Энергия биомассы

1. Энергия биомассы

Биомасса — термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы) и вторичную (отходы переработки первичной биомассы, продукты жизнедеятельности человека и животных).

До XIX века в России биомасса была основным источником энергии. В странах экваториального пояса такое положение сохраняется и поныне. Ее доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов — 12%, в России — 3%. В России только 2 млн. сельских домов имеют сетевой газ, остальные 12,6 млн. используют для отопления дрова и уголь.

В биомассе растений, создаваемой в процессе фотосинтеза, солнечная энергия запасается в химическом, т.е. в законсервированном виде. Для получения биотоплива могут служить также любые органические отходы: навоз, отходы деревообработки и пищевых производств. Биомасса с помощью различных процессов может перерабатываться как в жидкое топливо (метанол, диз-топливо), так и в газообразное.

Существуют породы быстрорастущих деревьев и трав, которые уже сейчас выращиваются для нужд энергетики. В Белоруссии проводились исследования по возможности выращивания быстрорастущей ивы. Оказалось, что потенциальный урожай сухой массы составляет 5,1 т/га на песчаных почвах и 10,5 на торфяных (для сравнения в Бельгии соответственно 7,5 и 11,7 т/га). Использование древесного топлива целесообразно при цене на месте доставки не более 60 долл. за кубометр. В последнее время появились сообщения о том, что выращивать траву для энергетических нужд выгоднее, чем деревья.

В начале цепочки образования любой биомассы всегда находятся растения как первичные производители биопродукции. Если сжигание нефти, угля и природного газа выпускает в атмосферу углекислый газ, который был давно «похоронен» в горных породах и исключен из атмосферы, то сжигание топлива из биомассы высвобождает лишь то количество углекислого газа, которое растения поглотили из атмосферы в процессе роста. Таким образом, суммарное количество двуокиси углерода, относящейся к парниковым газам, в атмосфере не увеличивается и тем самым не вносится вклад в глобальное потепление.

В экодоме энергия биомассы выделяется в виде вырабатываемого биотуалетом тепла. В сельской местности при наличии достаточного количества биомассы экодом может полностью перейти на энергоснабжение с использованием биотоплива.

Биомасса может сжигаться непосредственно, или после разделения, например рапсовое масло добавляется к дизельному топливу. Твердые виды биомассы обычно подвергают термохимической конверсии (пиролиз, газификация, сжижение). Биотехнологической конверсии подвергают биомассу с большим содержанием влаги — отходы животноводства, иловые осадки очистных сооружений с получением как жидкого, так и газообразного топлива.

Может возникнуть вопрос, зачем, например, перерабатывать в топливо древесные отходы, когда они и так являются топливом? Ответ состоит в том, мы получаем жидкое или газообразное топливо, которое:

•     горит более чисто, с меньшим выделением вредных веществ;
•     позволяет легче осуществить автоматизацию процессов горения;
•     можно использовать в двигателях или электрохимических генераторах с получением не только тепла, но и электроэнергии.

Травоядные животные довольно плохо усваивают энергию растительных кормов, более половины ее уходит в навоз, позволяя рассматривать его не только как ценное сырье для органических удобрений, но и как обильный источник возобновляемой энергии. Один кубометр биогаза имеет среднюю теплотворную способность 6 кВт-ч/м3 , что составляет 60% от соответствующей способности природного газа. В пересчете на одну корову это составит 10 кВт-ч/сут, на свинью — 2 кВт-ч/сут. В хорошо спроектированном энергоэффективном доме две-три коровы с избытком покроют все энергопотребности домохозяйства. Дополнительно от одной коровы получается 12—14 тонн ценных органических удобрений в год.

Существуют как крупные энергетические установки на биомассе, способные обеспечивать энергией целые поселки, так и мелкие, для отдельного дома или небольшой фермы. На обслуживание одной крестьянской семьи рассчитана биогазовая установка ИБГУ-1. В нее загружается 200 кг органических отходов с влажностью 85% ежедневно. Производит она 10—12 м /сут. биогаза, с энергосодержанием 70 кВт-час. Годовой выход экологически чистых органических удобрений 72 тонны. Окупаемость установки менее полугода. Недостатком ее является необходимость затрат электроэнергии на ее функционирование, отсутствие в ее составе электрогенератора. Существуют аналогичные установки на 25 и более голов скота имеющие в своем составе электрогенераторы.

Во Всероссийском НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разработана газогенераторная электростанция на растительных отходах, производящая в час 3,5 кВт-ч электричества и 16 кВт-ч тепла при потреблении 14 кг дров или опилок. Там же разработаны и биогазовые установки различной мощности, наименьшая из которых рассчитана на 3 коровы.

Биогазовые установки используются довольно широко. Из опыта известно, что 20—25 коров дают навоза достаточно для энергоснабжения обыкновенного фермерского хозяйства. Если построить фермерскую усадьбу по энергоэффективным технологиям, можно будет обходиться и меньшим числом коров.

В Китае работают более 7 миллионов домашних биогазовых установок малой производительности. В России продано аналогичных установок заводского изготовления меньше сотни. Специалистами составлена карта обеспеченности России одним из важнейших видов биотоплива — древесиной.

2. Тепловые насосы

Как это ни странно может показаться на первый взгляд, возможно отапливать дом, отбирая тепло от холодного воздуха, воды или льда. Все вещество вокруг нас нагрето солнцем до температуры в три сотни градусов по абсолютной шкале. В нем содержится много тепловой энергии, но при немного более низкой температуре, чем та, которая нужна нам для отопления и горячего водоснабжения. Технически ее можно повысить, подобно тому, как трансформаторы повышают напряжение тока.

Зададимся вопросом: где больше тепла, в стакане кипятка или в глыбе льда? Конечно, руки о глыбу льда не погреешь, но тепла в ней, точнее, тепловой энергии все же больше. Тепло это — механическая энергия движения молекул, у отдельной молекулы во льду она меньше, чем в кипятке, но суммарная энергия по всем молекулам больше. Коль скоро в глыбе льда или в любом другом холодном теле есть энергия, можно поставить вопрос: нельзя ли ее каким то образом извлечь? Оказывается, можно и такие устройства есть почти в каждом доме.

Тепло самопроизвольно перетекает от горячих тел к холодным, но не наоборот, однако с помощью дополнительной затраты энергии, например электрической или механической, можно его заставить течь от холодных тел к горячим, подобно тому, как насос заставляет течь воду вверх. По аналогии такие устройства назвали тепловыми насосами. Иначе говоря, чтобы перекачивать энергию против направления ее естественного течения (от горячих тел к холодным), требуется затрачивать какую-либо другую энергию, например электрическую. Это подобно тому, как человек ходит в лес за дровами для печки. Чтобы добыть топливо, он сам затрачивает энергию, но это оправданно, поскольку получаемая в виде дров запасенная от солнца энергия больше затраченной на ее доставку. Аналогично и в тепловом насосе, на его привод затрачивается энергии в 3 — 5 раз меньше, чем он дает в виде тепла (также, кстати, имеющего первоисточником солнце). То есть на один киловатт затраченной энергии получается 3—5 киловатт на выходе насоса. Имеющему тепловой насос не нужно ходить в лес за дровами, он получает тепловую энергию, запасенную от Солнца в грунте, водоеме или воздухе.

Казалось бы, тепловой насос — это техническая диковинка, которую редко увидишь. На самом же деле обычный бытовой холодильник работает и как тепловой насос. Холодильник — это всегда «гермафродит». Он не может охлаждать в одном месте, не нагревая в другом. Потрогайте его морозилку — холодильник, потрогайте заднюю панель — нагреватель. То, что мы называем холодильником, не только охлаждает, но и нагревает. Это устройство разводит температуру «по разные стороны баррикад», т. е. грубо говоря делает, например, из нуля градусов -20 и +20.

Если мы хотим от этого устройства побольше тепла, то надо морозилку увеличить в размерах и вынести на улицу, с тем чтобы увеличить охлаждаемый объем. Причем для работы теплового насоса лучше охлаждать то, что «погорячее». А что зимой погорячее? Наши же вентиляционные выбросы и стоки (+16—18°С), грунт уже на глубине нескольких метров (+5—8°С), вода в реке или озере (+4—10°С) и т.д. В эти среды и помещают бывшую морозилку, теперь именуемую испарительным теплообменником или сборником низкопотенциального тепла.

Тепловому насосу для работы нужен подвод внешней энергии, чаще всего электрической. Однако, на выходе он дает энергии в несколько раз больше, чем было затрачено (хотя это разные виды энергии, их можно мерить в одних единицах), чем и определяется целесообразность его применения.

Еще лучше, если нам нужны одновременно и холод и тепло; в этом случае коэффициент трансформации (отношение полученной энергии к затраченной) будет еще выше, до 6—8. Еще одно преимущество теплового насоса в том, что он может быть реверсивным: зимой греть, летом охлаждать. Из-за этих полезных свойств тепловые насосы находят все более широкое применение во всем мире для отопления и горячего водоснабжения.

Таким образом, тепловой насос извлекает тепло из воздуха, грунтовых вод и земли и вводит его в отопительное кровообращение дома. В отличие от солнечных коллекторов тепловые насосы не превращают непосредственное солнечное излучение в полезное тепло, напротив, они черпают его там, где долгое время накапливалось солнечное тепло — в глубинных слоях Земли, в грунтовых водах и в окружающем воздухе.

Подобно тому как работа водяного насоса облегчается при уменьшении высоты подъема воды, эффективность теплового насоса поднимается при уменьшении температурного перепада на входе и выходе. Чтобы получить от теплонасоса тепловую энергию, надо затратить какую-то другую энергию на его привод. Закономерен вопрос, стоит ли овчинка выделки. Не всегда, но часто оказывается, что стоит, потому что получаемой энергии оказывается обычно в несколько раз больше, чем затраченной. Отношение получаемой энергии к затраченной называется для теплового насоса коэффициентом трансформации. Для реально эксплуатирующихся современных теплонасосов он составляет от 3 до 5 и более. Этот коэффициент тем выше, чем меньше разница температуры между холодным и «горячим» телами, между которыми прокачивается тепло. Поэтому из возможных тел — источников «холодной» тепловой энергии выбирают те, которые «потеплее».

На входе любого теплонасоса расположен низкотемпературный теплообменник для отбора тепла от холодной среды, на выходе — высокотемпературный для отдачи тепловой энергии при повышенной температуре. В случае, если возможно организовать через входной теплообменник поток вещества, его можно сделать меньше по размерам, что дешевле. Кроме того, выгодно выбирать массив вещества для теплоотбора с максимально высокой температурой. Этим условиям как раз удовлетворяет удаляемый из помещения вентиляционный воздух. Поэтому целесообразно делать канализованное удаление воздуха (через специальное отверстие с вентилятором) и ставить в его поток теплонасос или хотя бы теплообменник.

Кажущийся КПД теплонасоса составляет 300—500%. Это, на первый взгляд, напоминает вечный двигатель. Однако никакого нарушения физических законов здесь не происходит, поскольку энергия не возникает из ничего, а берется из окружающей среды, которая даже зимой нагрета до высокой температуры по сравнению с абсолютным нулем — до 253 градусов по Кельвину (при -20°С). Поверхность Земли нагревается в основном от солнца, следовательно тепловые насосы относятся к возобновляемым источникам энергии.

Вопрос о выгодности или невыгодности применения теплонасосов одним только коэффициентом трансформации не исчерпывается. В энергетике существует такое понятие, как качество энергии. Чем легче конкретный вид энергии передавать, хранить и преобразовывать в другие, тем выше его качество. В этом ряду наилучшей считается электрическая энергия, наименее ценной — тепловая. Для привода теплонасосов чаще всего используется электроэнергия, получаем же мы тепловую, т.е. низкокачественную из высококачественной. Поэтому чтобы такое преобразование было оправданным, коэффициент трансформации должен быть достаточно высоким. Сказанное можно проиллюстрировать следующим примером. Пусть мы используем тепловой насос с коэффициентом трансформации 3.

Сетевая электроэнергия для него получается на ТЭЦ с КПД приблизительно 35%, остальное теряется. Тогда нет особенного смысла в тепловом насосе, проще привезти топливо в дом и сжечь его с тепловым КПД 80-90%. Выигрыш от теплонасоса в этом случае минимален, а сам он дороже и сложнее, в том числе в эксплуатации, чем котел или печь. Однако ситуация изменится, если мы предположим, что тепловая энергия на ТЭЦ не теряется, а полезно используется, например, для отопления зданий. Для системной характеристики работы теплонасоса применяется топливный показатель эффективности, равный отношению полученной тепловой энергии к энергосодержанию топлива, затраченного на электростанции для привода насоса. При величине этого показателя порядка единицы и выше, применение теплонасосов может быть оправданным. Таким образом, вопрос о принципиальной рациональности применения теплонасосов оказывается зависимым от построения конкретного энергетического цикла.

Во всяком случае, теплонасосы безусловно в несколько раз выгоднее, с точки зрения эффективного использования энергии, чем широко распространенные прямые электрические обогреватели. При прямом нагреве мы получаем из одной единицы электроэнергии одну тепла, с помощью теплонасоса — три—пять. Поэтому прямой электронагрев с позиций энергоэффективности — чрезвычайно энергорасточительная, отсталая технология.

На входе и выходе теплонасоса могут находиться вещества в разном агрегатном состоянии: твердом, жидком, газообразном. Соответственно и теплонасосы классифицируют по этому признаку на воздухо-воздушные, воздухо-водяные, грунто-жидкостные и т. д.

При конструировании теплового двигателя стараются получить максимум механической энергии при минимуме затрат теплоты (топлива), иными словами, достичь наибольшего КПД. Теплонасос — та же тепловая машина; что и двигатель и подчиняется тем же физическим законам. Только при конструировании теплонасоса цели будут обратными — получение максимума теплоты при минимуме затрат энергии на привод насоса. Максимальный теоретически возможный КПД теплового двигателя, как известно из школьного курса физики, равен (Т1-Т2)/Т1, где (Т1-Т2) — разность между максимальной и минимальной температурами рабочего тела (при расчетах температуру необходимо брать по шкале Кельвина: Т О К = Т°С + 273). Соответственно максимальный теоретически возможный коэффициент преобразования (КП) теплонасоса будет Т1/(Т1-Т2), откуда следует, что его эффективность тем выше, чем меньше разность температур Т1-Т2 на которой работает теплонасос.

Верхний предел температуры Т1 задается получателем теплоты, если это, например, напольная система отопления, то это 35—40°С. Тело или среду-донора тепловой энергии следует выбирать, из соображений эффективности, «погорячее» — например удаляемый вентиляционный воздух (Т2=180°С) или грунт (на глубине > 3 м 6—8°С), воду в близком водоеме (зимой не ниже 40°С). При этом теоретические КП будут равны соответственно 25, 13, 12. Реально достижимый КП будет ниже, у современных тепловых насосов он невысок, составляет обычно 3-5, но имеет тенденцию к повышению.

Бытовые отопительные теплонасосы устанавливают обычно снаружи дома, подобно газовым баллонам, или в подвале. Низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя 30—50°С обеспечивают достаточно высокие коэффициенты преобразования теплонасосов 3,5—5,0.

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе тепловых насосов позволяет избежать многих технологических экономических и экологических недостатков систем централизованного теплоснабжения.

С технической точки зрения, за редким исключением, вокруг любого жилища достаточно ресурсов природной теплоты для экономически оправданного использования тепловых насосов. Поэтому в экономически развитых странах тепловые насосы для отопления внедряются сейчас ускоренными темпами и в массовом порядке. Число их, уже установленных в жилом секторе, измеряется десятками миллионов и продолжает быстро расти. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 г. 75 % коммунального и производственного теплоснабжения в экономически развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

В США 30% вновь строящихся малоэтажных домов оснащаются теплонасосными установками. Разработаны эффективные технологии и технические средства для отбора теплоты грунта

Действует эффективная система штрафов за выброс С02 при сжигании топлива и поощрений за использование тепловых насосов.

В Швеции около половины тепла уже вырабатывается тепло-насосными установками. В Германии выплачиваются наиболее крупные дотации за использование теплонасосов, за один кВт введенной тепловой мощности из бюджета выплачивается 300 марок. Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения тепловых насосов.

Применение тепловых насосов в России более актуально, чем где бы то ни было еще, из-за беспрецедентной суровости ее климата. Однако число установленных в отопительных системах теплонасосов измеряется лишь сотнями.

Как всякая тепловая машина, тепловой насос обратим, т.е. при наличии двух масс вещества с разной температурой за счет теп-лопотока между ними с помощью теплового насоса, работающего наоборот, можно получать электрическую энергию. Таким образом, в некоторых случаях теплонасос может служить возобновляемым источником электронергии. Тепловые насосы летом можно использовать для охлаждения помещений, а высвобождающееся тепло может закачиваться в сезонные аккумуляторы.

3. Вихревые теплогенераторы

В последнее время для отопления зданий успешно применяются так называемые вихревые теплогенераторы. Устроены они достаточно просто — состоят из электромотора, вращающего центробежный водяной насос специальной формы. Вода в нем закручивается, завихряется и на выходе из устройства нагревается. Самое замечательное, что на выходе теплоты получается значительно больше, чем было затрачено электроэнергии на привод устройства. А это формально является нарушением закона сохранения энергии. Авторов устройства пытались обвинить в пропаганде лженауки и в подтасовках. Но многочисленные тщательные проверки подтвердили факт того, что КПД устройства может быть выше 100%, а в отдельных случаях он может достигать 300%. Такие показатели позволяют рекомендовать эти генераторы для отопления и горячего водоснабжения с применением электроэнергии.

Логично предположить, что в этом случае мы имеем дело с новым физическим феноменом, природу которого наука пока не выяснила. Можно привести по этому поводу высказывание одного ученого XIX века, о том, что незнание законов пищеварения не является для него поводом для отказа от принятия пищи. Исследования биологов не выявили явного вреда для живых организмов от работы вихревых теплогенераторов. Следует только из осторожности располагать ось вращения генератора таким образом, чтобы она не пересекала жилые помещения. Впрочем, это справедливо и для любых других вращающихся устройств.

Относительным недостатком вихревых теплогенераторов является то, что их КПД непредсказуем, он может оказаться для конкретного устройства в конкретном месте как высоким, так и не очень. Подбор параметров для достижения высокого КПД остается пока искусством, которым владеют лишь немногие разработчики.

4. МикроГЭС

На заре периода широкого строительства гидроэлектростанций (ГЭС) они пропагандировались не только как дешевые, но и как экологически безупречные источники энергии. Практика их эксплуатации показала, что, напротив, они причиняют значительный экологический ущерб. Этот пример учит тому, что к любым новым сообщениям об открытии обильных источников безвредной энергии, которые, кстати, появляются регулярно, следует относиться с большим скептицизмом. В каждом случае надо тщательно анализировать возможные отрицательные последствия. До сих пор не найдено источников энергии, использование которых не сопровождалось бы теми или иными нежелательными эффектами. По-видимому, это закон природы и так будет и в дальнейшем. Пропагандируемые, солнечные и прочие ВИЭ также небезупречны, но преимущество их в том, что они наносят намного меньший ущерб природе, чем топливные или атомные электростанции. Еще один вывод, который отсюда следует, состоит в том, что экономить энергию или повышать энергоэффективность экономики и потребительской сферы актуально будет всегда.

В отличие от средних и больших малые ГЭС могут быть экологически почти безвредными. В особенности это относится к современным станциям, а которых устранены многие недостатки, присущие старым конструкциям. В последнее время на рынке появились и микроГЭС, которые для начала работы иногда просто достаточно погрузить в реку. Отечественные гидрогенераторы Для малых и микроГЭС весьма совершенны и пользуются спросом за рубежом. Малые и микроГЭС, там где есть возможность их установки, являются удобными энергоисточниками для экодо-мов и экопоселков.

5. Прочие типы ВИЭ

Выше рассматривались самые распространенные, широко доступные источники возобновляемой энергии. Это не означает, что для энергоснабжения экодома нельзя использовать и другие, более специфические ВИЭ, такие как геотермальные, приливные, волновые, осмотические и т.д., если для этого есть возможности.

Площадь, требующаяся для производства единицы энергии с помощью различных энергоисточников (с учетом вспомогательных площадей: шахт, рудников, водохранилищ), приведена в таблице ниже.

Обзор программ по развитию ВИЭ в мире

Практический успех первой программы «1000 солнечных крыш»в Германии как в отношении выбранных технических решений, так и в части экономических и правовых механизмов реализации, способствовал появлению программ «70 000 солнечных крыш» в Японии, «100 000 солнечных крыш» в Германии, «Миллион фотоэлектрических установок» в Европейском союзе.

Практическая реализация солнечных энергетических технологий в США началась с середины 70-х годов и активно развивалась в последующие годы. В 1997 году в США была принята программа «Миллион солнечных крыш», предусматривающая установку солнечных энергосистем, фотоэлектрических и тепловых, на крышах одного миллиона муниципальных и частных домов к 2010 году.

Вслед за экономически развитыми странами программы развития и поддержки ВИЭ приняли и многие развивающиеся страны, в частности Индия, Китай, Монголия. В Монголии принята программа «100 000 солнечных домов (юрт)», в которой приоритет отдается фотоэлектрическим установкам. Под патронажем ЮНЕСКО действует Всемирная программа по солнечной энергетике на 1996—2005 гг.

В распространенный набор методов стимулирования развития ВИЭ, широко применяемых в мире, входят: создание специальных программ и демонстрационных проектов, освобождение от налогов или их снижение, субсидирование инвестиций, льготные ссуды на инвестиции, ускоренная амортизация, государственное финансирование научных разработок, законы, обязывающие энергокомпании покупать энергию ВИЭ по повышенным фиксированным ценам, установление экологических налогов на ископаемое топливо, мораторий на строительство атомных электростанций и т.д.

Правительством России в целях соблюдения международных приличий принята программа развития ВИЭ, но она весьма слаба. В ней, в частности, не предусмотрено каких либо действенных мер по стимулированию производителей и потребителей возобновляемых ВИЭ.

Экономичность ВИЭ для экодома

В настоящее время стоимость электроэнергии, вырабатываемой на тепловых станциях, использующих ископаемое топливо, составляет около 7 центов за киловатт-час. Данные о цене солнечной электроэнергии, приводимые различными авторами в настоящее время, характеризуются значительным разбросом. По одним данным, они лишь незначительно превышают цены ТЭС, по другим — превышают их в несколько раз. Лучше обстоят дела с экономичностью ветроисточников, вырабатываемая ими энергия по стоимости приближается к «тепловой» или даже, по отдельным сообщениям, спускается ниже. Так, за восьмидесятые годы цена ветроэлектроэнергии, вырабатываемой в США, уменьшилась в десять раз и составила 7 центов. Это было достигнуто на морально устаревших установках. В США прогнозируется в связи с внедрением новых ветроустановок снижение стоимости их энергии до 3,5 цента за киловатт-час.

