Исследование преобразования механической и тепловой энергии сточных вод в электроэнергию

Автор: Ермошкин Леонид Германович. Магистр 1 курса СПбПУ Петра Великого

В научной статье «Исследование преобразования механической и тепловой энергии сточных вод в электроэнергию» рассматривается проблема использования энергетических установок, работающих на основе возобновляемых источников энергии. В статье представлен расчет использования механической и тепловой энергии сточных вод для города Сочи.

На основе полученных результатов сделаны выводы об эффективности использования тепловой и механической энергии сточных вод.

Использование энергетических установок, работающих на основе возобновляемых источников энергии, наиболее полно отвечает требованиям обеспечения приоритета социальных целей в развитии электроэнергетики, повышения безопасности и экологической чистоты при производстве электрической энергии.

Предметом моего исследования является один из альтернативных видов возобновляемой энергии, а именно низкопотенциальной тепловой энергии сточных вод.

Существует несколько методов для преобразования энергии сточных вод в электроэнергию:

1)    Гидроэнергетика: Это один из наиболее распространенных способов использования энергии сточных вод. Гидроэнергетика основана на использовании кинетической энергии потока сточных вод для вращения турбин, которые в свою очередь приводят генераторы, производящие электроэнергию. Это может быть как небольшая микротурбина, установленная в обычную канализационную трубу, так и небольшая микро-гидроэлектростанция, стоящая после очистных сооружений.

2)    Тепловые насосы: Водные системы также могут содержать значительное количество тепловой энергии. Тепловые насосы могут использовать низкопотенциальную тепловую энергию при поверхностных слоях земли для извлечения и преобразования ее в электроэнергию.

В работе рассмотрена технология использования тепловой и механической энергии сточных вод в Южном регионе на примере системы очистки сточных вод города Сочи (~450 тыс. человек), и проведены расчеты ее энергетической эффективности.

Для оценки использованы следующие исходные данные:

1)  среднее потребление воды в месяц на одну семью из трех человек в г. Сочи составляет: холодная вода – 18 м³/мес., горячая вода – 12 м³/мес.;

2)    тариф за электроэнергию s = 5 руб/кВт·ч;

3)    плотность сточных вод при температуре 30 ^оС  ρ = 995,68 кг/м³;

4)    средний расход на одного человека в месяц:

V_чел = (18 м³ + 12 м³)/3 = 10 м³;

5)    объем сточных вод, который образуется в месяц со всего города составляет:

V_гор = 10·450000 = 4,5·10⁶ м³

6)    Масса сточных вод составляет:

m = V_гор·ρ = 4,5·10⁶·995,68 = 4,48·10⁹ кг.

Расчет механической энергии

Для использования механической энергии предлагается строительство мини-ГЭС на сточной части после очистных сооружений города Сочи.

Мощность мини-ГЭС на очистных сооружениях рассчитана по формуле:

P = 9,81·Q·H·  ,

где

выходной коллектор имеет перепад с выходом в море ~20 м, поэтому принимаем на мини-ГЭС напор турбины Н = 20 м;

Q – расход воды через турбину, м³/с;

 – коэффициент полезного действия турбины, равный 0,85.

В очистных сооружениях со всего города собирается 4,5·10⁶ м³ сточных вод в месяц, тогда средний расход составит:

Q = V/t = 4,5·10⁶ / (30·24·3600) = 1,74 м³/с;

Таким образом, мощность мини-ГЭС будет равна:

P = 9,81·Q·H= 9,81·1,74·20·0,85 = 290,18 кВт.

Среднегодовая выработка энергии мини-ГЭС определяется по формуле:

Э_ср.год = P ⋅ ,

где  – число часов работы мини-ГЭС за год; 0,9·  = 0,9·8760 = 7884 ч

Получаем:

Э_ср.год = 290,18·7884 = 2287779,12 кВт⋅ч = 2287,78 МВт⋅ч

Доход от производства электрической энергии мини-ГЭС составит:

S_ээ = Э_ср.год s = 2287779,12 · 5 = 11438895,6 руб. = 11,44 млн. руб./год.

Экономическая эффективность от выработки электроэнергии мини-ГЭС для г. Сочи составляет 11,44 млн. руб./год.

Расчет тепловой энергии

Для определения эффективности использования тепловой энергии рассматриваем тепловой насос. Будем считать, что создается экологически чистый энергетический комплекс, а электрическая энергия, производимая мини-ГЭС, расходуется на обслуживание теплового насоса. Сточная вода, используемая для предварительного нагрева холодной воды, охлаждается на 3 ^оС.

Тогда тепловая энергия в месяц составляет:

E = cm·Δ·t = 4200 4,48·10⁹ 3 ≈ 5,64·10¹³ Дж ≈ 1,6·10⁷ кВт·ч

(c = 4200 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость воды, m = 4,48·10⁹ кг).

Затраты электрической энергии на привод теплового насоса при коэффициенте теплотрансформации 1:4 определяются по формуле:

Э_ээтн = Э_тэ/4,

где Э_ээтн – затраты электрической энергии теплового насоса; Э_тэ – тепловая энергия, Э_тэ = E = 1,6·10⁷ кВт·ч.

Получаем:

Э_ээтн = 1,6·10⁷/4 = 4·10⁶ кВт·ч

Среднемесячная выработка энергии мини-ГЭС составит:

Э_ср.мес = P⋅0,9 = 290,18⋅0,9⋅720 = 188036,64 кВт⋅ч = 1,8·10⁵ кВт·ч 

Далее определяется процент тепловой энергии в сточных водах за месяц:

Э_ээтн / Э_ср.мес ⋅ 100% = 1,8·10⁵/ 4·10⁶ ⋅ 100% = 4,5%

Таким образом, тепловая энергия с использованием теплового насоса в месяц составляет:

E_тс = (Э_ээтн / Э_ср.мес)⋅Q = 0,045⋅1,6·10⁷ = 7,2·10⁵ кВт·ч

Доход от преобразования электрической энергии с технологии теплового насоса в месяц составит:

S_ээ = E_тс⋅s = 7,2·10⁵ ·5 = 3,6 млн. руб.

Экономическая эффективность от технологии использования теплового насоса для всего города составляет 3,6 млн. руб. в месяц или 43,2 млн. руб./год.

Вывод

1)    Проведена оценка количества механической и тепловой энергии сточных вод для города Сочи: значение среднегодовой выработки энергии МГЭС со всего объема сточных вод составляет Э_ср.год = 2287,78 МВт⋅ч, что обеспечивает экономию в 11,44 млн. руб./год; тепловая энергия в месяц со всего города с применением технологии тепловых насосов и энергетического комплекса составила 7,2·10⁵ кВт·ч, что обеспечивает экономию в 43,2 млн. руб./год.

2)    Таким образом, использование энергии сточных вод позволит экономить энергию, снизить ее стоимость и экологическую нагрузку на окружающую среду, что повысит энергетическую, экологическую и технико-экономическую эффективность в нашей стране.