Введение
Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного наращивания энерговооруженности производства. Тем не менее человечеству в последнее время постоянно не хватает энергии. Все чаще в газетах и различных журналах встречаются статьи об энергетическом кризисе. Если не решить, то принять несколько менее острый характер данной проблеме помогут возобновляемые источники электроэнергии.
Возобновляемые источники энергии известны и используются в течение тысяч лет, общая концепция по использованию возобновляемой энергии была представлена в 1970-х годах как часть программы по выходу за пределы использования ископаемого топлива и ядерной энергии. Согласно наиболее распространенному подходу, возобновляемая энергия – это энергия, производимая с помощью ресурса, который быстро восполняется (возобновляется) в результате естественного или природного непрекращающегося процесса. Согласно данному подходу, такие энергетические ресурсы как торф, другие ископаемые виды топлива и ядерная энергия не являются ВИЭ.
В настоящее время ни один из этих источников энергии не может полностью покрыть дефицит. Однако комплексное использование всех возможных ресурсов позволит существенно улучшить энергетику региона. К этому следует добавить экологическое значение проводимых разработок: использование считающихся до сих пор непригодными для хозяйственных нужд веществ, материалов и отходов других производств, которые просто загрязняли окружающую природу. Таким образом, проведение комплексных исследований получения энергии от местных и нетрадиционных источников имеет большое государственное хозяйственное значение [4,5].
Потребность в увеличении разнообразных энергетических факторов для развития производств, а также обеспечения жизнедеятельности человека требует новых подходов в энергетике и сопутствующих отраслях. В ряде отдаленных и горных районов РФ, а также в развивающихся фермерских хозяйствах и предпринимательских структурах в сельском хозяйстве наблюдается дефицит в энергоснабжении. В то же время сельскохозяйственное производство дает ежегодно колоссальное количество органических отходов, поэтому в качестве эффективного возобновляемого топлива для получения тепловой и электрической энергии целесообразно использовать биогаз.
К целям использования биогазовой технологии можно отнести:
1) Производство высококалорийной энергии;
2) Производство высококачественных удобрений;
3) Уменьшение интенсивности запахов;
4) Уменьшение агрессивного разъедающего действия;
5) Улучшение показателей текучести;
6) Уменьшение загрязнения воздуха аммиаком и метаном;
7) Предотвращение потери питательных веществ;
8) Уменьшение вымывания нитратов;
9) Лучшая приспособляемость к потреблению растениями;
10) Улучшение здоровья растений;
11) Гигиенизация гноя;
12) Уменьшение способности к прорастанию у семян сорняков;
13) Переработка органических отходов;
14) Экономия на затратах подключения к канализации.
Принципиально при строительстве биогазовой установки стоит учесть такие аспекты:
1. С помощью биогазовой установки нельзя «оздоровить» предприятие, переживающее кризис. Биогазовые установки, однако, могут помочь сохранить экономическую и производственную эффективность предприятиям.
2. Инвестиция в биогазовую установку связана с долгосрочным капиталовложением, поэтому строительство установки должно быть рассчитано с учетом перспективы.
3. В связи с возрастанием количества биогазовых установок, в некоторых регионах возникает нехватка посадочных площадей для выращивания субстрата, что, в свою очередь, увеличивает цену аренды земли. Для владельцев установок, непосредственно зависящих от аренды либо покупки сырья, это значит большой риск. Поэтому важно провести расчеты по долгосрочному доступу к сырьевой базе.
4. Рентабельность установок, несмотря на высокое вознаграждение за выработанную энергию, легко утратить. Поскольку покупка электроэнергии является гарантированной, кроме затрат на сырье и цены за аренду, решающее значение может иметь и использование тепла [1]. Поэтому следует разрабатывать концепции с высокой эффективностью использования тепловой энергии.
5. Метановые бактерии требуют к себе самого пристального внимания, а это означает, что успешная эксплуатация биогазовой установки требует специальных знаний. Именно поэтому стоит уделять внимание образованию и повышению квалификации обслуживающего персонала, созданию у него соответствующей заинтересованности.
6. Эксплуатация невозможна без надзора и проведения профилактических работ.
Составим компьютерную модель энергетической установки с использованием в качестве топлива биологических ресурсов. Алгоритм модели состоит из следующих составляющих:
- Источник энергии:
Биомасса – отходы животноводчества (С).
Задаются:
1. Физические ограничения – max и min допустимые нормы использования в относительных единицах: (параметр/кВт) – Fmax и Fmin.
2. Экологические ограничения, обусловленные санитарными нормами допустимого воздействия на окружающую среду εmax и εmin.
3. Экономические ограничения – граница целесообразных вложений средств Emax и Emin.
4. Задаются функции, связывающие производимую полезную мощность с затратами на производство 1 кВт.
SC=f(E).
Вид функции f требует дополнительного анализа, в первом приближении допустимо принять линейную зависимость, в дальнейшем уточнении можно использовать аппроксимацию рядом Тейлора [3].
Для каждого источника принимаем весовой коэффициент а1…а6, который назначается на рассматриваемый и планируемый отрезок времени (квартал, год), исходя из следующих факторов:
1. Кратковременный прогноз (погодные условия на текущий летний период), оцениваемый в баллах относительно среднегодового показателя:
Кni=K/Kс.г.*100%, где
i – номер источника,
Kс.г. – среднегодовой показатель.
2. Долговременный прогноз, учитывающий циклические колебания климатических условий (периодичность 10–14 лет), изменения местных условий:
КДi=К/КД*100%
3. Текущий мониторинг состояния среды:
М=МТ/Мс.г.*100%, где
МТ – текущее значение параметра,
Мс.г. – среднегодовое значение а1…а6.
Назначение весовых коэффициентов выполняется группой экспертов на основании принятого критерия оптимальности:
bi=ai*Kni*KДi*Mi.
Находится полный экстремум получаемой мощности. Методика определения типовая: поиск ведется по шести координатным осям, один из параметров фиксируется, оставшиеся параметры получают приращения, знак приращения функции указывает направление следующего шага приращения до нулевого значения приращения – находится частный экстремум. Итеративное повторение операций приводит к обнаружению полного экстремума [3]. Возможен второй классический вариант: определяется полная производная функции, приравнивается к нулю, решается уравнение относительно одного параметра при фиксированных остальных, последовательно определяются координаты главного максимума по всем осям координат. Кроме того, возможен метод координатного спуска, в котором приближение к экстремуму выполняется поочередным пошаговым изменением координат переменных [3].
По разработанному алгоритму составляем модель. Реализация поставленных задач предлагается средствами автоматизированной информационной системы (АИС) [2].
После ввода данных происходит расчет выработки электроэнергии и тепловой энергии. Каждый вид биотоплива имеет определенный объем выхода биогаза. Разработанная модель представлена на рисунке 1. Установка представлена в качестве одного блока, в который задаются исходные данные. Выходом из установки является полученная мощность.
Разработанная компьютерная модель энергетической установки с использованием в качестве топлива биологических ресурсов позволяет оценить эффективность выработки тепловой и электроэнергии в биогазовой установке.
Рисунок 1. Компьютерная модель энергоустановки с использованием в качестве топлива биологических ресурсов
Роль и использование возобновляемых источников энергии сильно различаются по регионам Российской Федерации. Их использование зависит от спроса страны на энергию, собственных ископаемых топливных ресурсов и возможности импортировать топливо. Они также зависят от климата, географического положения региона и наличия источников для производства возобновляемой энергии.
Вывод
Применение биогаза для производства тепловой и электрической энергии позволит экономически выгодно использовать отходы животного и растительного происхождения. Компенсировать нехватку электроэнергии, а в некоторых хозяйствах вообще отказаться от внешних источников электроснабжения, используя их только в пиковых и зимних режимах.
Статья подготовлена в рамках государственного контракта П908 от 26 мая 2010 г. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг.
Рецензенты:
Бождай А. С., д.т.н., профессор кафедры САПР Пензенский государственный университет, г. Пенза.
Финогеев А. Г., д.т.н., профессор кафедры САПР Пензенский государственный университет, г. Пенза.