Биотопливо

Котельное биотопливо в распределенных энергетических системах

С начала эпохи индустриализации развитие мировой топливной энергетики характеризуется наращиванием мощности энергоблоков и систем, что оправдывается сокращением удельных капитальных и эксплуатационных затрат в расчете на 1 кВт·ч произведенной электроэнергии. Считается, что максимальная эффективность преобразования энергии первичного топлива в электроэнергию (электрический КПД) достигается в мощных парогазовых турбинах (ПГТ) и составляет, примерно, 40 %. С учетом того, что электрогенерирующий агрегат не всегда может работать в оптимальном режиме. На практике можно считать, что отношение генерируемой электрической и тепловой энергии в среднем равно 1:2. Примерно такое же значение этого параметра характерно и для автономных электрогенерирующих станций, в которых в качестве силового агрегата используется (как правило, дизельный) двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Следовательно, на каждый выработанный кВт·ч электроэнергии приходится два кВт·ч тепловой энергии, которая зачастую не может быть использована ввиду отсутствия полезной нагрузки, особенно в теплый период года.

Показатели эффективности преобразования

Эффективность каждого конкретного цикла преобразования энергии топлива в другие полезные виды можно оценивать различными показателями, из которых наиболее часто используют коэффициент полезного действия (КПД). Для когенерационных установок, вырабатывающих одновременно электрическую и тепловую энергию, в общем КПД (η) различают две его составляющие – электрический (ηE) и тепловой (ηT) КПД. Суммарный КПД современных типовых ТЭЦ, с учетом затрат на собственные нужды, составляет около 82%.

Следует иметь в виду то, что электрический КПД существенно снижается при уменьшении электрической нагрузки. Это в первую очередь касается газовых турбин. Так КПД газовой ТЭЦ, даже работающей в парогазовом цикле, может снизиться почти вдвое при недогрузке.

Часто, вместо суммарного КПД, пользуются показателем, получившим название «коэффициента использования топлива» (КИТ), значение которого при полной тепловой загрузке примерно одинаково для всех типовых циклов, включая как исключительно тепловые установки (котельные) так и когенерационные станции (газотурбинные, газопоршневые, паротурбинные, парогазовые и даже топливные элементы). При этом все циклы различаются лишь соотношением долей вырабатываемой тепловой и электрической энергии в расчете на 1 кг сжигаемого условного топлива.

Если ТЭЦ рассчитана по тепловому потреблению, то удельный расход условного топлива при КИТ= 82 % составляет 150 г/кВт·ч и не зависит от типа ТЭЦ. Поэтому, можно, соответствующим образом выбирая состав оборудования и изменяя тепловой цикл ТЭЦ, вырабатывать больше или меньше электроэнергии при том же удельном расходе топлива на 1 кВт·ч.

Такая ситуация характерна для систем, работающих в теплофикационном цикле, в случае, когда потребляется вся выработанная тепловая энергия. Однако при централизованной электрогенерации в большинстве случаев невозможно вблизи крупных электростанций найти потребителей, способных полностью использовать всю попутно выработанную тепловую энергию. Поэтому большинство тепловых станций работает в конденсационном цикле, обогревая атмосферу Земли. При этом значения коэффициента использования топлива и КПД существенно уменьшаются. Так парогазовая установка (КПД = 51 %) потребляет 241 г/кВт·ч, газотурбинная или паротурбинная (КПД = 35 %) – 351 г/кВт·ч, а газотурбинная (КПД = 24 %) – 512 г/кВт·ч кВт·ч.

Таким образом, в то время как в России на 70 % ее территории более 22 млн. человек (1/7 часть населения страны) проживают в условиях автономного или ненадежного централизованного электроснабжения, из-за неоптимальной организации выработки электроэнергии непроизводительно расходуется колоссальные объемы ископаемого топливного сырья.

Решить эту проблему можно путем вовлечения в хозяйственный оборот ресурсы местного энергетического сырья и, в первую очередь, – возобновляемого. Для этого необходимо создать распределенные локальные электросети, питаемые электроэнергией с помощью автономных ТЭЦ малой мощности, работающих на биотопливе, произведенном из возобновляемого органического сырья. При этом обеспечивается независимость удаленных территорий и аграрных регионов от внешних поставок энергоносителей.

Растительная биомасса, в том числе, отходы растениеводства, лесозаготовки, деревообработки, а также специально выращиваемая для в качестве биотопливного сырья, повсеместно доступна на большей части территории России и может заместить значительные объемы потребления ископаемого энергетическому сырью при производстве тепла и электроэнергии. Современные технологии позволяют перерабатывать органическое сырье в твердое, жидкое и газообразное топливо, обладающее высокими показателями экологической безопасности.

В отличие от транспортной сферы, где к топливу предъявляются весьма жесткие требования национальных и международных стандартов, применение биотоплив котельного качества в концепции распределенных систем теплоэлектрогенерации не только не вызывает технических трудностей, но и экономически оправдана.

В силу климатических и географических особенностей для России задача децентрализации энергетики имеет первостепенное значение. Значительна часть населения (около 20 млн. человек) проживают на территориях, где строительство и обслуживание централизованных сетей затруднено технически, и экономически нецелесообразно. Кроме того, на большей части регионов страны суровый климат обуславливает необходимость широкого применении когенерационных энергоустановок с целью производства не только электрической, но и тепловой энергии. В настоящее время электропотребление на таких территориях осуществляется с использованием газопоршневых и газотурбинных установок дизель-генераторов, работающих на привозном топливе (в труднодоступных районах). При этом в труднодоступных районах стоимость электроэнергии может в десятки раз превышать стоимость энергии, отпускаемой из централизованных сетей.

Использование произведенного из местного возобновляемого органического сырья дешевого биотоплива котельного качества, позволяет снять остроту проблемы энергоснабжения при значительном улучшении экологических показателей.

Полные циклы когенерации с использованием биотоплив третьего поколения

На основе проведенного анализа технологических циклов, используемых в энергетике, можно сделать два принципиально важных вывода, относящихся к теме данного подраздела:

  • В своем подавляющем большинстве, технологические циклы преобразования энергии первичного энергоносителя ставят свой целью достижение максимально возможного электрического КПД, поскольку электрическая энергия представляет собой наиболее универсальную форму энергии, которую можно с минимальными потерями передавать на большие расстояния и преобразовывать в другие виды.
  • Все известные способы преобразования энергии первичного энергоносителя (включая методы прямого преобразования) сопряжены с выделением значительного количества тепловой энергии, которая зачастую не находит полезного применения.

В концепции распределенных генерирующих систем, построенных на когенерационных установках малой и средней мощности, проблема непроизводительных потерь тепловой энергии частично снимается благодаря большей операционной гибкости таких систем по сравнению с централизованными, построенными на крупных ТЭС. рабочим агрегатам которых свойственно резкое снижение КПД на малых нагрузках. Тем не менее, из-за естественной асинхронности электрической и тепловой нагрузок, такие потери могут быть существенными даже при использовании большого количества маломощных теплоэлектростанций, часть из которых можно останавливать и снова запускать в зависимости от конкретной ситуации.

Таким образом, задача повышения эффективности применения малых ТЭС состоит в том, чтобы найти применение избыточной тепловой энергии. Одним из комплексных решений данной задачи является разработка и организация полных циклов генерации тепловой и электрической энергии, включающих стадию производства и переработки в биотопливо возобновляемого органического сырья непосредственно вблизи ТЭС. Из всех известных видов возобновляемого сырья топливного применения наиболее оптимальным выбором считается биомасса фотосинтезирующих микроорганизмов – микроводорослей, выращиваемых по наиболее экономически целесообразной к настоящему времени – открытой – технологии культивирования. Экспериментальные исследования показывают, что а счет сбросного тепла ТЭС можно продлить период активного культивирования МВ аборигенных видов в открытых и полузакрытых (теплицах) водоемах, в среднем на 2-3 месяца.

На рисунке ниже представлена общая схема автономного замкнутого цикла энергоснабжения, включающего стадии производства биомассы МВ с ее последующей переработкой в различные виды биотоплива и выработкой электрической и тепловой энергии. Внедрение и оптимизация такого цикла с учетом специфики конкретного объекта позволяет существенно сократить эксплуатационные затраты, приведенные к единице потребляемой энергии.

общая схема автономного замкнутого цикла энергоснабжения

Целевым продуктом цикла являются энергоносители в виде электрической или/и тепловой энергии, которые могут вырабатываться непосредственно в цикле из различных видов биотоплива третьего поколения. В качестве возобновляемого компонента биотоплива используется биомасса МВ, культивируемая на специальной ферме. В зависимости от конкретных условий объекта, в производственный комплекс фермы могут входить открытые водоемы, «водоемы-теплицы» и даже полностью закрытые системы – фотобиореакторы (ФБР).

Основным критерием эффективности на стадии культивирования являются материальные затраты, приведенные к единице теплотворной способности произведенной биомассы. Минимизировать этих затраты можно, в частности путем выбора технологии культивирования (открытые водоемы, ФБР, комбинированная технология), подбора продуктивных и устойчивых к условиям региона штаммов МВ, максимальным использование собственных сырьевых и энергетических ресурсов объекта, включая продукты, производимые внутри самого цикла.

Микроводоросли относятся к наименее прихотливым растительным формам, способным развиваться в условиях умеренного климата в течение всего летнего периода. Промышленное производство МВ может осуществляться в естественных и искусственных водоемах (пруды, водохранилища, ирригационные, водоочистные сточные и др. сооружения).

При подборе культивируемых штаммов следует учитывать общую продуктивность, устойчивость и приспособляемость к внешним факторам среды (суточный и годовой ход температуры, химический состав. В условиях средней полосы РФ этим условиям удовлетворяют аборигенные (прежде всего, Chlorella vulgaris), а также выведенные на их основе штаммы.

Цикл может включать операцию по извлечению из биомассы МВ ценных кормовых компонентов (в частности, белков). После экстракции кормовых компонентов органическая масса МВ подается на переработку в биотопливо любым из приемлемых способов. наиболее ценным энергетическим продуктом такой переработки являются метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК). Для этого из биомассы экстрагируют липидную фракцию (растительные масла). Масла направляют на переэтерификацию для получения биодизельного топлива, а клетчатку перерабатывают в биоэтанол или подвергают термохимической переработке с получением твердого (кокс), жидкого (пиролизная жидкость) и газообразного (пиролизный газ) продуктов.

Следует отметить, что выращивание микроводорослей с высоким содержанием липидов требует применения специальных штаммов МВ, неадаптированных к условиям средней полосы России, которые могут культивироваться исключительно в ФБР. Себестоимость МЭЖК, произведенного по этой технологии из МВ многократно превосходит рыночную стоимость при производстве из традиционных масличных культур. Поэтому, по экономическим соображениям, следует отказаться от данного метода переработки МВ.

Наиболее приемлемым вариантом в современных условиях является комплексное использование биомассы МВ, без ее предварительного разделения на фракции, путем приготовления композитного минерально-органического топлива (КМОБТ) котельных марок по описанной ранее технологии.

Произведенные продукты переработки топливной составляющей биомассы направляют в энергетический модуль для производства электрической и тепловой энергии, в первую очередь, для нужд теплоэлектроснабжения самого объекта. Избыточная электрическая или тепловая энергия поступает в локальные распределительные сети, в т. ч. на коммерческой основе.

В состав энергетического модуля могут входить тепловые и паровые котлы, мини-ТЭС на основе ДВС и высокооборотных паропоршневых двигателей (ППД), двигателей Стирлинга и др.

Выхлопные и дымовые газы проходят обработку в специальном модуле с целью отделения золы, в которой могут в достаточном количестве содержатся биогенные минеральные вещества и элементы (азот, фосфор, калий, магний, сера и др.). Извлеченные из золы и дымовых/выхлопных газов минеральные компоненты возвращают в цикл на стадию производства МВ.