УДК 658.01 ( 477 )   ТЕХНОЛОГІЧНІ     ТА     ЕКОНОМІЧНІ     АСПЕКТИ    КАТАЛІЗУ   ДВООКИСУ ВУГЛЕЦЮ В ГАЗ МЕТАН Восточно-Европейский журнал передовых технологий.-2010 № 3/8 (45) С.14-22.   В.А.Тарасенко, М.В.Тарасенко, С.В.Тарасенко, Р.С.Денькович, О.А.Єкімовських   1.4. Анотація. Одним з найперспективніших напрямків вирішення енергетичної проблеми України є забезпечення держави альтернативним природному газу видом палива – отриманням штучного газу метану ()  з вуглекислого газу (). Визначено, що вуглекислий газ ( ) окрім шкоди, якої він завдає довкіллю своїм парниковим впливом на клімат, може ще й слугувати сировиною для перетворюючих енергетичних процесів, які на виході можуть давати цінні енергетичні сполуки у вигляді газу метану. Ключові слова: економічна ефективність, фінансовий розрахунок, термін окупності, газові енергетичні перетворення, забруднення довкілля.   Аннотация. Одним из наиболее перспективных направлений решения энергетической проблемы Украины есть обеспечение государства альтернативным природному газу видом топлива – получением искусственного газа метана  из углекислого газа . Определено, что углекислый газ  кроме вреда, которого он наносит окружающей среде своим парниковым эффектом на климат, может еще и служить как сырье для превращающих энергетических процессов, которые на выходе могут давать ценные энергетические соединения в виде газа метана. Ключевые слова: экономическая эффективность, финансовый расчет, срок окупаемости, газовые энергетические превращения, загрязнения окружающей среды.                                   The annotation. One of the most perspective directions of decision of power problem of Ukraine there is providing of the state the alternative to natural gas type of fuel - by the receipt of artificial gas of methane ()   from carbon dioxide ().  Certainly, that carbon dioxide () except for harm which he inflicts to the environment the hotbed influence on a climate can yet and serve as raw material for converting power processes which on an output can give valuable power connections as gas of methane.         Keywords: economic efficiency, financial arrangements, term of recoupment, gas power transformations, contaminations of environment (смотреть в журнале Восточно-Европейский журнал передовых технологий.-2010 № 3/8 (45) С.14-22. ).            1.5. Вступ Світ вступив в еру дорогої, але нерівномірно дорожчаючої енергії. В світлі цього важливе значення має вибір оптимального значення співвідношення різних джерел енергії і здійснення наукових досліджень в галузі заміни традиційним видів палива на альтернативні, в тому числі штучні. З врахування того, що направлення розвитку енергетики тісно пов’язано з аспектами політичними, соціальними і економічними, і внаслідок цього чисто економічні оцінки і критерії виявляються недостатніми, щоб прийняти правильне рішення про забезпечення країни тим чи іншим видом палива.          Сучасні і майбутні масштаби енергоспоживання ставлять складні завдання в галузі виявлення, підготовки і використання енергетичних ресурсів. В найближчі 20 років знадобиться понад 500 мільярдів тон енергоресурсів в умовному вирахуванні. Для порівняння можна зазначити, що за весь час існування людства було вироблено і використано 460 мільярдів тон умовного палива. Основою енергетики в  найближчій перспективі залишаться ресурси викопного органічного палива, не дивлячись на зростаючу роль атомної енергетики і відновлювальних джерел енергії [ 1 ].          Загальна кількість ресурсів органічного палива в світі складає 15,1 трильйони тон умовного палива, при цьому 83 % з них -  ресурси вугілля. Сумарні ресурси, які можна реально видобути з надр оцінюються в 8 трильйона тон умовного палива, з них 2 трильйона тон відносяться до розвіданих запасів. Серед останніх 7 % приходиться на традиційну нафту, 9 % на сланцеву і бітумну нафту, 5 % на природній газ і біля 79 % на вугілля. Окрім традиційних органічних палив оцінені світові запаси урану, вони складають 5,9 мільйона тон. Оцінка величини запасів нафти особливо важлива по причині, що розміри запасів інших видів палива є функцією вартості нафти-збільшення її ціни розширює кордони можливого освоєння природного газу. Сумарна кількість видобутого газу в середньому за рік в останній час складає понад 600 мільярдів метрів кубічних. Розподіл цих ресурсів вкрай нерівномірне. Значні запаси природного газу наявні в Російській Федерації, на Близькому Сході, в США, Африці і Австралії. До недавнього часу до оцінки ресурсів нафти проявлявся великий інтерес, чим до уточнення ресурсної бази природного газу. Такі обставини, як прогнозування обмеження добутку нафти вже до початку 2015 року і можливу заміну дефіцитної нафти природнім газом в багатьох сферах використання, викликало великий інтерес до уточнення ресурсної бази природного газу в оцінці потенційних можливостей збільшення його добутку на перспективу [ 2 ]. У відповідності з останніми оцінками більш активний, чим прогнозувався розвиток ресурсної бази газу змінює попередні прогнозні оцінки в сторону збільшення можливості добутку природного газу в 2010-2015 роках з перспективою в подальшому різкого зменшення його видобутку. Реальний видобуток на 2009 рік складав 5,9 мільярда тон умовного палива і зі зниженням до 3,4 – 4,0 мільярда тон в 2020 році. Таким чином, з одного боку, за рахунок збільшення сумарного вкладу вуглеводневих джерел енергії до 2015 року полегшуються умови підготовки нових технологій, з другого боку, активна розробка газових покладів в період до 2015 року звужує можливості постачання цим енергоресурсом в першій половині ХХI сторіччя. Але ситуація буде складалися не однаково в різних регіонах світу. 1.6.Постановка проблеми Самоціллю наукової розробки, яка висвітлена в даній статті,  є побудова нового типу заводу працюючого за рахунок переробки вуглекислого газу на газ метан. Метан і водень можуть стати тими  енергетичними замінником багатьох видів пального, яке традиційно використовується в системах енергетики. Фактично по своїм теплотворним здатностям  метан і водень не поступаються іншим енергетичним паливам.  Для порівняння надається таблиця 1: Таблиця 1 Теплотворні характеристики основних первинних енергоносіїв № п/п Первинний енергоносій Теплотворна здатність ккал/кг, для газу ккал/м 1. Доменний газ 1000 2. Торф фрезерний 2030 3. Буре вугілля 2300 4. Деревина 2440 5. Водень 3045 6. Коксовий газ 4300   7. Кам’яне вугілля Донбасу        7. а Газове ( Г ) 5900      7. б Парове жирне ПЖ 5980      7. в Антрацит  АРШ 5660      7. г Антрацит АС 6400      7. д Тощий Т 8260 8. Кокс 7700 9. Мазут 9500 10. Зріджені гази 22000-28000 11. Нафтозаводські гази 8000-22000 12. Нафтопромислові гази 11000-15000 13. Природний газ 8100 - 8350 14. Метан 8558-9496   1.6.1.Аналіз останніх досліджень і публікацій Проблематикою заміни природних органічних палив на штучні широко займалися вчені в середині 30-х років ХХ століття, але з відкриттям великої кількості газових покладів і видобутком дешевого природного газу, проблематика штучного газового палива перестали цікавити вчених, бо компонентні складові штучного газового палива були дорожчі від природного газу. Ситуація змінилася на початку ХХI століття, коли природних газ почав мати вже не стільки комерційну ціну, а політичну. Ось чому зробити глибокий аналіз досягненням вчених починаючи з 1933 року по 2005 рік є  недоцільним, бо технології є застарілі. Натомість, процесом відновлення дослідження зацікавилися українські вчені Тарасенко В.А., Тивонюк М.І., Чорний С.А. та інші [1;2], які почали відновлювати дослідження і вийшли на нові технологічні процеси, і розробили методологію отримання штучного метану з вуглекислого газу. Одночасно велися розрахунки рентабельності ведення цього процесу, який і визначив доцільність проведення подальших досліджень і впровадження наукових досягнень у виробництво. 1.6.2.Виклад основного матеріалу          Враховуючи той факт, що України не є самодостатньою державою в забезпеченні себе первинними енергоносіями, особливий інтерес викликають розробки вітчизняних науковців по впровадженню в народне господарство енергозберігаючих технологій. Але окрім енергозберігаючих технологій потрібно звернути увагу на новітні наукові розробки в галузі створення  альтернативних вугіллю, нафті і газу видів палива. До таких палив відносить водень. Запаси водню по енергетичному потенціалу на Земній кулі в мільйони разів перевищують запаси всіх енергетичних палив разом взятих. Водень це паливо майбутнього і його використання почало свій могутній поступ в енергетиці розвитих країн. На водневому паливі працюють десятки електростанцій, запаси водню поповнюються за рахунок нічного провалу роботи атомних електричних станцій і накопичуються в спеціальних резервуарах. В світі функціонує десятки тисяч кілометрів воднепроводів і т.д. Окрім того водневе паливо є екологічного чистим продуктом. Тому привабливою є робота про штучне генерування газу метану з залученням до цього процесу водневої складової. Фактично тут йдеться мова про поєднання двох енергетичних компонентів - водню і вуглецю. В результаті такого каталізу утворюється речовина, яка має всі ознаки газу метану з деякими додатками інших енергоємнісних сполук, які не впливають на процеси подальшого використовування даної суміші в теплових процесах. Фактично поєднались здатність водню видавати при горінні високу температуру і здатність вуглецю видавати високий теплотворний потенціал. З врахуванням того, що в технологічних ланцюжок входить досить невелика кількість технологічного обладнання утворюється проста схема для експлуатації. На відміну від складних і дорогих установок по отриманню інших газів (біогаз, синтез газ і т.