Теплицы при тепловых электростанциях

Когенерация в тепличном хозяйстве

Современный рынок малой энергетики всё больше акцентирует внимание на максимально эффективном использовании как первичных, так и вторичных энергетических ресурсов. Об этом явно свидетельствует большое количество проектов, направленных на более эффективное энергоснабжение промышленных и коммунальных предприятий.

Сейчас уже ни для кого, имеющего профессиональное отношение к энергетике, термин «когенерация» (комбинированная выработка электроэнергии и тепла) не является новым. Преимущества когенерации, в сравнении с обычными процессами выработки электроэнергии, очевидны. Среди них, в первую очередь, следует отметить увеличение эффективности использования топлива до 80

90%, более чем удовлетворительные экологические показатели и автономность систем когенерации.

Необходимо также отметить ещё один аспект, который делает систему когенерации крайне привлекательной, – возможность использования вторичных энергетических ресурсов, или продуктов сгорания природного газа. Наибольший интерес представляет диоксид углерода (углекислый газ), содержащийся в продуктах сгорания и использующийся для подкормки тепличных культур. Первый положительный опыт его применения для подкормки растений был получен ещё в начале 20 века.

В последующие годы были предложены многочисленные варианты использования продуктов сгорания газообразного топлива с целью повышения (примерно на порядок) содержания углекислого газа в теплицах и доведением концентрации CO2 с 0,03% в воздухе до 0,3% в атмосфере установок защищенного грунта. Работы, проведённые в этом направлении Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижановского и Институтом физиологии растений им. К. А. Тимирязева АН СССР, подтвердили высокую эффективность метода. Отмечалось ускоренное развитие растений, возможность получения ранних овощей, увеличение сбора зеленой массы и цветов.

Система осуществляет работу по следующей схеме: когенерационная установка вырабатывает электроэнергию и утилизирует тепло систем смазки и охлаждения. Параллельно с этим происходит выброс продуктов горения. Эти продукты проходят специальный процесс очистки, затем охлаждаются в обычном теплообменнике до допустимой температуры (примерно 50 °С). С помощью специальных лопастных турбовениляторов они смешиваются с воздухом в теплице, а также доставляются непосредственно к основаниям растений

В настоящее время подобный способ применяется во многих странах мира, таких как Бельгия, Дания, Франция, Испания, Великобритания, Португалия. Наиболее типичным примером является тепличное хозяйство Голландии, где долголетний опыт культивирования цветов и овощей сделал эту систему уникальной, не имеющей аналогов на данный момент. Постройка теплиц особой конструкции решила все проблемы, связанные с климатом страны. Конструкция теплиц и сопутствующего оборудования обеспечивает необходимый запас энергии за счёт применения когенерационных установок. В свою очередь, двуокись углерода, использующаяся в замкнутых пространствах теплиц, стимулирует рост растений посредством фотосинтеза.

В процессе утилизации выхлопных газов одной из наиболее важных проблем является, очистка и преобразование продуктов горения до чистого оксида углерода. Известно, что продукты сгорания топлива малых когенерационных установок содержат углекислый газ в больших количествах. Но помимо CO2 в них содержатся также оксиды азота NOx, углеводороды CH, монооксиды углерода CO. С целью уменьшения содержания вредных примесей применяется специальная система на основе селективного каталитического конвертора и катализатора, которые могут устанавливаться между газовыми двигателями и системой охлаждения выхлопных газов. За счёт использования аммиачной воды (мочевины), которая впрыскивается в выхлопной газ, содержание оксидов азота в этой системе уменьшается почти на 90%.

Мочевина, известная как карбамид или гидразин углерода, получается в процессе реакции между жидким аммиаком NH3 и углекислым газом CO2. При взаимодействии с продуктами горения мочевина начинает разлагаться до аммиака, который, вступая в реакцию с оксидами азота, превращает их в «безобидный» азот N2.

Химический процесс протекает следующим образом:

4NO+4NH3+O2=N2+6H2O
6NO2+8NH3=7N2+12H2O
NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O
O2+4NO+4NH3=4N2+6H2O
NH3+NOx+O2=N2+H2O+CO2

После тщательной очистки углекислый газ поступает непосредственно в теплицу, где смешивается с воздухом и в процессе фотосинтеза поглощается растениями:

6CO2+12H2O +(свет) = C6H12O6+H2O+6O2

Известно, что необходимыми условиями для роста растений являются тепло, свет и углекислый газ. В процессе фотосинтеза, с участием хлорофилла как катализатора, СО2 в растениях преобразуется в углерод, что способствует их бурному росту. В окружающем воздухе содержатся около 350 объемных долей углекислого газа. Для активного роста, в зависимости от вида растений, в атмосфере теплицы содержатся от 700 до 800 объемных долей СO2 (1 ppm – 1 микролитр углекислого газа на 1 л воздуха). Причем при усиленном ассимиляционном освещении, которое подается в теплицы, поглощение растением СО2 значительно увеличивается. За счет обогащения атмосферы теплицы углекислым газом рост высаженных культур, а следовательно и урожайность можно повысить натуральным и экономичным способом почти на 40%.

Исследования в области экономической состоятельности применения когенерации для отопления теплиц и углекислого газа для подкормки растений доказывают высокую эффективность рассматриваемых процессов.

Можно провести приблизительные расчёты стоимости сопутствующего оборудования для современных теплиц:

• Во-первых, экономия средств на электроэнергию при использовании мини-ТЭЦ составляет от 0,8 до 1 рубля за каждый выработанный установкой кВт.ч.
• За один год (8000 часов работы) мини-ТЭС мощностью 1 МВт при среднегодовой нагрузке в 75% вырабатывает: 0,75×8000=6000 МВт.ч.
• Экономия при работе такой установки составит примерно 5 млн рублей в год.

Во-вторых, совершенно очевидна экономия в использовании углекислого газа, как одного из наиболее важных удобрений, способствующих интенсивному росту растений. За один час мини-ТЭС мощностью 1 МВт при среднегодовой нагрузке 75% вырабатывает 372 м3 углекислого газа нормального давления, с содержанием СО2 на уровне 700 ppm. Экономия при получении углекислого газа таким способом составит примерно 0,24 рубля на 1 м3 углекислоты. Таким образом, дополнительная экономия от использования системы утилизации выхлопных газов будет порядка 900 тыс. рублей в год при достаточно невысокой стоимости дополнительного оборудования – около 200 тыс. рублей на 1 МВт установленной электрической мощности.

С учётом всех преимуществ когенерации урожайность отдельно взятой теплицы возрастает примерно на 40%. Таким образом, если при определённой урожайности 1 м2 теплицы приносит доход 5000 рублей в год, то при использовании когенерации с системой утилизации выхлопных газов эта сумма увеличится до 7000 рублей.

Одной из корпораций, занимающейся реализацией подобных проектов, является компания Siemens Gas Engines. Уже более 30 лет она разрабатывает и продаёт когенерационные системы. Примером реализации принципа когенерации в тепличном хозяйстве является система, созданная компанией Guascor для испанской фирмы ENDANEA. Она состоит из двух модулей Siemens SGE-36FL электрической мощностью 530 кВт и обеспечивает потребности тепличного хозяйства в электроэнергии и горячей воде для нужд теплофикации.

Таким образом, преимущества использования технологии когенерации в теплицах действительно очевидны. Среди них, прежде всего, нужно отметить следующие:

• увеличение урожайности каждой отдельно взятой теплицы;
• бесперебойное снабжение углекислым газом и теплом;
• максимальная безопасность эксплуатации;
• дополнительные выгоды за счёт сэкономленных средств на подкормку растений.

В.С. Беляков, Д.Г. Сазонов
Журнал «Турбины и Дизели»

Источник статьи: http://esist.ru/work/mini-tec/greenhouse/

Энергетика тепличного хозяйства

Текст: А. Куприянов, инженер, менеджер по коммерческим вопросам компании Haifa-Chemicals Ltd. на территории РФ

Из-за высокой цены на энергоносители доля затрат на этот ресурс в производстве тепличной продукции составляет в среднем 50–60 процентов, что вынуждает предпринимателей размещать комплексы в южных регионах России. Однако является ли это решение единственным выходом из ситуации?

В октябре 2015 года Президент РФ Владимир Путин поручил Правительству России разработать механизмы снижения стоимости электроэнергии для аграриев, выращивающих овощи в защищенном грунте. Это говорит о желании государства улучшить ситуацию в тепличном секторе страны и частично решить одну из главных проблем этого направления АПК. Пока сельхозпроизводители старались регулировать ее самостоятельно — искали способы экономии посредством строительства крупных тепличных проектов в Краснодарском и Ставропольском краях, Ростовской области и других южных регионах страны, где за счет высокой среднегодовой температуры и большого количества солнечных дней можно немного экономить на энергетических расходах.

БОЛЬНОЕ МЕСТО

Основным сдерживающим фактором развития тепличных хозяйств служит безудержный рост тарифов на тепловую и электрическую энергию, коммунальные платежи. За пять последних лет стоимость газа выросла почти на 300 процентов, а для того чтобы подвести к тепличному комплексу электричество, приходится платить большие денежные суммы. Закупками по оптовым ценам обеспечиваются лишь около 50 процентов необходимого объема газа и примерно 30 процентов электроэнергии. Недостающее количество приобретается по коммерческой стоимости, между тем как тарифы на газ и электричество повышаются каждый год, перекрывая инфляцию в несколько раз.

Поставщики оказывают значительное влияние на цены, качество и условия поставки, в то время как тепловые ресурсы — важнейшая составляющая в производстве тепличной продукции. Сегодня структура затрат на выращивание овощей неоднородна: на удобрения приходится 5–8 процентов от общего объема, на семенной и посадочный материал — 4–6 процентов, оплату труда — 20–25 процентов, электроэнергию — 14–18 процентов, тепловую энергию и газ — 35–40 процентов, прочие затраты расходуют 10–15 процентов. Очевидно, что суммарные издержки тепличных хозяйств на электричество и тепло составляют в среднем не менее 50 процентов всех расходов. В некоторых теплицах доля затрат на электро- и тепловую энергию может доходить до двух третей от общего объема расходов. Все это предопределяет необходимость поиска альтернативных и более дешевых источников энергии для данных целей.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ УГРОЗА

В сложившихся условиях есть один действенный выход: необходимо широко использовать сберегающие технологии при строительстве тепличных комплексов и выращивании овощной продукции, а также применять внутренние ресурсы энергетических станций, создавая тепличные хозяйства на базе АЭС и ТЭС. На подобных предприятиях в результате технологического цикла образуется избыточная тепловая энергия. Она зачастую не используется и при этом служит причиной загрязнения прилегающих к станциям ареалов и нарушения биологического разнообразия в них. Вследствие повышения температуры в водоеме и вызванного этим изменением их естественного гидротермического режима ускоряются процессы цветения воды из-за развития сине-зеленых водорослей; уменьшается растворимость газов в воде, что особенно опасно для гидробионтов — рыб. Также меняются физические свойства жидкости и активизируются все химические и биологические механизмы в ней. В зоне подогрева снижается прозрачность воды, растет уровень рН, убыстряется разложение легко окисляющихся веществ. Скорость фотосинтеза в таком водоеме заметно понижается. Восприимчивость живых организмов к токсичным веществам с возрастанием температуры воды обычно увеличивается.

На атомных электростанциях наряду с выработкой электроэнергии выделяется огромное количество тепла: до 4 кВт ч тепловой энергии на 1 кВт ч электрической. Например, Волгодонская АЭС для охлаждения только одного ядерного реактора использует более 120 тыс. куб. м воды в час, после чего с температурой около 30°С ее направляют в водоем-охладитель. При этом ухудшается экологическая обстановка на обширной территории. С целью снижения теплового загрязнения окружающей природной среды на некоторых АЭС строят гигантские градирни, более 100 м в высоту и стоимостью около миллиарда рублей. Подсчитано, что станция, вырабатывающая в год 3000 МВт электроэнергии, одновременно производит и побочное тепло, для рассеивания которого требуется водоем площадью не менее 1800 га и глубиной 9–10 м. Вода, поглощающая эту избыточную тепловую энергию, поступает в пруд-охладитель. Еще теплая — температура может достигать 35–50°С — она сбрасывается в близлежащие реки или другие водоемы. Это ведет к нарушению естественного теплового баланса, изменяет биоритмы водных обитателей, повышает их восприимчивость к токсинам и радионуклидам, способствует развитию сине-зеленых водорослей. При повышении температуры воды всего на 1°С биологическое потребление кислорода возрастает на 15–20 процентов.

