Отчет - Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан. Том 3 Перспективные сегменты отрасли альтернативной энергетики
Подождите немного. Документ загружается.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
141
большего количества этанола (Е85, с 15% бензина) или почти чистого этанола Е100 все
виды перечисленных загрязнений образуются в меньшей степени.
Производство этанола с помощью ферментации состоит из четырех этапов:
а) выращивание, сбор и доставка сырья на спиртовый завод;
б) подготовка и преобразование сырья в субстрат, пригодный для ферментации;
в) ферментация субстрата с получением этанола, очистка методом дистилляции;
г) переработка остатков после ферментации для уменьшения количества отходов и
получения побочных продуктов.
Технология ферментации и ее эффективность быстро улучшались в течение последнего
десятилетия. Были сделаны некоторые инновационные изменения в использовании новых
материалов. Уменьшены затраты на производство. Однако технологические изменения
больше влияют на доступность и стоимость сырья и, в результате, на стоимость жидкого
топлива, чем на рост рынка в целом.
Многочисленные виды сырья для производства этанола можно разделить на три типа:
а) сахар, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы или фруктов, который
может быть непосредственно преобразован в этанол;
б) крахмалы из зерновых культур и корнеплодов, которые должны быть подвержены
гидролизу в присутствии ферментов для получения ферментируемого сахара;
в) целлюлоза из древесины, сельскохозяйственных отходов и т.д., которая должна быть
превращена в сахариды с использованием либо кислот, либо ферментативного гидролиза.
Последний вариант, однако, остается демонстрационным и пока считается экономически
нецелесообразным. Основной интерес представляет использование сахарного тростника,
кукурузы, древесины, маниока, сорго, и до некоторой степени, зерновых культур и
иерусалимского артишока. Этанол также получается из лактозы, содержащейся в отходах
сыворотки (например, в Ирландии она используется для производства спиртных напитков,
а в Новой Зеландии - для топливного этанола). Проблемой, которую еще предстоит
решить, является сезонность растительных культур. Это означает, что зачастую
необходимо найти альтернативный источник сырья для обеспечения круглогодичной
работы производственных мощностей.
Рисунок 26 Оборудование, преобразующее биомассу в жидкое топливо
В современном мире большую популярность как автомобильное топливо приобретает
биодизель. Это относительно новый вид экологически чистого топлива. Производится из
растительного масла и поэтому является возобновляемым источником энергии. Биодизель
может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания без изменения их
конструкции. Возможно применение биодизеля как самостоятельного вида топлива, так и
в смеси
с обычным дизельным топливом.
Биодизель получают из растительных масел путем реакции этерификации: к
растительному маслу добавляется метанол (этанол) в соотношении приблизительно 9:1 и
незначительное количество катализатора (щелочного или кислотного), после чего смесь
обрабатывается в кавитационном реакторе.
В ходе производства биотоплива получается глицерин. После очистки глицерин можно
использовать для производства технических моющих средств. После глубокой очистки
получают фармакопейный глицерин, пользующийся спросом в фармакологии. Добавляя
фосфорную кислоту к техническому глицерину, можно получить фосфорные удобрения,
которые найдут свое применение в сельском хозяйстве.
Масла, содержащиеся в семенах и плодах подсолнечника, рапса, сои и других масличных
культур, представляют собой окисленные углеводороды, в основном триглицериды,
близкие по теплоте сгорания к дизельному топливу.
Масло выделяется из масличных культур путем отжима (прессования) и экстрагирования
(трихлорэтиленом или гексаном) и очищается нейтрализацией, вымораживанием
(подсолнечное масло) и фильтрованием.
Наиболее пригодным для получения биотоплива является рапсовое масло. Теоретически
можно использовать и подсолнечное масло, но у этого масла высокая температура
застывания, что отрицательно сказывается зимой на эксплуатации транспортных средств.
В семенах рапса содержится 35-50% жира, 19-31% хорошо сбалансированного по
аминокислотному составу белка, 5-7% клетчатки. По содержанию жира и сумме жира и
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
143
белка он превосходит сою, но уступает подсолнечнику и горчице. Растительные масла
нестабильны и имеют повышенную вязкость и коксуемость.
Можно использовать в качестве топлива для дизелей смеси растительных масел и их
эфиров со спиртами (этанол, бутанол и др.), поскольку эфиры растительных масел
являются сорастворителями между газойлем и спиртом. Однако современные дизели
могут работать на таких топливах непродолжительное время.