д.) тут маємо найпростішу схему каталітичного перетворюючого процесу, який при його повному замкненому циклі буде викидати мінімум шкідливих речовин. Окрім цього, при роботі електролізного блоку одержується велика кількість чистого кисню, який  потрібен для здешевлення процесів ліквідації забруднюючих довкілля речовин, не говорячи вже про його доцільне використання в інших галузях. Перспективи переходу частини промислових підприємств України на генерацію власного палива досить привабливі з врахування того, що ціна на природний газ імпортних поставок буде постійно зростати, а запаси свого власного природного газу не великі. В цьому вбачається політико-енергетична самостійність нашої держави в далекоглядну перспективу. Загальна величина викидів вуглекислого газу в Україні сягає майже півтрильйона метрів кубічних. Тому в першому наближенні запропонований  метод знищення вуглекислого газу направлений на покращення екологічної ситуації в державі. Безумовно, не виключається варіант отримання додаткового виду палива – штучно генерованого газу метану. При цьому  пропонується своєрідний коловорот вуглекислого газу від його перетворення в газ метан – спалювання в чистому кисні –отримання в димових газах умовно чистого вуглекислого газу і повторне його перероблення. Фактично вирішуються дві проблеми: екологічна по знищенню вуглекислого газу і енергетична по генерації газу метану. Така розробка є дійсно унікальна в своєму підході і тому заслуговує на особливу увагу. Методологічна сторона винаходу не викликає сумніву, бо такі хімічні перетворюючі процеси вже пропонувались і в деякій мірі впроваджені у виробництво. Цінність винаходу полягає в тому, що запропоновані процеси проходять при низькотемпературному циклі і не вимагають додаткових витрат енергії, тим самим вони різко відрізняються від відомих таких самих процесів. Фінансова сторона винаходу виявляє свій позитив в стабільній вартості каталізатора на відміну від постійного росту ціни на природній газ.  На сьогодні ціна на штучно генерований газ метан є майже адекватною ціні природного газу, але з додатковими економічними вигодами впровадження такого процесу – отримання кисню, виплата бонусу за знищення викидів, очищення довкілля, висока теплотворна здатність отриманого газу і економії природного газу при процесах горіння дають значні переваги даному методу отримання газу по зрівнянню з закупівлею природного газу, ціна на який перебуває в стадії невизначеності і реально постійно зростає.           Відбулося проникнення в поле хімічних перетворень на базі викидів    по простій причині - всім колись здавалося, що вуглекислий газ вже кінцевий продукт перетворення і витягнути з нього вже нічого не можна, але виявилось що це не так. Маючи в своїй структурі такий  елемент, як вуглець (С), який є основою всієї органічної енергетики, вдалося поставити його в ланцюжок перетворень і отримувати достойні і цікаві  результати, як у вигляді економічного виграшу по забезпеченню енергетичним носієм, так і в отриманні нових речовин. Технологія процесу отримання штучного газу метану є наступна [ 3 ]: 1.Заповнення каталітичного реактора каталізатором. 2.Збирання бродильного вуглекислого газу  передача на каталітичний реактор. 3.Подача води  на електролізер і виробництво водню в електролізерах    передача на турбодетандер, запуск турбодетандера передача енергії обертання лопаток на електрогенератор і виробництво електроенергії. 4.Подача  з турбодетандера на каталітичний блок. 5.Керування процесу каталітичного перетворення газів через електронну систему. 6. Генерація  газу метану. 7.Генерація  газу кисню . 8.Подача газу метану в топку котла (парогенератора). 9.Подача газу кисню в топку котла (парогенератора). 10.Спалювання газу метану  в чистому кисні на пальниках спеціальної конструкції з автоматичним запальником.         Умови ведення процеси подано в таблиці 2.                                                                                                          Таблиця 2 Умови ведення процесу каталізу вуглекислого газу в газ метан Стадії, вузли, апаратура обладнання Найменування особливостей обладнання Робоче значення показників і режими роботи Допустимі границі відхилень в режимі процесу Подача вуглекислого газу і води Вуглекислий газ 99,5 % ступеню чистоти. Знесолена вода очищена від механічних домішок, без катіонів заліза, кальцію та магнію, аніонів сірчаної та соляної кислот Постійна подача вуглекислого газу  і води Не більше - 2 % Безперервна робота генераторів водню і кисню Без зміни навантаження і виконання роботи. Генератори водню і кисню є без діафрагмовими з комірковим відведенням електролізних газів  Відсутність охолодження газоповітряної суміші, яка утворюється в генераторах водню і кисню. Відсутність лужного контакту з каталізатором. Не більше - 1 % Генерація електричної енергії Турбодетандер виготовлений з спеціальних матеріалів. Уникнення іскро утворення Недопус- тимість відхилень Компоновка системи: турбодетан- дер+електро- генератор+ випрямляч електричного струму Два перші елементи розміщені на одному валу Часткове забезпечення