г. Москва, ул. Бахрушина д.15, стр.1

techecoplasma@gmail.com

+7 (495) 953-75-84

+7 (495) 951-85-52

Отдел плазменных технологий

+7 (495) 953-75-84

Отдел инженерных систем жизнеобеспечения

 +7 (495) 953-11-02

Проекты

Наши новости

Подписка на новости

Системный подход

10.02.2014

Откликаясь на призыв руководства страны о необходимости прорывных технологий, руководствуясь Федеральным законом «Об энергосбережении…» и следуя положениям Проекта первого всероссийского конкурса «Открытая книга – Народная энергетика» предлагаются способы осуществления идеологии использования разнородных отходов одних производств (или природных потоков) в качестве сырья для других, в частности, – совмещение производства энергии, сельхозпродукции и очистки от загрязнений, ориентированное, в том числе, на повышение привлекательности сельской местности для жизни людей.
Цель – создание замкнутой системы безотходного обращения химических элементов с минимизацией потребления ископаемого минерального сырья и отказе от горючих ископаемых. Система направлена, в том числе, на перехват природных потоков энергии и движения загрязнений.
Тепловые сбросы электростанций – непростительная расточительность. Бросовое тепло разумно использовать в полосе рискованного земледелия для производства сельхозпродукции, а сельхозотходы с больших территорий и другие горючие отходы – как топливо для малых энергоустановок, главная задача которых – работа в часы пиковых нагрузок.
Системное совмещение направлено на решение целого комплекса попутных задач, достижение каждой из которых в отдельности не всегда рентабельно.

Топливное направление:

- удвоение эффективности использования топлива (путём использования бросового тепла);
- привлечение альтернативного топлива – биомассы и горючих отходов;
- создание благоприятных условий для производства водородного топлива;

Энергетическое направление:

- повышение КПД энергоустановок (по трём направлениям);
- сглаживание пиковых нагрузок на энергосети;
- перенаправление части потоков энергии из села в город;

Продовольственное направление:

- гарантированное производство продуктов питания в районах рискованного земледелия и внедрение современных сельскохозяйственных разработок;

Безопасность:

- продовольственная безопасность;
- ослабление зависимости хозяйств от цен на горючее;
- терроробезопасность.

Социальная сфера:

- создание рабочих мест;
- повышение привлекательности сельской местности квалифицированными рабочими местами и экономической эффективностью хозяйств;

Рециклинг:

- извлечение вторичных минеральных ресурсов (тяжёлых металлов) из золы и возвращение очищенной золы на поля как удобрение;

Очистка от загрязнений:

- очистка территорий от рассеянных загрязнений через биомассу, превращение очистки территорий из затратной статьи в прибыльную;
- превращение утилизации твёрдых бытовых отходов (ТБО) из затратной статьи бюджета в прибыльную.

Суть подхода состоит в совместном рассмотрении производства энергии, сельхозпродукции и очистки от загрязнений. При комплексном хозяйствовании, например, электростанции, как хозяйствующие субъекты, потенциально заинтересованы в производстве продовольствия, а сельские хозяйства – в производстве энергии. Освоив смежное производство, как показывают расчёты, каждый из них удвоит свою выручку.
Первое. Надлежит использовать бросовое тепло электростанций для производства сельхозпродукции (овощей, грибов, рыбы). В качестве работающего образца обогрева открытого и закрытого грунта и выращивания рыбы является, например, опытный комплекс по утилизации вторичных энергетических ресурсов на Курской АЭС, удостоенный государственной премии (Постановление Правительства РФ от 17.03.1999 № 306 "О присуждении премий Правительства РФ 1998 года в области науки и техники"). Дело за широким внедрением этого начинания с учётом появившихся с той поры новых инженерных решений и с привлечением потенциала сельскохозяйственной науки.