БЛИЗКОЕ РЕШЕНИЕ

Как пример пагубного влияния вторичного тепла АЭС на окружающую среду можно привести гибель в 1988 году озер Посьво и Удомля, куда отводились воды из пруда-охладителя Тверской АЭС. Зимой вода имела температуру 46°С, летом — 25–34°С. Вследствие этого произошло то, о чем предупреждали ученые: бурное развитие бактерий, водорослей, гибель рыбы, а за ней и других гидробионтов.

Аналогичные расчеты для ТЭС показывают, что для электростанции мощностью 1000 МВт требуется водоем площадью 810 га и глубиной около 9 м. Подобные производства в среднем повышают температуру воды по сравнению с окружающей средой на 5–15°С. Если этот показатель в водохранилище составляет 16°С, то вода, отработанная на ТЭС, будет нагрета до 22–28°С, а в летний период — до 30–36°С. Таким количеством энергии можно обогреть значительные площади тепличных хозяйств, которые помимо этого выполнят функцию искусственного радиатора-охладителя — при сбросе в водоем температура воды снизится. Использование данного избыточного тепла на обогрев тепличного хозяйства или даже ряда крупных комплексов, находящихся на соответствующих расстояниях от энерговырабатывающих предприятий, позволит не только значительно уменьшить статью расходов на обогрев, но и существенно снизить негативные последствия загрязнения прилегающих ареалов.

Тепличные хозяйства также сталкиваются со значительными эксплуатационными расходами на освещение в ночное время, в котором остро нуждаются растения. Между тем тепловые и атомные электростанции постоянно имеют дело с проблемой невостребованности «ночной» энергии, которую можно частично реализовывать в рамках близлежащих крупных тепличных комплексов. При этом главное преимущество электростанций — низкая стоимость вырабатываемой энергии. Согласно расчетам, АЭС или крупная ТЭС — угольная либо газовая — за счет использования своих энергетических ресурсов могла бы относительно легко обеспечить потребности в тепле крупного — до 100 га — тепличного хозяйства. Практика показывает, что сотрудничество теплиц и энерговырабатывающих предприятий, прежде всего тепловых электростанций, вполне реально. По данным Минсельхоза, уже около 30 процентов комплексов используют тепло, получаемое от ТЭС и других энерговырабатывающих предприятий.

ВЗАИМНАЯ ВЫГОДА

Избыточное тепло может поставляться и другими энерговырабатывающими предприятиями. Например, в хозяйствах одного московского агропромышленного комбината, получающих тепло от местного нефтеперерабатывающего завода, годовые затраты на обогрев теплиц в 2–2,5 раза ниже, чем в комплексах, теплоснабжение которых ведется от собственных котельных. При утилизации тепловых отходов промышленности расход топлива сокращается в шесть раз. Однако не всегда сотрудничество с ТЭС оказывается выгодным. Многое зависит от расстояния между теплицей и ТЭС, а также состояния трубопровода. Например, тепличный комбинат в Саратовской области столкнулся со следующей проблемой: протяженность трубопровода до городской ТЭЦ составляет 11 км, и его состояние оставляет желать лучшего. Поэтому предприятие пришло к решению о строительстве собственной котельной.

Исходя из практики работы хозяйств с ТЭС, можно констатировать, что затраты на тепло в данном случае уменьшаются в два раза. Себестоимость продукции теплицы сокращается в среднем на 18–20 процентов, что существенно при довольно низкой рентабельности тепличного производства. Данный эффект может значительно усилиться, если крупные тепловые электростанции диверсифицируются. Такое возможно при высокой ликвидности выпускаемой ими продукции. Впоследствии АЭС или ТЭС, претерпевшая частичную диверсификацию, может поставлять на рынок новую для себя, но постоянно востребованную потребителями продукцию, например строительство и обеспечение функционирования хранилища-холодильника, который должно иметь каждое крупное тепличное предприятие. При этом использование внутренних ресурсов сделает электростанцию высококонкурентной, также выиграет и население, покупая относительно дешевые и качественные овощи и фрукты, получит пользу государство за счет снижения затрат на импорт.

Источник статьи: http://agbz.ru/articles/energetika-teplichnogo-hozyaystva/