Файл: Виготовлення.pdf

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ МІСЬКОГО
ГОСПОДАРСТВА імені О. М. БЕКЕТОВА
НАПРЯМИ РОЗВИТКУ АЛЬТЕРНАТИВНИХ
ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГІЇ:
АКЦЕНТ НА ТВЕРДОМУ БІОПАЛИВІ
ТА ГНУЧКИХ ТЕХНОЛОГІЯХ ЙОГО
ВИГОТОВЛЕННЯ
М
ОНОГРАФІЯ
Харків
ХНУМГ ім. О. М. Бекетова
2017

УДК 658.567:630*33:621.8.036
ББК 31.352+37.130.9
Н27
Авторський колектив:
Олександр Сергійович Полянський,доктор технічних наук – вступ, розділ 3
(п. 3.2), розділ 5 (п. 5.3), розділ 6 (п. 6.2, 6.5), висновки;
Олексій Васильович Дьяконов – розділ 2 (п. 2.5), розділ 3, розділ 4, розділ 5, розділ 6, висновки;
Олена Сергіївна Скрипник, кандидаттехнічнихнаук – розділ 2 (п. 2.2);
Герман Вікторович Фесенко,кандидаттехнічнихнаук – розділ 2
(п. 2.1, 2.3, 2.4);
Василь Іванович Д’яконов,кандидаттехнічнихнаук – розділ 1;
Юрій Володимирович Харченко – розділ 6 (п. 6.6);
Артем Сергійович Торосов, кандидат економічних наук – розділ 6 (п. 6.6);
Вікторія Вікторівна Волощенко, кандидатветеринарнихнаук – розділ 3
(п. 3.3)
Рецензенти:
Віктор Федорович Харченко,доктор технічних наук, професор,проректор з наукової роботи ХНУМГ ім. О. М. Бекетова;
Борис Володимирович Клименко, доктор технічних наук,професор кафедриелектричні апарати НТУ «Харківський політехнічний інститут»;
Володимир Едуардович Абракітов, кандидаттехнічнихнаук,доцент кафедри охорони праці та безпеки життєдіяльності,ХНУМГ ім. О. М. Бекетова
Рекомендовано до друку Вченою радою ХНУМГ ім. О. М. Бекетова,
протокол № 5 від 27 листопада 2015 р.
Н27
Напрями розвитку альтернативних джерел енергії: акцент на твердому біопаливі та гнучких технологіях його виготовлення : монографія /
О. С. Полянський, О. В. Дьяконов, О. С. Скрипник та ін. [за заг. ред.
В. І. Д’яконова] ; Харків. нац. ун-т міськ. госп-ва ім. О. М. Бекетова. – Харків :
ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2017. – 136 с.
ISBN 978-966-695-411-7
Подано аналіз опублікованих досліджень, наведено завдання й отримані авторами результати у сфері надання енергетичної безпеки України. Розглянуто гнучкі технології отримання та використання твердого біопалива з рослинних відходів.
Рекомендовано для фахівців і науковців, які працюють у галузі проектування альтернативних джерел енергії, вирішення питання національної енергетичної безпеки держави, а також викладачам, аспірантам, студентам вищих навчальних закладів, та всім хто цікавиться питанням організації виробництва.
УДК 658.567:630*33:621.8.036
ББК 31.352+37.130.9
© В. І. Д’яконов та колектив авторів, 2017
ISBN 978-966-695-411-7
© ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2017

