Альтернативные виды энергии

Жер астынан алынатын отындардың азайғандықтан биомассаны қолдану кеңінен дамып келе жатқан және дамыған елдерде қолданыс тауып отыр.

Биомассаның барлық көздерін   үш топқа бөлуге болады. Біріншісіне жер үсті өсімдіктерінің энергетикалық мақсаттары үшін әдейі өсірілетіндер жатады.

Биомассалық көздердің екінші тобына әр түрлі органикалық қалдықтар  жатады:

-жануарлардың биологиялық қалдығы (үлкен мүйізді жануарлардың қиы, үй құстарының саңғырығы және т.б.)

-ауыл шаруашылық мәдениетіндегі егін орғаннан кейін қалатын қалдықтар.

Үшінші топ-бұл судағы өсімдіктер- теңізді балдырлар, үлкен ламинарлар (бурые балдырлар), сулы гиацинт.

  Үй жануарларының экскременттерімен астына төсейтін материалдың қоспасының құрамына байланысты азот, фосфор, калий, магний, темір, көміртегі және микроэлементтер –бор, молибден, кобальт және т.б. Ораша есеппен алғанда 1 тонна әр түрлі үй жануарларынан алған экстрименттерінде 5 кг азот, 2,5 кг фосфор ангидриді (Р205) және 5 кг калий оксиді (К2О ). Одан басқа экстрименттердің құрамына көптеген органикалық заттар да енеді.

Биогаздық технология - қауіпсіздендірудің радикалдық әдісі және әр түрлі өсімдіктер мен жануарлардың органикалық қалдықтарының қайта өндірілуі, осыған қоса жануарлар мен адамдардың тәжірбиелері, бұдан біз жоғары калорий газ тәрізді отындар - биогаз және жоғары эффекті экологиялық таза органикалық тыңайтқыш аламыз. Биогаздық технология - бұл энергетиканың, агрохимияның, экологияның және капиталдың қиын жағдайларының шешімі.

Биогаздық технологияның негізінде, мал қиының және құс саңғырығының анаэробтық (оттексіз)жағдайларда табиғи биологиялық ыдыраудың қиын процесстер жатыр. Ашудың оптимальдік режимін сақтағанда, үнемі шикізатты араластырғанда, бастапқы материалды өз кезегінде салғанда және ашыған материалды алғанда биогаздың шығуы 1м3 реактордан 2-3м3 -ке жетеді. Ал құстың саңғырығын қолданғанда - 6м3. Жақсы түсінуге болатын тағы басқа мысалдар келтіруге болады: бір сиыр бір тәулікте 2,5м3 газбен қамтамасыздандырады, семіртілуге қойылған бұқа- 1,6м3, шошқа- 0,3м3, құс-0,02м3.

Метантекте, биомассадағы бар бактериялардың әсерінен органикалық заттардың бір бөлігі метанға (60-70%), көмірқышқыл газдарға (30-40%), күкіртсутектің аз мөлшеріне (0-3%),сонымен қатар сутегінің қоспасына, аммиакқа және азоттың тотықтарына ыдырайды. Биогаз жағымсыз иісті емес.Оның бір куб мөлшеріндегі жану жылуы 25МДж, 0,6л бензин жанғанына, 0,85л спирт жанғанына, 1,7кг отын жанғанына немесе 1,4кВт*сағ электрэнергияның қолдануына эквивалентті. Энергетикалықтан басқа биоконверсиялық процесс тағы бір мәселені шешуіне мүмкіндігі бар. Жай қилардың жер өңдеуінде қолдануына қарағанда, ашыған қиларды қолданғанда, ауыл шаруашылығында 10-15% шығымдылық артады. Бұл анаэробтық өзгертуде минерализация мен азоттық байланыстардың болуымен түсіндіріледі.

