Інновації в енергозбереженні

6.1. Сутність інновацій: запровадження принципово нових технологій

Інноваційна діяльність передбачає комплекс наукових, технологічних, організаційних, фінансових та комерційних заходів, спрямованих на комерціалізацію накопичених знань, технологій і устаткування. Результатом інноваційної діяльності є нові або додаткові товари/послуги або товари/послуги з новими якостями. Інноваційна діяльність спрямована на створення, засвоєння, розповсюдження та використання інновацій. Існує декілька видів інновацій:

• технічні (виробництво продуктів з новими або покращеними властивостями);
• технологічні (використання більш сучасних засобів виготовлення продукції);
• організаційно-управлінські (оптимізація організації виробництва, транспорту, збуту, постачання);
• інформаційні (оптимізація інформаційних потоків у сфері науково-технічної та інноваційної діяльності, підвищення достовірності та оперативності отримання інформації);
• соціальні (покращення умов праці, вирішення проблем охорони здоров’я, освіти, культури).

Головна передумова технічної інновації полягає у тому, що все, що існує, має об’єктивну тенденцію застарівання. Тому необхідно систематично аналізувати існуючи методи, засоби, устаткування з точки зору того, чи не стали вони гальмом на шляху прогресу, не очікуючи, що першими це відчують конкуренти

Технологічною інновацією вважається запровадження принципово нових технологій, або технологій хоча й відомих в інших сферах діяльності людини, але жодного разу не використаних для вирішення конкретних проблем даної галузі. Так, під час холодної війни в 70-і роки минулого сторіччя була висунута ідея використання нового виду зброї – лазерної гармати – для знищення ворожих ракет з ядерними боєголовками. Така «гармата» вагою у декілька тон мала встановлюватися на важких супутниках-винищувачах або на протиракетах. У разі виявлення масового запуску ворожих трансконтинентальних балістичних ракет супутник-винищувач змінював орбіту для наближення до боєголовок на дистанцію надійного пораження цілі, а протиракета мала стартувати і знищувати за допомогою лазерного проміню боєголовки ракет супротивника на відстанях до 150 км. Ціна такого супутника-винищувача (як і протиракети) складала сотні мілліонів доларів. Але знайшлися фахівці, які використали ідею лазерної гармати зовсім у іншій сфері: для запису інформації на диски. При цьому лазерному проміню треба було долати відстань не сотні кілометрів, а частку міліметру, і не знищувати об’єкт, а лише записати на ньому інформацію. Лазер тепер вже важив не тонни, а грами і коштував, відповідно, десятки доларів. Оце була справжня інновація! Іншим прикладом такої інновації було використання відомого хімікам процесу піролізу для поводження з твердими побутовими відходами і вирішення одночасно екологічних та енергетичних проблем.

Організаційно-управлінська інновація призначена виявити «вузькі місця» існуючої організації (керування виробництвом, транспортними потоками тощо) і запропонувати шляхи їхнього подолання (наприклад, утворюючи більш прозорі зв’язки між окремими ланками системи, або вилучаючи ті компоненти структури, які виконують лише передавальні функції, або ж утворюючи нові шляхи руху – наприклад однобічного - транспорту для уникнення транспортних пробок тощо). Однією з таких інновацій є розосередження (децентралізація) керівництва великих фірм, коли окремі філії однієї й тієї ж компанії не тільки впроваджують свою особисту політику, але й конкурують з іншими підрозділами цієї ж фірми, що, до речі, сприяє інноваційній діяльності всередині фірми. На це ж спрямована й політика утворення в нашій країні об’єднань власників багатоквартирних будинків.

Інформаційні інновації передбачають більш широке використання теледоступу до інформації, широке користування інтернетом тощо, суттєве зменшення обсягу паперових документів і широке впровадження електронних документів, заміна паперових грошей електронними картками.

Соціальні інновації передбачають наближення робочого місця (якщо це можливо) до власної квартири за рахунок використання комп’ютерних технологій та мережі Інтернет, запровадження страхової медицини, покращання умов праці за рахунок використання в «гарячих» точках роботів, широкого впровадження засобів кондиціонування повітря, впровадження дистанційної освіти тощо.

Інноваційні ідеї звичайно виникають у наступних випадках:

• несподівана подія (успіх, невдача, зовнішня подія);
• невідповідність між реальністю та нашими представленнями про неї;
• нововведення, які базуються на вимогах процесу;
• раптові зміни у структурі галузі або ринку
• демографічні зміни;
• зміни у ціннісних установках, настроях та сприйняттях;
• нові знання.

Для впровадження інновацій необхідно мати широкий світогляд, володіти системним підходом і добре розуміти не тільки поточні вимоги, умови і оцінки, але й вміти «зазирнути за обрій», виявити тенденції у розвитку техніки та технології, руху та структури робочої сили і кваліфікаційних вимог до неї. І, звичайно ж, не треба забувати, що будь-яка інновація вимагає коштів: треба закладати ці кошти в структуру ціни товарів або послуг як відрахування до інноваційної діяльності.

6.2. Використання нових методів та засобів керування процесами, нових матеріалів, процедур рециклінгу та утилізації енергії.

Процеси генерування, транспортування та розподілу енергії з часом удосконалюються, виходячи як з якісно нових потреб споживачів енергії, так і з урахуванням нових досягнень в науці, техніці та технології. Що стосується керування процесами, то йдеться не стільки про локальну оптимізацію кожного з процесів (що має місце останнім часом в усіх сферах енергопостачання), а про використання системного підходу до глобадьного вирішення проблеми енергозбереження. Справа у тому, що локальна оптимізація не може у принципі гарантувати глобальної оптиміщації. Так, оптимізація режиму згоряння палива шляхом забезпечення оптимального співвідношення «паливо-повітря» вірішує цю проблему лише за умов використання одного енергоагрегату. Але у разі роботи декількох енергоагрегатів, коли кожний з них оптимізується за зазначеним параметром, глобальна оптимізація не завжди може бути досягнена, оскільки для глобальної оптимізації необхідно обирати інший критерій, наприклад к.к.д., який залежить від ступіню навантаження агрегата: він максимальний за умов номінального навантаження і зменшується при недовантаженні або перевантаженні. Так що, наприклад, при роботі трьох агрегатів, кожний з яких має навантаження 66%, глобальний к.к.д. системи буде нижчий, ніж к.к.д. системи, в якій працює лише два агрегати з трьох (але на повній потужності). Іншим прикладом економії енергії за рахунок використання сучасних методів керування процесами є коплексне керування функціонуванням теплообігріваючої та регулюючої апаратури шляхом врахування як температури оточуючого будинок довкілля, так і добового часу (вночі та коли усі мешканці дому у навчальному закладі або на роботі – зменшення температури у приміщеннях, а вранці та після роботи – забезпечення комфортних умов). Сюди треба ж віднести також зменшення споживання енергії від мережі за умов, коли частку енергії, якщо є відповідні умови, можна використати від нетрадиційних джерел (сонячної або вітрової енергії).

Дуже важливу роль у енергозбереженні відіграють нові теплоізоляційні матеріали, що використовуються при будівництві, а також для ізоляції теплотрас. У Табл. 6.1 наведено області застосування деяких нових теплоізоляційних матеріалів у будівництві.

Таблиця 6.1

Області застосування теплоізоляційних матеріалів

Усі зазначені матеріали мають коефіцієнт теплопровідності у межах 0,028 – 0,06 Вт/(м²*⁰С), значення їхньої паропроникненості виключає можливість накопичення вологи в конструкціях під час експлуатації, матеріали біостійкі, токсичні виділення під час експлуатації відсутні.

Сьогодні все частіше на магістральних та розподільчих теплових мережах (для підземного та надземного прокладання) використовують сталеві труби та елементи трубопроводів, теплоізольовані пінополіуретаном у поліетиленовій та цинковій оболонках (при температурах теплоносія до 150⁰С). Для розподільних мереж гарячого водопостачання з підземним прокладанням використовуються труби та елементи трубопроводів з основною трубою з термостійкого поліетилену PE-RT, теплоізольовані пінополіуретаном у поліетиленовій оболонці (для температур теплоносія до 75⁰С). Коефіцієнт теплопровідності ізоляції, що використовується при цьому, знаходиьться у межах 0,027 – 0,031 Вт/(м²*⁰С). Це сприяє суттєвому зменшенню втрат тепла під час його транспортування до споживачів.

Окремо варто розглянути методи рециклінгу та утилізації енергії.

Рециклінг - дуже перспективний етап поводження з твердими побутовими відходами (ТПВ), адже частка відходів таким чином може повернутися на підприємства, які виробляють з цієї сировини певну продукцію. Іноді це дуже ефективний шлях, який дозволяє позбутися відходів і, у той же час, забезпечити сировиною чи напівфабрикатами промислові підприємства.

Існує декілька варіантів реалізації рециклінгу:

Ø Первинне сортування “виробниками” відходів на базі спеціальної організаційної структури, створеної зацікавленими у відходах сторонами: збирання склотари, макулатури, металевих відходів, полімерних матеріалів (пляшок тощо).

Ø Вторинне сортування зібраних “навалом” відходів на сортувальних майданчиках.

Ø Третинне сортування залишків від утилізації.

Кожний з цих варіантів має свої переваги та недоліки. Так, первинне сортування забезпечує збирання “чистих” відходів певного виду і досить просте їхнє подальше використання. Але організаційні процедури при цьому досить складні і вимагають певних ресурсів, що обмежує номенклатуру відходів, які підлягають цьому видові сортування, оскільки може суттєво зрости собівартість збереженої таким чином сировини або напівфабрикатів, хоча ця собівартість (якщо йдеться про окремі види сировини чи напівфабрикатів, може виявитися кінець-кінцем економічно прийнятною). В усякому разі організація пунктів приймання склотари, макулатури, металобрухту себе виправдовує, а на черзі – організація збирання металевих банок від пива та інших напоїв, полімерних пляшок, відпрацьованих батарейок, електронних блоків тощо. Вторинне сортування пов’язане, головним чином, із складністю виокремлення тих чи інших складових з загальної маси відходів: тут тільки чорні метали можна досить технологічно просто виокремлювати за допомогою спеціальних електромагнітів (причому ця процедура може бути цілком автоматизована), у той час як кольорові метали легко виявляти (після виокремлення чорних), але важче виокремлювати з загальної маси відходів. З іншими видами відходів поводитися ще важче. До того ж треба додати, що при такому виді сортування відокремлені матеріали, як правило, забруднені іншими складовими ТПВ і потребують процедур очищення. Третинне сортування, яке виконується після утилізації ТПВ (спалення або газифікації), як правило, не потребує процедур очищення від інших складових ТПВ, але пов’язане з процедурами сепарації в середині кожної фракції (часто необхідно виокремити ті, чи інші метали зі стопу, що утворюється, або відновити метали з окислів чи виокремити деякі “інертні” матеріали від тих, яки можна використати, наприклад, у якості будівельних тощо).