5.3.4. Разработки казахстанских ученых
Исследования по направлению развития технологии анаэробной переработки биомассы
проводились в Казахстане с 80-х годов. Вообще, казахстанская биотехнологическая
научная школа является одним из лидеров на постсоветском пространстве, и ей по силам
обеспечить превращение в биоэтанол не только любых отходов растениеводства, но даже
твердых бытовых отходов - мусора, на складирование которого расходуются
значительные средства.
Казахстан производит много продуктов растениеводства, большое количество
сельскохозяйственных отходов - солома, шелуха подсолнуха - бесцельно сжигается. Такие
биоматериалы могут быть использованы для производства биоэтанола.
В 2003 году МОН РК разработало программу возрождения и развития
биотехнологического производства на базе бывшей промплощадки некогда известного в
Союзе предприятия в биотехнологической отрасли – в технопарке НПО «Прогресс» в г.
Степногорске. После конверсии деятельность предприятия была практически
парализована, лучшее оборудование демонтировано, а 700 специалистов, бывших
«оружейников», остались без работы. К сожалению, проект до сих пор не реализован.
Учитывая мировые тенденции в энергетике, необходимо начать использовать уже
имеющуюся в Степногорске мощную производственную базу и инфраструктуру для
производства биоэтанола.
В настоящее время
компания «Баско» построила в Северо-Казахстанской области завод по
производству биоэтанола – производственный комплекс «Биохим». Проект является
классическим примером кластерного развития: глубокая переработка произведенного
компанией зерна и получение конечного продукта – биоэтанола. Клейковина, кормовые
дрожжи, отруби, мука – все продукты производства также востребованы. Такие заводы
многофункциональны, и на них используется абсолютно все сырье, даже отходы. 90%
продукции идет на экспорт, 10% реализуется на внутреннем рынке. Из 300 тыс. т зерна
производится 57 тыс. т биоэтанола – присадки к бензинам, повышающие их октановое
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
144
число. Другие производные: 20 тыс. т клейковины, 25 тыс. т углекислого газа, 40 тыс. т
кормовых дрожжей, 58 тыс. т муки, 68 тыс. т отрубей.
Также весьма перспективное органическое топливо – биогаз, газообразный продукт,
получаемый в результате анаэробной, т.е. происходящей без доступа воздуха,
ферментации органических веществ самого разного происхождения. Если использовать
биогаз для производства электроэнергии, себестоимость ее оказывается всего 0,025-0,075
доллара за кВт/ч, в то время как электроэнергия от традиционных источников обходится в
0,1-0,15 доллара за кВт/ч. Таким образом, биогаз в 2-4 раза экономичнее. В НПО
«ЭкоМузей» г. Караганды успешно осуществлен пилотный проект по получению биогаза
из органических отходов
60
.
60
Источник: http://www.kazenergy.com/index.php?option=com_content&task=view&id=737&Itemid=128
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
145
6. Водородная энергетика
6.1. Описание отрасли
Водородная энергетика (ВЭ) сформировалась как одно из направлений развития научно-
технического прогресса в середине 70-х годов XX века в разгар охватившего мир
энергетического кризиса. Главная идея - замена ископаемых органических видов топлива
во всех сферах их применения на новый энергоноситель - водород, при сжигании которого
образуется только вода, и практически отсутствуют какие-либо вредные выбросы.
61
В условиях строгого соблюдения требований техники безопасности водород, несомненно,
представляет собой перспективное топливо, которое в будущем способно заменить
углеводородные источники энергии. Это обусловлено несколькими важнейшими
качествами, которыми он обладает:
1. водород является практически неисчерпаемым источником энергии, его запасы в
природе поистине неограниченны;
2. все, что остается при сжигании водорода в чистом кислороде это тепло и вода;
3. водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии
на единицу массы: 120,7 ГДж/т
62
;
4. удельная теплота сгорания водорода в 3 раза выше, чем у нефти или бензина;
5. продуктом сгорания водорода является водяной пар.
63
В результате использования водорода как энергоносителя решается планетарная проблема
парникового эффекта и региональные экологические проблемы.
В 1974 году была создана Международная ассоциация по водородной энергетике (МАВЭ)
со штаб-квартирой в Институте чистой энергетики в Корэл Гэйблс, США. Таким образом,
менее чем за 10 лет, идея применения водородной энергетики стала настолько
популярной, что благодаря этому начало интенсивно формироваться всемирное
водородное движение.
В 80-х годах XX века концепция водородной энергетики (ВЭ) была полностью
разработана и детализирована, был осуществлен ее наукометрический анализ и
разработана структура, включающая:
1. Производство водорода из воды с использованием не возобновляемых источников
энергии (уголь, атомная энергия, термоядерная энергия) и возобновляемых источников
энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса и т.д.);
61
Источник: http://www.abitura.com/modern_physics/hydro_energy/index.html
62
Источник: Доклад «На пути к водородной энергетике», Российская Академия Наук
http://energetika.onet.ru/
63
Источник: аналитический материал «Энергетика вчера и сегодня»; http://n-t.ru/ii/ie/ch1.pdf
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
146
2. Транспортировка и хранение водорода;
3. Использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном,
водном и подводном), в быту;
4. Проблемы надежности материалов и безопасности водородных энергетических систем.
Научно-исследовательские работы по ВЭ стали выполняться более чем в 40 странах мира,
а в ряде стран были приняты национальные программы, ориентированные на развитие ВЭ,
например в Японии, Германии, США.
64
Помимо вышеперечисленных преимуществ использования водородной энергетики и
научных разработок, направленных на развитие отрасли, в настоящее время по-прежнему
существует ряд нерешенных проблем:
хранение и транспортировку водорода;
создание водородной инфраструктуры;
водородная безопасность.
К последнему пункту можно добавить, что водород более взрывоопасен, чем метан, а
объемная теплота сгорания в 3 раза меньше, чем у природного газа.
65
Еще одной немаловажной проблемой в данной отрасли остается высокая капиталоемкость
производства водорода. Несмотря на это, многие эксперты
66
признают тот факт, что
последующее использование водородных технологий
67
приводит к качественно новым
показателям в работе систем и агрегатов, что в ряде случаев является более рентабельным,
чем применение технологий, работающих на основе традиционных источников энергии.
В мировой практике применяются следующие основные способы производства водорода:
1. Процесс паровой конверсии метана. При температуре пара около 800°С
происходит разложение метана и выделение водорода, осуществляемое на
каталитических поверхностях;
2. Использование термохимических реакций с участием химически активных
соединений йода или брома. Первичным продуктом служит вода, а сам процесс
осуществляется в несколько циклов;
64
Источник: http://energetika.onet.ru/index.php?id=164
65
Источник: аналитический материал «Энергетика вчера и сегодня»; http://n-t.ru/ii/ie/ch1.pdf
66
Примечание: такое мнение в своих научных трудах высказывал Кузык Б.Н., член-корреспондент РАН,
эксперт в области водородной энергетики
67
Примечание: Водородными технологиями являются топливные элементы, транспортные системы на
водороде, металлогидридные и другие
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
147
3. Электролитическое разложение воды. Электролиз
68
можно осуществлять под
высоким давлением и получать высокий выход водорода. Недостатком этого
метода является значительный уровень потребления электроэнергии.
Для производства водорода выгодно использовать тепловую и электрическую энергию,
вырабатываемую АЭС и ГЭС в так называемом провальном режиме, то есть в ночное
время, когда падает уровень обычного потребления энергии.
Схема 14 Основные источники и пути получения водорода.
Данная схема представляет собой вариант обеспечения достаточно высокой
эффективности производства.
В промышленных масштабах в настоящее время водород производят методом паровой
конверсии метана.
Водород, полученный по этой технологии, используется для производства азотных
удобрений и очистки нефти и газа от примесей. Ключевой вопрос при выборе наиболее
перспективной энергоустановки для производства водорода — ее
рентабельность.
Традиционный способ получения водорода методом каталитической конверсии
углеводородов не стоит считать перспективным, во-первых, из-за слишком высоких затрат
68
Примечание: Электролиз — физико-химическое явление, состоящее в выделении на электродах
составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций
на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав
электролита.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
148
энергии (порядка 20 МДж/куб.м. водорода), а во-вторых, в связи с сокращением запасов
природного сырья — нефти и газа.
Из существующих технологий крупномасштабного производства водорода предпочтение
следует отдать электролитической технологии. Однако и в этом случае затраты
электроэнергии недопустимо велики — не менее 20 МДж в расчете на 1 куб. м. чистого
водорода.
Если рассчитывать на производство водорода на АЭС и ГЭС в непиковые режимы работы,
то расход энергии можно будет снизить более чем в 2 раза. В современных условиях
стоимость производства водорода методом паровой конверсии составляет 7 долл.
США/ГДж, что эквивалентно стоимости бензина 0,24 долл. США/л. При этом
предполагалось, что стоимость природного газа равна 2,3 долл. США/ГДж (или 80 долл.
США на 1000 нм водорода).
Вторая проблема — хранение чистого водорода. Без создания дешевой, экономичной и
надежной системы хранения водорода не приходится рассчитывать на быстрое развитие
водородной энергетики. Наибольшие надежды связывают с газобаллонным, криогенным и
металлогидридным способами хранения. В первом случае используются баллоны
высокого давления, изготовленные из стали, титана или композитных материалов.
Хранение жидкого водорода требует применения криогенной системы. Кроме
совершенствования самих криогенных систем хранения для развития водородной
энергетики потребуется решить сложные задачи заправки этих систем и их эксплуатации
в конкретных условиях промышленных энергоустановок.
В гидридных системах хранения водород содержится в составе интерметаллических
соединений или в виде гидридов металлов. Использование гидридных систем хранения
обладает тем важным преимуществом, что связано со значительно более мягким уровнем
требований к безопасной эксплуатации. Кроме того, в металлическом гидриде плотность
водорода выше, чем в его жидком состоянии, но его главным недостатком является
относительно невысокое содержание водорода по массе.
Сделать окончательный выбор в пользу той или иной системы хранения в настоящее
время не представляется возможным, требуются дополнительные исследования и
экспертизы.
69
Использование водорода в качестве основного источника энергии в будущем намечается в
промышленности, автотранспорте, жилищно-коммунальном хозяйстве и других сферах
экономики.
69
Источник: Доклад «На пути к водородной энергетике», Российская Академия Наук
http://energetika.onet.ru/
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
149
Схема 15 Области применения водорода и водородосодержащего газа.
Наиболее перспективное направление развития водородной энергетики — замена
углеводородных топлив на водород в системах транспорта, прежде всего в
автомобилестроении. Уже около 20 лет водородные энергосистемы используются в
ракетной технике в качестве разгонных блоков космических кораблей (отечественная
система «Буран», американский «Шаттл»). Для производства электроэнергии в
маломощных автономных системах энергопотребления перспективными могут оказаться
топливные
элементы
70
. Требует дальнейшей проработки вопрос, сможет ли водород
заменить углеводородные топлива в жилищно-коммунальном секторе.
Проектные исследования этого вопроса до сих пор не проводились, однако по
предположениям экспертов
71
, что для этих целей вне конкуренции окажутся вихревые
теплогенераторы, о которых говорилось выше. Их преимуществом является, в частности,
то, что они не нуждаются в прокладке дорогостоящих, малоэффективных и ненадежных
подземных трасс при подводе тепловой энергии к потребителю.
В качестве сопутствующих технологий самое широкое применение должны получить
топливные элементы. Потребность в
топливных элементах для децентрализованной
стационарной энергетики (мощностью 250 кВт — 10 МВт) в ближайшие 10 лет составляет
100 000 МВт. Стоимость 1 кВт планируется довести с современных 3000—6000 долл.
США до 1000—1500 долл. США к 2015 году. Потребность в топливных элементах для
70
Примечание: Водородный топливный элемент представляет собой устройство, преобразующее
химическую энергию реакции соединения водорода с кислородом в электричество.
71
Примечание: данного мнения, в среде экспертов водородной энергетики придерживаются также
российские ученые: Кузык Б.Н. – член-корреспондент РАН, академики РАЕН, профессоры Кушлин В.И. и
Яковец Ю.В.; Источник: Доклад «На пути к водородной энергетике», Российская Академия Наук
http://energetika.onet.ru/
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
150
автотранспорта (мощностью 25—50 кВт) составляет 500 000 штук в год. Стоимость 1 кВт
планируется довести с настоящих 300—1000 долл. США, до 100—50 долл. США.
Концепция крупномасштабного применения водорода, как для получения электроэнергии,
так и во многих других отраслях народного хозяйства получила название водородной
экономики.
Ожидается, что к 2100 году производство водорода достигнет, по оценкам Минэнерго
США, 770—950 Мт (в 2000 году оно составляло 50 Мт). Это приведет к формированию
крупнейшего нового сектора мировой экономики.