тел./факс: 8 (495) 730-37-20

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: 0,75x8000=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 испанская Guascor. 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 Guascor FGLD360/55 электрической мощностью 475 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 сложившихся условиях истощения энергетических ресурсов не только в нашей стране, но и во всём мире более рациональное использование любых источников энергии в том или ином виде является необходимым условием успешного развития экономики страны.

 

В.С. Беляков, Д.Г. Сазонов

Журнал "Турбины и Дизели"

×
Loading...