електролізера електроенергією Згідно ДСТУ по генеру- ванню електро-енергії            Хімізм процесу [ 3 ]. Перетворення вуглекислого газув метан  шляхом гідрування стає помітними тоді, коли процес відбувається в зовнішньому перехідному режимі. Швидкість гідрування достатньо зростає при переході процесу в зовнішню дифузійну область. Рівняння швидкості процесу має вигляд: , де: W – швидкість процесу, моль  / сек·см;       – концентрація ,моль /см;        Т – температура , º К. Таким чином реакція метанування вуглекислого газу  проходить в результаті взаємодії водню H  адсорбованого каталізатором і молекул , які знаходяться в газоподібному стані. Вводяться наступні позначення: -         вільний активний центр на поверхні каталізатора, символи в дужках     адсорбовані частини молекул; е – вільний електрон, або електронна хмаринка. +  (швидко)  2          + 2е (повільно)  (швидко)                                                                           (швидко)   Характерно те, що на каталізаторі типу ЕТТ реакція взаємодії водню з киснем  не відбувається, тобто . Це означає, що                          Хіміко-технологічні основи процесу базуються на каталітичному перетворенню вуглекислого газу в газ метан за допомогою водню, який отримуємо електролізом. Він ґрунтується на принциповій відмінності електролізу від хімічних процесів. Тільки електроліз дозволяє роздільно проводити процеси відновлення (на катоді) і окислення (на аноді). В одному апараті одержують гази високої чистоти. Відповідно до діаграми стану Е-рН для води, ділянка її термодинамічно стійкого стану  знаходиться між лінією а, що відповідає електрохімічній рівновазі води з воднем, і лінією b – рівновазі з киснем, тобто практично при всіх рН розчину можна вести електрохімічний розклад на водень і кисень. Чиста вода характеризується малою електричною провідністю ( при Т – 298 º К, k – ). У зв’язку з цим у промисловому електролізі води до неї додають електроліти: кислоти, луги або солі. Концентрацію лугу в електроліті визначають так, щоб остання мала питому електричну провідність, близьку до максимальної. Тому для електролітів використовується розчин КОН – 390-450  або NaОН. КОН  (їдкий калій) розподілений на два види а) технічний – плав, який міст КОН в продукті  повинен бути 88-96 %; б) електрокаталічна рідина, вміст (при 20ºС) їдких лугів в продукті в перерахунку на гідроокис калію не менше 750 г/л. Їдкий натрій NaОН  ( каустична сода, каустик ) розподілений на а) твердий  96 % NaОН ; б) рідкий марка А – 42 % NaОН. Електроліз проводять у діафрагмових або бездіафрагмових електролізерах.          Основними процесами на  електродах з електролізу води як у кислих, так і лужних розчинах є: на катоді відновлення води з виділенням водню , а на аноді окислення води з виділенням кисню : на катоді ,   , на аноді  ,  . У сумі , .   Напруга на електролізері складається з різниці рівноважних електродів потенціалів анода  і катода , перенапруги виділення ΔU електроліт, газів на електродах , , падіння напруги на електроліті ΔU електроліт, діафрагмі , електродах , контактах , а також концентраційного і дифузійного  потенціалів:     Різниця рівноважних електродних потенціалів  називається рівноважною ЕРС електрохімічної системи. Із загальної втрати електроенергії при електролізі тільки та частина, яка відповідає теоретичній напрузі розкладу води, витрачається корисно на зміни внутрішньої енергії речовин, що беруть участь у реакції. Цей додаток визначається природою реагуючих речовин і їхніх термодинамічних характеристик. Величина  визначається зміною енергії Гіббса : .          Відповідно до законів термодинаміки енергія Гіббса змінюється з підвищенням температури: , де ΔН  - ентальпія реакції;      ΔS –зміна ентропії. Для води в рідкому і газоподібному стані зміна ентальпії ; . Тепловому ефекту ( ентальпії ) процесу відповідає термонейтральна, або ентальпійна, напруга: , для рідкої води ,  для газоподібної Таким чином  у випадку каталітичного процесу можна написати: Оскільки реакція не екзотермічна, ні ендотермічна, тоді . Щоб визначити величину коефіцієнта, який стоїть біля водню застосовується об’єднаний закон термодинаміки у наступному вигляді: де – енергія Гіббса; – ентальпія реакції, яка в даному випадку; T –абсолютна температура в   К. В даному випадку реакція відбувається при нормальній (кімнатній) температурі Т – 298  К; – ентропія реакції.                     