Энергобиологические комплексы как способ утилизации

Хотя я верю в будущее атомной энергии и
убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в
энергетике наступит только тогда, когда мы
сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более
высокого качества...
Фредерик Жолио-Кюри
УДК 621.039.517.6
ЭНЕРГОБИОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
КАК СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ СБРОСНОГО ТЕПЛА КРУПНЫХ
ЭНЕРГООБЪЕКТОВ И СОЗДАНИЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО
БЕЗОТХОДНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Н.Н. Васильев, Ю.В. Ремизов (ИЯС РНЦ «Курчатовский институт»)
По мере своего развития энергетика создает не только новые (побочные) экологические проблемы и,
прежде всего, проблему термического загрязнения окружающей среды, но и весьма обнадеживающие
перспективы практического использования отводимого тепла. Эти перспективы особенно возрастают
при комплексном использовании теплоотходов, что позволяет создавать принципиально новые высокоинтенсивные и полностью безотходные производства.
ENERGY BIOLOGICAL COMPLEXES AS A METHOD OF UTILIZATION OF RELEASED HEAT OF
LARGE POWER OBJECTS AND DEVELOPMENT OF HIGHLY INTENSIVE WASTE—FREE PRODUCTION. N.N. VASILIEV, U.V. REMIZOV. With its development the power engineering sets up not only
new (side) ecological problems, and first of all a problem of thermal contamination of environment, but also
quite promising prospects of practical use of removed heat. These prospects grow specially with complex use
of heat wastes, which makes it possible to develop principally new highly intensive completely waste—free
production.
Считается общепризнанным, что энергетика по мере своего развития создает
новые (побочные) экологические проблемы и, прежде всего, проблему термического загрязнения окружающей среды сбросным теплом. Действительно, мощности
энергоблоков растут, увеличиваются и объемы теплой сбросной воды («тупикового» продукта с «отрицательной» стоимостью с учетом затрат на отвод тепла в атмосферу). Но при этом как то упускается из вида, что одновременно увеличивается и
температурное качество теплой воды, что делает ее все более привлекательной для
целей практического использования. Действительно, если у ТЭС температура
сбросной воды летом поднимается до +30—35 ºС, то зимой она опускается до
+11—8 ºС (хотя уместно отметить, что именно этот температурный потенциал
+8—35 ºС наиболее комфортен почти для всех биологических существ нашего земного шара!).
У АЭС летом температура сбросной воды поднимается до +35—40 ºС, но зимой она не опускается ниже +18—20 ºС. В случае термоядерных электростанций
температура сбросной воды будет такой же, как и у АЭС, но количество сбрасываемого тепла при равной электрической мощности будет больше из-за более низкого термодинамического к.п.д. Однако если относиться к сбросному, точнее, отводимому теплу не как к безнадежному тепловому загрязнителю, а как к большому
потенциальному энергоресурсу, то можно утверждать, что с развитием энергетики
57
связаны не только одни негативные ожидания, но имеются и весьма обнадеживающие перспективы.
Исходя из этих посылок, учеными была разработана и предложена схема биологического, вместе с энергопредприятием — энергобиологического комплекса
(ЭБК) полностью безотходного биологического предприятия при крупных энергообъектах. В его состав входят 7 предприятий, а точнее производств: предприятия
бассейновой аквакультуры, пруд-охладитель, микробиологическое производство,
холодильное производство, обогревательный грунт, грибоводство, тепличное производство. В отдельности это самодостаточные, современные, на уровне высоких
технологий производства. В ЭБК технология каждого из них связана с использованием теплой воды и между собой таким образом, что конечный цикл производства
одного из них становится началом производства другого, благодаря чему достигается полная безотходность и интенсификация производства. Остановимся, хотя бы
крайне кратко, на возможностях каждого из них.
Бассейновая аквакультура — культивирование организмов, обитающих в воде,
является альтернативой остановившемуся в своем развитии 30 лет назад мировому
рыбоводству на уровне 70 млн т. Эта отрасль быстро прогрессирует в своем развитии — прирост продукции на уровне 10% в год в течение 20 лет. Продукция аквакультуры достигла 36 млн т, в том числе рыбы 26 млн т — 1/3 от мирового уровня.
Использование теплой воды для разведения рыбы — наиболее разработанный в
настоящее время способ утилизации отводимого тепла как в нашей стране, так и за
рубежом. Температура играет исключительно важную роль в жизни рыб и других
водных организмов, которые относятся к холоднокровным животным. Температура
их тела зависит от температуры окружающей среды, а следовательно и скорость
всех биологических процессов — рост, созревание. При выращивании рыбы в теплой воде резко сокращаются сроки созревания ценных промысловых рыб: икру
осетровых можно получить в возрасте 4—8 лет вместо 12—18 лет в естественных
условиях, а в среднем процесс роста ускоряется в 3—4 раза и более (до 10 раз).
Разнообразные требования рыб к оптимальным температурным режимам позволяют использовать практически весь арсенал сбросной охлаждающей воды: теплолюбивыми рыбами (карп, угорь, буффало и др.) — +20—30 ºС (до + 35 ºС), холоднолюбивыми (лосось, форель) — +2—10 ºС.
Выход товарной рыбы с 1 м3 рыбоводной емкости может достигать 200—500 кг
и более. Для сравнения: с 1 га площади рыбоводных прудов за счет естественной
продуктивности можно получать 2—3 центнера рыбы, что считается неплохим результатом. В мировой аквакультуре выращивается до 200 видов водных животных,
включая морских, в Японии 10 видов моллюсков разводят искусственно с XVII века. Здесь же могут выращиваться и многие виды высших растений, богатых йодом
и другими полезными веществами, перечисление которых займет очень много места.