Второе. Сельским хозяйствам надлежит освоить малые серийные энергоустановки, топливом для которых стали бы, в основном, сельхозотходы, утилизируемые в оригинальном сжигателе отходов, подключаемом к серийной энергоустановке. Биомассы, ежегодно прирастаемой в радиусе до 3 км, достаточно для постоянной круглогодичной работы энергоустановки мощностью до 1 МВт. На первых порах высокого КПД от таких установок не потребуется, так как бросовое тепло будет с пользой обогревать грунт. В дальнейшем будут разработаны высокоэффективные малые энергоустановки, в частности, с высокотемпературной порошковой технологией переноса теплоносителя. Продуманная тарифная политика позволит большую часть энергии, производимой малыми энергоустановками, принимать в сеть в часы пиковых нагрузок. Таким образом будет реализован принцип «сотового» построения малой энергетики и потоки энергии в пиковые часы пойдут из села в город. В перспективе избыток электроэнергии (как и ночную электроэнергию) можно преобразовывать в водородное топливо. Освоив производство топлива, сельские хозяйства обретут независимость от цен на горючее.
Третье. – утилизация ТБО совместно с очисткой территорий и акваторий от рассеянных загрязнений. Биомасса растений вбирает в себя рассеянные загрязнения, на этом основан известный биологический способ очистки. После сжигания биомассы загрязнения сконцентрируются в золе. Большие объёмы золы можно перерабатывать централизованно, извлекая тяжёлые металлы, вредные для почвы, но представляющие промышленный интерес. Зола, освобождённая от тяжёлых металлов, вернётся на поля как удобрение. Сжигатель энергоустановки после доработки сможет принимать не только биомассу, но и любые горючие отходы, включая токсичные и содержащие опасную хлорорганику.

Инвестиции, первоначально направляемые на использование бросового тепла, станут «локомотивом» для комплекса направлений: энергетического, продовольственного, очистки территорий от рассеянных загрязнений, рециклинга минеральных веществ, утилизации ТБО, а также преодоления социальной напряжённости путём создания рабочих мест.

2. Основные положения концепции системного хозяйствования и сотового построения энергетики с рециклингом через биомассу

Все добываемое из недр в конечном итоге выбрасывается, рассеивается по поверхности суши, в атмосфере, смывается в водоёмы и моря. Загрязнения вовлекаются в природный биохимический круговорот, нарастает загрязненность и хлорорганическими соединениями исключительной токсичности – диоксинами, что вызывает обоснованную тревогу во всем мире.
Загрязнения накапливаются в разных частях растений, в том числе и в плодах. Часть загрязнённой биомассы, перегнивая, возвращается на поля, а плоды поступают в пищу. Выходит, загрязнения удаляются с сельхозугодий через плоды, потребляемые в пищу.
Повторное использование отходов (рециклинг) при нынешней идеологии сортировки отходов, к сожалению, преобразовывает лишь наименее токсичную часть отходов и не охватывает природных потоков движения загрязнений.
Для природопользования с нулевыми отходами необходимо:
- перейти на возобновляемые ресурсы постоянно прирастаемой биомассы;
- перехватить основные природные потоки движения загрязнений, переносящиеся в виде пыли и газов через атмосферу и водными потоками в виде растворов и взвесей.
Подход к решению этих задач лежит через:
- комплексное использование биомассы наземных и водных растений;
- организацию природного движения воды с извлечением загрязнителей и их хозяйственным использованием.