Бірақ қазіргі кездегі ең маңызды және биотехнологияның аймақтарындағы болатын басқа аспект - экологиялық. Оны әлі құндылық жағынан және тағы басқа көлемді жақтарынан бағалау қиын, бірақ өкінішке орай, маңызды экологиялық талаптарды дәлелдемейтін кезең енді келді. Микроорганизмдер - метогендер органикалық қалдықтарды (жануарлардың, өсімдіктердің, муниципальді және тағы басқалар) биогазға айналдыру мүмкіндігі бар, оргаминералді заттар және басқа да пайдалы, ең бастысы зиянсыз және залалсыздандырылмаған заттар. Биотехнологияны метаногендерді қолдануында экологиялық деп батыл айтуға болады. Бұл биотехнология заттың және энергияның биосфералық айналудағы табиғи процестерге негізделген және биосфераға потенциалды зиян келтіретін заттарды пайдалы заттарға айналдыруғу бағытталған.

Ең қарапайым биогаздық құралды қиға толы ор тәрізді елестетуге болады, газ шығару потрубкалы колпакпен жабылған. Мұндай қолдану қиды ашыту үшін температуралық режиммен технологиялық талаптар дәл келетін мемлекеттерде қолданылады: Индияда, Индокитайдың мемлекеттерінде және Китайдың оңтүстік провинцияларында бұл тәсіл миллиондап қолданылады.

Мұндай биогаздық құрылғының тәуліктік үнемділігі улкен емес: ол  0,15-0,3м3 газдың 1м3 реактордан тұрады. Ресейдік орталық "ЭкоРос" Миннаукидің көмегімен ("Экологиялық таза энергетика" атты мемлекеттік бағдарлама бойынша) екі биогаздық құрылғыны құрастырды. Оның біріншісі (ИБГУ-1)- алтын алқа алған Халықаралық "Российский  фермер" жәрмекесінде шаруашылық фермаларда жасалған. Бұл құрылғыда жануарлар мен құстардың барлық органикалық қалдықтарын қайтадан қорытады (5-6 сиырлар, немесе 50-60 шошқалар, немесе 500-600 тауықтар), және де барлық коммунальдік қалдықтар және қатты күнделікті үй  қалдықтарды (металл мен шыныдан басқасын). Конструкцияға салынған модульдік принцип қажет болған кезде эквивалентті үнемділікті асыра отырып құрылғыны екі еселетуге мумкіндігі бар. Биореакторда берілген газ сол тұрмыстық конфоркалар мен горелкаларда жанады.

Оның әр модулі 25-30 сиырларға, немесе 250-300 бас шошқаларға, немесе 2500-3000 бас құстарға санаулы, және ортақ электр желісінен тәуелсіз болуға мүмкіндік береді де өзінің энергетикалық қажеттілігін толығымен жауып отырады.

Органикалық заттардың ауасыз  ыдырау кезінде биогаз пайда болады.  Бұл биогаздың негізгі құрамды бөлігі төменгі №1  кестеде көрсетілген.               

       №1 кесте.                 Биогаздің құрамы мен қасиеті

Метагенездің интенсивтілігі төменгі жағдайлардан тәуелді:

-         температурадан(көбінесе 350С – 450С )

-         қолайлы аққыштық сақталуы қажет(минималды кепкен қалдық 4-5%, максималды 10-12%)

-         органикаклық заттардың деградациясы

Анаэробты процесстердің шығуы.

Экономия тұрғысынан анаэробты процестер өзімен эффектифті процесті  ұсынады. Оның нәтижесі төменде көрсетілген.

-         Электро-генраторлық құрылғылардың  турбиналарын айналдыру үшін  биогаз отын ретінде қолданылады.

-         Органкалыққ заттарды алу – жануарлардың экскрименттері өсімдікерге тыңайтқыщ ретінде.

Экскременттердің метагенезінің технологиялық схемасы

-         жануарлардың  экскременттері резервурға түседі.

-         Ферментация резрвуары-реактор. Мұнда экскременттердің анаэробтық өңдеу, яғни биогаздың пайда болуы.

