XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Безуглеродная энергетика

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Аманов Б.В. 1Коростелева М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире проблема изменения климата и загрязнения окружающей среды становится все более актуальной. Одним из главных источников выбросов парниковых газов являются теплоэлектростанции (ТЭЦ) - объекты, которые производят электроэнергию и тепло путем сжигания ископаемых топлив.

Декарбонизация на ТЭЦ - это процесс снижения выбросов парниковых газов и повышения экологической эффективности этих объектов. Улучшение экологического состояния ТЭЦ не только снижает негативное воздействие на окружающую среду, но и способствует достижению глобальных целей по снижению парниковых эмиссий.

Исследовательская работа в области декарбонизации на ТЭЦ имеет важное значение для разработки и внедрения новых технологий, которые позволят снизить выбросы парниковых газов и повысить энергетическую эффективность.

В данной исследовательской работе рассматривается проблема декарбонизации на ТЭЦ и захват парниковых газов. Будут рассмотрены технические и технологические решения, такие как технологии захвата и хранения углерода. Также будет проведен анализ эффективности этих решений, их экономической целесообразности и возможности практической реализации.

Цель: построить модель ТЭЦ с улавливателем CO2, используя LEGO, для демонстрации процесса декарбонизации и эффективного использования ресурсов.

Задачи:

1. Изучение принципов работы и основных компонентов ТЭЦ.

2. Изучение работы и принципов улавливателя CO2, используемого на ТЭЦ.

3. Выбор типовых деталей LEGO, которые могут использоваться для воплощения модели ТЭЦ.

4. Разработка плана и дизайна модели ТЭЦ, включающего основные компоненты, такие как котлы, турбины, генераторы и систему улавливания CO2.

5. Воплощение модели ТЭЦ из LEGO, следуя разработанному плану и дизайну.

6. Разработка механизмов, которые будут демонстрировать работу основных компонентов ТЭЦ, включая подачу топлива, горение, движение турбин и генерацию электроэнергии.

7. Разработка и внедрение механизма улавливания CO2, чтобы показать процесс очистки выбросов парниковых газов.

8. Тестирование и доработка модели и механизмов, чтобы обеспечить их правильное функционирование и эффективность.

9. Демонстрация модели ТЭЦ с улавливателем CO2, объяснение принципов работы и эффектов декарбонизации.

Построение модели ТЭЦ и улавливателя CO2 из LEGO предоставляет уникальную возможность визуально и практически представить процесс декарбонизации и позволяет обучать и просветить людей о значимости экологических решений в энергетической отрасли.

Глава 1. Энергетика в России

В зависимости от используемого источника выделяют определенные виды электростанций. Рассмотрим каждую из них подробнее, выделив особенности, принцип работы, области применения. Помимо традиционных источников энергии, на базе которых функционируют тепловые, атомные, гидроэлектростанции, в последнее время государство стало уделять внимание применению и альтернативных источников энергии [1].

1. 1. Классификация электростанций

Все электростанции делят на следующие группы [2]:

• Тепловые электростанции. Виды природного топлива, применяемого на них, позволяют делить их на теплофикационные и конденсационные станции(рисунок 1.1.1, Приложения).

• Гидроаккумулирующие и гидравлические электростанции функционируют за счет энергии падающей воды (рисунок 1.1.2, Приложения).

• Атомные станции используют энергию ядерных превращений (рисунок 1.1.3, Приложения).

• Дизельные электростанции (рисунок 1.1.4, Приложения).

• ТЭС с парогазовыми или газотурбинными установками.

• Солнечные электростанции (рисунок 1.1.5, Приложения).

• ГЕОТЭС (геотермальные электрические станции) (рисунок 1.1.6, Приложения).

• Приливные станции (рисунок 1.1.7, Приложения).

Эти виды электростанций используют для работы тепло- и электроэнергетику. Самым удобным видом является электрическая энергия. Превращение первичной энергии в нее осуществляется на электрических станциях.

Основные виды электростанций в нашей стране: тепловые, атомные, гидроэлектростанции. Больше половины энергии вырабатывают ТЭС. Они строятся в тех районах, где осуществляется добыча топлива, либо на местности с потреблением энергии. ГЭС целесообразно строить на горных полноводных реках, поэтому такие станции появились на Ангаре, Енисее.

Эти виды электростанций в России есть и на Волге. На долю ГЭС приходится около 67% вырабатываемой в стране электрической энергии. Разные виды атомных электростанций в России располагаются в западной части страны, где наблюдается повышенное потребление энергии.

Глава 2. ТЭЦ. Принцип работы

Принцип работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) основан на уникальном свойстве водяного пара – быть теплоносителем. В разогретом состоянии, находясь под давлением, он превращается в мощный источник энергии, приводящий в движение турбины теплоэлектростанций (ТЭС) — наследие такой уже далекой эпохи пара.