2.4 Модульное построение энергетики. Последовательность разработок

Сжигание биомассы и ТБО как энергоресурсов определяет последовательность разработок, направленных на очистку территорий и выработку энергии. Начинать следует с создания сравнительно простых установок, предназначенных для использования относительно мало загрязнённой несортированной биомассы (состоящей из сельскохозяйственных и лесных отходов, а затем и предварительно высушенных водорослей) и обеспечивающих теплом небольшие (до 1 МВт) серийные энергоустановки. Такие энергоустановки можно размещать в хозяйствах вблизи произрастания биомассы и изолированно от крупных тепловых сетей.
Обратная последовательность разработок, ведущаяся в настоящее время, то есть начиная с мусоросжигающих заводов, способных вырабатывать энергию для покрытия лишь части общих эксплуатационных затрат, наталкивается на организационно-структурные трудности. Приходится мириться с некоторыми явно затратными процессами в работе таких заводов. Мусоросжигающие заводы пока слабо ориентированы на главную, с точки зрения рециклинга, задачу – полное извлечение из отходов промышленного сырья.
Энергетику на возобновляемом топливе лучше строить по "сотовому" принципу, то есть в виде большого количества малых типовых энергоустановок, максимально приближенных к источникам сырья. На начальном этапе внедрения энергетики на биотопливе подойдут серийные энергоустановки малой мощности. В дальнейшем малые энергоустановки нового поколения будут иметь существенно более высокий КПД (см. следующий раздел) и будут конкурировать с большой энергетикой.
По мере размещения малых энергоустановок предстоит решить задачу их объединения в сети и организовать централизованную переработку золы. Однократно разработанная технология разделения окислов позволит переработать все виды отходов, независимо от их источников – ТБО, промышленные отходы, ил и т,д.
Сжигающие устройства, первоначально ориентированные на биомассу, станут перерабатывать и ТБО. Для приёма ТБО, содержащих "хлорорганику", потребуется в дополнение к высокотемпературному сжиганию организовать быстрое охлаждение выходящих газов с целью предотвращения вторичного синтеза диоксинов и предусмотреть дополнительную очистку газов с помощью зольных фильтров-нейтрализаторов.
Для реализации проекта модульного построения энергетики необходимо наладить производство относительно простых комплектующих модулей, а именно:
- устройств высокотемпературного пиролиза твердого топлива произвольного состава;
- гидрокомпрессоров – преобразователей перепада уровней воды в сжатый воздух (как для плотин на реках, так и для приливно-волновых запруд на море);
- приливно-волновых запруд для преобразования энергии волн в перепад уровней воды;
- энергоустановок (как со встроенным механическим компрессором, так и без него);
- устройств разделения продуктов сгорания, позволяющих выделять минеральные компоненты из золы и выхлопных газов;
- участков обогреваемого открытого грунта, использующих бросовое тепло энергоустановок.
Названные комплектующие модули (или их часть) в зависимости от местных условий будут компоноваться в разных комбинациях в комплексные преобразователи (энергии, загрязнений, сырья и сельхозпродукции).
Хозяйства, выращивающие сельхозпродукцию, потенциально заинтересованы в освоении биомассы как топлива.
Стоимость энергии, произведенной из бросовой соломы, например, сравнима со стоимостью выращенного зерна. Это означает, что освоение энергетического потенциала горючих отходов удвоит прибыль хозяйств.
У хозяйств отпадет необходимость покупать топливо. Образно говоря, если раньше на селе использовалась лишь конная сила, потреблявшая в пищу часть биомассы, то и теперь механизмы могли бы работать на энергии сжигаемой биомассы. Таким образом удалось бы ликвидировать зависимость хозяйств от цен на энергоносители. На собственные нужды, включая работу сельхозмеханизмов и внутренний транспорт, достаточно около 20 % производимой хозяйством энергии. Избыток энергии можно продавать или наладить производство водородного топлива.

2.5 Направления совершенствования энергоустановок

Просматривается, по крайней мере, три направления повышения КПД энергоустановок до 70…80 %, то есть в 2…2,5 раза.
Первое – разработка прямого преобразователя тепловой энергии в электрическую, например, по принципу генератора Ван де Граафа.
Прообразом такого генератора мог бы служить генератор высокого напряжения для экспериментальных физических ускорителей заряженных частиц (его КПД превышал 90 %), к нему могли бы добавиться современные порошковые технологии переноса тепла.
Мощность одного такого генератора вряд ли превзойдет 0,5…1 МВт, но при высоком КПД такого устройства, для "сотового" построения энергетики это приемлемо.
Второе – новые подходы к комбинированию работы газа и пара в одной турбине (это направление находится на стадии патентования).
Третье – комбинирование гидравлической и тепловой энергии в одной энергоустановке (Заявка на патент № 2006 12 00 20). Воздух, сжатый водой в изотермическом компрессоре, может быть подан на вход серийной газовой турбины. Такая комбинированная энергоустановка приобретёт ряд достоинств, отсутствующих в чисто тепловых машинах.
Сжатие воздуха за счёт потенциала воды возможно с высоким КПД при небольшом напоре, значит, плотина может быть невысокая. Благодаря контакту с большим объёмом воды, воздух будет сжиматься изотермически.
КПД тепловой части энергоустановки резко возрастёт, с одной стороны, из-за ненадобности собственного компрессора, с другой стороны, благодаря существенному улучшению термодинамического цикла – изотермическому сжатию воздуха.
Появится возможность использования низкопотенциального тепла. Температура расширения рабочего тела может быть и ниже температуры среды. Устройство, использующее одну и ту же газовую турбину, может работать и в режиме производства электроэнергии, и в режиме получения холода. В качестве рабочего тела выступает экологически чистый атмосферный воздух. Простые холодильные камеры для сельских нужд разместятся непосредственно в хозяйствах.
Откроется возможность использования низкопотенциальной гидроэнергии с перепадом воды практически от 0,5 м, что увязывается с "сотовым" принципом размещения энергообъектов. На реке крупную плотину заменит каскад малых плотин с перепадом воды в 1…2 м, что уменьшит площадь затопления практически до уровня паводковых разливов и упростит строительство плотин. На море будет использоваться энергия волн, а не только энергия приливов.
Дальнейшее усовершенствование комбинированных энергоустановок будет связано с разработкой изотермического расширительного устройства, принцип работы которого близок к изотермическому компрессору.
Комбинированные энергоустановки позволят эффективно использовать теплоту и гидроэнергию как крупных ГЭС, так и каскада малых плотин и варьировать в широких пределах долю той и другой энергии в одной энергоустановке. Эти свойства послужат для сглаживания пиковых нагрузок на энергосети. Их использование предполагается и на на морском побережье, где выработка гидроэнергии сильно зависит от степени волнения моря.

2.6 Очистка и переработка продуктов сгорания

При сжигании биомассы и горючих отходов образуются кислые газы и щелочная зола. В фильтре-нейтрализаторе они посредством воды будут взаимодействовать друг с другом и взаимно нейтрализоваться.
При промывке газов радикалы СОx-, SOx-, NOx- не вынесутся в атмосферу, а свяжутся в золе и, в конечном итоге, полезные компоненты возвратятся на поля.
Водный рассол, циркулирующий через золу и газы, будет разделяться по современной технологии. В области очистки растворов и селективного извлечения минеральных компонентов имеются апробированные научно-практические разработки, например, специалистов Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Московского государственного университета инженерной экологии, Института рентгеновской оптики, Российского химико-технологического университета.

2.7 Система землепользования пруд-поле

В ручьи и речки попадают рассеянные вещества – минеральные и органические удобрения, загрязнители и почва.
Для их извлечения и вторичного использования на малых несудоходных речках надо организовать каскады прудов-водохранилищ. Эти пруды-водохранилища будут заполняться попеременно.
В один сезон пруд-водохранилище заполняется водой, в нем оседает смытая с полей почва, растут водные растения, накапливаются смытые минеральные и органические удобрения, связываются в биомассе загрязнения.
В следующий сезон на осушенной и удобренной илом пойме, свободной от сорняков, выращивается сельхозпродукция.
При благоприятном ландшафте пруды-водохранилища могут быть разделены дамбами вдоль русла на две половины, одна из которых заполнена водой, а другая осушена.
В зависимости от степени загрязнения на сухой половине можно выращивать чисто «энергетические» культуры (подлежащие только сжиганию), технические культуры (не идущие в пищу) или продовольственные культуры. Например, первое водохранилище каскада ниже населенного пункта может выполнять роль очистного сооружения с выращиванием «энергетических» культур.
Организация движения воды на типовых, низконапорных и приливно-волновых плотинах позволит собирать одноклеточные водоросли, водные растения и плавающие загрязнения, включая разливы нефтепродуктов. После просушивания на открытом воздухе все это станет пригодно к сжиганию. Тепло от сжигания поступит в энергоустановки.
Движение и очистка морской воды будут организованы на приливно-волновых запрудах для морских энергоустановок.
Минеральные компоненты из биомассы, водорослей и отходов при сжигании сконцентрируются и поступят на переработку для извлечения промышленного сырья и удобрений. Удобрения возвратятся на поля. Углекислота будет вовлечена в фотосинтез. Кругооборот веществ замкнётся.

2.9 Участки обогреваемого грунта

Интенсивное земледелие в рискованной климатической полосе предпочтительней в обогреваемом открытом грунте, чем в закрытом. Это и дешевле (так как не требует строительства теплиц), и лучше вписывается в природный биоценоз. Участки открытого грунта благодаря обогреву дадут большую отдачу и позволят получать устойчивые урожаи.
Защищёнными от заморозков окажутся и плодовые деревья, растущие в окрестностях обогреваемого участка.
Одна энергоустановка мощностью 1 МВт, работающая весь год за счёт запасённой биомассы и отходов в радиусе 2…3 км (удивительно, но радиусы для сельской и городской местностей оказались близкими), позволит обогреть участок площадью 25 соток, овощная продукция с которого при урожайности 10 кг/м2 составит 25 тонн в сезон.

2.10 Морские установки

Строительство морских установок завершит процесс организации перехвата потоков загрязнений через природное движение и фильтрацию воды.
Морская установка представляет собой комбинированную гидротепловую энергоустановку, топливом для которой служат главным образом водоросли и плавающие загрязнения.
Приливно-волновая запруда – это сооружение из гибкого материала, снизу прикреплённого к фундаменту, а сверху – к плавающим конструкциям, через которые перекатываются волны. Такое сооружение позволит поддерживать постоянный перепад уровня воды по разные стороны гибкого материала независимо от уровня моря. Сооружение из гибкого материала более устойчиво к шторму, оно будет гасить энергию волн и способствовать защите берегов. Малый перепад воды по разные стороны гибкой стенки будет преобразовываться в сжатый воздух, нужный для работы энергоустановки, а также послужит для концентрации биомассы и загрязнений.
Главные проблемы извлечения минералов из морской воды – их малая концентрация и необходимость обработки огромного объёма воды.
При наличии приливно-волновой запруды собирание минералов из морской воды будет происходить через биомассу простейших водорослей и водных растений. Организованное движение большого объёма воды позволит их сконцентрировать вместе с плавающими загрязнениями, в том числе и нефтепродуктами.
Накопившие солнечную энергию водоросли и водные растения после естественного просушивания пригодны в качестве топлива для энергоустановки.
В зависимости от погодных условий вклад в выработку энергии гидравлической и тепловой частей комбинированной энергоустановки будет меняться. При сильном волнении основная доля электроэнергии будет вырабатываться за счёт энергии волн. В спокойную погоду большей будет доля сжигаемых водорослей.
В приливно-волновую запруду насыщенная кислородом вода поступит с поверхности и будет сброшена в придонную зону, чем создастся искусственный апвеллинг, повышающий биологическую продуктивность прибрежной зоны моря.

2.11 Заключительные соображения о комбинировании процессов

Изложенные простые по существу идеи в силу своей комплексности нельзя реализовать в рамках одного ведомства. Даже теплоэнергетикам нелегко договориться с гидроэнергетиками о совместном проекте комплексной энергоустановки, не говоря уже об их совместной деятельности с производителями сельхозпродукции. А между тем, хозяйствование – это единый процесс, неважно, относится ли он к энергетике, выращиванию овощей или к экологии. Поэтому хозяйствовать следует комплексно.
Однако, времена и взгляды меняются. Относительно недавно считалось пустой затеей получение энергии при сжигании ТБО, а сегодня это уже обязательное требование.
В будущем должно стать естественным производство электроэнергии сельскими хозяйствами. Обычный цикл эксплуатации полей даст хозяйствам, по меньшей мере, двойную прибыль: к сельхозпродукции прибавится электроэнергия и тепло. Исчезнет зависимость хозяйств от внешних энергоносителей. Излишки электроэнергии пойдут на производство водородного топлива.
Автономность хозяйств в сочетании с комплексным производством энергии и сельхозпродукции будут служить укреплению продовольственной, энергетической и экологической безопасности не только самих хозяйств, но и всей страны.
Комбинирование тепловой и гидроэнергии в одной установке поднимет их суммарный КПД. Комбинированные энергоустановки, построенные на базе газовых турбин, позволят маневрировать производимой мощностью для сглаживания суточных пиков.
Светоустановки (фитотроны) для выращивания овощей зимой в подвале многоэтажных домов позволили бы обогреть их бросовым теплом. Предельная урожайность в фитотроне может достигать 240 кг/м2 в год. Такое комбинирование позволило бы помимо свежей овощной продукции обеспечить автономность обогрева домов и отказаться от протяжённых теплотрасс. Режим освещения целесообразно согласовать с ночным тарифом потребления электроэнергии, что минимизирует издержки за электроэнергию и сгладит ночной минимум потребления электроэнергии.
Зимой ночную энергию целесообразно накапливать в виде тепла для отопления помещений, но не напрямую, а как потери в циклах с низким КПД, например, в электролизёрах, производящих водородное топливо или тех же светоустановках (фитотронах). Летом эффективен обогрев открытого грунта бросовым теплом.
На местах, где низкий потенциал воды преобразуется в сжатый воздух, будут функционировать холодильные установки с экологически безвредным воздухом в качестве хладоагента.
Попутно вся территория будет очищаться от рассеянных загрязнений.
Высокотемпературное сжигание сыграет свою неоценимую роль в уничтожении обширного списка токсичных отходов, включая медицинские отходы и погибших инфицированных животных.
Модульная сборка комплексных преобразователей (для выработки электроэнергии и сельхозпродукции, а также для преобразования загрязнений в сырье) призвана привлечь наработанный научно-технический потенциал в смежных областях:
- технологии типового строительства, в том числе дамб, запруд, оросительных систем;
- химические технологии по разделению растворов и порошков, по извлечению минералов из морской воды;
- научно-практические сельскохозяйственные разработки;
- разработки по производству и использованию водородного топлива;
- порошковую технологию переноса тепла;
- постоянный ток высокого напряжения в линиях электропередач.
алорентабельные решения, используемые в комплексе друг с другом, станут выгодными. Это позволит решать различные прикладные задачи, лежащие в основе здоровой экологии:
- собирать рассеянные загрязнения,
- очищать сточные воды,
- обезвреживать ТБО,
- кондиционировать питьевую воду,
- производить водородное топливо,
- извлекать минеральное сырье из золы и морской воды,
- обеспечивать население плодово-овощной продукцией,
- существенно повысить КПД энергетики,
- сглаживать пиковые нагрузки на энергосети,
- осуществлять сушку древесины,
- защищать морские берега от разрушения,
- создавать локальные системы теплоснабжения.

