные, работающие на отдельные здания, дома или кварптиры (крышные котельные), и печи, используемые, как правило в сельских домах. Источником энергии при отоплении могут быть каменный уголь, газ, нефть или дрова.
Поставки нефти, автомобильного бензина и дизельного топлива осуществляются с центров их производства через сети поставщиков, как правило, железнодорожными и автомобильными цистернами. Наиболее массовые топлива - автомобильный бензин и дизельное топливо распространяются через сети автозаправочных станций.
Дрова. Дрова для отопления в сельской местности используют повсеместно. Долгое время дрова оставались единственным источником тепловой энергии. С древних времен они использовались для приготовления пищи, выплавки металлов, солеварения и древесного угля.
Дрова сжигают в отопительных и варочных печах и плитах различной конструкции. Обычная печь предназначена для отопления дома и приготовления пищи. Строится из кирпича. Она способна обогревать дом площадью до 25 м2. Различные модификации печи (печь с плитой, печь с отопительным водяным или паровым котлом и другие) значительно расширяют сферу ее примения и эффективность зимой и летом. Плиты используются как правило для приготовления пищи.
Получают распространение печи заводского изготовления, как правило металлические, для получения тепла и горячей воды на фермах.
Кроме дров в печах используют также другие традиционные отопительные материалы- солому, камыш и кизяк.
Газоснабжение. Газовое топливо является одним из углеводородных топлив, используемым в основном для получения тепла. Несмотря на то, что Россия является основным производителем природного газа и занимает первое место в мире по его запасам, на сельское хозяйство приходится незначитель-ный объем потребления газа – газифицировано лишь 35% потенциальных потребителей села. Главной причиной низкой газификации села являются высокие удельные затраты на строительство газовых сетей в связи с большой протяженностью газовых сетей и недостаточными капитальными вложениями в это направление энергообеспечения сельской местности. При этом следует подчеркнуть, что в большинстве европейских странах уровень газификации села достигает 80 %.
В настоящее время основным способом газификации сельской местности России остается распределение сжиженного газа в цистернах и в баллонах через сеть областных газонаполнительных станций и кустовых баз. Кустовые базы снабжают газонаполнительные пункты и промежуточные склады балло-нов с радиусом обслуживания 100 – 200 км. Потребление газа из газонапол-нительных станций обходится значительно дороже, чем его использование из сетевой системы. Более 60 % газифицированных сельских квартир также используют сжиженный газ.
В производственной сфере села газовое топливо используется в незначительном количестве. В настоящее время практически весь машинно-тракторный парк сельского хозяйства использует жидкое моторное топливо.
Местные сельские котельные работают преимущественно на твердом или жидком топливе.
Электроснабжение. Снабжение электрической энергией сельских потре-бителей осуществляется через электрические сети: центирализованного электроснабжения и местного. В России линии электропередачи охватывают практически всю территорию, за исключением районов Севера, Сибири и Дальнего Востока. В структуре электропотребления страны сельское хозяйство потребляет не более 13% электроэнергии.
В большинстве сельская местность питается от централизованных высоковольтных линий электропередач напряжением через сеть промежуточных понизительных электрических подстанций 220/ 35/10 кВ или 220/ 35/6 кВ (районные электрические сети -РЭС). Энергия с этих подстанций через электрические сети 10 или 6 кВ подводят энергию к трансформаторным понизительным подстанциям 10(6)/0,38 кВ. Воздушные проводные или подземные кабельные трехфазные электрические линии распределяют энергию по отдельным потребителям.
В труднодоступных районах, где нет централизованного электроснаб-жения, существуют местные электростанции, генераторы которых используют для производства электрической энергии привозные нефть или дизельное топливо. В некоторых местах еще сохранились малые гидростанции, работающие от воды местных рек.
2.2.2- Характеристики использования энергии
Ценным потребительским качеством энергии является ее способность превращаться из одного вида в другой. Это позволяет ее хранить и передавать на расстояния.