Первая тепловая электростанция была построена в Нью-Йорке на Перл-Стрит (Манхэттен) в 1882 году (рисунок 2.1, Приложения). Родиной первой российской тепловой станции, спустя год, стал Санкт-Петербург. Как это ни странно, но даже в наш век высоких технологий ТЭС так и не нашлось полноценной замены: их доля в мировой энергетике составляет более 60 %.

И этому есть простое объяснение, в котором заключены достоинства и недостатки тепловой энергетики. Ее «кровь» — органическое топливо – уголь, мазут, горючие сланцы, торф и природный газ по-прежнему относительно доступны, а их запасы достаточно велики.

Большим минусом является то, что продукты сжигания топлива причиняют серьезный вред окружающей среде. Да и природная кладовая однажды окончательно истощится, и тысячи ТЭС превратятся в ржавеющие «памятники» нашей цивилизации.

2.1 Принцип работы

Для начала стоит определиться с терминами «ТЭЦ» и «ТЭС». Говоря понятным языком – они родные сестры [3]. «Чистая» теплоэлектростанция – ТЭС рассчитана исключительно на производство электроэнергии. Ее другое название «конденсационная электростанция» – КЭС

Теплоэлектроцентраль – ТЭЦ — разновидность ТЭС. Она, помимо генерации электроэнергии, осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.

Схема работы ТЭЦ достаточно проста (рисунок 2.1.1, Приложения). В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую(рисунок 2.1.2, Приложения).

Далее пар, уже значительно утративший свои первоначальные показатели – температуру и давление – попадает в конденсатор, где после холодного «водяного душа» он опять становится водой. Затем конденсатный насос перекачивает ее в регенеративные нагреватели и далее — в деаэратор. Там вода освобождается от газов – кислорода и СО2, которые могут вызвать коррозию. После этого вода вновь подогревается от пара и подается обратно в котел [4].

2.2 Теплоснабжение

Вторая, не менее важная функция ТЭЦ – обеспечение горячей водой (паром), предназначенной для систем центрального отопления близлежащих населенных пунктов и бытового использования. В специальных подогревателях холодная вода нагревается до 70 градусов летом и 120 градусов зимой, после чего сетевыми насосами подается в общую камеру смешивания и далее по системе тепломагистралей поступает к потребителям. Запасы воды на ТЭЦ постоянно пополняются.

2.3 Как работают ТЭС на газе

По сравнению с угольными ТЭЦ, ТЭС, где установлены газотурбинные установки, намного более компактны и экологичны. Достаточно сказать, что такой станции не нужен паровой котел. Газотурбинная установка – это, по сути, тот же турбореактивный авиадвигатель, где, в отличие от него, реактивная струя не выбрасывается в атмосферу, а вращает ротор генератора. При этом выбросы продуктов сгорания минимальны( рисунок 2.3.1, Приложения).

2.4 Преимущества и недостатки ТЭЦ

Преимущества ТЭЦ [5]:

1. Высокая эффективность: ТЭЦ предлагают высокую энергетическую эффективность за счет совместного производства электроэнергии и тепла.

2. Надежность: ТЭЦ являются надежным и стабильным источником энергии, способным работать в течение долгого времени без перерывов.

3. Гибкость в использовании топлива: ТЭЦ могут использовать различные виды топлива, такие как уголь, нефть, газ, биомасса и даже отходы, что делает их гибкими и адаптивными к изменяющимся энергетическим потребностям.

4. Удобство: расположение ТЭЦ рядом с потребителями энергии позволяет обеспечить надежное и эффективное энергоснабжение.

Недостатки ТЭЦ (с учетом загрязнения воздуха CO2):

1. Высокие выбросы парниковых газов: наибольшим недостатком ТЭЦ является выброс CO2 и других парниковых газов, которые являются основными причинами изменения климата и глобального потепления. Это может привести к негативным последствиям для окружающей среды и здоровья людей.

2. Загрязнение воздуха: ТЭЦ могут выделять в атмосферу различные вредные вещества, такие как оксиды азота, серы, тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества, что ведет к ухудшению качества воздуха и здоровья населения.

3. Зависимость от ископаемого топлива: многие ТЭЦ работают на ископаемых топливах, таких как уголь или нефть, что создает проблему их ограниченности и неуклонного ухудшения экологической ситуации.

4. Негативное воздействие на биологическое разнообразие: строительство и эксплуатация ТЭЦ могут привести к разрушению экосистем, включая уничтожение мест обитания диких животных и растительных видов.

