Сравнительная оценка использования альтернативных источников энергии Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»
Аннотация научной статьи по прочим сельскохозяйственным наукам, автор научной работы — Савосько Ольга Викторовна
Рассматриваются вопросы экономической эффективности использования биотоплива в сельском хозяйстве. Дается технико-экономическая оценка дизельного и альтернативного топлива .
Похожие темы научных работ по прочим сельскохозяйственным наукам , автор научной работы — Савосько Ольга Викторовна
Comparative evaluation of alternative energy sources
The issues of cost-effectiveness of biofuels in agriculture. Provides technical and economic assessment of diesel and alternative fuels.
Текст научной работы на тему «Сравнительная оценка использования альтернативных источников энергии»
УДК 338.47:662.767.2:629.33.03-83.003.12 О.В. Савосько
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
В среднем, за 2006-2011 годы доля затрат на нефтепродукты составила более 10 % себестоимости производства продукции (по 10 хозяйствам Московской области) [1], при этом отмечается рост данного показателя в течение указанного периода в связи с нестабильностью и ростом цен [2] на топливо.
Повышение цен на нефть, неисчерпаемость и экологическая чистота возобновляемых источников энергии дают оптимистические прогнозы дальнейшего развития возобновляемой энергетики. Все это обусловливает необходимость оценки возможности использования альтернативных энергоресурсов на сельскохозяйственных предприятиях в настоящее время и в перспективе.
Таким образом, для автотранспортных и сельскохозяйственных предприятий становится актуальным вопрос об использовании альтернативных источников энергии, таких как газ, электроэнергия, биодизель и другие, при этом как в России, так и в странах с ограниченными энергетическими ресурсами ведутся интенсивные работы в этом направлении.
Работы по использованию электрических двигателей вместо двигателей внутреннего сгорания велись с середины двадцатого века. Единственным источником электрической энергии тогда были аккумуляторы, которые устанавливались на электро-
мобили в виде больших и тяжелых (до 70 % массы автомобиля) батарей. При этом получалось, что грузоподъемность электромобилей оказывалась заведомо ниже (в лучшем случае, раза в полтора меньше), чем у машины с двигателем внутреннего сгорания, а запаса хода было достаточно разве что для внутренних перевозок на небольшие расстояния.
В последние годы реализовано много разработок в области хранения электроэнергии, обеспечивающих увеличение запаса хода электромобилей между подзарядками, сокращение времени самой подзарядки, увеличение срока службы аккумуляторов. В качестве наиболее распространенного источника энергии в электромобилях рассматриваются свинцово-кислотные (в электромобилях с пробегом между зарядами до 70. 80 км), никель-металлогид-ридные и бромно-цинковые (с пробегом до 200 км) и в электромобилях с пробегом 200 км и более перспективно использование литиево-ионных аккумуляторов. Сравнительная оценка различных типов аккумуляторов приведена в табл. 1 [3].
В настоящее время достаточно эффективны гибридные автомобили, использующие как двигатель внутреннего сгорания, так и электромотор (Toyota Prius с 1997 года выпуска, Honda Civic Hybrid с 2006 года, Toyota Estima-hybrid с 2008 года). Основным достоинством гибридных машин явля-
Сравнительная оценка различных типов аккумуляторов для электромобиля
Показатели Свинцово-кислотные Никель-металлогидридные Литиево-ионные
Средняя емкость батареи, Вт/кг
Масса аккумуляторной батареи
Срок службы, лет/циклов заряда (разряда) 3.5/600 3.5/до 1000 5.15/до 1200
Диапазон рабочих температур, °С —20. +40 -40. +55 -20.+60
Саморазряд в месяц, % 40 30 5
Экологичность (наличие тяжелых металлов, специальные требования к утилизации) -+ + +
Средний пробег транспортных средств (электромобилей) между зарядками, км 70 150 200
Скорость движения транспортных средств, км/ч 50 60 140
Время заряда, ч (от 380 В) / (от 220 В) 0,25.0,35/6.8
Стоимость аккумуляторной батареи, р. 35 000.50 000
ется сокращение вредных выбросов из нефтяного топлива, за которые приходится расплачиваться усложнением и утяжелением силового агрегата.
В России ведутся работы по производству серии гибридных «ё-мобилей», которые оснащены двухтопливной системой (газ метан и бензин) и электродвигателем. Массовый выпуск «ё-мобилей» планируется на начало 2015 года в Санкт-Петербурге [4].
Первый российский электробус НЕФАЗ-52992, созданный специалистами НИИ Комбинированных энергоустановок совместно с ОАО «НЕФАЗ» (дочернее предприятие «КАМАЗа» в Башкирии), в 2012 году успешно прошел сертификацию. Новинка разработана по заказу фирмы «Лиотех» для нужд «Росатома».
Разработкой гибридных и электрических тя-гово-транспортных средств занимаются ученые сельскохозяйственных вузов России. В МГАУ им. В.П. Горячкина разработана концепция создания комбинированных энергоустановок для использования в тягово-транспортных средствах. Руками преподавателей и студентов кафедры автомобильного транспорта изготовлена экспериментальная модель комбинированной энергоустановки на базе автомобиля ВАЗ-21213«Нива» в 2003 году.
Показатели эффективности использования накопителя энергии в машинно-тракторных агрегатах представлены в табл. 2. Срок окупаемости электрических тягово-транспортных средств составляет от 3 до 5 лет в зависимости от типа используемой аккумуляторной батареи и тягово-транспортного средства.
Использование электромобилей кардинально решает проблему снижения токсичности отработанных газов двигателей, появляется возможность использования электроэнергии, получаемой из любого энергоносителя. Однако электроэнергия как вид энергоносителя для сельскохозяйственной техники имеет ряд существенных недостатков, к ним относятся: ограниченный запас хода, отсутствие развитой сети и большое время зарядки аккумуляторных батарей, высокая стоимость энергоемких аккумуляторных батарей. Хотя в личных подсобных и малых фермерских хозяйствах с малыми площадями пашни (до 1,0 га) весьма успешно нашли применения электрокультиваторы, электро-
Показатели эффективности использования накопителя энергии
в машинно-тракторных агрегатах
Увеличение выработки за 1 ч эксплуатационного времени, % Уменьшение эксплуатационных затрат на 1 ч, % Уменьшение затрат на топливо, % Увеличение выработки на 1 т металла агрегата, %
лебедки и другая техника, работающая напрямую от электросети.
Топливные элементы имеют множество разновидностей и могут выступать в качестве химических источников тока. Работы по производству автомобилей, работающих на водородном топливе, ведутся на известных автозаводах: Toyota (Toyota FCV), Hyundai (новая версия Tucson).
На первый взгляд, топливные элементы являются чуть ли не идеальным источником энергии. Их, в частности, отличает высокий (до 80 %) кпд, отсутствие вредных выбросов (единственный отход — вода), меньшая, чем у аккумуляторов масса, минимальное время заправки (3—5 мин) и запас хода между заправками порядка 500 км. Однако проблем при использовании топливных элементов тоже хватает. В качестве топлива используется водород — газ, который чрезвычайно тяжело хранить и транспортировать. К тому же водород крайне взрывоопасен, отличается высокой текучестью и способен просачиваться сквозь самые маленькие неплотности. Кроме этого, использование водорода связано с дополнительными организационно-техническими мероприятиями в части обеспечения требований производственной безопасности и получения разрешительной документации в Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор).
Можно заправлять машины жидким топливом, подходящим для получения водорода, например метанолом. Однако и тут не все безоблачно: машину нужно комплектовать реактором для разложения жидкого топлива, а побочный продукт реакции, углекислый газ, вызывает парниковый эффект. Водород в промышленности получают из метана, а метан является исходным веществом для синтеза метанола, причем синтез этот является многостадийным. Все это делает водородное топливо очень дорогим, да и сокращению выбросов в атмосферу никак не способствуют.
Альтернативный способ получения водорода — электролиз воды — требует существенных затрат электричества, что дает в итоге увеличение вредных выбросов от электростанций.
Современные методы получения водорода (из природного газа или электролизом воды) требуют больше энергии, чем полученный водород может дать; имеющихся станций водородной заправки недостаточно, а создание соответствующей инфраструктуры повлечет значительные расходы.
Перспективным может оказаться получение водорода из биомассы, но эти процессы находятся на стадии разработки.
Газ. Основным топливом используемым на сегодняшний день в России являются пропан-бута-новая смесь (в большинстве случаев используется на «Газелях») и сжатый природный газ — метан. Такое топливо прекрасно чувствует себя в современных двигателях и достаточно популярно. Но динамика цен на данный вид топлива не уступает нефтяному топливу.
Другим направлением использования природного газа является синтезирование из него жидкого топлива, близкого по своим свойствам к традиционному моторному топливу. За рубежом производство синтетического моторного топлива из природного газа освоено в промышленном масштабе. В России производство синтетического топлива из природного газа в промышленных объемах ведется в ХМАО (Сургутский завод стабилизации конденсата; Нижневартовский и Южнобалыкский газоперерабатывающие заводы), а также разработка процессов превращения природного газа в синтетическое топливо ведется на уровне лабораторных исследований в ряде академических и отраслевых институтов (Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН). В настоящее время стоимость синтетического топлива из природного газа равноценна нефтяному.
Биогаз — общее название горючей газовой смеси, получаемой при разложении органических субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения). В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % — из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % — из отходов сточных вод (установки в канализационно-очист-ных сооружениях). Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии — в 2010 году их насчитывается более 9000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное — используется для собственных нужд производителя. Дания биогазом обеспечивает почти 20 % энергопотребления страны.
Ежегодное производство отходов, генерируемых российским агропромышленным комплексом, составляет около 773 млн т. Применяя анаэробную конверсию для их переработки, можно получить около 66 млрд м3 биогаза (эквивалентны 33 млрд л бензина/дизтоплива или 110 млрд кВтч электроэнергии и 1 млрд ГДж тепла) и около 112 млн т высококачественных гранулированных удобрений.
Спирты имеют высокие октановые числа — более 100 ед., но меньшую по сравнению с нефтяными топливами теплоту сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а расход топлива увеличивается).
Начало крупномасштабной добычи нефти сделало применение спирта в качестве моторного топ-
лива невыгодным. Спиртовое автомобильное горючее пользуется определенной популярностью в Бразилии , где нет больших запасов нефти, но зато есть идеальные условия для выращивания сахарного тростника и производства из него дешевого спирта.
В настоящее время в качестве альтернативы используются смесевые топлива (смеси бензина с этанолом). Такие смеси обычно обозначают буквой Е (от слова этанол) и числом, показывающим содержание спирта в процентах. Наиболее распространено топливо Е10 или газохол, содержащее 10 % этанола. Оно широко используется в Дании, Таиланде и других странах.
Вместе с тем наибольший интерес сейчас проявляют к смесям с высоким содержанием этанола. Чаще всего говорят о топливе Е85, которое представляет собой смесь спирта (85 %) и бензина (15 %). Топливо Е85 достаточно активно используется в Швеции, быстрыми темпами растет его популярность и в США.
В России работа по созданию спиртового топлива ведется с 80-х годов прошлого столетия. Еще в 1990-е гг. «АвтоВАЗ» одобрил использование топ-лив, содержащих до 5 % этанола в качестве добавки, повышающей октановое число. А в 2004 г. был принят ГОСТ Р 52201—2004 на спиртосодержащие моторное топливо «бензанолы», в которых доля этанола составляет 5.10 %.
Первым в стране начал выпуск биоэтанола Завод ООО «Миранда» в Северной Осетии в 2011 году, но этот вид топлива пока популярностью у водителей не пользуется и стоит примерно как обычный бензин. В основном биоэтанол реализуется в Скандинавские страны и Прибалтику.
Октаноповышающие добавки на основе этанола в России выпускают: ЗАО «Нефтехимия» (Самара); КГУП «Хорский гидролизный завод» (Хабаровский край); ООО «Кировский биохимический завод» (Кировская область) и др.
Спирт и его смеси с бензином не замерзают, однако склонны к поглощению влаги. На определенном этапе это может привести к расслоению топливной смеси, что недопустимо.
У спиртового топлива имеется ряд существенных недостатков, таких как токсичность (особенно это касается метанола), коррозионная активность и агрессивность по отношению к алюминиевым сплавам, резине и другим конструкционным материалам, хотя конструктивные изменения в МТП для перевода их на спирт минимальны. Кроме этого, высоки акцизные ставки в производстве спирта.
В последнее время перспективным и альтернативным топливом для дизелей является димети-ловый эфир (ДМЭ). Как видно из представленной схемы (см. рисунок), ДМЭ (диметиловый эфир) может быть получен из различного сырья, что дает существенные преимущества перед другими энер-