Полезная энергия – энергия, теоретически необходимая (в идеализиро-ванных условиях) для осуществления заданных операций, технологических процессов или выполнения работы и оказания услуг. [3]
Коэффициент полезного использования энергии – отношение всей полезно используемой в хозяйстве (пахотном агрегате, участке, энергоуста-новке и т.п.) энергии к суммарному количеству израсходованной энергии.
Коэффициент полезного действия – отношение полезной энергии к подведенной к процессу, установке, агрегату и т.д.- параметр, характеризующий совершенство процесса превращения, преобразования или передачи энергии.
Потеря энергии – разность между количеством подведенной (первичной) и потребленной (полезной) энергии.
В качестве примера рассмотрим использование энергии для освещения помещения:
этап 1- превращение угля в электроэнергию имеет коэффициент полезного действия (КПД) 37%;
этап 2 - подведение электроэнергии к месту потребления имеет КПД 90%;
этап 3 - превращение электрической энергии в световую имеет КПД 20%.
Это дает общий КПД 6,6%. Энергия не может быть уничтожена, следовательно, 93,4% первичной энергии будет потеряно в виде теплоты, рассеянной в окружающей среде, т.е. пойдет на нагрев окружающего пространства- увеличения энтропии, но не на освещение.
Наличие потерь энергии на промежуточных этапах преобразования и транспортировки приводит к увеличению стоимости первичной энергии, расходуемой на единицу конечной. К этому необходимо добавить эксплуатационные и капитальные расходы на превращение, передачу и распределение энергии.
Любой вид энергии имеет определенный уровень потенциала энергии по отношению к потребителю (или устройству, которое должно экстрагировать энергию из окружающей среды). Классификация энергии по ее уровню:
- высокопотенциальная;
- низкопотенциальная;
- консервативная.
Высокопотенциальная энергия - это та энергия, потенциал которой выше потенциала преобразователя, который экстрагирует энергию из окружающей среды для потребителя. Высокопотенциальная энергия - это энергия тепловая или энергия давления топлива при сгорании или других процессах, энергия солнца, ветра, течений, волн, высокотемпературных источников энергии и т.п.
Низкопотенциальная энергия - это та энергия, потенциал которой ниже потенциала преобразователя, который экстрагирует энергию из окружающей среды для потребителя - это энергия более холодной окружающей среды, атмосферы и воды имеющей такое же давление как имеет и преобразователь энергии потребителя, рассеянные электромагнитные поля Земли и т.п.
Консервативная энергия - это та энергия, которая находится в «законсервированном» состоянии:
- энергия топлива (уголь, дрова, газ, нефть и т.п.), которая еще не извлечена из вещества (до сжигания);
- ядерная энергия, которая имеется в веществе, но может быть извлечена только после определенных ядерных процессов;
- энергия любой физической природы в среде или в теле, которая имеется, но самопроизвольно не передается окружающим телам, а может передать свою энергию только после определенных физических процессов.
Консервативная энергия может быть извлечена путем сгорания, ядерных реакций или другими способами при определенных физических условиях.
2.3- Топливно-энергетические ресурсы
На практике мы часто используется термин "виды энергии" для обозначе-ния различных источников энергии или топлива. К ним относятся уголь, нефть, природный газ, являющиеся типичными ископаемыми, а значит не возобновляемыми видами топлива. Человечество использует и другие виды топлива или источники энергии, например, биомассу, энергию солнца, ветра, волн, гидроресурсов. Эти источники относятся к возобновляемым.
Энергоноситель – вещество или форма материи, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное, плазма, электромагнитное поле или излучение). Эта энергия при создании определенных условий используется для целей энергоснабжения при производстве механической работы, нагрева, химической реакции или физического процесса.