Обов’язковою умовою протікання будь-якої реакції, те ,щоб енергія реакції Гіббса була від’ємною. Це означає, що . Тоді другою обов’язковою умовою буде те, що ентропія реакції буде позитивною, а це означає, що в реакції   сума ентропії продуктів реакції більша за суму ентропій реагентів, які вступають в реакцію. Звідси виникає, що m < 1. Нехай m = 1 і знаючи, що ; ; ; Користуючись законом Гесса визначається, що. Це означає, що реакція буде проходити тим скоріше, бо , тобто чим є меншим m. Реакція термохімічного утворення метану, дає можливість промисловій утилізації великої кількості вуглекислого газу. Отриманий водень  вступає в реакцію з вуглецем, яким в цей час активізується в реакторі. Енергія розриву хімічного зв’язку вуглекислого газу  складає 741 кДж/моль в результаті якої утворюється вуглець С. Молекулярна вага М = 12,11 Теплота згорання 9400 ккал/моль В земній корі знаходиться 0,14 % вуглецю С. У вигляді простих речовин вуглець зустрічається в природі у вигляді алмазу і графіту. Велика кількість вуглецю знаходиться у вугіллі. Найбільш чистий вуглець С – це сажа, яка отримується шляхом розкладу метану. В присутності каталізаторів Со, Nі, Fe  реакція  розкладу газу    метану   починається при температурі 12000°С. Сажа це мікрокристалічна форма вуглецю С. В сажі присутні рідкі вуглеводні, в дерев’яному вугіллі і коксі-солі. На холоді всі модифікації вуглецю С малоактивні. При нагріванні активність вуглецю зростає.          – реакція є обернена і в зворотному порядку з елементів розпаду можна отримати газ метан  і ця реакція при каталізаторі ЕТТ має такий вигляд:                                     Маючи два компонента реакції водень  і вуглець  С  низькотемпературний каталіз відновлення вуглекислого газу до стану метану проходить в дифузійній області. Тому швидкість реакції і коефіцієнт ефективності визначається з рівнянь, який описує процес на зерні каталізатора. В даному випадку протікає одна реакція, тому рівняння матеріального балансу можна записати тільки для основного компоненту двоокису вуглецю , а концентрація основних компонентів визначається з рівняння дифузійної стехиметрії:                                         де  –  концентрація компонентів в потоці;      ν – стехиметричний коефіцієнт, додатній для вихідних продуктів і від’ємний для продуктів реакції. Ефективність каталізатора ЕТТ досить висока,     і можна рахувати, що зерно працює в ізотермічному режимі.   Розрахунки процесу на зерні, зроблені з врахуванням хімічної кінетики, внутрішньої і зовнішньої дифузії, показали, що лімітуючою стадією є внутрішня дифузія.Вплив зовнішньої дифузії на коефіцієнт ефективності  не перевищує 5 %. При об’ємних швидкостях практично рівновісна концентрація вуглекислого газу  досягається вже в середніх шарах каталізатора, і можлива нормальна робота реактора при частковій дезактивації каталізатора. Внаслідок зміни температури по шару каталізатора, змінюється і коефіцієнт ефективності ή і може знизитись від 0,25 до 0,17. При зменшення діаметру d таблеток можна підняти коефіцієнт ефективності в два рази. Але дрібні зерен каталізатора не придатні для промислових реакторів. Єдиний шлях це збільшення пористості зерна.          Здатність водню  дифундувати всередину металів є основою ефективної роботи реактора. Механізм дифузії водню  протікає наступним чином: 1.     Водень адсорбується на поверхні нікелю  Nі і дисоціює на атомарний водень . 2.     Атомарний водень , розчіплюючись на електрони і протони, проникає через метал. 3.     На протилежній стороні мембрани електрони і протони знову об’єднуються в атомарний водень , який адсорбується на поверхні. 4.     Атоми водню   приєднуються до атомів вуглецю  С і вже у вигляді газу метану  вуглець кисневмісних сполук виходять з реактора і, в якому відбувається реакція . При цьому отриманий штучний газ метан можна моментально направляти на теплові процеси, а отриманий кисень може використовуватися двояко: можна спорудити піч спеціальної конструкції, де той самий метан буде згорати в чистому кисні і на виході з димової труби отримується чистий вуглекислий газ, або кисень використовувати в процесах водоочистки. Спеціально такі технології в даному науковому дослідженні не висвітлювались, бо це виходить за рамки поставленої задачі. Але при бажанні  такі процеси можуть бути глибоко вивчені і рекомендовані до впровадження.            Дана система є початковим етапом розвитку системи ефективного використання енергетичного потенціалу підприємства, тому тут немає розшифровки необхідного обладнання для роботи такого ланцюжка, а саме: холодного скрубера, ексгаустера, абсорбера, десорбера, а подається економіка  ведення процесу на прикладі даних отриманих з Немирівського спиртового заводу Вінницької області. Основні показники по викидам бродильного вуглекислого газу і споживанню природного газу зведені в таблицю 4.                                                                                                 