Пруд-охладитель обеспечивает надежность работы электростанции, в нем могут выращиваться многочисленные высокопродуктивные теплолюбивые виды рыбмелиораторов, питающихся зоо- и фитопланктоном, детритом (белый, пестрый толстолобики; белый, черный амур, катля, роху, мригель), ряд моллюсков для очистки
воды, осуществляться направленное формирование кормовой базы, что позволяет в
несколько раз увеличить его биологическую продуктивность.
58
Микробиологическое производство отличается исключительно высокой скоростью накопления биопродукции — у одноклеточных организмов синтез белка в
1000 раз выше, чем у высших растений, к.п.д. использования солнечной энергии у
фотосинтезирующих микроводорослей составляет до 5%, а в специальных установках до 15—20%, в то время как у высших растений — не выше 1—1,2%. К
числу важных, уже проверенных пищевых продуктов можно отнести 119 различных микроводорослей из известных более чем 34 000 видов. Кормовые дрожжи,
содержащие до 30—40% протеина с полным набором микро- и макроэлементов,
могут составлять в рационе карпа до 30—40%, других рыб — несколько меньше.
Освоены схемы переработки биоотходов в биогаз, метанол, этиловый спирт и т.д.
Другими словами, микробиологическое производство может быть поставщиком
углекислого газа (СО2) в защищенный грунт, без чего невозможна эффективная
работа последнего.
Холодильное хозяйство базируется на использовании теплой воды (для получения холода) адсорбционным способом. Холодильные установки используются не
только для хранения продукции, но и в производственном процессе для кратковременного изменения температуры в определенный момент выращивания организмов, создания оптимального температурного режима в данный период, в конкретной установке.
Обогреваемый грунт интенсифицирует все почвенные процессы, позволяет в
несколько раз увеличить урожай растений, и даже в аридной зоне в условиях мягкого климата США 2000 га обогреваемого грунта способны утилизировать тепло,
сбрасываемое энергоблоком мощностью 1 ГВт (э).
Грибоводство нуждается для своего производства в тепле относительно невысокого потенциала —+16—17 ºС, и только при производстве мицелия — +29 ºС.
Для субстратов используются отходы многих производств, выход белка с грибами
в 25—30 раз больше, чем с 1 га максимально используемой пашни. Выращивается
искусственно около 40 видов грибов.
При тепличном производстве продуктивность 1 га в 20—30 раз (и больше) выше продуктивности 1 га открытого грунта, в высотных теплицах она в сотни раз
больше. На обогрев 1 га тепличной площади расходуется 1,5—1,8 млн м3 природного газа. В то же время оптимальная температура выращивания растений в теплицах +35—18 ºС и даже ниже (огурцов и томатов +20—21 ºС, цветов +14—16 ºС).
Для создания такой температуры используется теплоноситель с температурой
+90—70 ºС. Постоянный рост цен на энергоносители ставит на грань существования саму отрасль и побуждает поиски новых способов обогрева теплиц, компоновочных решений, которые бы устраивали и тепличное производство и энергетику.
Обогрев высотных теплиц может осуществляться с помощью сухих градирен, каскадные теплицы-градирни (при своей доработке) потенциально могут выполнять
двойную роль: служить системой охлаждения сбросной теплой воды электростанции и выполнять роль теплицы для выращивания в ней растений.
Огромная биомасса тепличных растений — потенциальный резерв не только
для работы микробиологического производства, но и как ресурс полноценного белка, дефицитного во всем мире (степень удовлетворения на уровне 30%), при переработке ее с помощью дождевых червей — прекрасного корма для рыбы как в све59
жем, так и сухом виде (мясная мука). Одна тонна органики потенциально способна
дать от 70 до 100 кг этой белковой продукции.
Еще раз возвращаясь к безотходности биологического комплекса, нельзя не
обратить внимание на то, что в нем заложен принцип поддержания жизни живой
природой, где содружество двух великих миров — животного и растительного —
приводит, в конце концов, к полной безотходности жизненного круговорота на
Земле.
В заключение отметим следующее:
1. Все предприятия ЭБК не требуют для своего размещения высококачественных земель и могут располагаться на землях, практически выведенных из оборота в
результате опустынивания, деградации и т.д. А таких земель более 40% общей
площади земной суши, и расположены они чаще всего в самых благоприятных
климатических зонах. Мы впервые можем не только констатировать негативные
процессы, но и повернуть их вспять, учитывая масштабы возводимых энергообъектов ЭБК.
2. Социальные вопросы современности (урбанизация в первую очередь, использование интеллекта, научных достижений и т.д.) решаются в таких комплексах
безболезненно. Положительное социальное и экономическое влияние может распространяться далеко за пределы ЭБК (снабжение посадочным материалом).
Конечно, есть много проблем, прежде всего прикладного порядка, которые еще
надо решить: оптимальные размеры предприятий, их сочетания, место расположения, наконец. Но даже в природе проблемы содружества разных видов организмов
решаются с трудом, но, в конечном счете, все-таки решаются и на удивление очень
эффективно.
XX век — эпоха нескончаемого дробления всех наук. Видимо, это необходимый этап развития человечества. XXI век называют веком комплексов. И, добавим
от себя, проблем, решаемых с помощью комплексов.
Статья поступила в редакцию 12 декабря 2003 г.
Вопросы атомной науки и техники.
Сер. Термоядерный синтез, 2004, вып. 1, с. 57—60.
60