Природный энергоноситель – энергоноситель, образовавшийся в результате природных процессов, как правило, являющийся производным от солнечной энергии: вода гидросферы (при использовании энергии рек, морей, океанов), горячая вода и пар геотермальных источников, воздух атмосферы (при использовании энергии ветра), органическое топливо (нефть, газ, уголь, торф, сланцы, биомасса), электромагнитное излучение солнца.
Произведенный энергоноситель – энергоноситель, полученный как продукт технологического процесса, техногенной деятельности человека:
водяной пар котельных установок и парогенераторов, горячая вода,
сжатый воздух, продукты переработки органического топлива и т.п., продукты преобразования электромагнитного излучения солнца.
При практическом использовании происходит цепь превращений энергии путем преобразования энергоносителя от его исходного состояния до вида, в котором он приходит к потребителю. Например, сырая нефть, добытая из земли, является первичным энергоносителем и имеет ограниченное применение. Ее можно преобразовать в более полезные производные энергоносители - бензин, газ, дизельное топливо и т.п.) - вторичный источник энергии. Подобная переработка приводит к определенным потерям энергии.
Вторичные энергоносители доводятся до потребителя при их транспортировке и распределении. Этот процесс также связан с дополнительными потерями. Этапов преобразования и транспортировки энергоносителя может быть несколько и на каждом из них происходят потери.
В реальном производстве предприятие закупает энергоносители, энергию как товар. У различных предприятий свои требования к виду, качеству и количеству энергоносителей, которые оно закупает для осуществления своей деятельности. Например, предприятию по производству зерна необходимо постоянное снабжение бензином и дизельным топливом, а молочное предприятие в большей степени интересуют бесперебойные поставки электроэнергии.
На международном уровне в 1997 г. был принят стандарт ИСО 13600, определяющий энергоресурс как товар, потребляемой в техносфере, связанной с другими сферами жизни- охраны окружающей среды и экологии [47]:
Топливо: продукция, предназначенная для выработки тепловой энергии в процессе ее сжигания.
Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) – совокупность природных и произведенных энергоносителей, запасенная энергия которых доступна для использования в хозяйственной деятельности человека.Виды топливно-энергетических ресурсов приведены в таблице 2.1.
Энергетический эквивалент (топливно-энергетический эквивалент) - показатель, характеризующий народнохозяйственный уровень прямых общих затрат первичной энергии или работы на единицу потребляемого топливно-энергетического ресурса.
Таблица 2.1- Виды топливно-энергетических ресурсов, как энерготоваров по ИСО13600 [47]
| Б.1 Твердое топливо | |
| Энергетический уголь | Весь уголь, извлеченный из земли, за исключением металлургического угля для фильтров |
| Энергетический торф | Торф, энергетически отличающийся от торфа, используемого для усовершенствованной почвы (грунта) или других целей |
| Коммерческие дрова | Щепки дерева и тырса - подэлементы коммерческих дров, используемых как энергопродукт (энерготовар) |
| Другая биомасса | «Энергетические» лес, солома, тростник, высушенный коровий навоз, кустарник, стручки семян, используемые в качестве топлива |
| Топливные брикеты и гранулы | Горючее вещество ископаемого или биологического происхождения в форме порошка, зерен (гранул) и мелкой щепы, уплотненных в блоки для механизации погрузочно-разгрузочных работ |
| Древесный уголь | Твердый осадок деструктивной перегонки и пиролиза дерева, кроме древесного угля для фильтров |
| Кокс | Твердое топливо, полученное из угля путем нагрева в отсутствие воздуха |
| Б.2 Жидкое топливо | |
| Сырая нефть | Неизвлеченная нефть, не являющаяся энергопродуктом. Она становится энергопродуктом сразу, как только добывается (извлекается) |