Аналіз світового досвіду, зокрема досвіду США, свідчить про позитивний тренд зростання обсягів рециклінгу у процедурах поводження з ТПВ (див. Рис.6.1 1 та Табл. 6.2). Загалом у США, наприклад, сьогодні до 28-30% ТПВ підлягають рециклінгу, 60% розміщуються на полігонах і до 12% спалюється, причому 249 млн. тонн ТПВ, які зберігаються на полігонах, щорічно забезпечують генерування (за рахунок використання «парникових газів» полігонів) до 5 млрд. кВ*год електроенергії, а 29 млн. тонн ТПВ, які спалюються на сміттєспалювальних заводах, генерують 15 млрд. кВ*год електроенергії. Про ефективність рециклінгу свідчить такий факт: рециклінг алюмінію з брухту зберігає до 95% енергії, яку б було потрібно використати у разі виробництва цього металу з сировини, пластику – до 70% енергії, паперу - до 40%, не кажучи про те, що це зберігає відповідну сировину.

Роки

Рис. 6.1

Зростання відсотку ТПВ, що підлягає рециклінгу, у США протягом 1992-2000 років

Таблиця 6.2

Проблеми рециклінгу можуть бути успішно вирішені у першу чергу шляхом ефективного менеджменту, який повинен обов’язково передбачати такі кроки відповідно до видів сортування:

Ø Аналіз структури ТПВ з урахуванням середнього відсотку кожного з компонентів ТПВ, оцінки технічної можливості попереднього (первинне та вторинне сортування) виокремлення та кондиціонування тих, чи інших компонентів, їхнього складування та подальшого використання;

Ø Аналіз собівартості кожного з віртуально відокремлених під час первинного чи вторинного сортування компонентів (з урахуванням витрат енергії і інших ресурсів, вартості кондиціонування, збереження та транспортування, вартості функціонування структури відокремленого збирання компонентів, включаючи заходи до заохочення виробників відходів до такого збирання);

Ø Аналіз ефективності природоохоронних заходів у разі первинного та вторинного сортування відходів;

Ø Аналіз ризиків відхилення реальної структури ТПВ та собівартості сортування від прийнятих під час розрахунків з відповідним оцінюванням їхнього впливу на загальну ефективність рециклінгу;

Ø Аналіз ефективності третинного сортування.

Окремо слід зупинитися на третинному сортуванні, яке виконується після утилізації ТПВ. Тут існує декілька типових схем поводження, які наведені на рис.6. 2 та рис. 6.3. З наведених схем випливає, що рециклінг є дуже ефективним засобом отримання вторинних ресурсів та енергії і, у той же час, сприяє покращанню екологічного стану довкілля.

Рис.6.2

Схема вторинного та третинного сортування ТПВ

Рис. 6.3

Схема третинного сортування ТПВ у разі їхньої газифікації

Виходячи з зазначеного вище, можна сформулювати такі евристики поводження з ТПВ:

ЯКЩО {[(ТПВ_лсп) АБО (ТПВ_спео)] I (R_c < R_п)}, ТО (ПС),

ЯКЩО {[(ТПВ_лсв) АБО (ТПВ_свео)] I (R_c < R_п)}, ТО (ВС),

ЯКЩО {[(ТПВ_всп) АБО (ТПВ_спен)] I (R_c > R_п)}, ТО (ТС),

ЯКЩО [(ТПВ_всп) І (ТПВ_спен) І (ТПВ_всв) І (ТПВ_свен)] I (R_c > R_п)], ТО (ЖC),

де (ТПВ_лсп) і (ТПВ_лсв) відповідно свідчать про технологічно легкі умови первинного та вторинного сортування ТПВ;

(ТПВ_спео) і (ТПВ_свео) свідчать про наявність відповідно умов економічно обґрунтованого первинного і вторинного сортування;

умова (R_c < R_п) свідчить про те, що ризик, пов’язаний із сортуванням (R_c), повинен бути менше припустимого ризику для обраного типу ТПВ (R_п), а умова (R_c > R_п) стверджує, що має місце неприпустимий ризик;

позначення (ТПВ_всп),(ТПВ_всв), (ТПВ_спен),(ТПВ_свен) відповідають важким умовам первинного і вторинного сортування та, відповідно, економічній необґрунтованості первинного та вторинного сортування;

ПС, ВС, ТС та ЖС відповідно означають імперативи на первинне, вторинне, третинне сортування, або заборону жодного сортування.

Кожний з зазначених вище критеріїв повинен бути ретельно обґрунтований для конкретних умов збирання ТПВ і визначені межі, в яких вони можуть перебувати, а також похибки їхнього визначення і ризики. Лише використання запропонованого підходу може гарантувати успішність процедур рециклінгу.

Що ж стосується утилізації енергії, то про це йдеться у розділі 6.3.

6.3. «Нетрадиційні» джерела енергії.

Органічне паливо є вичерпним джерелом енергії: свого часу Україна постачала газ з свого Дашавського родовища усім споживачам Європейскої частини Радянського Союзу, але воно вже повністю вичерпалося, як вичерпалися й запаси нафти у Західній Україні.. Україна сьогодні не багата на нафту і природний газ, лише запаси вугілля можуть до певної міри забезпечити наш енергетичний баланс, але для цього потрібні суттєві переробки багатьох технологічних схем. Крім того, вугілля не є екологічно чистим видом палива – до його складу входять такі компоненти, як сірка, фосфор, уран, торій та інші елементи, надходження яких у складі продуктів згоряння вугілля до навколишнього середовища створює проблеми для довкілля, у першу чергу для флори й фауни. Тому життя примушує шукати альтернативні види пального. Одним з таких нетрадиційних джерел альтернативного палива є тверде паливо (вугілля, сланці, торф тощо), а також тверді побутові відходи, які можуть перетворюватися у горючі гази за допомогою так званих піролізних генераторів. В процесі піролізу (газифікації) тверде паливо (ТП), в якості якого може бути використано будь-яке органічне паливо, у тому числі й тверді побутові відходи, і кисень повітря, яке подається в обмеженій кількості в камеру газоутворення, нагріваються розжареним (за рахунок згорання незначної кількості палива) реактором й вступають між собою в реакцію, в наслідок якої ТП розкладається на вуглець, водяну пару, смоли і олії, а наступна реакція між обмеженою кількістю кисню і вуглецем забезпечує температуру, достатню для утворення горючого газу – монооксиду вуглецю СО. Хімічні реакції при цьому мають такий вигляд:

C + H₂O → CO + H₂,

C + O₂ → CO₂,

CO₂ + C → 2CO.

Смоли і олії розкладаються на гази, що містять водень і, частково, метан, які теж є горючими. Мінімальна теплоутворююча здібність такої суміші газів складає 1100 ккал/м³ причому сухий генераторний газ має наступний склад (за об’ємом): оксид вуглецю – 14-22%, водень – 10-17%, діоксид вуглецю – 8-15%, кисень – менш ніж 5%, азот – 50-60%. У порівнянні з простим спалюванням ТП газифікація має більш високий енергетичний к. к. д. (до 95%), що дозволяє використовувати матеріали з малим вмістом горючих складових (із зольністю до 90%) або з високою вологістю (до 60%). Крім того, низькі лінійні швидкості газового потоку в газогенераторі і його фільтрація через шар ТП, що ще не прореагувало, яке знаходиться у верхній частині реактора, забезпечують незначний винос частинок пилу з газом, що дає змогу виключити чи суттєво скоротити витрати, пов’язані з очищенням та зносом устаткування. У той же час, використання вихроутворення на вході повітря в нижню частину газогенератора підвищує швидкість газифікації й забезпечує максимальний енергетичний к. к. д.. У порівнянні із звичайним спалюванням ТП у топках котлів витрата палива на одиницю отриманої теплової потужності в газогенераторах у 1,5-2 рази нижче.

Існує чотири головні типи газифікаторів: протиструменеві газифікатори з фіксованим шаром зони реакції, соструменеві газифікатори з фіксованим шаром зони реакції, газифікатори з псевдорідинним шаром зони реакції та газифікатори з газифікацією у потоці (Рис. 6.4).

		Вогнетривка кераміка
			Вогнетривка кераміка
			Ділянка термічного розкладу
	Ділянка термічного розкладу

Рис. 6.4

Принципові схеми газифікаторів

в) так званий «горизонтальний»

Протиструменеві газифікатори з фіксованим шаром зони реакції («дуття догори») складаються з фіксованого шару зони реакції органічних складових твердого палива, через який пара та повітря рухаються проти руху (зверху) свіжого ТП. Зола або видаляється сухою, або ж як шлак. Газифікатори із шлакуванням вимагають більш високі значення співвідношення пари та повітря до органічних складових ТП з тим, щоб температура реакції перевищувала температуру плавки золи. Конструкція газифікатора передбачає, що паливо повинно мати високу механічну міцність і не повинно спекатися у коржі, щоб забезпечити проникливість до піддону, хоча сучасні розробки знижають до певної міри ці обмеження. Продуктивність газифікаторів цього типу відносно невелика, хоча теплова ефективність велика, оскільки температура газу на виході відносно невисока. Останнє свідчить про те, що виробництво смоли та метану є суттєвим при типових операційних температурах, так що отриманий газ необхідно інтенсивно очищувати перед використанням, або повертати до реактору.

Соструменеві газифікатори з фіксованим шаром зони реакції («дуття долу») подібні до протиструменевих, але компоненти газифікації ТП рухаються у тому ж напрямку, що і паливо. Тепло необхідно додавати у верхню частину піддону, або спалювати невелику кількість палива від зовнішніх джерел тепла. Газ, вироблений газифікатором, залишає реактор, маючи велику температуру і більшість цього тепла додається компонентам газифікації ТП у верхній частині піддону, що підвищує енергетичну ефективність цього типу газифікаторів порівняно з газифікаторами попереднього типу. Оскільки усі смоли проходять крізь гарячий шар органічних залишків ТП, вміст смол у газі суттєво менший, ніж у газифікаторів протиструменевих.

У газифікаторах з псевдорідинним шаром зони реакції паливо псевдорозтоплюється у повітрі та парі. Зола видаляється сухою або як важкі агломерати, які стікають. Температури відносно низькі у газифікаторів з сухою золою, так що паливо повинно бути високо реактивним – наприклад вугілля низьких сортів. Газифікатори з агломератами мають дещо більшу температуру і можуть використовувати вугілля вищих сортів. Вихід палива у газифікаторів з псевдорідинним шаром вищий, ніж у газифікаторів з фіксованим шаром, але не вищий, ніж у газифікаторів з газифікацією у потоці. Ефективність перетворення може бути досить низькою завдяки сепарації матеріалу, який вміщує органіку. Для збільшення ефективності газифікації використовується спалення або ресайклінг твердих залишків. Газифікатори з псевдорідинним шаром найбільш придатні для палив, які формують висококорозійну золу, що руйнує стінки газифікаторів із шлаками. Палива з біомаси як правил містять високі рівні корозійних шлаків.

У газифікаторів з газифікацією у потоці пульверизований твердий компонент та атомізоване рідке паливо або паливна гідросуміш газифікуються киснем (дуже рідко – повітрям) у сумісному потоці. Реакції газифікації мають місце у щільній хмарі дуже маленьких часток. Більшість вугіль придатна для цього типу газифікатору завдяки високим операційним температурам та тому, що частки вугілля добре відсепаровуються одна від одної. Високі температури та тиск свідчать про те, що може бути досягнутий високий вихід продукції, хоча теплова ефективність тут дещо нижча, оскільки газ необхідно охолоджувати перед тим, як його очищатимуть за допомогою існуючих технологій. Високі температури також свідчать про те, що смоли та метан не входять у склад газу на виході. У той же час вимоги до кисню тут вище, ніж у інших типів газифікаторів. В усіх типах газифікаторів з газифікацією у потоці більшість золи у вигляді шлаку видаляється, оскільки робочі температури перевищують температури плавлення золи. Невелика кількість золи, що утворюється, є або дуже дрібним сухим пилом або гідросумішшю дрібного сухого пилу чорного кольору. Деякі палива, зокрема певні типи палив з біомаси, можуть формувати шлак, який є корозійним для внутрішніх керамічних стінок, що захищають зовнішні стінки газифікатору. Одначе деякі газифікатори з газифікацією у потоці не мають внутрішніх керамічних стінок, але мають внутрішню стінку, яка охолоджується водою або парою, і яка покрита частково затверділим шлаком. Такі типи газифікаторів не піддаються корозійному впливу шлаків. Деякі палива мають золу з дуже високою температурою плавлення. У цьому випадку, як правило, вапняки змішують з паливом перед газифікацією. Додавання невеликої кількості вапняку призводить до зниження температури плавлення. Частки палива повинні бути меншими, ніж у інших типів газифікаторів. Це свідчить про те, що паливо повинно бути пульверизованим, що вимагає додаткової енергії порівняно з іншими типами газифікаторів. Але не здрібнювання палива призводить до збільшення витрат енергії у цих газифікаторах, а виробництво кисню для забезпечення газифікації.

Схема найпростішого соструменевого газифікатору з фіксованим шаром зони реакції наведена на рис. 6.5-а.

Рис.6.5

а – загальна схема газифікатора; б – зовнішній вигляд мобільного газифікатора

1 – введення подрібненого ТП; 2 – подавання власного газу та кисню (О₂);

3 – вихід сирого газу; 4 – вихід металу та шлаків

Треба відзначити, що газифікатори не викидають у атмосферу «парникові гази», у першу чергу діоксид вуглецю (СО₂), але й не затримують їх (найбільш потужний утворювач «парникового ефекту» метан, який може утворюватися під час роботи газифікатора, якщо ТП містить у собі поліциклічні ароматичні гідрокарбонати, які багаті на смоли, є складовою горючих газів на виході газифікатору, або під час реакції

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

перетворюється на інші горючі складові).

Проблему використання твердих побутових відходів (ТПВ) як паливо можна вирішити і іншим шляхом – безпосереднім спалюванням ТПВ у спеціальних сміттєспалювальних установках.

Останнім часом у всьому світі спостерігається широке використання сміттєспалювальних підприємств (ССП) для генерування електроенергії та тепла. Типова технологічна схема такого підприємства наведена на Рис. 6.6. Передбачається, що сміття перед відправленням на підприємство проходить попереднє сортування, в результаті якого вилучаються компоненти сміття (металевий брухт, скло, будівельні матеріали тощо), які не містять органіки, а решта сміття подрібнюється і транспортується до приймальної платформи 1, звідки воно скидається у бункер 2. Спеціальним краном 3 із ковшем сміття подається на завантажувач-транспортер, який транспортує сміття до спалювальної пічі 9, в топці якої воно згоряє, а зола надходить до ежектору золи 10, звідки вона попадає на очищувач золи 8 і далі у бункер золи 6. Краном 7 цей бункер періодично очищується. Вентилятори 4 і 5 забезпечують примусове подавання повітря безпосереднє у топку та під транспортер. Гарячі гази з топки надходять у котел 11, а звідти – до охолоджувача 12. Пара з котла спрямовується до парового ресивера 15, звідти – до турбогенератора 16. Від турбіни надлишкове тепло 24 може подаватися до системи теплопостачання, а рештки пари надходять до конденсатора 22, після чого конденсат поступає до цистерни конденсату 17 і звідти спрямовується знов до котла. Гази з виходу охолоджувача 12 спрямовуються до фільтру-колектору пилу 14, звідки пил надходить через устаткування обробки летючого пилу (золи, попелу) 13 до бункеру очищеної золи 8. З виходу фільтру 14 гази спрямовуються на підігрівач пари 19, звідти – каталітичний реактор 20, а далі – на вентилятор 18, що створює тягу у димарі 23. Забруднена вода підприємства 25 надходить на устаткування для очищення води 21.

Більш ефективними є сміттеспалювальні підприємства, які сполучують у собі власне сміттєспалювальний блок з блоком піролізним. Останній необхіден для забезпечення більш високих температур спалювання, що гарантує від утворення діоксидів, сприяє повному спалюванню смол, більш глибокій переробці на енергію полімерних матеріалів і очищенню викидів ССП. Піролізний блок не тільки забезпечує роботу ССП, але й живить газову турбіну, яка обертає додатковий електрогенератор, причому гарячі гази з виходу цієї турбіни спрямовуються на параперегрівач головної парової турбіни, яка працює від пари, що утворюєтьсґ в котлі задяки спаленню ТПВ.