3
ЗМІСТ
ВСТУП …………………………………………………………………..….. 5
РОЗДІЛ 1 НЕГАТИВНИЙ ВПЛИВ ЕНЕРГЕТИКИ
НА СТАН НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА............. 7 1.2 Сучасні проблеми енергетики............................................................ 7 1.2 Напрями розвитку альтернативних джерел енергії......................... 9
РОЗДІЛ 2 ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ВІДНОВЛЮВАНОЇ
ЕНЕРГЕТИКИ........................................................................... 14 2.1 Вітроенергетика................................................................................... 14 2.1.1 Стисла характеристика розвитку вітроенергетичної галузі.… 14 2.1.2 Сучасний стан розвитку вітроенергетичної галузі................... 19 2.1.3 Потенціал використання вітроенергетики в Україні............... 20 2.2 Гідроенергетика................................................................................... 21 2.2.1 Стисла характеристика розвитку гідроенергетичної галузі..... 21 2.2.2 Сучасний стан розвитку гідроенергетичної галузі................... 22 2.2.3 Потенціал використання гідроенергетики в Україні................ 24 2.3 Сонячна енергетика............................................................................. 25 2.3.1 Стисла характеристика становлення сонячної енергетики….. 25 2.3.2 Потенціал використання сонячної енергетики в Україні......... 28 2.4 Геотермальна енергетика.................................................................... 28 2.4.1 Стисла характеристика розвитку геотермальної енергетики... 28 2.4.2 Сучасний стан геотермальної енергетики у світі..................... 29 2.4.3 Потенціал використання геотермальної енергетики в Україні…………………………………………….…………... 31 2.5 Біоенергетика....................................................................................... 32
РОЗДІЛ 3 БІОЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ УКРАЇНИ............... 34 3.1 Проблеми визначення єдиної назви термінів «біомаса»,
«біопаливо» і «біоенергія»................................................................. 34 3.2 Перспективи використання рослинних відходів для виробництва твердого біопалива.............................................................................. 38 3.2.1 Розрахування відходів деревної біомаси.................................. 43 3.3 Енергетичні рослини........................................................................... 45 3.4 Уживана деревина............................................................................... 50
РОЗДІЛ 4 ТВЕРДЕ БІОПАЛИВО............................................................ 52 4.1 Характерні особливості твердого біопалива.................................. 52 4.2 Технологія виробництва паливних гранул із рослинних відходів...........................................................................................
59 4.3 Методи одержання енергії з рослинних відходів........................... 62

4
РОЗДІЛ 5 РІЗНОВИДИ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ЇХНЄ
ЗАСТОСУВАННЯ В ГНУЧКИХ ТЕХНОЛОГІЯХ
БРИКЕТУВАННЯ ПОДРІБНЕНИХ РОСЛИННИХ
ВІДХОДІВ................................................................................... 72 5.1 Форма і зміст процесів моделювання............................................... 72 5.2 Теоретичні основи створення засобів математичного, аналогового й фізичного моделювання............................................ 73 5.2.1 Натурне й напівнатурне вимірювання....................................... 75 5.2.2 Фізичне моделювання.................................................................. 75 5.2.3 Математичні моделі..................................................................... 77 5.3 Математичне моделювання брикетування подрібнених рослинних відходів............................................................................. 78 5.3.1 Побудова математичної моделі формування брикетів з подрібненої деревини під дією ударного навантаження..... 79 5.3.2 Побудова математичної моделі процесу ущільнення біосуміші під дією ударного навантаження............................ 83
РОЗДІЛ 6 ПРАКТИЧНЕ ВИРІШЕННЯ ПРОБЛЕМИ
ВИКОРИСТАННЯ ГНУЧКИХ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ
ВІДОЗМІНИ РОСЛИННИХ ВІДХОДІВ У ТВЕРДЕ
ПАЛИВО ................................................................................... 89 6.1 Гнучкі технології біообробних процесів.......................................... 89 6.2 Принципи проектування гнучких систем утилізації рослинних відходів................................................................................................ 94 6.3 Розроблення й дослідження роботи ефективної багатоваріантної гнучкої технології утилізації рослинних відходів........................... 100 6.4 Оцінка впливу тривалості інтервалів часу надходження відходів на продуктивність технологічної лінії.............................................. 105 6.5 Вплив дозавантаження обладнання цеху деревною сировиною від рубок догляду за лісом (парком)..................................................107 6.6 Економічна ефективність та екологічні наслідки промислового виробництва біоенергії....................................................................... 109
ВИСНОВКИ................................................................................................... 118
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.................................................. 119
ДОДАТКИ....................................................................................................... 131