| Нефтепродукты: - моторный газолин - авиационный газолин - другой керосин - дизельное топливо - газойль для отопления - топливная нефть | Могут быть приведены в группах различных энергопродуктов. Любая из отдельных жидких смесей быстроиспаряющегося углеводородного бутана и пропана |
| LPG (сжиженный нефтяной газ) | Пребывает в газообразном состоянии при атмосферном давлении и становится жидким при 15 °С и под низким давлением от 0,17 до 0,75 МПа |
| Получистые продукты | Жидкие углеводороды, включаемые в список энергопродуктов независимо от того, используются ли они для производства топлив или как нефтехимическое исходное сырье. |
| Моторные спирты | Этиловый спирт, метиловый спирт с добавками и смесями из составов и групп органических кислородосодержащих составов (эфиры и спирты) с легкими топливами |
| NGL (газоконденсатные жидкости) | Жидкие части природного газа, которые восстановлены (регенерированы) в сепараторах, шахтном оборудовании и газогенераторных установках |
| Топлива, производимые из растительных и животных масс | Растительные и животные масла, извлеченные из различных растений и животных |
| Б.3 Газообразное топливо | |
| Топливо из природного газа: | |
| - природный газ | Метан и газовые смеси |
| - LNG (сжиженный природный газ) | Природный газ, сжижаемый при низкой температуре для последующего хранения и транспортирования |
| Преобразование (конвертированное) газообразное топливо: | |
| - газ, извлеченный из угля | Получаемый из угля |
| - топочный газ | Получаемый из металлургического угля |
| - газифицированная биомасса (или биомасса в газообразном состоянии) | |
| - газ, получаемый при перегонке (нефтезаводской [п. неконденсирующийся]) | |
| - газ бытового назначения (коммунальный или городской) | Газ, производимый для общественного (коммунального) снабжения |
| - биогаз (биомасса) | Составленный главным образом из смеси метана и диоксида углерода, произведенной анаэробным вывариванием биомассы; метан, отделяемый вне этой смеси, назван «биометаном». Газ из жидкого навоза, болотный газ, газ от мусора (свалок) и т.д. |
| Б.4 Водород | |
| В газообразной или жидкой форме, получаемый из ископаемых или возобновляемых источников | |
| Б.5 Ядерное топливо | |
| Уран, торий и плутоний - расщепляющиеся и воспроизводящиеся материалы (элементы) | |
| Б.6 Сетевое электричество (или электричество энергосистемы) | |
| Энергопродукт, произведенный в силовых установках и распределенный по общественной или подобной сети | |
| Б.7 Коммерческое тепло, районное тепло | |
| Горячая жидкость или пар, используемые в коммерческих тепловых распределительных системах, полученные из других энергопродуктов, возобновляемых ресурсов, включая такие, как солнечная радиация и геотермальное тепло |
Значения энергетических эквивалентов и энергосодержание для ТЭР и некоторых видов металлов, материалов, сооружений, транспортных средств, а также затрат живого труда для некоторых категорий работ приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 - Энергетические эквиваленты и энергосодержание топлива и материалов как энерготоваров по ИСО13600 [47]
| Наименование объекта | Энергетический эквивалент | Энергосодержание ТЭР, Дж/кг |
| Топливно-энергетические ресурсы (МДж/кг) | ||
| Топливо: | ||
| - дизельное | 10,0 | 42,7 |
| - бензин авиационный | 10,5 | 44,4 |
| - бензин автомобильный | 10,5 | 43,9 |
| - керосин тракторный | 10,0 | 43,9 |
| - биогаз | - | 36,2 |
| Электроэнергия | 8,7 МДж/(кВт×ч) | - |
| Тепловая энергия | 0,0055 МДж/ккал | - |
2.4- Возобновляемые источники энергии
Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного наращивания энерговооруженности производства. Современные темпы добычи природных ископаемых по существующим прогнозам приведут к тому, что запасы угля исчерпаются через 400 лет, нефти – через 40 лет, газа – через 60 лет. Поэтому необходимо менять структуру их потребления и шире использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ). В отличие от ископаемых (невозобновляемых) топлив они не ограничены геологически накопленными запасами [48, 74, 75].