Однако, стоит отметить, что современные технические и технологические инновации позволяют снизить негативное воздействие ТЭЦ на окружающую среду. Разработка и внедрение технологий декарбонизации и улавливания CO2 может существенно снизить вредные выбросы и сделать ТЭЦ более экологически устойчивыми.

Глава 3. Захоронение углекислого газа

Чтобы сдержать глобальное потепление в относительно безопасных границах, ископаемое топливо придется заменить на ВИЭ, автомобиль сделать электрическим. Но выбросы образуются и при производстве химикатов, полимеров, стали, бетона и тех же аккумуляторов для электромобилей. Решить проблему помогут технологии улавливания, использования и хранения углерода (Carbon capture, utilisation and storage, CCUS).

Улавливать углекислый газ можно на любом промышленном объекте — для этого существует десяток различных технологий, которые применяются в зависимости от ситуации (рисунок 3.2, Приложения). Пойманный CO2 сжижается под давлением и по трубопроводу или в цистернах транспортируется к месту использования или захоронения (рисунок 3.1, Приложения).

Под захоронением углекислого газа подразумевается его закачивание под землю — на глубину от 800 м. За надежность такого хранения отвечают геологические свойства подземных резервуаров. Среди наиболее подходящих — пористые породы истощенных газовых или нефтяных месторождений, которые миллионы лет удерживали в себе ископаемое топливо (рисунок 3.3, Приложения).

Еще один вариант захоронения — закачивание в действующие нефтяные месторождения. Такой подход позволяет повысить добычу, причем использование уловленного диоксида углерода значительно эффективнее традиционного вытеснения нефти водой. Именно с этого началось развитие CCUS — первые такие проекты появились в 1970-х годах на нефтяных месторождениях в Техасе (США).

Объемы подземных хранилищ, подходящих для захоронения углекислого газа, на порядки превосходят объемы парниковых выбросов. Ежегодно в атмосферу Земли попадает свыше 59 млрд тонн CO2-эквивалента, а в одной лишь России места под землей хватит на 1,2 трлн тонн.

Кроме нефтедобычи, использовать пойманный диоксид углерода можно во множестве технологических процессов. Сегодня в мире ежегодно потребляется 230 млн тонн CO2. Большая часть идет на выпуск удобрений (130 млн тонн) и повышение нефтеотдачи пластов (70-80 млн тонн). Среди остальных направлений — производство продуктов питания и напитков, очистка воды, применение в теплицах, использование для охлаждения и замораживания.

Углекислый газ можно переработать, например, при производстве топлива (углерод из CO2 связывают с водородом для получения синтетического углеводородного топлива), строительных материалов (CO2 может заменять воду в бетоне, а также служить сырьем для ряда его компонентов), полимеров и химикатов.

Международное энергетическое агентство (IEA) ожидает, что полимерная индустрия обеспечит утилизацию до 1 млрд тонн CO2 в год, а производство химикатов и строительных материалов — по 5 млрд тонн каждое. Крупнейшим рынком будущего выглядит производство топлива, для него потребуется свыше 5 млрд тонн углекислого газа в год.

Кстати, у производства и применения стройматериалов из CO2 самый низкий углеродный след: остальные направления утилизации подразумевают довольно высокие выбросы как при производстве, так и при использовании получившейся продукции. То же топливо из диоксида углерода, например, будут сжигать, генерируя выбросы. Поэтому использование уловленного углекислого газа в производстве нельзя назвать 100% экологичным способом сокращения выбросов — в отличие от его захоронения.

Согласно прогнозам IEA, в ближайшие годы улавливать CO2 начнут повсеместно — это позволит миру сократить не менее 15% всех парниковых выбросов, от которых необходимо избавиться, чтобы сдержать глобальное потепление в пределах 2°C (рисунок 3.4, Приложения).

Сейчас на различных этапах разработки и строительства с планами запуска до 2030 года находятся 114 проектов CCUS. По прогнозу IEA, через восемь с небольшим лет в мире будет улавливаться 800 млн тонн CO2 в год — в 20 раз больше, чем сегодня [6].

Парниковые выбросы России составляют, по разным оценкам, до 2,5 млрд тонн CO2-эквивалента в год. За счет применения CCUS страна может сократить свои выбросы CO2 вполовину (на 1,1 млрд тонн), подсчитали в аналитическом агентстве Vygon Consulting.

Объема всех подземных хранилищ для закачки туда CO2 хватит более чем на тысячу лет. Только нефтяных и газовых месторождений — свыше 300 лет.

По оценке аналитиков, отечественная нефтяная индустрия прямо сейчас могла бы с целью повышения нефтеотдачи захоронить 23 млрд тонн диоксида углерода (столько Россия выбросит за 10 лет).