5
ВСТУП
Світова спільнота розглядає використання місцевих альтернативних джерел енергії як один із перспективних шляхів вирішення зростаючих проблем енергозабезпечення [12]. Невичерпність ресурсної бази та її екологічна чистота є визначальними перевагами за умов зменшення ресурсів органічного палива та зростаючих темпів забруднення довкілля.
Місцева біомаса є одним з найбільш потужних і доступних альтернативних джерел енергії на Землі [82, 83].
Протягом багатьох століть, принаймні на території України, вона була основним джерелом енергії; і на сьогодні біомаса посідає четверте місце у світі як паливо. Вона забезпечує до 15 % загальносвітового виробництва енергії і належить до найдинамічнішого сектору енергетики країн ЄС,
США і Канади. Виокремлюють два різновиди біомаси: рослинну, що утворюється на основі фотосинтезу і включає різні види рослин, і тваринного походження, що становить собою відходи життєдіяльності і переробки тварин. Згідно з міжнародною класифікацію, до рослинної біомаси належить і торф [1, 12].
У багатьох розвинених країнах стратегічним питанням національної енергетичної безпеки є зменшення залежності від імпорту енергоносіїв.
Україна вважається енергодефіцитною країною, яка щороку споживає близько 200 млн тонн умовних одиниць паливно-енергетичних ресурсів, забезпечуючи потреби щодо енергоспоживання приблизно на 53 %. Однак український ринок біопалива досі не сформований. Про це свідчить відсутність систем сертифікації та стандартизації, що призводить до утворення значного обсягу низькоякісної продукції, повільного розвитку логістики та нестабільності ціноутворення. Вирішити проблеми розвитку внутрішнього ринку можна, наблизивши європейські біопаливні стандарти до реалій вітчизняної економіки [4, 135–137].
Україна, у якій проблеми енергозабезпечення не вирішені і яка прагне в майбутньому стати членом європейської спільноти, повинна будувати свою енергетичну політику з урахуванням цього перспективного напряму.
Пропонована монографія адресована всім, хто вивчає проблеми енергозбереження, розвитку альтернативних джерел енергії, ресурсної бази регіону, використання новітніх технологій в енергетиці. Матеріали монографії можуть бути використані у практичній господарській діяльності для забезпечення стабільної роботи підприємства, фірми,

6
особистого домогосподарства, отримання нових знань.
Автори висловлюють подяку академіку Академії безпеки та основ здоров’я, Міжнародної академії наук екології та безпеки життєдіяльності
Володимиру Едуардовичу Абракітову та доценту кафедри Світлані
Аркадіївні Грязновій за надану допомогу у написанні монографії.

7
РОЗДІЛ 1 НЕГАТИВНИЙ ВПЛИВ ЕНЕРГЕТИКИ НА СТАН
НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА
1.1 Сучасні проблеми енергетики
У житті сучасного суспільства найважливішу роль відіграють енергетика, економіка та екологія. Енергетика є визначальною, оскільки вона впливає на розвиток і економіки, і екології. Вона значною мірою обумовлює економічний потенціал держав і добробут населення, а також найбільше впливає на довкілля, екосистеми й біосферу загалом. Будь-які екологічні проблеми (зміна клімату, кислотні опади, загальне забруднення середовища тощо) прямо чи опосередковано пов’язані з виробництвом або використанням енергії.
Енергетична галузь спричиняє не тільки хімічні, але й інші забруднення: теплове, аерозольне, електромагнітне, радіоактивне. Отже, не буде перебільшенням те, що вирішення енергетичних проблем обумовлює вирішення основних екологічних проблем.
Енергетика, як галузь виробництва, розвивається дуже швидкими темпами, тому гарантування енергетичної безпеки та зниження антропогенного впливу енергетики на довкілля – важливе завдання сьогодення.
Розвиток у ХХ ст. «технічної цивілізації» супроводжується стрімким збільшенням енергоспоживання
[4].
За оцінками
Міжнародного енергетичного агентства, споживання енергії у світі впродовж останніх
30-ти рр. зросло більше ніж на 3 % на рік. Приріст народонаселення
(2 % на рік) і темпи економічного розвитку в ХХІ ст. зумовлять збільшення обсягів світового виробництва продукції у 3–5 разів – до 2050 р. і в
10–15 разів – до 2100 р. Але в такому разі енергозабезпечення повинно збільшитися у 3–5 разів. Швидкі темпи розвитку енергетики спричинили появу низки гострих проблем [11, 18].
Найважливішою стала проблема ресурсозабезпеченості енергетичного господарства. З одного боку, сумарні запаси паливних ресурсів на сьогодні досить великі, до того ж щороку відкривають нові поклади викопного палива. Крім того, сучасні технології забезпечують доступ до використання нетрадиційних джерел енергії. Отже, абсолютного дефіциту енергетичних ресурсів на планеті поки що не існує.
З іншого боку, спостерігається відносна ресурсна обмеженість,

8
зумовлена можливістю швидкого вичерпання найбільш доступних родовищ і переходом до розроблення більш складних, що спричиняє подорожчання енергоносіїв і робить використання більшої частини паливних ресурсів нерентабельним.
Найбільше загострилися проблеми, пов’язані з негативним впливом енергетичної галузі на стан навколишнього середовища [18, 21, 22].
Викиди під час проведення таких робіт становлять 30 % усіх твердих часток, що надходять у атмосферу внаслідок господарської діяльності людини. За цим показником вплив електростанцій і підприємств металургії однаковий порівняно з іншими галузями промисловості він найбільший.
Крім того, унаслідок діяльності енергетичної галузі промисловості утворюється до 63 % сірчаного ангідриду і понад 53 % оксидів озону, які надходять у повітря зі стаціонарних джерел забруднення. Вони є основним джерелом кислотних дощів в Україні. Рослини та океан уже не в змозі поглинути таку кількість оксиду вуглецю, що утворюється внаслідок спалювання органічних речовин. Це призводить до поступового збільшення її концентрації в атмосфері, посилюється «парниковий ефект», що спричиняє потепління клімату [18].
Якщо тенденція до зростання споживання енергетики та викидів двоокису вуглецю збережеться, то вже до 2025 року на Землі потеплішає на 2°С, що призведе до глобальних катастрофічних наслідків: переміщення кліматичних зон, зникнення багатьох різновидів рослин, зменшення лісових площ, збільшення пустель, танення льодовиків тощо.
Негативно на екологію України впливає гідроенергетика. Будування гідровузлів на Дніпрі призвело до затоплення великих площ. Утворення водосховищ вплинуло на підвищення рівня навколишніх ґрунтових вод, що спричинили інтенсивне руйнування берегів. Існує небезпека руйнування гребель, що може призвести до зникнення таких міст, як
Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ, Запоріжжя тощо внаслідок їхнього можливого затоплення. Виникає небезпека голоду, хвороб, масових міграцій населення із зон екологічного лиха.
Витрачання викопних видів палива і деревини порушує баланс кисню в атмосфері, оскільки на 1 т органічного палива при цьому витрачається більш ніж 2 т чистого кисню. Збільшення його споживання на техногенні потреби та зменшення відтворення внаслідок вирубування лісів призводить до виникнення небезпеки дефіциту кисню.

9
Необхідність подолання відсталості країн, що розвиваються, збільшення в них населення потребує швидкого розвитку енергетики, зростання енергоспоживання.
Негативні прояви у сфері енергетики можуть нейтралізувати такі заходи:
– підвищення ефективності використання енергії (за нинішнього рівня розвитку техніки сумарне споживання енергетики можна зменшити на
35–40 %);
– зменшення шкідливих викидів в атмосферу внаслідок запровадження технологій очищення відпрацьованих газів;
– змінення структури паливно-енергетичного балансу шляхом розвитку альтернативної енергетики.
1.2 Напрями розвитку альтернативних джерел енергії
Сучасна енергетика в основному базується на невідновлюваних джерелах енергії, які, маючи обмежені запаси, є вичерпаними і не можуть гарантувати стійкий розвиток світової енергетики на тривалу перспективу, а їх використання – один з головних чинників, що призводить до глобального погіршення стану навколишнього середовища і її кризового стану.
Альтернативна енергетика це сфера енергетики, що забезпечує вироблення електричної, теплової та механічної енергії з альтернативних джерел енергії.
Альтернативні джерела енергії - відновлювані джерела енергії, до яких належать енергія сонячна, вітрова, геотермальна, енергія хвиль та припливів, гідроенергія, енергія біомаси, газу з органічних відходів, газу каналізаційно-очисних станцій, біогазів, та вторинні енергетичні ресурси, до яких належать доменний та коксівний гази, газ метан дегазації вугільних родовищ, перетворення скидного енергопотенціалу технологічних процесів.
Основні напрями альтернативної енергетики.
1. Вітроенергетика. Розробка автономних вітрогенераторів.
2. Геліоенергетика. Сонячні водонагрівачі, колектори, фотоелектричні елементи.