Таблиця 4. Реальна величина техніко-економічних показників № Найменування показників Величина 1 Спалювання природного газу: а) 1доба б) 1 місяць в) 1 рік          15 000      450 000   4 500 000 2 Плата за природний газ при ціні  1680/ 1000 а) 1 доба б) 1 місяць в) 1 рік            25 200 грн.     756 000 грн.   9 072 000 грн. 3 Парогенератори: а) котел 1 б) котел 2   ДКВ 10/13 ДЕ 90 4 Вода - артезіанська свердловина 65 / доба 5 Електромережі а) лінія електромереж б) електропідстанція :  трансформатор 1  трансформатор 2   10 кВ   3мВт.     630 кВа. 6 Виробництво спирту:  доба  рік   70 т 21350 т 7 Викиди вуглекислого газу: доба рік        70 000 21 350 000 8 Плата за забруднення довкілля: доба рік   *Вага вуглекислого газу визначається де V – об’єм вуглекислого газу;      ρ – питома вага вуглекислого газу 1,858 кг/м. ** Плата за викиди вуглекислого газу в довкілля з 01 січня 2009 р. збільшена в 100 разів. Економічний розрахунок базується по встановленню каталітичного обладнання, яке буде працювати на   з розрахунку викиду бродильного вуглекислого газу    в об’ємі 2916 м/ год. [ 4 ].          При такій щогодинний кількості викидів   його загальний щодобовий дебет становить 70 000  / доб.,  річний дебет становитиме 21,350 млн. (виходячи з 305 робочих днів).   З такої кількості бродильного  можна виробити 19,642 млн. газу метану .  Грошова вартість штучно генерованого газу метану   власного виробництва становитиме   Необхідно визначити кількість електролізерів для отримання водню і подальшого каталізу для отримання такої кількості  метану , бо потрібно щогодини виробляти 5832 водню. Тут прорахунок здійснюється по Варіанту I і Варіанту II. По першому варіанту встановлюються електролізери швейцарської фірми “Лонца”, по другому варіанту російської фірми “Уралхіммаш”. ВАРІАНТ I           Для виробництва 5832  водню  і 2916  кисню  необхідно 2 електролізери типу ІНТ - 750 /год + 1 електролізер типу ІНТ - 400 /год . Вартість одного електролізера ІНТ-750 =8,8 млн.грн. і одного електролізера ІНТ – 400  = 5,2 млн.грн.  Вартість закупівлі реакторів  1,640 млн.грн.. Розмитнення 5% = 98,20 тис.грн., + транспортна доставка 16,0 тис.грн. + монтаж 40,0 тис.грн. Звідсіля загальна сума по доставці і встановленню електролізерів буде 64,268 млн.грн.. 2.Вартість електрогенераторів Харківського заводу “Електромаш” 500,00 тис.грн. х 2 = 1,0 млн.грн. 3. Вартість турбодетандерів С. Петербургського машинобудівного заводу 720 тис.грн. Розмитнення 16,0 тис.грн, доставка 40 тис.грн. Разом 776,0 тис.грн. Всього по обладнанню: 66,044 млн.грн. ВАРІАНТ II Вартість   одного електролізера БEУ-250/6-0 Свердловського заводу “Уралхіммаш” становить 1,600 млн.грн, одного електролізера СЕУ 40/1.0 становить 800 тис.грн. Для виробництва 5832  водню  і 2916  кисню  в годину необхідно 23 електролізери типу БЕУ 250/6-0 і 1 електролізер типу СЕУ 40/1.0 Тоді загальна сума їх вартості становитиме 37,6  млн. грн. Розмитнення 5 % = 600 тис.грн, + транспортна доставка 92,0 тис.грн + монтаж 816,0. Звідсіля загальна сума по закупівлі і встановленню електролізерів буде  39,108 млн.грн. Вартість реакторів, допоміжного обладнання і всіх   монтажних робіт для ув’язки всієї системи каталізу коштуватиме приблизно 3,5 млн.грн.. Тоді з врахуванням витрат на придбання і монтаж електролізерів по Варіанту I загальна вартість встановленого обладнання становитиме 69,544 млн. грн.. На підготовку технічного завдання 100 тис.грн.. і  на самі проектувальні  роботи  200 тис.грн., тоді загальна сума становитиме 69,844 млн.грн. Тут приводились техніко-економічні розрахунки у прив’язці до того, що державний  спиртовий завод має приміщення для розміщення обладнання. По Варіанту I велика частина потреб у електроенергії буде покриватися за рахунок власного виробництва на турбодетандерах. По Варіанту II загальна сума встановлення установки коштуватиме 39,108 млн.грн. + монтаж 2,5 млн.грн. + проектно-підготовчі роботи 250 тис.грн. = 41,858 млн.грн. Але тут не виробляється електроенергія для власних потреб. Електролізери швейцарської фірми “Лонца” споживають на виробництво 1 водню   4,4 кВт.год. електроенергії. Для отримання 139968 тис. водню  необхідно витратити щоденно 615859 кВт.год. електроенергії. В той самий час електролізери швейцарської фірми “Лонца” за рахунок перепадів тиску, бо вони працюють при тиску 30 атмосфер, а для установки потрібен тиск в 1,5-2 атмосфери, через турбодетандери виробляють власну електроенергію. Так , що споживання з 4,4 кВт.год. зменшується до 3,0 кВт. год. і становить 419904 кВт. год. Останні моделі електролізерів Свердловського заводу “Уралхіммаш” для електролізу водню  (Н) витрачають 5,4 кВт.год /. Для отримання 139968    водню Н необхідно 755827 кВт.· год.  електроенергії. Термін окупності визначається по виразу:                                           де  К- вартість нововведеного об’єкту, грн. тут необхідно врахувати вартість облаштування додаткового приміщення зі всіма узгодженнями  ~ 1,9 млн.грн.. і вартість розширення підстанції ~ 5,0 млн.грн. по ВАРІАНТУ I  і  по ВАРІАНТУ II облаштування приміщення ~ 1,5 млн.грн.. і розширення підстанції 6,9 млн.грн..    Δ m – економія коштів умовному спиртового заводу за рахунок зменшення закупівля природного газу взятого з магістральної труби, грн.  