Глава 4. Практическая часть

Наша команда предлагает использовать технологию улавливания и захоронения углекислого газа (Carbon capture, utilisation and storage, CCUS) на ТЭЦ, что значительно сократит выбросы парниковых газов в атмосферу и позволит использовать жидкий газ для нефтяных месторождений.

Для демонстрации процесса улавливания CO² мы построили модель теплоэлектростанции из конструктора Lego DUPLO с применением механизмов из набора LEGO Education Machines and Mechanisms 9656 Первые механизмы [7]. Кроме здания теплоэлектростанции в нашем проекте присутствует линия электропередач, чтобы показать какой путь проходит выработанное электричество, дом и карусель, чтобы показать конечного потребителя электричества. Рядом с теплоэлектростанцией находится улавливатель углекислого газа, трубы которого уходят под землю (рисунок 4.1, Приложения).

При помощи механизмов мы смогли хорошо понять принцип работы теплоэлектростанции. Движение механизмов начинается с рукояти, которая приводит в движение угловую зубчатую передачу(рисунок 4.2, Приложения), она в свою очередь приводит в движение понижающую зубчатую передачу, это имитирует подачу холодной воды в ТЭС. Зубчатая передача приводит в движение ось, соединенную с другой шестерней. Ось с шестерней находятся уже непосредственно в здании теплоэлектростанции и при помощи понижающей зубчатой передачи показывает этап горения газа (рисунок 4.3, Приложения). Ось направляется вверх и при помощи соединения с желтыми балками имитирует движение воды по трубам и последующий ее нагрев (рисунок 4.4, Приложения). На стене конструкции начинается новая цепочка механизмов, которая показывает, что нагретая вода превращается в пар и вращает турбину и генератор (рисунок 4.5, Приложения). Ось с красными шестернями изображает вращающийся генератор (рисунок 4.6, Приложения). На конце оси находится шкив с тросом, который изображает провод с полученным электричеством, трос прикреплен к линии электропередач (рисунок 4.7, Приложения). От линии электропередач трос со шкивом идут к дому, как конечному потребителю энергии. Справа от дома стоит карусель, работающая при помощи червячной и угловой зубчатой передачи (рисунок 4.8, Приложения).

Рядом с теплоэлектростанцией стоит улавливатель, трубы которого сделаны из осей и червячных шестерней. Трубы уходят под землю. Этот момент демонстрирует этап улавливания и захоронения углекислого газа(рисунок 4.9, Приложения).

Подробно изучив всю информацию и построив модель, мы поделились своей идеей на международных образовательных STEAM-соревнованиях по робототехнике в категории лига открытий.

Заключение

Теплоэлектростанции (ТЭС) являются важным источником энергии, но их выбросы парниковых газов способствуют глобальному потеплению и изменению климата. Улавливание и захоронение углекислого газа представляет собой технологию, которая может значительно снизить количество выбросов парниковых газов в атмосферу.

Однако, внедрение технологии CCUS на практике все еще ограничено из-за высоких затрат и сложностей в хранении углекислого газа. В то же время, совершенствование и продвижение технологий CCUS являются важными шагами в решении проблемы изменения климата.

В целом, улавливание и захоронение углекислого газа имеют потенциал существенно снизить выбросы парниковых газов, являющихся основой проблемы глобального потепления и изменения климата. Это важная технология, которая может быть использована на ТЭС для уменьшения их воздействия на окружающую среду и создания более устойчивой энергетической системы.

Выводы:

1. ТЭС являются источником загрязнения воздуха из-за выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ.

2. Улавливание и захоронение углекислого газа (CCS) - это эффективная технология, которая может уменьшить количество выбросов углекислого газа в атмосферу путем его улавливания и последующего хранения под землей.

3. Применение CCS в ТЭС позволяет снизить воздействие на окружающую среду и сократить загрязнение воздуха, что способствует более чистой и устойчивой энергетике.

4. Построение модели ТЭС с учетом улавливания и захоронения углекислого газа позволяет наглядно продемонстрировать принцип работы ТЭС и важность применения технологии CCS для уменьшения выбросов парниковых газов.

Список использованных источников:

1. https://www.syl.ru/article/378744/vidyi-elektrostantsiy-v-rossii

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидроаккумулирующая_электростанция

3. https://kakrabotaet.ru/kak-eto-rabotaet/tecz-shema-i-princzip-raboty/

4. https://www.techcult.ru/technology/5057-princip-raboty-i-ustrojstvo-tec-tes

5. https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=8027

6. https://plus-one.ru/ecology/2021/11/09/kladbishche-dlya-co2

7. https://www.youtube.com/watch?v=n1PgG8jE29E -мультфильм «Как работает ТЭЦ»

ПРИЛОЖЕНИЯ