В конце непростого 2020-го года фокус внимания специалистов заметно сместился в сторону генерации электроэнергии из веществ органического происхождения, главным образом отходов. Причин тому, как минимум, две. Во-первых, непростая ситуация в мировой экономике требует активно использовать местные ресурсы, в том числе и всевозможные отходы. Во-вторых, современные цифровые технологии позволяют стоить энергосистему из большого количества генераторов малой мощности, их синхронизация уже не представляет собой большую проблему.
Типичный генератор, работающий на органических отходах среднего по размерам предприятия, имеет мощность порядка 2-5 МВт, теперь у него есть все возможности стать полноценным элементом единой энергосистемы.
Современные накопители электроэнергии позволяют сгладить колебания мощности в зависимости от графика работы предприятия. Также современные технологии позволили добиться себестоимости киловатт-часа у небольших электростанций, работающих на органических отходах, на уровне, меньшем, чем стоимость киловатт-часа у крупных тепловых электростанций.
Биология и энергетика
Электростанции, использующие топливо биологического происхождения, можно разделить на две категории: работающие на биомассе и работающие на биогазе.
Биомасса представляет собой древесную кору, скорлупу орехов, отходы пищевой промышленности и т. п. органические отходы, которые можно сжигать. При сжигании образуется тепло и вырабатывается пар, который крутит турбину, связанную с динамо-машиной. В совсем небольших электростанциях вместо паровой турбины иногда используют элементы Пелтье, преобразующие тепло в электричество напрямую. Получается постоянный ток, который при помощи инвертора преобразуется в переменный. Такой подход не является пока доминирующим, тем не менее, его можно признать перспективным, поскольку открываются возможности для более глубокой автоматизации обслуживания мини-электростанции.
Генератор на биомассе можно уподобить обычной котельной, работающей на дровах. Собственно, иногда понятие «биомасса» является некоей ширмой, за которой скрывается возврат (в основном по политическим причинам ради пресловутой «энергетической независимости» западных стран) к сжиганию древесины.
Но настоящий генератор на биомассе вырабатывает электричество именно из отходов, на которых обычная котельная работать не может. Современной тенденцией является перевод на биомассу электростанций, работавших ранее на угле.
Биогаз выделяется за счет действия бактерий, перерабатывающих биологические вещества без доступа воздуха. Это могут быть как вещества, содержащие в себе много воды и потому непригодные для сжигания напрямую (например, навоз), либо же сухие вещества (например, древесная кора, жмых и т. п.), которые вымачиваются для эффективного сбраживания. Вырабатываемый биогаз поступает на двигатель внутреннего сгорания (ДВС) специальной конструкции. Обычно для данных целей используются газопоршневые двигатели.
У биогаза по сравнению с биомассой есть множество преимуществ. Сжигание биогаза намного меньше вредит окружающей среде. Помимо электроэнергии, из жидких отходов получаются удобрения и относительно чистая вода, которую можно сливать в водоем. Наконец, КПД у ДВС в несколько раз выше, чем у паровой машины, что обеспечивает большую энергоэффективность электростанций на биогазе, чем на биомассе.
Но у генерации на биогазе есть и недостатки. Электростанции при той же мощности занимают большую площадь из-за наличия биореактора. Вы должны загрузить биореактор и подождать какое-то время, пока не начнет вырабатываться газ. При работе на биомассе нужно только своевременно загружать в печку топливо. К тому же, электростанция на биогазе намного сложнее в обслуживании.
Назад, к древесине?
В декабре 2020 г. в деревне Какао, Французская Гвиана, была запущена электростанция, работающая на биомассе. Причем в качестве сырья используется не скорлупа какао-бобов, как можно было бы предположить из названия населенного пункта (хотя такой вид топлива тоже используется на электростанциях), а древесная кора. В данном регионе производятся лесозаготовки и раньше снимаемая с бревен кора просто загрязняла окружающую среду, теперь же она используется для выработки электроэнергии. Так что экологичность данного проекта вопросов не вызывает.
Мощность электростанции, установленной французской компанией Voltaria, составляет 5,1 МВт. Для выравнивания пиков энергопотребления предусмотрена аккумуляторная батарея емкостью 250 кВт·ч.
В Гваделупе — другой заморской территории Франции — в декабре 2020 г. был дан старт работам по переводу с угля на биомассу электростанции мощностью 108 МВт, от которой остров Реюньон получает 25 % потребляемой электроэнергии. Эти работы должны закончиться в 2023 г. В качестве вида топлива будут применяться, в частности, жмых и отходы древесной промышленности. С этим вопросов не возникает. Но сторонников экологии, наверное, заставит напрячься информация, что в топку электростанции пойдет и древесина из местных лесов. Кроме этого, не исключается и завоз на остров специально для данной электростанции топливных паллет из древесины. Правда, обещают, что это будут паллеты, имеющие экологические сертификаты о том, что их производство не нанесло значительного ущерба природе.
