Регенеративные виды энергии

При оценке потребления первичной энергии в ФРГ 4150 ТВт · ч/год предполагалось, что в 2000 году регенеративные виды энергии могут максимально составить только 8 — 9% этой цифры. Считалось, что из полезной солнечной энергии 9% будут преобразованы в тепловую энергию непосредственно (плоские коллекторы для получения горячей воды и отопления), 24% — косвенно, через гидроэнергетику (гидротурбинные ГЭС и ГЭС с плотинами), из энергии ветра и 60% — при использовании низкотемпературного потенциала окружающей среды.

Солнечные теплоэлектростанции

Солнечные теплоэлектростанции рентабельны только при высокой плотности и длительности излучения, например в субтропиках. Солнечные батареи генерируют электроэнергию локально (опытная установка в Пелворме), но из-за высоких инвестиционных затрат не играют большой роли. Главным при использовании солнечной энергии в умеренных широтах должно стать получение низкотемпературного тепла с помощью солнечных коллекторов, тепловых насосов и реакторов биогаза.

Плоские коллекторы

Плоские коллекторы (тепловые низкотемпературные) используют прямое и диффузное излучение, т. е. работоспособны и в пасмурную погоду.

Рисунок. Модель плоского коллектора.

Они могут нагреть воду до 40 — 60 °С и обеспечить 50 — 70% бытовых потребностей в горячей воде. Несмотря на дороговизну из-за высоких затрат при изготовлении и установке, их уже используют для отопления плавательных бассейнов.

В плоских коллекторах используется высокая абсорбирующая способность черных тел, поглощающих тепловую часть спектра. Коллектор представляет собой пластину, например медную, с зачерненной абсорбционной поверхностью, охлаждаемую проточной водой. При работе пластина нагревается до 60 °С и должна быть теплоизолирована со стороны падения света прозрачным материалом, чтобы макс, снизить потери теплопроводностью, конвекцией и излучением. Хорошо себя зарекомендовали фольги с избирательной светопроницаемостью.

Поскольку КПД зависит от температурного перепада между атмосферным воздухом и абсорбером и интенсивности излучения, при активном отапливании зимой, указанная величина наиболее низкая.

Рисунок. Характеристики плоского коллектора.

Рисунок. Излучение и потребность в энергии.

Тепловые насосы

Тепловые насосы преобразуют в более высокотемпературное тепло, накопленное воздухом, водоемами и почвой, включая тепло потери двигателей и тепловых установок. Из-за низкого температурного уровня эти виды теплоты практически не используются. Имеющуюся температуру используют для того, чтобы испарить хладагент с еще более низкой температурой кипения в известном компрессионном цикле (испаритель). Затем пар сжимается компрессором, нагреваясь при этом. В теплообменнике тепловая энергия передается воде с одновременным охлаждением и сжижением хладагента (конденсатор). Дроссельный клапан уменьшает давление хладагента и расширяется до исходного значения.

Моновалентные тепловые насосы приводятся в действие двигателем внутреннего сгорания или дизелем и могут обеспечить теплом крупные строительные комплексы.
Бивалентные тепловые насосы представляют собой комбинацию одного теплового насоса, чаще всего с электроприводом, и традиционного отопительного котла, что позволяет избежать дефицита тепла в наиболее холодные дни.

Рисунок. Принцип действия компрессорного теплового насоса.

Биоэнергия

Решительный прорыв в использовании регенеративных видов энергии мог бы удасться с помощью биомассы. Растения посредством фотосинтеза накапливают солнечную энергию в химических связях биомассы. Аналогично ископаемым видам топлива из них можно сначала извлечь тепловую, а затем и электрическую энергию.

Теплотворная способность биомасс невелика:

древесина — 18,
бытовой мусор — 8 МДж/кг (каменный уголь — 35, метан — 50,1 МДж/кг).

Биомассу можно использовать для полезного преобразования энергии посредством ее сжигания, пиролиза и спиртового или метанового брожения.

Рисунок. Энергетические балансы для различных биомасс.

Сжигание биомассы можно проводить в установках для сжигания ископаемых топлив. В процессе пиролиза при отсутствии воздуха биомасса разлагается. Низкотемпературный пиролиз происходит при 400—500 °С, высокотемпературный — 700—900 °С. Образуются горючие смеси (Н₂, СН₄, СО, сажа). Пиролиз привлекателен с экологической точки зрения, поскольку при его проведении не синтезируются вызывающие рак углеводороды.

Алкогольное брожение инициируется глюкозой, которую технологическим путем тоже производят из биомассы. Микроорганизмы, преимущественно дрожжи, перерабатывают глюкозу с высоким энергетическим КПД до этанола, который, например в Бразилии, подмешивается к бензину.

Производство биогаза (метановое брожение) осуществляется без доступа воздуха, например в реакторах биогаза водоочистных установок.

Ацидогенные бактерии (например Propionibacterium) разлагают полимерные жиры, протеины и углеводы сначала до молочной и пропионовой кислот, а ацетогенные бактерии — далее до уксусной кислоты:

CH₃CH₂COOH + H₂O ⇔ CH₃COOH + H⁺ + HCO₃^- + 3H₂.

Метановые бактерии используют углекислоту и разлагают уксусную кислоту (ацетат):

4H₂ + HCO₃^- + H⁺ ⇔ 3H₂O + CH₄,

CH₃COOH^- + H⁺ ⇔ CO₂ + CH₄.

Метан (СН₄) и биогаз с остатками водорода можно получить в малых установках и использовать в больших технических масштабах.

Рисунок. Принцип действия биогазовой установки.