К ВИЭ относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков (рис. 2.1). По сравнению с невозобновляемыми источниками энергии ресурсы ВИЭ огромны, их потенциальные возможности составляют (млрд. т.у.т. в год): энергии Солнца – 2300; энергии ветра – 26,7; энергии биомассы – 10; тепла Земли – 40000; энергии малых рек – 360; энергии морей и океанов – 30; энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла – 530 (рис. 2.1). Экономический потенциал ВИЭ в настоящее время оценивается в 200 млрд. т.у.т. в год, что вдвое превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива.
Большая часть территории России имеет очень низкую плотность населения, и подключать эти районы к крупным энергетическим системам в настоящее время экономически нецелесообразно. Сегодня более десяти миллионов россиян, живущих в северных районах, на Дальнем Востоке, в удаленных от централизованного электроснабжения сельских поселениях и воинских частях, получают электроэнергию от автономных дизель-электрогенераторов.
Именно эти районы обладают наибольшим потенциалом возобновляемых энергетических ресурсов и являются наиболее перспективными для использования ВИЭ.
Основное преимущество ВИЭ- их неисчерпаемость и экологическая чистота. Использование установок, работающих на фундаментальных принципах возобновляемости, не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития ВИЭ за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. Оценить объем технически доступных ресурсов для возобновляемой энергетики в России можно проанализировав данные таблицы 2.2.
2.4.1- Низкопотенциальная энергия
При использовании тепла Земли можно выделить два вида тепловой энергии – высокопотенциальную и низкопотенциальную. Источником высокопотенциальной тепловой энергии являются гидротермальные ресурсы – термальные воды, нагретые в результате геологических процессов до высокой температуры.
Использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов - это одно из наиболее динамично развивающихся направлений применения возобновляемых источников энергии. Большинство тепловых насосов, предназначенных для использования низкопотенциального тепла
Земли или окружающего воздуха, оборудовано компрессорами с электрическим приводом.
Потребление 1 кВт·ч электроэнергии позволяет получить за счет энергии окружающей среды для тепловых насосов: «воздух-воздух» - 3 кВт·ч; «вода-вода» - 5 кВт·ч; «вода-солнечный коллектор-вода» - 10 кВт·ч; «вода-солнечный фотоэлектрический модуль-вода» - 16 кВт·ч. С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 0С на каждые 100 м). Величина потока тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается, так например, для Центральной Европы эта величина составляет 0,05-0,12 Вт/м2.
Выделяют два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли:
1) открытые системы: используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;
2) замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; по ним циркулирует теплоноситель или с пониженной относительно грунта температурой, происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой- его охлаждение.
Рисунок 2.1- Ресурс мировой возобновляемой энергетики и их виды [74 ]
Таблица 2.2 Ресурсы возобновляемых источников энергии в России [28].
| Вид ВИЭ | Вид ресурсов, млн. т.у.т. | ||
| Валовой | Технический | Экономический | |
| Низкопотенциальное тепло | |||
| Энергия ветра | |||
| Малая гидроэнергетика | |||
| Солнечная энергия | |||
| Геотермальная энергия (гидротермальные ресурсы) | 22,9 *103 | ||
| Энергия биомассы |
Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. К системам, использующим тепло Земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов.
Замкнутые системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные.
Горизонтальный грунтовой теплообменник устраивается, как правило, ря-дом с домом на небольшой глубине, но ниже уровня промерзания грунта. Такие теплообменники представляют собой отдельные трубы, положенные относи-тельно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно.
Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже 10-20 м от уровня земли. Они не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий.
Системы тепло- и холодоснабжения зданий, использующие низкопотен-циальное тепло Земли, представляют собой надежный источник энергии, кото-рый может быть использован повсеместно. В США установленная мощность тепловых насосов – 4800,0 МВт, произведенная энергия составляет – 12000,0 ТДж/год; в Канаде – 360,0 и 891,0, а в России – 1,2 МВт и 11,5 ТДж/год соответственно.