ВАРІАНТ  I При електролізерах швейцарського виробництва:     ВАРІАНТ  II При електролізерах російського виробництва за умовою, що існує ринок збуту кисню, який виробляється на установці:              Необхідно для оцінки двох варіантів зробити порівняння ( табл. 5 ), де можна вивести кінцеві цифри найбільш вигідного    варіанту впровадження у виробництво установки.  яка змінить структуру промислового виробництва з відповідним імпульсом до впровадження новітніх технологій, які можуть змінити економічне обличчя регіону.                                                                                                               Таблиця 5 Порівняння величини різних економічних показників по варіантам  № Найменування показників Варіант I Варіант II 1. Сумарні затрати на закупівлю, доставку і монтаж обладнання 72,944 млн.грн.. 50,258 млн.грн. 2. Затрати на закупівлю електроенергії в добу на виробництво водню 209952 грн. 377 913 грн. 3. Виробництво власної електроенергії 195955 кВт.год. 0 4. Зменшення величини вартості виробленої власної електроенергії на суму 97977 тис.грн. немає 5 Різниця по вартості закупленої електроенергії з вирахуванням власно виробленої 111 975 грн. немає 6. Генерація  газу метану  власного виробництва 64,400 тис.м/доба 64,400тис. м/доба 7. Ціна виробленого власного газу метану за добу     108,192 тис.грн.   108,192 тис.грн. 8. Виробництво кисню 32,2 тис.м/доба 32,2 тис.м/доба 9. Ціна 1000 м кисню 4600,00 грн. без ПДВ 5360 грн. з ПДВ 4600 грн.без ПДВ 5360 грн. з ПДВ   10. Загальна ринкова вартість виробленого кисню 148,12 тис.грн./доб. 148,12 тис.грн./доба 11. Загальна величина виробленої товарної продукції у вигляді газу метану  і у вигляді кисню       256,312 тис.грн./доб. 87,175 млн.грн./рік     256,312 тис.грн./доб. 87,175 млн.грн./рік 12. Різниця між вартістю електроенергії, яка була затрачена на виробництво водню  і кисню і валовим прибутком від використання або продажу цієї продукції (+)         256,312–111,975=144,337  тис.грн./доб.         256,312-377,413= -121,601 тис. грн./доб                                                                                    Економічне обгрунтування процесів паливної альтернативи заміни природного газу полютантами енергетичної діяльності людини може бути розглянуте через термодинаміку технології процесу.          Під рівноважними термодинамічними процесами розуміється перехід термодинамічної системи з одного рівноважного стану в інший. В процесі такого переходу параметри системи змінюються від значень Р,V,Т до Р V,T. Будь-яка  зміна хоч одного параметру стану системи зумовлює протікання термодинамічного процесу.          Процес вважається рівноважним, якщо параметри системи змінюються нескінченно повільно. В залежності від умов протікання відзначаються наступні термодинамічні процеси: 1.Ізотерміний процес, який відбувається за сталої температури. 2.Ізобарний процес, який відбувається за сталого тиску. 3.Ізохорний процес, який відбувається за сталого об’єму. 4.Адіабатний процес, який відбувається без обміну теплотою між системою і середовищем.          У будь-який довільний момент часу параметри системи пов’язані між собою згідно рівняння стану. Для того, щоб відбувся процес, системі потрібно надати або відвести від системи певну кількість теплоти. Умовно вважається, що ця кількість теплоти пропорційна до підвищення температури системи, тобто процес проходить за сталої теплоємності ( С ).Тоді:                    Перший закон термодинаміки визначається :                    , де  – вираз для внутрішньої енергії;       С – мольна теплоємність при сталому об’ємів ізохорному процесі;       PdV – робота термодинамічної системи. Тоді , або . Згідно рівняння Менделєєва-Клайперона . Тоді  Виконавши інтегрування отриманого виразу: Після потенціювання виразу маємо:   Знову скористаємося рівнянням Мендєлєєва-Клайперона . Тоді Тут показник степеню в даному рівнянні . Це є показник політропи, тобто маємо узагальнюючий процес, про що свідчить таблиця 6.                                                                                                              Таблиця 6 Порівняльна характеристика різних політропних процесів Процес Рівняння процесу Показник політропи Теплоємність Ізотермічний PV=const 1 ± ∞ Ізобаричний V/Т=const 0 Ізохоричний P/T=const ± ∞ Адіабатний PV=const γ 0 З таблиці видно, що показник політропи n змінюється від - ∞ до + ∞ , а молярна теплоємність газу С набуває значень від - ∞ до + ∞. Отже, ця теплоємність залежить від показника політропи процесу. Це є дуже важливою властивістю політропної альтернативи, яка вперше продемонстрована в Україні і економічна вигода таких процесів показана в таблиці 7.   Таблиця 7 Визначення економічної ефективності впровадження установки № Найменування показників Величина одиниці виміру Ціна за одиницю Величина Вартість додаткових вигод 1 Отримання бонусу по Кіотському протоколу за знешкодження викидів 21,350 млн.м вуглекислого газу 56 євро за 1 тонну 21,350 × 1,9858 = 42386 т. де 1,9858 питома вага вуглекислого газу при переводі з об’ємних одиниць в вагові 42386×56 = 2373616 євро × 10 = 23,736 млн..