Глава 4. Источники энергии. 3 страница

Последний проект более технологичен для САС. При сооружении трубопровода глубинных вод из железобетона технология ее изготовления будет та же, что и на ОТЭС. Стальные спицы рамы (достигающие в длину нескольких сот метров) могут собираться из составных секций в вертикальном положении вместе с наращиваемой трубой трубопровода теми же роботизированными средствами, которые собирают и сваривают арматуры трубы. После завершения строительства и спуска дочерней САС на воду шарнирно соединенные вверху основанием трубопровода спицы вместе с установленной на них сеткой канатов переводятся с помощью тросов в горизонтальное положение и закрепляются. Для посадки рассады и сбора урожая должен быть создан мобильный подводный робот с 1-2 манипуляторами, режущим устройством, системой технического зрения и механизмом передвижения по системе канатов. Для энергоснабжения и транспортировки собранной биомассы робот должен быть соединен с корпусом САС кабелем и торсом. Специальное грузовое устройство, совершающее челночные перемещения между роботом и САС, транспортирует собранную биомассу.

Наиболее эффективно сочетание такой системы культивирования макроводорослей с другой энергоустановкой - ОТЭС. В этом случае можно использовать трубопровод холодной воды для снабжения водорослей биогенными веществами и тем самым сократить капитало-, материало- и энергоемкость энергосистемы в целом.

Культивируемая биомасса на наземных и плавучих САС может перерабатываться теми же способами, что и естественная. Применение спиртового брожения биомассы в условиях САС маловероятно из-за сложности технологии и преобладания стационарных потребителей энергии. При возделывании водорослей наиболее перспективно метановое анаэробное брожение биомассы. Методика, разработанная в Институте газовой технологии (г. Чикаго) позволяет достичь КПД переработки - 75% от теоретически возможного, т.е. ок. 19 м³ метана из 1 т сырых водорослей (теоретический предел - 25 м³ СН4/т). По ней измельченная масса сырых водорослей с водой загружается в менантенки и сбраживается 15 суток при t°=25°С с добавкой 25 кг водорослей на 1 м³ объема реактора в сутки. В будущем ожидают сокращения цикла до 6 суток и приближения к теоретическому пределу.72

Достоинством анаэробного сбраживания является также сохранение всех минеральных соединений в жидких отходах, накапливающихся в менантенке. Это позволяет использовать их как удобрения, создав почти замкнутую систему кругооборота биогенных элементов и сократить до минимума потребность в минеральных удобрениях. В случае культивации макроводорослей (вместо минеральных удобрений используют нижние слои воды) такая переработка позволяет получить сырье для выделения некоторых необходимых САС элементов, аккумулированных водорослями из морской воды (в водорослях в среднем в расчете на 1 т сухого вещества содержится 15 кг N, Ca 10 кг, 12 кг S, 52 кг K, от 0,03 до 1,5 кг I, 0,7 кг Br, 0,15 кг Zn, 0,05 кг Mn, 0,12 кг B и т.д.)73

Для САС, культивирующих биомассу, необходимо создание системы сбора, обработки и хранения семенного и посадочного материала, а в некоторых случаях и производство минеральных удобрений.

Важное значение для выбора энергоустановки имеет ее материалоемкость и использование дефицитных материалов. Некоторое представление об этом дает таблица №8

Тип энергоустановки	Материалоемкость (кг/кВт) всех ма- бетон металл прочие териалов (в основ- ном сталь	Примечание	Источник
Термические СЭС башенного типа	660-1360	300-1000		(стекло)
Термические СЭС модульного типа		100	»150	200 (стекло)
Фотоэлектролаборатории: -из кристаллического Si (космичес-кая мощн. 30 кВт, S=256м² для станции Колумбус, КПД=14%) -из a-аморфного Si (фольга из стали толщ. 30 мкм+a- Si толщ. 0,5 мкм; КПД=5-4%	5 кг			»10кг кремний   0,025кг кремний
Ветроустановки: -с бетон. башней (WTS 75-2 -мощн.2000 кВт) -с металл. башней (типа Даррье мод.6400 мощн.500 кВт)	ок. 800	-			в т.ч. 20 кг/кВт лопасти и 19 кг/кВт ротор   в т.ч. 30кг башня, 40 кг ротор, 6 кг лопасти
Геотермальная электростанция
ОТЭС					в т.ч. 32 кг/кВт алюм. Теплооб-менников
ТЭС на культи-вируемой биомассе
АЭС (реакторы на обычной воде)	850-970	800-900	50-70		в т.ч. 100кг бетона и 10кг металла в захоронение отхо-дов, 160-140кг бетона и 8-12кг ме-талла в обогаще-ние урана
Термоядерный синтез	...		>40		в т.ч. 15 кг стали и 15 кг дефицитных материалов
Продолжение табл....
Для сравнения: ТЭС с добычей нефти на морских промыслах, в т.ч. собственно ТЭС					в т.ч. 400кг бетона и 20кг стали в бу-ровой платформе

Источники: 1) Солнечная энергетика. Под ред. Ю.Н. Малевского и М.М. Колтуна. М., 1979 г., с. 16-20; «0 Ветроэнергетические установки. Мировой рынок и цены. Справочник. М., 1990 г.; 3) наш расчет исходя из удельной массы стеклянных гелиостатов - 35 кг/м² (Реф. жур. «Энергетика», 1988 г., 10Г15) и удельной площади гелиостатов на 1 кВт эл. мощности станции SEYS-VII - 6 м²/кВт (Реф. жур. «Энергетика», 1989 г., 10Г9); 4) условно принимаем равной расходу металла на СЭС башенного типа; 5) принимаем равной для обычных ТЭС, т.к. расход только для здания под турбины и генераторы; 6) наша оценка по сумме составляющих; 7) Реф. жур. «Энергетика», 1983 г., №2, 2Ф148; 8) при толщине кристалла - 0,5 мм; 9) наша оценка, без систем ориентации; 10) без учета массы оборудования для добычи урана из бедного сырья (морской воды и т.д.).

Наименее материалоемка фотоэлектробатарея, изготовленная из фольги с нанесенным слоем аморфного кремния - 5 кг/кВт (без учета массы систем ориентации). Наиболее материалоемки ОТЭС, но основная часть массы их падает на плавучую платформу в качестве которой может использоваться сама САС, поэтому реальная материалоемкость их ниже. Все энергоустановки изготовляются в основном из широко распространенных не дефицитных материалов (бетона, стали, стекла, кремния). Исключение составляют АЭС и установки термоядерного синтеза. Однако использование их на САС маловероятно: во-первых - из-за экологической опасности и сложности топливного цикла, во-вторых - из-за отдаленности перспектив создания промышленных образцов термоядерных реакторов. На остальных типах энергоустановок кроме указанных в таблице материалов используются также некоторые другие в небольшом количестве. На термических СЭС для создания отражающей поверхности на гелиостаты наносится слой серебра (расход его составляет 0,8 г на 1 м² поверхности или 4,8 г на 1 кВт эл. мощности).74 Предпочтение серебру отдается из-=за высокого коэффициента отражения (0,95-0,97), но на САС оно может быть заменено другим материалом. Таким же высоким коэффициентом отражения обладает алюминий (правда, у него при 800 пт наблюдается нежелательная абсорбция, что может сказаться на сроках службы гелиостатов с алюминиевым покрытием).75 В целях снижения материалоемкости опробываются мембранные гелиостаты (в SNL, США). Мембрана из стали или алюминия толщиной в несколько сотых миллиметра натягивается на каркас с двух сторон, изнутри вакуумируется. Удельная масса таких гелиостатов - 10 кг/м² вместо 35 кг/м² у стеклянных.76 У них отражающие свойства может иметь полированная поверхность самой мембраны.

Серебро используется также в фотоэлектрических батареях для покрытия электроконтактов кремниевых элементов. Причем расход его достигает 35% массы солнечных элементов. Хотя есть технические решения, позволяющие снизить расход серебра в 10-11 раз (например, замена алюминием с селективным серебрением отдельных участков контактов)77, тем не менее для САС должны быть найдены способы полной замены драгоценного металла более доступным (может быть путем более тщательной защиты электроконтактов от окисления и т.д.).

В некоторых термических СЭС трубчатые приемники лучистой энергии из нержавеющей стали селективным черным покрытием из хрома (модульные СЭС фирмы Lux).78 Расход цветных металлов здесь небольшой (в расчете на 1 кВт установленной мощности), но и они могут быть заменены (углеродистой сталью и т.д.).

В ветроагрегатах лопасти чаще всего изготавливаются из стеклопластика или алюминия. Однако есть сообщения о строительстве и эксплуатации ветроэнергетических установок со стальными лопастями. Среди них одна из крупнейших - WTS75-2 (фирмы Mohab-KMW) мощностью 2000 кВт.79

В океанических термоградиентных электростанциях теплообменники для теплой и холодной воды изготавливаются из титана или алюминия (для САС предпочтительнее последний), а в качестве рабочего тело используется фреон или аммиак (последний более доступен для САС). Учитывая постоянный контакт большей части оборудования с морской водой, возможно, потребуются дополнительные материалы для коррозийной защиты насосов, трубопроводов и т.д., для борьбы с обрастанием и для решения других специфических задач.

В энергетических системах, базирующихся на культивации биоэнергоресурсов (сельхозкультур, водорослей, одноклеточных, лесонасаждений), возникает специфическая потребность в сырье, для получения минеральных удобрений. Большинство из них (азот, фосфор, калий, магний, железо) является достаточно доступными и только некоторые микроэлементы (молибден, медь, цинк и т.д.) относятся к малораспространенным. В случае создания замкнутой биоэнергетической системы, обеспечивающей кругооборот неорганических питательных элементов, потребность в них снижается до незначительного уровня.

Для энергоустановок, использующих солнечную, ветровую и волновую энергию, необходимы аккумулирующие системы. Для тепловых аккумуляторов в качестве рабочего тела чаще всего используется гравий, расплавленные соли, специальные масла.80 Наиболее эффективными для теплового аккумулирования среди доступных материалов являются следующие расплавы (с теплоаккумулирующей способностью - кВт-час тепловой энергии / т массы): NaOH - 375 кВт-час/т (рабочий интервал t°=320-906°С); смесь (33% NaCl; 67% CaCl2)- 200 кВт-час/т (t°=500-950°С); NaCl - 160 кВт-час (t°=800-900°С); смесь (7% NaNO3, 40% NaNO2; 53% KNO3) - 160 кВт-час/т (t°=140-450°С).81 Среди электрических систем аккумулирования наиболее подходящими для САС с точки зрения доступности материалов являются серно-натриевые аккумуляторы (с центральным катодом) с удельной емкостью до 180 Вт-час электроэнергии /кг (в т.ч. 19% приходится на серу, 13% - на натрий, 20% - на керамическую трубку из b-глинозема, 31% - корпус из мягкой стали, 4% - углеродный войлок, 2,5% - токовый коллектор (из алюминия), 11% - узел герметизации (корунд, стеклоприпой, фланцы, прокладки, пружины и т.д.).82 Для длительных циклов аккумулирования наиболее приемлемы формы хранения энергии в виде химических соединений (водорода, метанола, смеси жидких углеводородов,карбида кальция и т.д.). В этом случае дополнительный расход материалов будет связан с увеличением мощности имеющегося уже на САС оборудования для электролиза воды и синтеза углеводородов (по способу Фишера-Тропша и т.д.), криогенной аппаратуры (для сжижения и хранения водорода), а также с созданием резервных дизель-генераторных установок.
Глава 5. Производство основных материалов.

Одним из условий длительного автономного функционирования системы САС является ее способность использовать в качестве сырьевой базы наиболее массовые и повсеместно распространенные породы. При этом надо обеспечить приемлемую эффективность переработки сырья (энергоемкость, фондоемкость и т.д.), хотя заведомо ясно, что показатели любых технологических решений будут уступать современным методам переработки полезных ископаемых, содержащих ценные компоненты в десятки и сотни раз больше, чем обычные породы.

Подземная добыча залегающих на большой глубине полезных ископаемых из-за сложности, масштабности и слабой автоматизированности процессов в настоящее время технически не осуществима для САС (хотя в будущем возможно применение скважин с подземным выщелачиванием ценных компонентов, создание проходческих минироботов и т.д.). Поэтому технически доступной сырьевой базой для наземных САС являются породы, лежащее на земной поверхности или в приповерхностном слое, а для морских (плавучих) САС - донные осадки и поверхность континентальных шельфов.

Земная кора состоит из 2 типов пород: 1) магматических и метаморфических (гранит, базальт и т.д.) и 2) осадочных (глины, пески, карбонаты и т.д.). На долю первой группы приходится свыше 90% массы коры, в т.ч. (по А. Б. Ронову и А.А. Ярошевскому) на породы типа гранитов (гранитоиды, гранитогнейсы, кислые эффузивы и их метаморфические эквиваленты) - 20,86% ( г), на базальты, габбро и их метаморфические эквиваленты - 50,34% г), на парагнейсы и кристаллические сланцы - 16,91% ( г).1 Однако эти породы в основном находятся в глубинных слоях коры и имеют ограниченный выход на поверхность преимущественно в горных районах и районах с вулканической деятельностью. Общая площадь их не превышает 25% поверхности Земли или 127 млн. км².2 Разработка этой сырьевой базы сопряжена для САС с серьезными техническими трудностями из-за: 1) сложной энергоемкой технологии добычи скального грунта (в горной промышленности крепкие скальные породы разрабатываются в основном буровзрывным способом); 2) необходимости последующего измельчания добытой породы для обогащения и т.д.; 3) наличия горного рельефа местности сильно затрудняющего и ограничивающего развертывание системы САС. Поэтому использование этой сырьевой базы на начальных этапах развития САС является маловероятным.

Основную часть поверхности суши и морского дна занимают осадочные породы. Соотношение главных групп осадочных горных пород в земной коре определяется специалистами по разному, но наиболее достоверным считается следующее распределение: 50% - глинистые, 30% - песчаные и 20% карбонатные породы.3 Видимо, в близком этому находятся и соотношения площади территорий, занимаемых каждой из трех групп пород. На суше часть поверхности осадочных пород покрыта тонким почвенным слоем. Однако из-за маломощности почву как самостоятельный источник сырья рассматривать смысла не имеет. Кроме того, надо учитывать, что значительная часть территории с развитым почвенным слоем вовлечена в сельскохозяйственный оборот и поэтому не может быть использована для размещения САС (по данным В.А. Ковды почвы занимают только ок. 40% поверхности континентов, в т.ч. 10% используется под пашню и 20% - как пастбища).4 Дно Мирового океана примерно на 35% площади выложено глубоководными красными глинами (площадь 130 млн. км², средняя мощность осадков 200 м, общие запасы - т), на столько же - известковыми илами, образовавшимися из остатков скелетов фораминиферовых планктоновых организмов, а также ракушечника и кораллов (площадь 132 млн. км², средняя мощность осадков - 400 м), на 11% - кремнистыми (диатомовыми и радиоляриевыми) илами (площадь 38 млн. км²) и на 17% - шельфовыми и вулканическими осадками, материковыми наносами рек и ветра (площадь ок. 60 млн. км²).5 Значительная часть площади дна Мирового океана покрыта железо-марганцевыми конкрециями (только в Тихом океане общие их запасы оцениваются в 1600 млрд. т).6

Все перечисленные группы пород содержат в себе полный набор химических элементов, используемых в народном хозяйстве. Это видно из таблицы №9. Наиболее высокое содержание черных и цветных металлов в железо-марганцевых конкрециях, которые по отдельным элементам превосходят современные руды (в частности, по марганцу, никелю, кобальту, меди, молибдену). По остальным породам среднее содержание черных и цветных металлов значительно ниже. По сравнению с наиболее бедными разрабатываемыми в настоящее время рудами, они содержат меньше ценных металлов от 3-4 раз (железо, алюминий) до сотен и тысяч раз (олово, цинк, медь, марганец, хром вольфрам, серебро и т.д.). Наиболее бедны ценными металлами карбонатные породы, известковые илы и песчаники. Очень низко содержание основного конструкционного материала - железа, почти отсутствует в песчаниках марганец и медь, а в известковых илах - молибден, вольфрам, ртуть. Наиболее предпочтительным с точки зрения содержания ценных элементов для плавучих САС будут железо-марганцевые конкреции и глубоководные красные глины, а для наземных САС - обычные глины и магматические породы. Однако глины и конкреции не поддаются распространенным способам обогащения (гравитационным и флотационным), а глубоководные глины и конкреции к тому же залегают на большой глубине, что создает дополнительные технические сложности в их добыче.

Наземная разработка глин и песков может осуществляться обычной землекопной техникой: 1) одноковшовыми экскаваторами, 2) многоковшовыми экскаваторами (роторными или цепными), 3) скреперными установками, 4) гидронасосами.

На практике как наиболее простой и производительный распространение получил экскаваторный способ добычи глин и песка. С точки зрения удобства автоматизации процесса добычи наиболее предпочтительно оснащение САС многоковшовой экскаваторной установкой непрерывного действия. В настоящее время серийно выпускаются различные, в т.ч. достаточно малогабаритные многоковшовые и многоскребковые экскаваторы. Например, траншейный цепной экскаватор ЭТЦ-161 на базе трактора МТЗ-50, вес 4,25 т, в т.ч. трактора - 2,75 т, стоимость - 5,3 тыс. руб., канавокопатель КМК-2М (производительностью 16-20 м³/час, для траншей сечением до 0,7х1,5 м, с электроприводом мощностью 11,7 кВт, весом 4,28 т, стоимостью 4,48 тыс. руб.); экскаватор ЭТН-124 (производительностью 80 м³/час, для траншей сечением до 0,4х1,2 м, мощностью 48 л.с., весом 4,6 т, стоимостью 4,83 тыс. руб.).7

Таблица №9

Среднее содержание наиболее важных элементов в горных породах

(в граммах на 1 т породы) (по А.П. Виноградову)

(min содержание в разрабаты-ваемой руде)	Магматические породы (66% граниты+33% базальт)	Железо-марган-цевые конкренции	Океанические осадки глубоко- известко- водные вые илы красные глины	Наземные осадочные породы   глины пески карбонат- ные
Железо (Fe) (160.000 г)
Алюминий (Al)
Кальций (Ca)
Барий (Ba)
Фтор (F)
Бор (B)
Фосфор (P)
Титан
Ванадий (V) (1000 г)
Хром (Cr) (210000 г) (300000 г)
Марганец (Mn)						»1
Кобальт (Co) (200 г)						0,3	0,1
Никель (Ni) (3200 г)
Медь (Cu) (5100 г)						»1
Цинк (Zn) (20000 г)
Свинец (Pb) (1000 г)
Ниобий (Nb) (200 г)				4,6		»0,1	0,3
Молибден (Mo) (150 г)	1,1			0,03	2,6	0,2	0,4
Вольфрам (W) (300 г)	1,3			0,1	1,8	1,6	0,6
Серебро (Ag) (8 г)	0,07	0,09	0,11	0,01	0,007	0,01	0,01
Олово (Sn) (3000 г)	2,5		1,5	0,1		0,1	0,1
Продолжение табл...
Сурьма (Sb)					1,4	0,01
Золото (Au) (0,009 г)	0,0043	0,002	»0,001	»0,001	»0,001	»0,001	0,001
Ртуть (Hg) (10 г)	0,083	0,02	»0,1	»0,01	0,4	0,03	0,04
Кадмий (Cd)	0,13		0,3
Магний (Mg)					3,7
Уран (U) (170 г)	2,5		1,3			0,45
Сера (S)
Хлор (Cl)
Углерод (C)
Занимаемая площадь на поверхности (млн. км²)
Общие запасы в земной коре (трил. т)

Источник: Справочник по геохимии. М., Недра, 1990 г., с. 87-88; с. 92-94.

В условиях САС такой экскаватор должен представлять собой роботизированное самоходное устройство, оснащенное системой технического зрения, бортовой ЭВМ и системой кабельного (или радио) связи с САС. Доставка добытого грунта на борт САС может быть осуществлена либо с помощью транспортной системы, либо челночными рейсами самого добывающего устройства. Транспортировать грунт могут: 1) транспортеры (ленточные и т.д), 2) передвижная подвесная канатная дорога, 3) трубопровод для доставки грунта в виде пульпы (при гидравлическом способе добычи), транспортные машины. При небольшом (в несколько десятков метров) плече доставки грунта до САС (при глубокой выемке грунта в небольших по площади карьерах) удобна система из ленточных транспортеров - высокопроизводительная, надежная, легко автоматизируемая. Но с ростом расстояния значительно возрастают габариты, масса транспортеров, усложняются задачи по автоматизированному их перемещению, ремонту (например, заменен транспортной ленты и т.д.), обслуживанию (очистке и т.д.). Так, например, транспортер КЛС-400 с шириной ленты 400 мм, длиной 23 м и производительностью до 15-80 м³/час имеет массу 506 кг или 22 кг/м длины, стоимость - 309 руб. или 13,4 руб./м длины. 8 Поэтому при расстоянии в несколько сот метров и более километра при поверхностной добыче грунта на больших площадях (например, разработка торфяников в качестве энергосырьевой базы и т.д.) бóльшие преимущества у канатной системы транспорта, как менее материалоемкой, более простой в обслуживании и гибкой. Канатные транспортные системы значительно уступают ленточным транспортерам по производительности, но при небольших объемах добычи грунта (наиболее вероятных для САС) этот недостаток не имеет решающего значения.

Для снятия грунта удобно процесс добычи совместить с транспортировкой грунта в одной операции при помощи подвижной канатной скреперной установки, подобной тем, которые широко применялись в начале XX в. на строительстве различных объектов.

Роботизированные варианты канатно-скреперной установки для САС мог бы иметь следующее оформление. Лебедка и разгрузочно-приемное устройство размещается неподвижно на борту САС, а хвостовая часть в виде стойки (высотой несколько метров) с направляющим роликом и перекинутыми через него канатами размещается на малогабаритном самоходном роботизированном устройстве на колесном или гусеничном ходу (в зависимости от условий проходимости), оснащенном средствами ориентации или проводным управлением с борта САС. Для увеличения опрокидывающего момента самоходное хвостовое устройство должно быть оснащено выдвижными опорами или другими устройствами крепления на грунте (балласт, анкеры и т.д.). Привод наиболее удобен электрический с питанием по проводу, натянутому между САС и хвостовым устройством (натяжное устройство размещается на борту САС). С началом функционирования хвостовое устройство отъезжает от САС, одновременно тянет за собой перекинутый через ролик стойки канат скрепера и провод электропитания. Отъехав на необходимое расстояние, хвостовое устройство закрепляется с помощью выдвижных опор или другим способом. Затем с борта САС натягивается энергопровод и скреперный канат, после чего начинается разработка грунта. Скрепер заполняется грунтом и подтягивается на борт САС; освободившись, возвращается назад. После отработки данного участка грунта, по команде с борта САС хвостовое устройство поднимает опоры и перемещается на соседний участок и т.д., последовательно проходя по краю все поле разработки. Закончив его, хвостовое устройство отодвигается еще дальше от САС, образуя новое поле разработки; цикл начинается снова. Замена изношенной части канатов может осуществляться автоматически, путем подсоединения секции нового каната к старому и протаскивания с помощью последнего через направляющие ролики.

При значительных расстояниях разработки грунта (от километра и более) предпочтительнее использовать самоходное транспортирующее средство. Чтобы не усложнять технологию необходимостью автоматизированного поиска и взаимодействия транспортного и добывающего средства, они должны быть размещены на одном самоходном шассии (как современный скрепер и т.д.). Для САС наиболее приемлемым вариантом будет размещение сменного добывающего и транспортирующего (самосвального) оборудования на универсальном средстве, которое может выполнять и другие операции. Например, разведку окружающей местности, транспортировку отдельных блоков и узлов сооружаемой дочерней САС и т.д.

---

Дата добавления: 2015-09-05