Дефіцит пального викликав розробки у сфекрі отримання біогазу – газу, який отримується за рахунок водневого або метанового бродіння біоимаси. Метановий розклад біомаси відбувається під впливом трьох видів бактерій: гідролізних, кислотоутворюючих та метаноутворюючих. В ланцюжку живлення подальші бактерії живляться продуктами життєдіяльності попередніх. У виробництві біогазу приймають участь не тільки бактерії -

Рис. 6.6

Типова схема сміттєспалювального підприємства

метаногени, але й інші згадані вище типи бактерій. Різновидом біогазу є біоводень, коли кінцевим продуктом життєдіяльності бактерій є водень. Середній склад біогазу наступний: 50—87 % метану, 13—50 % CO₂, незначні домішки H₂ і H₂S. Після очищення біогазу від СО₂ отримується біо метан – поувний аналог природнонго метану. Для виробництва біогазу використовують гній, пташиний послід, зернова та меласна післяспиртова барда, фекальні осади, відходи рибного та забійного цеху, трава, побутові відходи, відходи молокозаводів, відходи переробки картоплі тощо. Крім того, біогаз можна отримувати зі спеціальних енергетичних культур: силосной кукурудзи, водоростей.

Виїхід газу може досягати до 300 м³ з 1 тони.

Останнім часом широке застосування отримало рідке біопаливо, яке штучно виробляється з біомаси. До цього виду палива відносяться біоетанол, біометанол, біобутанол, диметиловий ефір, біодизель тощо.

Біоетанол – продукт переробки рослинної сировини, відомий також як питний спирт. Існує два головних способи отримання біоетанолу: мікробіологічний (спиртове бродіння) і синтетичний (гідратація етилену). Наслідком бродіння є розчин, який містить не більше, ніж 15% етанолу (в більш концентрованих розчинах дріжджі зазвичай гинуть). Отртиманий етанол очищується і концентрується шляхом дистиляції. В промислових масштабах етиловий спирт отримують як з сировини, яка містить целюлозу (деревина, солома), яку попереднє гидролізують, так і з харчових відходів. Суміш, яка при цьому утворюється, піддається спиртовому бродінню. Для прискорення процесу використовують певні ферменти. Етанол порівняно з бензином є менш енергетично містким джерелом енергії: пробіг машин, двигуни яких працюють на суміші 85% етанолу та 15% бензину, складає 75% від пробігу ащин з бензиновими двигунами. Недоліком етанолу є те, що у вихлопних газах двигунів з’являються альдегіди, які шкодять живим організмам

Біометанол – рідке паливо на базі метилового спирту, який отримують шляхом сухої перегонки відходів деревини та конверсією метану з біогазу. Виробництво біомаси для отримання біометанолу може здійснюватися шляхом культивації фітопланктону в штучних водоймищах біля морського узбережжя. Вторинні процеси являють собою метанове бродіння біомаси з наступним гідроксиліюванням метану з отримання метанолу. Хоча у метанолу октанове число досягає 150, теплотворча здібність метанолу вдвічі менше, ніж у бензину. Метанол дуже отруйна речовина, небезпечніша тим, що зовні і на запах вона схожа зі звичайним спиртом – етанолом. Звичайно як паливо авто мобілів використовують суміш 85% метанолу та 15% бензину.

Біобутанол – бутиловий спирт, який виробляється з сахарного очерету, буряку, кукурудзи, пшениці та целюлози. Енергоємність біобутанолу близька до такої у бензину.

Диметиловий ефір виробляється з біомаси та відходів целюлозо-паперового виробництва. Це екологічно-чисте паливо, яке не містить сірки, а вміст оксидів азоту у вихлопних газах двигунів, що працюють на цьому паливі, на 90% менше, ніж у газах бензинових двигунів.Біодизель – паливо на базі жирів тваринного, рослинного та мікробного походження, а також продуктів їхньої етерифікації. Як сировину для біодизеля використовують рапсове, соєве, пальмове, кокосове масло, а також відходи харчової промисловості. Розробляються технології виробництва біодизеля з водоростей.

Підігрів реакотра теплою водою

Відведення конденсату

Ємність для збирання та гомогенізації рідкої сировини

Тепло на опалення

Електроенергія

Шнековий завантажувач твердої сировини

Перемішувач

Насосна станція

Когенераційний блок

Рис. 6.8

Комбінована мобільна установка для поводження з відходами для Армії США

Сучасні методи отримання біопалива базуються на швидкому піролізі, під час якого біомаса перетворюється на рідину, яку легше і дешевше транспортувати, зберігати і використати. На Рис. 6.8 наведена мобільна установка Армії США, яка має два блоки для поводження з харчовими відходами та твердими побутовими відходами, які утворюються під час життєдіяльності будь-якої військової частини. Харчові відходи переводяться у рідку фазу і підлягають прискореному зброджуванню за допомогою спеціальних ферментів, у результаті якого утворюється етанол, який використовується для додавання до бензину у пропорції (етанол до бензину, %) 85:15. тверді побутові відходи у другому блоці підлягають піролізу і отримані гази надходять до газової турбіни і обертають електрогенератор, а вихлопні гази від турбіни надходять до теплообмінника і забезпечують тепле водопостачання.