-         Газольдер биогаздарды сақтау үшін қолданылады

-         Құрама резервуар экскременттерді өндеу жолында аралық қойма ретінде қызмет етеді.

-         Өңделген экскременттердің сепарацясы. Экскременттерді сұйық және қатты  бөліктерге айырады. Бұны жануарлардың экскременттерін эффективті қолдану үшін жасайды .

-         Энергетика блогі. Электр жылу энегиясын өндіруге қажет құрылғылар орналасқан.

ІІІ тарау. Биогаздың қолданылуы

Қазақстан мемлекетінде ауыл шаруашылығы кеңінен дамыған. Соның дамыған бөлігінің бірі біздің Солтүстік Қазақстан төңірегі. Бірақ ауыл шаруашылығында көптеген қалдықтар- бұл жануарлардың экскременттері және өсімдіктердің қалдықтары қолданусыз қалып отыр. Үй жануарарларының қалдықтары қалыпты жағдайда ыдырау кезінде  қоршаған ортаға зиянды заттарды бөледі. Соның бірі - аммиак. Сонымен қатар бізідің облысымыздың  орталағында электр энергиясымен барлығын қамтып отырған  ЖЭС жұмыс істеуде. Оның негізгі қолданылатын отыны  көмір. Көмір жанған кезде  қоршаған ортаны ластайды. Бұл экологиялық жағдайды нашарлатады. Сондықтан осындай проблемадан шығу үшін ауыл шаруашылығында биогаздық технологияларды  электр энергиясын өндіру үшін қолайлы дейміз.

Төмендегі №2 кестеде үй жануарларының биогазаының өнімі көрсетілген.

№2 кесте. Биогаз өнімі

Биогаздың 1 текшке метр көлемінің жану жылуы жуық мәні мен 23 Мдж-ге тең

Бұл энергияны электр генераторлардың көмегімен  электр энергиясына айналдыруға болады. Ол үшін қайнау қазандарында суды қайнатып оның үлкен қысмдығы буын алу қажет. Осы бу жұмыс істеу нәтижесінде генератордың турбиналарын айналдырады.

Мысалы 1500 айн/мин жасайтын генераторды айналдырған кезде 220В кернеудегі электр тогын тудырады.

Енді турбинаны айнлдыру үшін қажет энергияны есептеп шығарып осыған қандай мөлшерде  биогаз қажет екенін көрейік.

1500 айн/мин режимінде жұмыс істейтін генератордың қандай кинетикалық энергияға ие болатынын көрейік.

Егер генератордың роторын қозғалтатын түрбинаның радиусы жуық шамамен R=1,5м деп  және оның массасы 50 кг деп алатын болсақ, онда оның кинетикалық энергиясы төмендегідей табылады.

бұл жағдайда турбинаны  жуықтап цилиндр ретінде есептесек.

Егер турбиналы қозғалтықыштардың ПӘК-і 35% -ға жуық екенін білсек. Онда

формуласы бойнша будың энергиясы

формуласымен анықталады.

Қалақшалардың арасынан бу өткен кезде оның температурасы 300-6000С тең екенін білсек онда. Секунд сайын қалақшалардың арасынан өтетін будың массасын таба аламыз.

t1-судың қайнау температурасы

t2=6000C будың қалақшалардан өткен кездегі температурасы

Яғни секунд сайын қалақшалардың арасынан 0,1 кг су буы өтеді.

Енді секунд сайын қанша биогаз қажет екенін көрейік. Ол үшін суды буға айналдыру үшін қанша энергия қажет екенін көрейік.

Мұнда Wж –суды буландырып оны 6000С-қа дейін қажет энергия.

Енді биогаздың көлемін анықтап көрейік.

мұнда q- 1 м3 –көлемдегі биогаздың жану жылуы.

Яғни идеалды жағдайда жанған биогаздың энергиясы толық суға берілетін болса секунд сайын 0,016м3 биогаз қажет.