2.4.2- Ветряная энергия
Энергия ветра – один из первых возобновляемых источников энергии, используемых человеком, например для привода мельниц и водяных насосов. Ветроэнергетика – отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразова-нии кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любой другой вид энергии [28,76]. Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах и на пастбищах, осушения болот и др. По оценкам специалистов, энергию ветра можно использовать там, где без существенного ущерба допустимы кратковременные перерывы в электроснабжении.
Ветровой энергетический потенциал Земли оценен в 300 млрд. кВт·ч в год, но для технического освоения из этого количества пригодно лишь 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд. кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд. кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенера-тора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с, в связи с этим ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы - их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с, и получить от их работы существенное количество энергии не удается.
Существуют ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, например, роторные или карусельные. Вертикальному ветрогенератору достаточно 1 м/с чтобы начать вырабатывать электричество, они практически бесшумны, не требуют обслуживания и служат более 20 лет.
Наиболее прогрессивная технология использования ветрогенераторов- сочетание в одном устройстве генераторов двух видов - вертикального ветро-генератора и фотоэлектрических модулей - солнечных панелей. Дополняя друг друга, совместно они гарантируют производство достаточного количества электроэнергии на любых территориях и в любых климатических условиях.
Ветер является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра – фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Поэтому ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде гидроэлектростанций (ГЭС) или гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС)). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25% от общей установленной мощности системы, так для России это будет показатель, близкий к 55 тыс. МВт. Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии, получаемой от ветрогенераторов, является необходимость:
1) получения электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц для чего требуется применение инвертора;
2) автономной работы в течение некоторого времени, поэтому необходимо использовать аккумуляторы;
3) длительной бесперебойной работы потребителей, что зачастую организуется за счет применения дизель-генератора.
Наиболее экономически целесообразно получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (не постоянной частоты) с последующим преобразованием его в тепло и свет. Эта схема имеет несколько преимуществ: 1) отопление является основным энергопотребителем любого дома в России; 2) схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается; 3) в качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с испо-льзованием территорий на суше выше в 1,5-2 раза. Энергетически выгодные ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережьях и островах Северного Ледовитого океана, Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтий-ского, Черного и Азовского морей, в районах Нижней и Средней Волги и Дона. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, Туве, на Алтае, и Байкале. Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле.
Рисунок 2.2. Гибридная ветро и фотоэлектростан-ция на чабанской точке в Волгоградской области
2.4.3- Малая гидроэнергетика
К малой гидроэнергетике принято относить широкий спектр гидроэнергетических объектов разного типа, с установленной мощностью менее 25 МВт, в том числе мини-ГЭС мощностью менее 5 МВт и совсем небольшие микроГЭС мощностью от 3 кВт до 1 МВт. Принципиальное отличие малой энергетики от обычной заключается в отсутствии необходимости сооружения крупных гидротехнических объектов, что упрощает строительство и лицензирование [28].
Применение малых ГЭС имеет ряд преимуществ:
1- отсутствует в процессе строительства и эксплуатации нарушение природного ландшафта и окружающей среды;
2- вода не теряет первоначальных природных свойств и может использоваться для водоснабжения населения;
3- минимальна зависимость работы станции от погодных условий.
Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и систе-мы автоматического управления. По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории: новые русловые или припло-тинные станции с небольшими водохранилищами; станции, использующие ско-ростную энергию свободного течения рек и существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства - от судоходных соору-жений до водоочистных комплексов (имеется опыт использования питьевых водоводов, а также промышленных и канализационных стоков). МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Они используются как источники электроэнергии для дачных поселков, сельскохо-зяйственных производственных и жилых объектов в труднодоступных районах - там, где прокладывать сети невыгодно.