Тем не менее, авторы проекта утверждают, что выброс вредных веществ в воздух электростанцией за счет перевода ее с угля на биомассу (фактически — на древесное топливо) уменьшится на 85 %. Хотя есть исследования, показывающие, что для выработки одного киловатт-часа при сжигании древесины вырабатывается больше углекислого газа, чем при сжигании угля. Однако возможно, что других вредных газов при сжигании древесины образуется все же меньше. Но самое главное — доля возобновляемых источников энергии в выработке электричества на острове Реюньон возрастет с 35 до 51 %. Уж не ради этого ли все затевалось?
Сжигание древесины формально отнесено к возобновляемым источникам энергии на том основании, что вместо срубленных деревьев в обозримом будущем можно вырастить новые. Наглядный пример того, что возобновляемые источники энергии, вопреки сложившемуся мнению, не всегда являются экологически чистыми.
Но самым наглядным примером неоднозначности внедрения древесного топлива в электроэнергетику является ситуация, сложившаяся к декабрю 2020 г. в городе Спрингфилд, штат Массачусетс, США.
В 2008 г., на пике нефтяных цен был предложен проект размещения там электростанции мощностью 35 МВт, работающей на древесине. Тогда он был отвергнут в связи с действовавшими тогда на местном уровне экологическими правилами. Потом нормы были изменены на федеральном уровне, а вслед за этим — и на уровне штата. Как итог, в 2019 г. к проекту вернулись. Это стало поводом для многочисленных протестов местных жителей, не желающих загрязнения воздуха.
Представители компании Palmer Renewable Energy, вознамерившейся построить электростанцию, утверждают, что только 5 % древесины будет на нее поступать из леса. Остальное — древесные отходы, вторичная переработка изделий из древесины, валежник, а также деревья, которые спиливают, чтобы освободить площади под сельскохозяйственные нужды.
Критики проекта обращают внимание на то, что, кроме плохого влияния на экологию региона, электростанция на древесине будет неэффективна. Проектное значение ее КПД составляет всего 29 %. В то же время, как угольные электростанции, закрываемые сейчас по всему миру в том числе и из-за низкой эффективности, имеют КПД в среднем 37 %, а электростанции, работающие на природном газе — 60 %.
В декабре 2020 г. противостояние достигло своего пика и за дело было вынуждено взяться законодательное собрание штата. В итоге строящуюся электростанцию лишили права на льготы, которые имеют объекты «зеленой энергетики», сроком на 5 лет. В частности, это означает, что электростанция не сможет рассчитывать на приоритетную закупку у нее электроэнергии для муниципальных нужд. С учетом низкой эффективности проекта, при отсутствии льгот его реализация может отказаться экономически бессмысленной. Также сенаторы от штата выступили с рекомендацией заморозить стройку как минимум до выработки администрацией Байдена новой программы развития возобновляемых источников энергии.
Экологичный биогаз
Генерация на биогазе более сложная в реализации, но при этом гораздо меньше вызывает вопросов по поводу ее экологичности.
Инвесторы все больше смотрят в сторону Индии, видя в ней новый локомотив развития мировой экономики вместо Китая. И в этом смысле знаковым событием стал выход на рынок электрогенерации на биогазе крупнейшего производителя электроэнергии в Индии — компании Tata Power.
Первая электростанция Tata Power, работающая на биогазе, была запущена в декабре 2020 г. в индийском штате Бихар. Ее мощность составляет 5 МВт, топливом стал коровий навоз, поставляемый из соседних деревень.
В России уже давно работает множество малых электростанций на биомассе. Но первая электростанция на биогазе, дающая электричество в систему общего энергоснабжения, была запущена только в 2017 г. компанией «АльтЭнерго» на территории Белгородской области. Мощность этой электростанции составила 2,4 МВт. Топливом для нее являются как навоз с ферм, так и отходы мясокомбинатов. Потом пауза несколько затянулась, но...
В последний месяц 2020 г. было анонсировано строительство такой электростанции в Ставропольском крае. Откуда будет поступать на нее топливо, пока не известно, но объявлено место строительства — вблизи очистных сооружений города Кавказские минеральные воды. Данная электростанция будет перерабатывать 136 тыс. тонн органических отходов, вырабатывая, помимо электроэнергии, 125 тыс. тонн удобрений.
Электростанция на Ставрополье будет первой в серии подобных объектов. В ближайшее время по одной электростанции на биогазе планируется построить еще в двух российских регионах.
Биогаз и биомасса в перспективе станут дополнять друг друга в деле безопасной утилизации отходов с одновременной выработкой электроэнергии. Важно только, чтобы внедрение этих технологий действительно приносило пользу экологии, а не стало средством гонки за формальными показателями.
Автор: Алексей Васильев. Фото взято из открытых источников