Следует отметить, что в стоимость энергии, получаемой на традиционных источниках, не включается стоимость наносимого при ее производстве экологического ущерба, поэтому прямое стоимостное сопоставление с энергией возобновимых источников некорректно. С учетом же экологической компоненты стоимости солнечная и ветровая энергия экономически выгоднее традиционной уже сейчас, и в будущем этот разрыв будет только увеличиваться.

Поскольку производство установок для выработки возобновляемой энергии требует использования определенных ресурсов и в том числе энергетических, вполне законным является вопрос, будет ли использование в доме ВИЭ с учетом всего их цикла жизни ресурсно и экологически эффективнее традиционных энергоисточников? Исследования, проведенные по этому вопросу, позволяют дать положительный ответ и утверждать, что преимущество ВИЭ перед традиционными энергоисточниками будет возрастать.

Экономия в доме тепловой энергии и воды требует хотя и небольшого, но обязательного дополнительного расходования электроэнергии. По этой причине достигнуть существенного снижения расхода электроэнергии (при сохранении обычного образа жизни) в энергоэффективном доме сложно. В реально эксплуатируемых теплонулевых домах потребление электроэнергии не удалось пока снизить более чем на 25%.

6. Системы аккумулирования энергии

Как уже было отмечено, энергия от возобновляемых источников поступает нерегулярно и не всегда непредсказуемо, более того, от солнечных коллекторов она поступает, как правило, в противофазе к графику потребности в ней. Действительно, энергии больше требуется в течение года зимой и в течение суток в темное время, когда солнечные установки не действуют. В связи с этим возникает задача аккумулирования энергии, последующего преобразования ее и выдачи в нужное время в нужной форме и количестве потребляющим устройствам. Эта задача остается пока технически более сложной, чем просто получение энергии, и не имеет еще достаточно экономичных решений. Задача заключается в создании эффективных и недорогих сезонных (месяцы), среднесрочных (недели), и маневренных (дни, часы) аккумуляторов. Наибольшую важность и трудность представляет создание сезонных аккумуляторов, от которых требуется сохранение большого количества энергии в течение нескольких месяцев для обеспечения зимнего пика потребления.

Зимой в изобилии холод, летом — дешевое тепло. Если бы удалось создать экономичные и емкие сезонные аккумуляторы энергии, можно было бы обогреваться зимой летним теплом, а летом не гонять зря холодильники. Однако до сих пор достаточно эффективных и недорогих сезонных аккумуляторов энергии создать не удалось, и создание их представляет актуальную, но непростую проблему.

В 80-х годах в Северной Европе при координации международного энергетического агентства осуществлялось свыше тридцати проектов строительства и исследования сезонных аккумуляторов тепла для отопительных нужд.

Для работы с воздушными гелиоколлекторами наиболее рациональными считаются гравийно-галечные аккумуляторы. Они дешевы, просты в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора. Для дома площадью 60 м объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м3. Система солнечного теплоснабжения дома с гравийно-галечным аккумулятором может работать в четырех режимах: отопление и аккумулирование тепловой энергии; отопление от аккумулятора; аккумулирование тепловой энергии; отопление от коллектора.

Вода обладает наибольшей удельной теплоемкостью среди распространенных веществ, поэтому очень удобна как теплохранитель. Суточные и недельные теплоакку-муляторы для одного дома имеют объемы от единиц до нескольких десятков кубометров и широко распространены. Однако сезонные водяные теплонакопители должны иметь вместимость в сотни кубометров, требуют больших затрат на строительство, поэтому известны только как немногочисленные экспериментальные образцы.

Для сезонных теплоаккумуляторов критичны тепловые потери, которые пропорциональны их поверхности. С увеличением размеров объем растет кубически, а поверхность квадратично, и отношение объема к площади поверхности увеличивается, что делает большие установки более эффективными. Тем не менее, проведенные в ряде североевропейских стран испытания водяных сезонных коллективных теплоаккумуляторов выявили их чрезмерно большую стоимость и эксплуатационные затраты. Стоимость аккумулятора в Роттвайле (600 м3) 700 Dm/м3, В Гамбурге (4500 м3) — 400 Dm/м3, во Фридрихсхафене (12 500 м3) — 250 Dm/м3. В новых аккумуляторах, построенных по принципу U-образных зондов, стоимость ниже, в Неккарсульме (20 000 м3) она составляет 90—160 Dm/м3. Одно из недавних новшеств — аккумуляция тепла и холода в подземных водоносных пластах. Метод успешно реализуется в Нидерландах, где имеются водоносные слои на глубине более 15 метров с низкой скоростью течения воды в 10— 40 м/год и температурой 10—13°С. Летом в них по скважинам закачивается тепло, зимой — холод. Потери тепла за сезон не превышают 5—15%.

Продолжают разрабатываться аккумуляторы на других принципах, так перспективными для использования в домах являются теплоаккумуляторы на фазовых переходах, использующие скрытую теплоту плавления. Такое аккумулирование позволяют осуществить ряд веществ, таких как хлористый кальций, глауберова соль, парафин, фосфат натрия, углекислый натрий и другие, имеющие температуру плавления в диапазоне 30 — 90 градусов. По энергетической емкости в расчете на объем они превосходят водяные аккумуляторы на порядок. Однако эксплуатация таких аккумуляторов сопряжена с дополнительными сложностями, связанными с необходимостью очистки и периодической замены реагентов.

Более перспективным направлением представляется использование грунтовых аккумуляторов. При их устройстве непосредственно под домом они могут предотвратить теплопотери здания через стены и пол фундамента, кроме того, они могут его непосредственно обогревать. Допустимые характеристики грунтовых аккумуляторов определяются и лимитируются инженерно-геологическими условиями в месте строительства. Так, например, известно, что глину нельзя нагревать выше 25—40 градусов. Таким образом, грунтовые аккумуляторы должны быть низкотемпературными. Тепло из них можно извлекать по мере надобности как напрямую, так и с помощью тепловых насосов. При их конструировании необходимо выбирать решения, которые бы учитывали местные геологические и гидрологические условия и не нарушали бы их чрезмерно. Грунтовые теплоаккумуляторы можно отнести к классу не только сезонных, но и многолетних, так как в них можно накапливать энергию в течение многих лет. Зарядку их можно производить во время летних избытков солнечной энергии.

Для средне- и краткосрочной утилизации, хранения и выдачи тепловой энергии, наилучшими являются традиционные водяные аккумуляторы. Вода — вещество с уникальными свойствами, в том числе с аномально высокой теплоемкостью, что делает ее удобной и в качестве теплохранителя. С помощью теплообменников в теплоизолированный водяной аккумулятор легко добавлять лишнее тепло, образующееся при работе различных устройств, и таким же образом отбирать его по мере надобности. Возможно применение двухконтурных теплоаккумуляторов с водяным аккумулятором в качестве низшей ступени.

Однако тепловая энергия, тем более низкотемпературная, имеет ограниченный круг применения (терморегуляция помещений, горячее водоснабжение) и плохо преобразуется в другие виды, что делает необходимым запасать энергию и в других видах.

7. Водородный энергетический цикл

В доме целесообразно иметь небольшой короткопериодный электроаккумулятор для согласования колебаний прихода и расхода энергии с периодом до нескольких суток. Для этой цели часто используются обычные кислотные или щелочные аккумуляторы. Однако жизненный цикл (производство, эксплуатация, утилизация) их пока весьма неэкологичен, поскольку связан с попаданием в окружающую среду большого количества вредных веществ, в том числе таких высокотоксичных, как тяжелые металлы. Недостатками современных электроаккумуляторов являются и их низкий, порядка 50%, КПД и небольшой срок службы. Подчас в экодомах без них нельзя обойтись, но их использование стараются свести к минимуму. Поэтому проблема разработки экологичного электроаккумулятора для экодома весьма актуальна. Большие надежды в деле автономного энерго- и в особенности электрообеспечения жилья специалисты возлагают в настоящее время на водородную энергетику.

В природе широко распространен водородный энергетический цикл, который, в частности, используется растениями для фотосинтеза. Он перспективен и для экодома, поскольку водород как топливо удобен и для длительного хранения, и для получения из него электрической или высокопотенциальной тепловой энергии. Весьма ценным свойством водорода является то, что его можно получать из воды (электролизом), и после использования его в качестве топлива он опять превращается в воду, что позволяет избежать загрязнения окружающей среды.

Сейчас в стадии разработки находится ряд технологий по прямому получению водорода с помощью солнечной энергии с использованием различных фотохимических или фотоорганических элементов, подобно тому, как это происходит в растениях при фотосинтезе. Однако преимущества водорода в качестве энергоносителя в доме столь значительны, что даже существующая схема двухступенчатого получения водорода (электролиз воды энергией, полученной от фотоэлектрических модулей) оказывается привлекательной.

Большим преимуществом является то, что водород можно аккумулировать не только в сжатом и сжиженном виде, но и в химически связанном в металлопорошковых аккумуляторах. Принцип работы их основан на свойстве некоторых полиметаллических композиций поглощать в больших количествах водород. Один из видов акого аккумулятора представляет собой емкость из нержавеющей стали, заполненную сплавом титана, ванадия и железа. Сплав обладает свойством выделять при нагревании чистый водород, даже если он аккумулировался с примесью кислорода и влаги. Такое хранение водорода оказывается достаточно безопасным.

Технология создания металлгидридных аккумуляторов водорода развита к настоящему времени настолько, что ряд ведущих автомобильных компаний объявил о разработке предсерийных образцов водородных автомобилей. Поскольку весовые, габаритные, ценовые ограничения и критерии безопасности при размещении на автомобилях гораздо жестче, чем в домах или на участке рядом с ними, то ясно, что для применения в бытовых целях металлгидридных аккумуляторов в настоящее время нет препятствий. Расчеты показывают, что металлгидридный водородный аккумулятор объемом 2-3 м3 способен с лихвой обеспечить энергопотребности одноквартирного энергоэффективного дома в средней полосе России на отопительный сезон.

Недавно появились сообщения о создании химических аккумуляторов водорода с использованием тонких углеродных волокон. Удельная весовая емкость по водороду у них выше, чем у металлгидридных аккумуляторов, более чем на порядок. Если на их основе удастся создать приемлемую практически конструкцию, это будет большим успехом в решении проблемы создания сезонных аккумуляторов.

Источником электроэнергии для получения водорода, кроме солнечных батарей, могут быть ветровые установки. Первые ветровые электростанции с использованием водорода для аккумуляции энергии были построены в России еще в тридцатых годах. Если дом расположен в ветреном районе, что нередко бывает на морских побережьях, ветроагрегаты, работающие на выработку водорода, могут не только полностью удовлетворить все энергопотребности дома, но и обеспечить заправку переведенного на водородное топливо автомобиля.

8. Электрохимические генераторы

Реакция горения состоит в том, что электроны отрываются от атомов топлива и с большой энергией падают на атомы кислорода. Движение электронов — это электрический ток, при горении он протекает беспорядочно и его энергия уходит на нагрев реагирующих веществ, что и является причиной появления высокой емпературы и пламени. Но можно осуществить и так называемое холодное горение, когда поток электронов будет упорядоченно протекать от атомов вещества-топлива к кислороду по металлическим проводам. Энергию же протекающего по ним тока можно использовать обычным порядком, как и энергию любого тока. Такие устройства известны как топливные элементы (ТЭ) или электрохимические генераторы. ТЭ были созданы еще в 1839 году, сразу после открытия Фарадеем электролиза воды, которая после пропускания тока разлагалась на две составляющие — водород и кислород. В ТЭ идет обратный процесс: при подведении к одному из электродов топлива, а к другому кислорода, возникает электрический ток. По такому принципу работают батарейки. Разница в том, что окислитель заложен в батарейку на весь срок ее службы, а в ТЭ он (кислород) так же, как и топливо (водород), постоянно подводятся.

По оценке специалистов, уже в ближайшее время начнется вытеснение существующей энергетики батареями ТЭ, размещаемыми в непосредственной близости от потребителей. Не в последнюю очередь это диктуется желанием обезопасить себя от большого ущерба при террористических и военных нападениях.

Первое практическое применение «новый» химический источник тока нашел в космосе, несмотря на то, что был открыт более 150 лет назад. Топливный элемент обладает наивысшими удельными характеристиками и КПД от 40 до 70%. В нем нет перемещающихся деталей, он почти бесшумен и кроме электроэнергии вырабатывает тепло и воду.

Практическое использование топливных элементов началось в 60-х годах XX века с их применения на борту космических кораблей. Американская корпорация United Technology затратила на разработку ТЭ по проекту «Аполло» около 100 млн. долларов (мощность созданной бортовой установки — 2,5 кВт). В 1977 году та же корпорация изготовила и испытала установку мегаваттной мощности, а в начале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонстрации преимуществ «нового» способа получения электроэнергии. Мы являемся свидетелями первых шагов коммерческого использования ТЭ.

Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент «вмонтирован» в каждую живую клетку. Источником водорода в организме служит пища — жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном счете разлагается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю. Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые, излучающие свет). Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на благополучное энергетическое будущее.

Топливные элементы могут работать не только на водороде, но и на многих видах углерод-водородного топлива, в том числе и жидком, например на метаноле, вырабатываемом из растительной биомассы. В качестве окислителя может использоваться воздух.

Топливные элементы перспективно использовать для преобразования запасенного водорода в электрическую энергию. Электрический КПД топливных элементов может достигать 70%, остальная энергия выделяется в виде тепла, которое в доме может утилизироваться в том или ином теплоаккумуляторе. Сейчас на практике электрический КПД ЭХГ достигает 40—50%. Пока еще они сравнительно дороги (7500—10 000 долл. за установленный киловатт, к 2003 году ожидается — 4000), имеют невысокий рабочий ресурс, и другие эксплуатационные недостатки. Однако уже в ближайшие годы году ожидается начало их внедрения на рынок комбинированных энергогенераторов для зданий. По мнению западных аналитиков, ЭХГ в близком будущем займут место главных источников энергии для отдельных домов и поселков.