Основные ресурсы малой гидроэнергетики в России сосредоточены на Северном Кавказе, Дальнем Востоке, Северо-Западе (Архангельск, Мурманск, Калининград, Карелия), Алтае, Туве, Якутии и Тюменской области.
В настоящее время действующие на территории России малые ГЭС обес-печивают около 2.2 млрд. кВт·ч/год, а их технический потенциал оценивается в 382 млрд. кВт·ч/год. Экономический потенциал малой гидроэнергетики в настоящее время он определен в размере 60 млрд. кВт·ч/год. Но используется он незначительно- всего на 1%. Не так давно, в 1950-60-х годах, у нас дейст-вовало несколько тысяч МГЭС. Сейчас - всего лишь несколько сотен – сказа-лись результаты перекосов в ценовой политике и недостаточное внимание к совершенствованию конструкций оборудования и технологий.
2.4.4- Солнечная энергетика
Преобразование солнечной энергии в тепло
Преобразование солнечной энергии в тепло осуществляется в солнечных коллекторах. Коллектор поглощает энергию Солнца и преобразует ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем использу-ется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи [17].
Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.
С солнечного коллектора горячая вода (горячий теплоноситель) поступает в накопительный бак, где отдает тепло холодной воде, последняя нагревается и поступает потребителю.
Различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:
- низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 оС;
- среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотен-циальное тепло (60-80 оС). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло на поверхности теплообменной поверхности концентрируется специальными оптическими системами;
- высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества.
Горячее водоснабжение - наиболее распространенный вид прямого при-менения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хра-нения горячей воды, нагретой жидкостью-теплоносителем, рисунок 2.3.
Рисунок 2.3- Схема солнечного коллектора.
Даже в регионах с относительно небольшим количеством солнечной радиации солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Тепловые солнечные системы имеют КПД 50-90%. Однако при обес-печении горячей водой домашнего хозяйства, когда температура воды на 40 оС выше температуры воздуха, КПД коллекторов составляет обычно менее 20%. В таких случаях наиболее целесообразно применение плоских коллекторов с селективным покрытием и вакуумированных трубчатых коллекторов. Для нагрева воды до еще более высокой температуры (например, для отопления помещений) лучше всего подходят вакуумированные коллекторы.
В России существуют объективные предпосылки (климатические и тех-нические) для существенного развития солнечной энергетики. Климатические особенности определяют достаточно высокие удельные характеристики солнечных установок при производстве электроэнергии и тепла (годовая удельная выработка электроэнергии фотоэлектрическими установками до 200 кВт·ч/м2; годовая удельная производительность установок солнечного горячего водоснабжения до 750 кВт·ч/м2).
Фотоэлектрические станции
Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэ-лементах, изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлек-трические станции. Крупнейшая такая станция на сегодняшний день - это 5-мегаваттная установка Карриса Плейн в американском штате Калифорния. КПД фотоэлектрических установок в настоящее время составляет около 10%, однако отдельные могут достигать эффективности 20% и более.
Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное осве-щение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосисте-му и т. д. Они работают в любую погоду. При переменной облачности они достигают 80% своей потенциальной производительности; в туманную погоду - около 50%, и даже при сплошной облачности они вырабатывают до 30% энергии.
Насосные установки, работающие на солнечных фотоэлементах, эффек-тивны и экономически выгодны в условиях практически любого их примене-ния. Экономичнее использовать водяные насосы на солнечной батарее, чем сооружать и обслуживать ведущие к ним распределительные электрические линии. В сельских районах находится и другое применение фотоэлектричес-ким системам - зарядка и освещение электрических изгородей; обеспечение циркуляции воды, вентиляции, света и кондиционирования воздуха в теплицах.
Фотоэлементы с успехом применяются для электрификации деревень. В наше время два миллиарда людей во всем мире живут без электричества. Большая часть из них - в развивающихся странах, где 75% не имеют доступа к электроэнергии. Удаленные деревни часто не подключены к сети.