Крім вироблення штучного пального останнім часом стали широко використовувати природну енергію для побутових потреб. Одним з таких генераторів енергії є теплові насоси ТН (Рис. 6.9), які являють собою щось на кшталт «холодильника навпаки». Передавання тепла від низько потенційного джерела енергії (тобто від джерела,

Принципова схема системи теплопостачання з тепловим насосом

виробництво холоду відбувається за рахунок відбирання тепла з холодильної камери за допомогою випарника, а конденсатор виводить теплоту зовні, тобто конденсатор являє собою теплообмінний апарат, який виробляє тепло й обігріває приміщення. В системі циркулює рідина (фреон), яка при температурі – 5⁰ С перетворюється на газ. Цей газ надходить до компресора, де він під великим тиском нагрівається до високої температури і далі вводиться до конденсатору, де віддає тепло для обігрівання приміщень. Охолоджений у конденсаторі газ переходить у скраплений стан і знову подається до випарника. Далі цикл багаторазово відтворюється. Таким чином, завдяки тепловому насосові ми від відносно «слабого» джерела енергії шляхом перекачування можемо отримати багато тепла навіть у зимовий період. Системи опалення, які використовують ТН, є екологічно чистими. Усього одна чверть енергії, що споживається для забезпечення теплопостачання, відбирається від електричної мережі, решта (75%) - з оточуючого середовища. ТН характеризуються низькими експлуатаційними витратами і високою надійністю. Використання ТН економічно більш вигідно, якщо будівля, де встановлений ТН, має добру внутрішню ізоляцію. Місця, де можна використати грунт або грунтові води (джерела тепла), є передумовою для встановлення ТН. ТН у першу чергу можна рекомендувати для автономного обігрівання невеликих будівель.

Іншими природними джерелами енергії є сонце і вітер. Найбільш засвоєним у світі є використання сонячної енергії для сонячного теплопостачання за допомогою засобів та устаткування, які перетворюють сонячну інсоляцію у теплову енергію. Системи сонячного теплопостачання полділяються на:

• системи активного сонячного теплопостачання, в яких використовуються активні установки на базі сонячних колекторів з циркуляцією теплоносія;
• си стеми пасивного сонячного теплопостачання, в яких різноманітні конструкційні елементи і матеріали використовуються як приймачі тепла;
• комбіновані системи сонячного теплопостачання.

Системи сонячного гарячого водопостачання можуть зекономити до 60-80% річної потреби в органичному паливі для вирішення цієї проблеми, залежно від району розтошування установок. Системи сонячного опалення здатні зекономити від 20 до 50% органічного палива для потреб опалення. Пасивні системи сонячного опалення будинків знижують витрати традиційних ресурсів для завдань опалення до 40%.

Головним елементом систем активного теплопостачання є сонячний колектор – теплообмінник, який має канали для теплоносія, і поверхня якого опромінюється сонцем і за рахунок теплопередавання крізь стінки або теплові трубки відбувається нагрівання рідини або повітря у каналах. Продуктивність колектора прямо залежить від корисної площі, з якої він збирає енергію. Існує багато варіантів конструкцій сонячних колекторів, головне завдання яких полягає у забезпеченні максимальної ефективності, зниженні теплових втрат колектора в оточуюче середовище, зниження собівартості енергії, що виробляється, забезпечення довготривалості роботи. Найбільш поширеним є плаский колектор (Рис. 6.10), який являє собою теплоізольовану металеву скриньку зі скляною або пластмасовою кришкою, в якій розташована пофарбована у чорний колір пластина абсорбера (поглинача). Сонячне світло попадає на теплосприймаючу поглинаючу пластину, яка нагрівається, перетворюючи сонячну радіацію у теплову енергію. Це тепло передається теплоносію (повітрю або рідині), який циркулює по трубках. Теплоносій проходить через теплообмінник, встановлений у водяному баці, де тепло передається воді.

Загальний вигляд плаского сонячного колектора (а) і його розріз (б)

Більш ефективним є вакуумний колектор (Рис. 6.11 – 6.12) – комплекс теплових вакуумних трубок, які перетворюють поток сонячного випромінення у теплову енергію. Отримане тепло передається у бак-накопичувач за допомогою циркулюючої в системі незамерзаючої рідини (гліколя).

Рис. 6.11

Принципова схема вакуумного колектора

Рис. 6.12

Загальний вид вакуумного колектора та принципова схема вакуумної теплової трубки

Окремо варто розглянути сонячні батареї для вироблення електроенергії.. На відміну від сонячних колекторів, в яких нагрівається теплоносій, сонячна батарея безпосереднє виробляє електроенергію за рахунок так званого фото-ефекту, тобто випускання електронів речовини під впливом світла (ширше кажучи – під впливом електромагнітного випромінювання). В конденсованій речовині (твердій або рідкій) розглядають внутрішній та зовнішній фотоефект. Внутрішній ефект – це перерозподіл електронів за енергетичними рівнями у твердих та рідких напівпровідниках і діелектриках під впливом опромінювання. При цьому змінюється концентрація носіїв зарядів у середовищі і виникає фотопровідність або вентильний фотоефект. Зовнішній фотоефект (фотоелектронна емісія) – це випускання електронів (фотоелектронів) речовиною під впливом електромагнітного випромінювання.

Рис. 6.13

Принцип фотоелектронної емісії (а) і сонячна електрична батарея (б)

		Енергоспоживання
		Інвертор

Рис. 6.14

Схема автономного електропостачання від сонячної батареї

Електроенергія накопичується в акумуляторах, перетворюється інвертором у змінний струм промислової частоти і звідти подається споживачам.

Фотоелектричні батареї використовуються не тільки для побутових потреб, але й на транспорті. На Рис. 6.15 наведені приклади використання сонячних батарей для живлення судового двигуна і електромережі морського парому, а також для комбінованого використання енергії вітру та сонця для забезпечення руху океанського судна. В останньому випадку вітрила не тільки дають рух судну, але й виконують роль сонячних модулей для забезпечення живлення судової електромережі, причому бортовий комп’ютер встановлює оптимальний кут вітрил відносно вітру і обирає оптимальний маршрут щодо максимального використання вітру.

Приклади використання сонячних батарей на морському паромі (а) та на океанському судні (б)

6.4. Інтегральне оцінювання альтернативних інновацій.

Вибір тієї чи іншої альтернативної інновації залежить від багатьох чинників, серед яких головними є наступні:

· наявність умов для реалізації відповідної інновації;

· собівартість впровадження інновації;

· термін окупності;

· екологічні наслідки;

· ступінь ризику інновації;

· перспективність інновації з урахуванням усіх зазначених вище чинників та динаміки потреб в конкретній інновації.

Залежно від результатів, що враховуються та витрат розглядають наступні види ефектів під час реалізації інновацій:

• Економічний (показники враховують у вартісному вираженні усі види результатів й витрат, які обумовлені реалізацією інновації);
• Науково-технічний (новизна, простота, корисність, естетичність, компактність, екологічність);
• Фінансовий (розрахунок показників базується на фінансових показниках);
• Ресурсний (показники віддзеркалюють вплив інновації на обсяг виробництва та споживання того, чи іншого ресурсу);
• Соціальний (показники враховують соціальні результати реалізації інновацій);
• Екологічний (показники враховують вплив інновацій на довкілля: збільшення чи зменшення шуму, електромагнітних полів, освітлення, вібрації тощо).

Виходячи з часового періоду врахування результатів й витрат виокремлюють показники ефекту за розрахунковий період і показники річного ефекту. Тривалість часового періоду, що приймається, залежить від чинників тривалості інноваційного періоду, строку служби об’єкту інновації, ступеня достовірності вихідної інформації, а також вимог інвесторів. Загальним принципом оцінювання ефективності є зіставлення ефекту (результату) та витрат (як у натуральних, так і грошових величинах), причому показник ефективності може виявитися різним для однієї і тієї ж ситуації, залежно від величини, що використовується для оцінювання. У цілому проблема визначення економічного ефекту й вибору найбільш переважних варіантів реалізації інновацій вимагає, з одного боку, перевищення кінцевих результатів від їхнього використання над витратами на розробку, виготовлення та реалізацію, а з іншого – зіставлення отриманих при цьому результатів з результатами від використання інших аналогічних за призначенням варіантів інновацій. Особливо важлива необхідність оцінювання і правильного вибору варіанту, коли використовується прискорена амортизація, при якій строки заміни діючих машин та устаткування на нові суттєво скорочуються. Метод обчислення ефекту інновацій, що базується на зіставленні результатів освоєння з витратами, дозволяє приймати рішення про доцільність використання нових розробок. Для оцінювання загальної економічної ефективності інновацій можна використати наступну систему показників (табл. 6.3).

Таблиця 6.3

Показники економічної ефективності інновацій

Типові формули для обчислення показників, що наведені вище, наступні:

де Т_р – розрахунковий рік, Р_t - результат у t-й рік, В_t - інноіваційні витрати у t-й рік, α_t - коефіцієнт дисконтування.

де П_j – прибуток за період j; К_t – розмір інвестицій в інновацію у період t.

;

Т_о = К/П,

де К – первисні інвестиції в інновації, П – щорічні грошові прибутки.

Оскільки інвестиції характеризуються одноразовістю або обмеженим періодом вкладень, тривалим строком окупності, значним обсягом, а витрати виробництва, як правило, - величина річна, то для приведення до єдиної річної розмірності за допомогою коефіцієнта економічної ефективності або рівня процентної ставки, беруть частку інвестицій (капітальних вкладень). Звідти випливає термін «приведені витрати»:

В_і = С_і + Д_н*К_і,

де В_і – приведені витрати для і-го варіанту; С_і – собівартість і-го варіанту; Д_н – норматив ефективності капітальних вкладень; К_і – інвестиції у і-й варіант. Звідти вибір оптимального варіанту інвестицій відбувається на підставі наступного виразу:

.

Можна використати і інший підхід. Для цього треба усі показники екномічної ефективності інновацій перевести у відносні величини, наприклад, шляхом співвіднесення їх з нормативами: Е*_інт = Е_інт/Е_інт.н ; Jr* = Jr; E*_p ={ = }/E_p.n; Т₀* = Т₀/T_n. А потім для кожного з варіантів інновацій (var_j) скласти свого роду «спектральну характеристику»: розбудувати графіки в координатах відносних значень Е*_інт, Jr*, E_p*, T₀* для кожного з варіантів, як це наведено на рис. 6.16, причому кожний з показників зафіксувати на одному й тому ж місці на осі абсцис (наприклад, у такий послідовності, як на рисунку, тобто E*_інт, Jr*, E*_p, 1/T*_n). Якщо при цьому для кожного з варіантів визначити середнє значення інтегрального показника ефективності VE_int, то пошук оптимального варіанту можна звести до пошуку VE_{int opt} = max{VE_{int i}}. Кількість

Рис. 6.16

Графічне представлення методу інтегральної оцінки ефективності інновацій

показників можна збільшити, вводячи, наприклад, показники екологічності, соціальні показники, ризики тощо.

Треба додати, що для оцінювання ризиків інвестицій в інновації звичайно використовують два підходи: статистичний та аналітичний. Статистичний базується на визначенні імовірності виникнення втрат на підставі статистичних даних попереднього (тобто до впровадження інвестицій) періоду, встановлення зони ризику, коефіцієнту ризику тощо. Аналітичний підхід дозволяє визначити імовірність виникнення втрат на базі математичних моделей. Він використовується головним чином для аналізу ризику інвестиційних проектів.

Контрольні запитання для перевірки знань

Поиск по сайту: