Энергияның физикалық түсүнігін басқа, экономикалық, техникалық, саяси және тағы басқа да түсініктері бар

Адамзатқа энергия қажет және жыл сайын оның қажеттілігі артуда. Бірақ традициялды табиғи отындардың (мұнай, газ, көмір т.б.) қоры шексіз емес. Көбейткіш-реакторларда плутонийді пайда қылатын уран мен торий-ядролық отындардың де қоры шексіз емес.Термоядерлық отынның – сутегінің қоры шексіз болғанымен, бірақ адамның басқаруымен жүретін термоядерлық реакциялар жүзеге асырылған жоқ және де қашан жүзеге асырылатыны белгісіз. Тығырықтан шығудың екі жолы бар: энергоресурстарды экономды жұмсау және традициялды емес жаңартылатын энергия қорларын қолдану.

Бұл ғылыми жобада электр энергиясы көзінің альтернативті түрлері қарастырылады. Жер астынан алынатын отын түрлерінің азаю салдарынын жаңартылып отыратын энергия түрлері қолдануда - бұл энергия формалары өзінің жиналған қорымен шектелмеген. Осындай типті энергияның қолдануы энергия қорының азаюына әкелмейтінін білдіреді.

Жобаның мақсаты - ауыл шаруашылығында қолдануға болатын үй жануарларының қилары, құс саңғырығы анаэробты жағдайда ашыған кезде бөлініп шығатын биогаздардың энергиясының мөлшерін есептеп, оны электр энергиясына айналдырудың жолдарын қарастыру.

Ғылыми жобада қарастырылған энергияны түрлендіру схемасын «экоэнергетика» деп атауға болады, бұл термин қоршаған ортаны ластамай таза энергияны пайда қылатын әдістеді білдіреді. Ауыл шаруашылығында қажет органикалық тыңайтқыштардың пайда болуы, табиғи жағдайда өсімдіктермен жақсы өндірілетін көмірқышқыл газының пайда болуы электр энергиясын биогаздардан алуға деген сөзге қолдау береді.

І тарау. Электр энергиясы көзінің альтернативті түрлері

1. 
   Жел энергиясы
   

Біз ауалық мұхиттың түбінде-желдер әлемінде өмір сүреміз. Қозғалыстағы ауалық масалардың энергиясы орасан көп. Жел энергиясының қоры, ғаламшарымыздағы барлық өзендердің гидроэнергияларының қорынан жүз есе көп. Біз тұратын ауалық мұхитта тынышты емес. Біздің мемлекетіміздің төңірегінде соғатын желдер, елімізді электрэнергиясымен қамтамасыздандырады. Еліміздегі климаттық жағдайлар жел энергетикасының дамытуға қолайлы.

Әр түрлі авторлардың бағалауынша Жер бетіндегі жел энергиясының потенциялы 1200 ТВт дейін жетед, бірақ осы потенциалды қолдануға Жер бетінің әр төңірегінде біркелкі емес. Вертикаль қимадан өтетін жел қозғалысының қуаты, энергияны түрлендіруге жеткілікті болу үшін 20-30 м биіктікте желдің жылдық орташа жылдамдығы көп болуы қажет. Жел қозғалысының орташа жылдық меншікті қуаты 500Вт/м²-қа (желдің жылдамдығы 7 м/с ) жететін жерде орнатылған жел энергетикалық құрылғы 500 Вт/м²-тың 175-ін ғана электр энергиясына түрлендіреді.

Жел қозғалысының энергиясы жел жылдамдығының үшінші дәрежесіне пропорционал. Бірақ, идеалды құрылғының көмегіменде бұл энергияны толығымен электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік жоқ. Жел қозғалысының энергиясын пайдалы қолдану коэффициенті(ПҚК), теориялық есептеулер бойынша 59,3% құрайды. Басылымға шыққан мәліміттер бойынша, практикада жел энергиясының ең үлкен ПҚК-і реалды жел агрегатында жуықтап алғанда 50% жақын болады, бірақ бұл тек қана проектіде қарастырылған желдің оптималды жылдамдықтарында ғана. Одан басқа, жел қозғалысының энергиясының бір бөлігі механикалық энергия электр энергиясына түрленген кезде жоғалады, оның ПӘК-і 75-95%. Осының барлығын ескере отырып, реалды агрегат проектіде қарастырылған тұрақты жылдамдықтар диапозонында жұмыс істесе ғана, желдік агрегаттың меншікті электрлік қуаты жел қозғалысының қуатының 30-40%-ын құрайды. Бірақ кей-бір кезде, желдің жылдамдығы есептелген жылдамдықтардың шектерінен шығып кетеді. Бір жағдайда желдің жылдамдығы тым төмен болады, бұл жағдай да жел агрегаты жұмыс істей алмайды. Екінші жағдайда желдің жылдамдығы тым көп болады, бұл жағдайда агрегат істен шығып қалмау үшін оны тоқтатуға тура келеді. Егер желдің жылдамдығы номиналды жылдамдықтың мәнінен асса, генератордың номиналды қуатынан аспау үшін, желдің механикалық энергиясының барлығы қолданылмайды. Осы фактілердің барлығын ескере отырып жыл бойындағы электр энергиясының меншікіті шығарылуы жел энергиясының 15-30% -ын құрайды.

Жел агрегатының жұмыс істеу схемасы төмендегідей жасалған. Жел донғалағы динамо-машинаны-электр тогының генераторын қозғалысқа келтіреді. Бұл біруақытта параллель жалғанған аккумуляторлар батареясын зарядтайды. Аккумуляторлық батареялардың клеммаларындағы кернеу генератодың клеммаларындағы кернеуден азайғанда батарея автоматты түрде генраторға жалғанады да, керісінше жағдайда ағытылады.

Қазіргі кезде жел электрагрегаттары электр тогымен мұнайшыларды қамтамасыздандырады; олар жетуге қиын жерлерде жұмыс істейді, алыс аралдарда, Арктикада және үлкен халық топтары тұратын жерлерден алыс орналасқан мыңдаған ауылшаруашылдық фермаларда да жұмыс істейді. Мэн штатында тұратын американец Генри клюз екі мачта құрып оған екі жел двигателімен генераторларды орналастырды. әр-біреуі 6В, 60В және 2В-тан тұратын 20 аккумулятор оған желсіз күні жұмыс істейді, ал бензин двигателі оған резерв ретінде тұрады. Бір айда Клюз жел агрегаттарынан 250кВт*сағ энергия алады; бұл оған барлық шаруашылығын жарықтандыруға және электр аппаратураны(телевизо, тоңазытқыш т.б.) жұмыс істетуге жетеді.

Жел электрлік агрегаттарды кеңінен қолайлы жағдайларда қолдануға олардың қымбаттылығы кедергі жасайды

Қазіргі заманда жел электрлік генераторлардың әр-түрлі прототиптері шығарылған.

Құрылғыны проектілеуде ең үлкен қиыншылық ол кез келген желдің жылдамдығында пропеллердің айналу жиілігі біркелкі болуы тиіс.Өйткені генераторды желіге қосқанда ол жиілігі 60 немсе 50 Гц айнымалы ток тудыру керек. Сондықтан лопасттердің көлбеулік бұрышы реттеліп отырулы тиіс:жел күшті болғанда бұл бұрыш сүйірірек болуы тиіс, жел қозғалысы әлсіздеу болғанда бұл бұрыш арту керек. Лопасттерді реттеумен қатар генератор мачтада желге қарсы автоматты түрде айнауы тиіс.

1.2 Өзендер энергиясы
Ағындагы судың энергиясы көп мыңжылдықтар бойы адамзатқа қызмет етеді. Оның Жердегі қоры орасан көп. Күннен келетін энергияның біраз мөлшерін жұтатын, Әлем мұхиты аккумулятор ретінде қызмет етеді. Мұнда толлқындар, толықсумен пен қайтулар және алып мұхиттық ағындар пайда болады. Мұхиттар мен теңіздерге суын әкелетін қуатты өзендер туады. Адамзат энергия қорын іздеу жолында осындай энергия түрін шет қалдырмағандығы да түсінікті. Адамзат ең алғаш өзендер энергиясын қолдануға үйренді.

Қазіргі кездегі гидроэлектрлістанцияларда су үлкен жылдамдықпен турбиналардығы лопастеріне бағытталады. Судың механикалық энергиясы турбина бойымен генраторға беріледі және мұнда ол электр энергиясына айналады. Қуаты бойынша гидроэлектлістанциялар кішкентай (қуаты 0,2 Мвт-тан бастап), кішкене (2 Мвт-тан), орташа (20 Мвт-қа дейін) және үлкен (20 Мв-тан үлкен). Судың ағу жылдамдығы гидроэлектростанцияларды бөлудің екінші критериі.

ГЭС-ді құруға өте көп шығындар кетеді. Бірақ ол шығын компенсацияланады. Қазіргі замандағы жоғарлы инженерлі деңгейде проектілендірілген ГЭС-тердің қуаты 100 МВт-ты асады, ал олардың ПӘК-і 95%-ды құрайды.

Турбина - энергетикалық ең пайдалы машина, өйткені су өзінің ілгерілмелі қозғаласан оңай айналмалы қозғалысқа аустырады.

Қоршаған ортаның ластанбауы, эксплуатацияның қарапайымдылығы және табиғаттың өзімен орнына келетін энергия қоры гидроэлектростанциялардың ерекшеліктері. Бірақ үлкен гидроэлектростанцияға плотинаны құру өте күрделі есеп болып шықты. Қуатты гидротурбиналарды айналдыру үшін плотинаның артында өте көп су жинау керек. Египеттік пирамидаларды құруға жұмсалған материал мен салыстырғанда плотнаны құруға қажет материал орасан көп.

Сондықтан ХХ ғасырда бірнеше ғана гидроэлектростанциялар салынды.

Бірақ адамзатқ жердің гидроэнергетикалық потенциалын аз ғана бөлігін қолдануда. Жыл сайын жаңбірден, қар еруінен теңіздерге ағатын су ағынндары қолданусыз қалады.

1.3 Геотермалдық энергия

Жер, бұл кішкентай жасыл ғаламшар,- біздің ортақ үй. Басқа ғаламшарлардың миридаларымен салыстырғанда Жер онша үлкен емес: оның үлкен бір бөлігінде жасыл өсімдіктер өмір сүріп жатыр. Бірақ бұл ғажап та және тыныш ғаламшар кейбір уақытта мінезін көрсетеді, бұл уақытта онымен ойнап керегі емес-ол осы мезгілде жылдар бойы өзі ақысыз берген марапаттарын жоққа ұшыратады. Үлкен апаттар-тайфундар мен смерчтер мыңдаған өмірлерді әкетеді, ешкімге бағынбайтын өзендер мен теңіздердің сулары өз алдында бәрін бұзады, орман өрттері саналған уақыттың ішінде үлкен аймақтарды оның құрылыстары мен егіндерімен жоғалтады.

Бірақ бұның бәрі оянған вулкан мен салыстырғанда ештеңе емес.

Жер шарының ішінде тығылулы тұрған орасан көп энергияның стихиялық шығуымен адамзат көптен бері таныс. Кішкене ғана вулканның атқылауының қуаты керемет, оның қуаты, адамның қолымен жасалған, алып энергетикалық құрылысатдың қуатынан көп есе артады. Шынын айтқанда, атқылап тұрған вулканның энергиясын тікелей қолдануға мүмкін емес, өйткені бұл бағынбайтын стихияны адамзаттың бағындыруға шамасы жетпейді және бағымызға қарай, бұл вулкандардың атқылауы өте сирек оқиға. Бұл атқылап тұрған вулканның энергиясы, жер ішінде тығылған шексіз энергияның аз ғана бөлігі.

Жер энергетикасы – геотермалдық энергетика Жердің табиғи жылулық энергиясын қолдануды өзінің базалық нүкте ретінде алады. Бір киломметр тереңдікті есепке алып Жер қыртысының үстіңгі қабатының темературалық градиенті 20-30⁰С, және, Уайттың мәліметтері бойынша(1965 ж.), тереңдігі 10 км жер қыртысының жылу мөлшері 12*10²⁶Дж. Бұл жылулық ресурстар 4,6*10¹⁶т көмірдің жылулық ресурсына эквивалентті. Бұл техникалық және экономикалық әлемдегі көмір ресурстарының жылулық ресурстарынан 70 мыңнан астам рет көп. Бірақ, жер қыртысының үстінгі қабатындағы (10 км тереңдікке дейін) геотермалдық жылулық, оның көмегімен әлемдегі энергетикалық проблемаларды шешу үшін өте жайылған. Өнеркәсіпте қолдану үшін қажет ресурстар жекелеген геотермалдық энергияның қайнар көздері ретінде берілген, олар қолайлы тереңдікте шоғырланған, өздерінің температурасы және көлемі электр энергия ретінде немесе жылу ретінде қолдану үшін жеткілікті.

Геологиялық тұрғыдан геотермалдық энергоресурстарды конвективті гидротермалдық жүйелерге, вулкантекті ыстық жүйелер және жоғары жылулық ағынды жүйелер секілді үш топқа бөлуге болады.

1. 
   Гидротермалдық жүйелер
   

Табиғи ыстық суы бар орындарда, электр энергияны өндіру үшін буды қолдану негізге алынған әдіс қолданылады. Бұл бу ыстық сұйықтың жер бетіне шыққанда пайда болады. Бұл әдісті бассейннен скважина бойлай келе жатқан ыстық сұйықтың жоғарлаған сайын оның қысымы азаяды, осы кезде сұйықтың 20% қайнайды да буға айналады. Бұл бу сепаратордың көмегімен судан айырылады да турбинаға бағытталады. Сепаратордан шыққан су өзінің минералды құрамына байлансты әрі қарай қолданылады.

Жоғары немсе орташа температуралы геотермалды сулардың негізінде электр энергияны өндіру үшін тағы бір әдіс қолданылады. Бұл әдісте бинарлы цикл қолданылады. Бұл процессте бассейннен алынған су екінші контурдағы жылутасымалдаушыны (фреон, изобутан) қыздыруға қолданылады. Фреон мен изобутанның қайнау температурасы төмен. Бұл сұйықтардың қайнауынан пайда болатын бу, турбинаны айналдыру үшін қолданылады. Жұмыс істеген бу конденсацияланады да, тағы да жылуалмастырушы арқылы өткізіледі. Мұндай құрылғылар электр энергияны өндіру үшін қолайлы жерде орналасқан ауылды мекендерде қолданыс табыла алады.

2. 
   Вулкантекті ыстық жүйелер
   

3. 
   Жоғары жылу ағындағы жүйелер
   

Геотермалды жүйелердің үшінші типтері жылу ағынының жоғары мәндері бар аймақтардың терең бассейндерде орналасқан. Париждегі немесе Венгриядағы секілді бассейндерде скважинадан келетін судың температуралары 100⁰С дейн жетеді. Осындай категорялы қайнар көздері грунт бойымен өтетін жылу ағыны сіңірілмейтін глина пласттарының изоляцияланған қамауда қалатын орналасқан.

Мұндай жерлердегі судың температурасы 150⁰С-180⁰С дейін жетеді, ал қысымы скважинаның басында 28-56МПа дейін жетеді.

ІІ тарау. Үй жануарлаының экскременттерінен бөлінетін биогаздың құрамы
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
  

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.
  

• 
  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.
  

Төмендегі №2 кестеде үй жануарларының биогазаының өнімі көрсетілген.

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.