Альтернативные источники энергии

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 м³ 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

Биотоплива  первого поколения

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]

Альтернативная гидроэнергетика

Гидроресурсы — возобновляемый и наиболее экологичный источник энергии, использование которого позволяет снижать выбросы в атмосферу тепловых электростанций и сохранять запасы углеводородного топлива для будущих поколений.

Гидроэнергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергию водного потока в электрическую энергию. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободно поточных (бесплотинных) ГЭС.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор  воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Русловые и плотинные  ГЭС - это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор  воды в них создается посредством  установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень  воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

Гидроаккумулирующие электростанции способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в  ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод  и приводит в действие турбины. [14]

К альтернативным ГЭС относятся  волновые, приливные, водопадные, малые и микроГЭС.

Волновая электростанция — установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн. Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия,[15] на расстоянии 5 километров от берега. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов.  Она состоит из секций, между секциями закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть гидравлические двигатели и электрогенераторы. Под воздействием волн конвертеры качаются на поверхности воды, и это заставляет их изгибаться. Движение этих соединений приводит в работу гидравлические поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло проходит через гидравлические двигатели. Эти гидравлические двигатели приводят в движение электрические генераторы, которые производят электроэнергию.[16]

Существует проблема, связанная  с тем, что при создании волновых электростанций штормовые волны  гнут и сминают даже стальные лопасти  водяных турбин. Поэтому приходится применять методы искусственного снижения мощности, отбираемой от волн.

Плюсы:

• Волновые электростанции могут выполнять роль волногасителей, защищая порты, гавани и берега от разрушения.
• Маломощные волновые электрогенераторы некоторых типов могут устанавливаться на стенках причалов, опорах мостов, уменьшая воздействие волн на них.
• Поскольку удельная мощность волнения на 1-2 порядка превышает удельную мощность ветра, волновая энергетика может оказаться более выгодной, чем ветровая.

Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров.

Для получения энергии  залив или устье реки перекрывают  плотиной, в которой установлены  гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и  в режиме насоса (для перекачки  воды в водохранилище для последующей  работы в отсутствие приливов и отливов).

Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость  производства энергии. Недостатками —  высокая стоимость строительства  и изменяющаяся в течение суток  мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью  электростанций других типов .

Малые и микроГЭС - объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт). Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5 лет).

По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить  на следующие категории: новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами, станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек, станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства - от судоходных сооружений до водоочистных комплексов (а сейчас уже существует опыт использования питьевых водоводов, а также промышленных и канализационных стоков). Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране.