Статья поступила в редакцию 08.08.13. Ред. рег. № 1721
The article has entered in publishing office 08.08.13 . Ed. reg. No. 1721
УДК 620.97; 665.75; 696.42
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИХ ЦИКЛАХ, ПОТРЕБЛЯЮЩИХ ЖИДКОЕ УГЛЕВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО ИСКОПАЕМОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
В.Г. Систер1, Е.М. Иванникова12, В.Г. Чирков3, Ю.А. Кожевников3
'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023, Москва, Большая Семеновская ул., 38 Тел.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: iegh510@yandex.ru 2ООО «Национальная инновационная компания» 105062, Москва, ул. Чаплыгина, 6 Тел.: 8 (495) 623 5877, e-mail: info@nic-com.ru 3Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Заключение совета рецензентов: 13.08.13 Заключение совета экспертов: 18.08.13 Принято к публикации: 23.08.13
Предложена концепция снижения техногенного влияния на окружающую среду вредных выбросов в атмосферу при сжигании углеводородного топлива путем включения в цикл производства тепловой и электрической энергии на тепловых электростанциях (ТЭС) стадии культивирования биомассы микроводорослей (МВ) и приготовления из нее композитных минерально-органических топливных эмульсий и суспензий. Проанализирована общая схема такого технологического цикла. Приведены примеры расчета требуемой площади открытых водоемов по культивированию фитомассы МВ биотопливного назначения для ТЭЦ электрической мощностью 400 МВт, исходя из удельного расхода топлива, а также для случая полной компенсации выбросов углекислоты в атмосферу. Обсуждены меры нормативного характера, которые могли бы способствовать реализации предложенной концепции, обеспечивающей существенное улучшение экологической ситуации в сфере производства тепловой и электрической энергии с применением жидкого углеводородного топлива.
Ключевые слова: микроводоросли, энергогенерирующий цикл, биомасса, культивирование фитомассы микроводорослей.
MICROALGAE USE IN ENERGY PRODUCTION CYCLES THAT CONSUME LIQUID FOSSIL HYDROCARBON FUELS
V.G. Sister1, E.M. Ivannikova12, V.G. Chirkov3, Yu.A. Kozhevnikov3
*University of Mechanical Engineering 21/4 B. Semenovskaya St., Moscow, 107023, Russia Tel.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: vgs001@mail.ru, iegh510@yandex.ru 2National Innovative Company, LLC 6 Chaplygina St., Moscow, 105062, Russia Tel.: 8 (495) 623 5877, e-mail: info@nic-com.ru 3All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Referred: 13.08.13 Expertise: 18.08.13 Accepted: 23.08.13
A new concept of reduction of anthropogenic impact on the environment due to hazardous emissions into the atmosphere, caused by fossil hydrocarbon fuels combustion, which is achieved by introduction the stage of microalgae cultivation and mineral-organic biofuel preparation on the basis of algae phytomass emulsion and/or suspension has been proposed. The generic diagram of such integrated cycle has been analyzed. The examples of calculations of areas of open ponds, designed for biofuel-dedicated microalgae phytomass cultivation, have been presented for 400 MW CHP station, considering fuel consumption rate for complete utilization of carbon dioxide exhausted into the atmosphere. Normative measures that could contribute to implementation of the proposed concept that is perspective in terms of substantial environmental situation improvement in the sphere of CHP, based on fossil liquid fuels have been discussed.
Keywords: microalgae, energy production cycle, biomass, microalgae phytomass cultivation.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Современные тепловые энергогенерирующие установки потребляют углеводородное топливо, при сжигании которого в атмосферу поступают парниковые газы (СОх, H2O, С04, NOx) и другие вредные вещества, в частности окислы серы и сажа. Их концентрация в дымовых газах может многократно превышать предельно допустимые значения. Наиболее высоким содержанием вредных компонентов в дымовых газах характеризуются ТЭС, работающие на ископаемом твердом топливе (уголь, сланцы, торф), однако и при использовании жидкого (в частности, мазутного) топлива и природного газа в атмосферу, помимо CO2, выбрасываются также окислы азота и серы, ртуть и ее соединения, сажа и другие загрязняющие ее вещества.
В настоящей работе рассмотрена концепция культивирования биомассы микроводорослей (МВ) на тепловых электростанциях и других хозяйственных объектах с целью уменьшения негативного влияния на окружающую среду энергогенерирую-щих установок, потребляющих энергоносители на основе ископаемого сырья. Речь идет о создании технологических циклов производства биомассы МВ и получения из нее водосодержащих органических компонентов для приготовления экологичных композитных минерально-органических топливных эмульсий и суспензий на основе низкосортных мазутов и других продуктов и отходов нефтяного происхождения.
Метод утилизации вредных компонентов дымовых газов с помощью фотосинтезирующих организмов исследуется достаточно давно [1]. Известно, в частности, что МВ способны конвертировать в фи-томассу более 90% углекислоты, подаваемой в куль-туральную среду [2]. Данный подход позволяет достаточно эффективно связывать двуокись углерода, поскольку 94% абсолютно сухой массы МВ образуется из воды и углекислого газа, и лишь 6% - из других субстратных биогенных компонентов, растворенных в воде. При образовании 1 кг фитомассы МВ из окружающего воздушного пространства поглощается более 1,8 кг СО2. Помимо углекислоты, микроводоросли способны ассимилировать содержащиеся в дымовых газах окислы азота с частичным преобразованием в газообразный азот [3] и другие минеральные соединения, в состав которых входят биогенные элементы, такие как Р, 8, К, М^, Са, Бе.
Основными преимуществами микроводорослей перед обычными растениями являются значительно более высокая продуктивность, составляющая по разным оценкам от 50 до 125 г/м2 в среднесуточном выражении для открытых систем, и отсутствие территориальной конкуренции в отношении традиционных сельскохозяйственных культур. Выращивание МВ можно осуществлять в практически любых открытых и искусственных водоемах при отсутствии жестких требований к чистоте и качеству воды, включая воду с высоким содержанием солей, некоторые из которых могут служить биогенными компонентами.
Если обратиться к зарубежному опыту, то перспективы развития данного направления в плане технологического обеспечения можно охарактеризовать положительно. Это связано, прежде всего, с тем, что в последнее время наблюдается повышенный интерес к простейшим фотосинтезирующим водным организмам как к перспективному ресурсу биомассы [4-6]. Исследованиями в области технологий культивирования микроводорослей занимаются многие компании в различных странах мира (Германия, Израиль, Испания, Китай, США). При этом исследуются самые разные аспекты, связанные с производством биомассы микроводорослей как в открытых системах, так и в фотобиореакторах.
Несмотря на очевидные преимущества, технологии производства МВ энергетического назначения до сих пор не получили распространения в мире. К объективным факторам, препятствующим внедрению этих технологий в Российской Федерации, следует отнести непродолжительность периода культивирования МВ в открытых водных системах и отсутствие механизмов (нормативных, административных, экономических) стимулирования экологической деятельности хозяйствующих субъектов в данной сфере. Одним из таких механизмов могла бы стать практика оценки экологического эффекта от деятельности предприятий (в первую очередь, энергогенерирующих), учет потребления атмосферного кислорода, который, по сути, является не менее важным природным энергетическим ресурсом, чем ископаемое топливное сырье. Для этого также должен быть разработан и утвержден научно обоснованный ценовой эквивалент для атмосферного кислорода. В современных условиях, до тех пор, пока такая практика отсутствует, остается находить организационные и технические решения, позволяющие в значительной мере компенсировать связанные с культивированием МВ дополнительные капитальные вложения и эксплуатационные затраты.
По нашему мнению, к решению этой задачи можно приблизиться с двух сторон, если рассматривать биомассу микроводорослей в качестве возобновляемого энергетического сырья для приготовления композитных минерально-органических котельных био-топлив, обладающих значительно более высокими экологическими характеристиками по сравнению с топливами ископаемого происхождения, непосредственно на энергогенерирующих объектах. При сжигании таких биотоплив выбросы вредных веществ (моноокиси углерода, окислов серы и азота, сажи и др.) в атмосферу могут быть существенно снижены. Капиталовложения и издержки производства такой энергетической продукции можно минимизировать, максимально используя существующую инфраструктуру и доступные топливно-энергетические резервы, имеющиеся в распоряжении самих предприятий. К ним в условиях ТЭС относятся, прежде всего, зона землеотведения, площадь которой составляет 33,5 кв. км для современных ТЭС, система водоемов
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
охладителен, нормируемая площадь которых составляет от 6 до 9 м2/кВт, а также избыточная тепловая энергия и отходы нефтепродуктов.
Такими объектам являются, в первую очередь, электростанции, работающие на органическом топливе, которые имеют электрический КПД в пределах 35-40%. Это означает, что около двух третей теплотворной способности топлива переходит в тепловую энергию. В среднем половина генерируемой тепловой энергии передается охлаждающей воде и порядка 10% уходит в атмосферу с дымовыми газами. Для конденсации отработавшего пара обычно ис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.