Из-за низкого КПД при преобразовании излучения Солнца в электричес-кую энергию (10-30%) под фотоэлектростанции требуется использование больших площадей земли. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли). Поэтому в основном устанавливаются фотоэлектри-ческие станции мощностью 1-2 МВт недалеко от потребителя или даже инди-видуальные и мобильные установки. Поток солнечной энергии, падающий на фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата и может различаться в два и более раза для заселённой части суши. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители такой недостаток, как сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов преодолим, так в 1990-2005 гг. цены на фотоэлемен-ты снижались в среднем на 4 % в год. При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30-50 лет.
Россия обладает высоким потенциалом по ресурсам солнечной энергии, составляющим более 2300 млрд. т.у.т. Наиболее благоприятными регионами для установки солнечных электростанций являются Астраханская область, рисунок 2.4, Калмыкия, Тува, Бурятия, побережье Каспийского и Черного морей (2000 кВт·ч/м2 в год). Использование солнечных панелей для производ-ственных целей в условиях средней полосы России в настоящее время при их КПД в 10% и плотно-сти потока энергии 2,2 - 16,3 кВт.ч/м2 (декабрь и июнь соответственно) может быть не эффективно. При этом в зимнее время, в сезон наибольшего расхода энергоресурсов, необходимо проведение специальных работ по очистке солнечных панелей от снега [56].
Рисунок 2.4- Автономная фотоэлектрическая станция на чабанской точке в Астраханской области
2.4.5- Геотермальная энергия
Геотермальная энергия – это та часть энергии, находящаяся в твердой, жидкой и газообразной фазе земной коры, которую можно эффективно испо-льзовать для производства электроэнергии и теплоснабжения. Для какой из этих целей она будет использоваться зависит от ее вида [28].
Если геотермальная энергия поступает из-под земли в виде сухого пара, то он может непосредственно использоваться для вращения турбины и выработки электроэнергии, а конденсационную воду - возвращать в землю или сбрасывать в ближний водоем.
В большинстве месторождений есть только горячая вода, и энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние для привода турбины.
Применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологи-чески чистое потому, что пар часто сопровождается газообразными выбросами, включая сероводород и радон - оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростан-ции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того воду необходимо удалять. Эта вода может содержать до 20% соли – это потребует перекачки ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера уничтожит в них пресноводные формы жизни.
Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, России. Самая мощная ГеоТЭС (50 МВт) построена в США – ГеоТЭС Хебер. Геотермальные ресурсы распределе-ны неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.
Потенциальные тепловые ресурсы по территории России оцениваются в 400-1000 млн. т.у.т. в год. Геотермальная энергетика может быть эффективна в районах, где горячие воды приближены к поверхности земной коры - в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курилы).
2.5- Биоэнергетика в энергообеспечении сельского хозяйства
2.5.1- Биотопливо
Биотопливо - это твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом. Различается твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга), жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания- этанол, метанол, биодизель), и газообразное (биогаз, водород).
Дрова – древнейшее топливо, используемое человечеством. Более широ-ким, чем дрова является понятие “биомассы”, куда входят и хворост, и отходы древесного производства, и растения, например, солома, саксаул, а также спе-циально произведенные для целей энергетики растения (соя, кукуруза и т.п.).
Мировое потребление древесины в качестве топлива в конце 20 века сос-тавляло 1300 млн.тонн в угольном эквиваленте. Древесное топливо уступает по объему потребления нефти и углю, но, вероятно, занимает первое место по числу людей, которые им пользуются. Половина древесного топлива идет на приготовление пищи, одна треть - на обогрев жилища. Интерес к дровам (и к биомассе в целом) усиливается в мире в связи с ростом использования возобновляемых источников энергии.
В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и биомассу в основном идет древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов. (БЕРЕЗА?)
Топливные гранулы и брикеты – прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8-23 мм и длиной 10-30 мм.
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 240 | Нарушение авторских прав