Названные задачи, решаемые в комплексе, впишутся в предложенную систему сотового построения энергетики с рециклингом через биомассу.

5. Гибридные электростанции. Комбинирование гидравлической и тепловой энергии в одной установке – путь экономии топлива

Патент № 2321776. Повышение КПД до 76 % возможно путём использования в одной энергоустановке одновременно двух источников энергии – гидравлической и тепловой.
Вода вместо вращения гидротурбин будет изотермически сжимать воздух.
Способ получения сжатого воздуха за счёт гидроэнергии на высотной плотине известен и в прошлом веке имел реальное воплощение для снабжения завода.
Сжатый воздух будет работать в регенеративном газотурбинном цикле.
Сжатие воздуха благодаря контакту с большим объёмом воды будет изотермическим. Изотермическое сжатие воздуха (вместо адиабатного) позволит существенно улучшить термодинамические характеристики газотурбинного цикла.
КПД реальной комбинированной (гибридной) энергоустановки достигнет 76 %. Таким будет совместный КПД использования потенциала воды и топлива.
Комбинированная электростанция унаследует преимущество газовых турбин регулировать производимую мощность, что важно для работы в режиме пиковых нагрузок.
На базе существующей ГЭС комбинированная (гибридная) электростанция за счёт топлива могла бы произвести в 4…5 раз большую мощность, чем исходная ГЭС. И если ГЭС вырабатывают сегодня около 20 % электроэнергии, то с переходом на комбинированные электростанции в масштабе страны это превратилось бы в 20 % х (4…5) = (80…100) %, то есть в подавляющую и регулируемую долю производства электроэнергии!
На выработку электроэнергии комбинированной (гибридной) электростанцией по сравнению с независимыми ГЭС и ГТУ аналогичной суммарной мощности потребуется на 40 % меньше топлива.
Гидрокомпрессор (другого типа ) может эффективно работать при малом перепаде уровней воды, – даже при перепаде уровней менее 1 метра. Это открывает возможность использовать гидропотенциал малых рек в первую очередь там, где создание каскадов малых плотин экологически обосновано, например, в целях пожарной безопасности.

Заключение

Предложенная идеология использования отходов одних производств (или природных потоков) в качестве сырья для других обоснована передовыми знаниями и разработками и обращена в будущее. Концептуальные решения, опираясь, в том числе, и на собственные разработки, хорошо сочетаются с известными прогрессивными решениями в разных областях и остаются открытыми для нового.

Вернуться в раздел