грн.   2. Продаж квоти на зменшення викидів  вуглекислого газу 39,668 т вугле-кислого газу Невідома ціна Даною проблемою займаються на державному рівні Невідома вартість 3. Ліквідація сплати податку за викиду вуглекислого газу в довкілля 42386 т 300 грн./т. 42386 т. 12,715 млн.грн. 4. Визначення величини зекономленого газу за рахунок різниці в теплотворних здатностях природного газу і генерованого газу метану Генерований газ метан, теплотворна здатність 10170 ккал/м,природній газ метан теплотворна здатність 8500 ккал/м.Різниця 1690 ккал./мабо 1,19 рази   1680 грн./1000 м 19,642 : 1,19 = 16,505 19,642 - 16,505 = 3,317   3,317 × 1680 = 5,270 млн.грн.   Разом       41,721млн. грн.              Експлуатаційні витрати визначаються амортизаційними нарахуваннями на знос будівель і обладнання, і вони орієнтовно будуть дорівнювати 0,5 млн. грн., заробітною платою обслуговуючого персоналу, який складається з двох операторів в зміну, одного інженера, одного електрика і начальника дільниці що дорівнює 0,280 млн. грн./рік, вартості розходу каталізатора, який витрачається на 1 млн. м виробленого газу метану в кількості 10 кг. при вартості 1630 грн./кг, що становить 16,3 тис. грн., а при загальній виробництві  в об’ємі 21,350 млн. мце дорівнює  348,009 тис.грн., вартості води, яка йде на блок електролізерів і для виробництва того ж 1 млн. м  витрачається 805 м води () по ціні 2,4 грн./ м, що дорівнює 156,0 тис.грн. отриманого бродильного, умовно прийнятого 0,01 грн./ м, що в загальному виразиться сумою 0,213 млн.грн. Для надійного ведення процесу з використанням новітньої технології необхідного проводити технічне обслуговування установки, яке визначається сумою в 2,095 % від вартості вкладених в неї коштів і дорівнює по ВАРІАНТУ I    2,18 тис.грн./рік., по ВАРІАНТУ II  1,50 млн.грн./рік          Загальна сума експлуатаційних затрат буде визначатися сумою по ВАРІАНТУ I  2,897 млн. грн./рік.  при власній когенерації електроенергії. При закупці електроенергії з електромережі по ВАРІАНТУ II  загальна сума експлуатаційних затрат буде визначатися сумою 1,924 млн. грн./рік.           Розрахунок проводимо  тільки для першого ВАРІАНТУ каталізу, де враховується  тільки відбір чистого вуглекислого газу.  По першому ВАРІАНТУ каталізу виходить, що вартість виробленої продукції за  рахунок впровадження  установки на   Державному  спиртовому заводі   тільки по газовій складовій становить  32,795 млн.грн.. Якщо відмінусувати від вартості виробленого газу  експлуатаційні видатки, амортизаційні відрахування і вартість вуглекислого газу ( тут мається на увазі експлуатація при власній когенерації електроенергії ВАРІАНТ I ): ВП =87,175 – 2,897 – 34,152 = 53,023  млн.грн., то отримаємо валовий прибуток  (ВП). Надлишок генерованого газу власного виробництва доцільно направити на виробництво електроенергії, або продаж на газозаправній  компресорній станції. У першому випадку  тим самим скоротяться витрати на виробництво водню Н. Якщо допустити, що у ВАРІАНТІ II витрати по електроенергії  ( S ) на виробництво водню будуть враховуватись по закупівельним цінам з електромережі тоді ВП є збитковим і варіант не розглядається і може бути розглянутий тільки при умові продажу кисню стороннім організаціям або для екологічної очистки стічних вод. Відхилення від розрахунку становлять 1-2 %,  методично розрахунок зроблено по  критеріям на яких основується така дисципліна , як “економіка енергетики” і тому  він має достовірне тлумачення. 1.7. Висновки. Як видно обидва варіанти мають позитивний баланс у випадку, коли у ВАРІАНТІ II враховується величина випуску всієї товарної продукції, коли ж береться тільки чиста газова складова, тоді цей варіант малоефективний. У ВАРІАНТІ  I позитивний баланс рівний 56488 грн./доба   Звідсіля можна зробити висновок, що найбільш ефективним є впровадження обладнання, яке працює з системою  турбодетандерів і генерацією власної електроенергії. При ВАРІАНТІ II можливо впровадження установок, де є можливість продавати кисень іншим підприємствам [5].  1.8. Література 1. Тарасенко В.А.,     Тивонюк М.І.,       Чорний М.А.,     Чорний С.А, Янишевський Л.З.  Електрокаталітичне перетворення вуглекислого газу в штучний газ метан СН4 і вуглецькиснемісні сполуки. - Львів, Літературна Агенція "Піраміда", 2008.- 88 с. 2.Тарасенко В.А. Електрокаталітичне перетворення вуглекислого газу СО2 в штучний газ метан СН4 або енергетична незалежність України.-Львів, Літературна Агенція "Піраміда", 2008.- 65 с. 3.Тарасенко В.А. Електрокаталітичне знешкодження  і перетворення парникового вуглекислого газу СО2 в штучний газ метан СН4 або енергетична незалежність України.-Львів, Літературна Агенція "Піраміда", 2009.- 91 с. 4.Тарасенко В.А. Електрокаталітичне знешкодження і перетворення  вуглекислого газу СО2 в штучний газ метан СН4.-Львів, Літературна Агенція "Піраміда", 2009.- 90 с.           5. Тарасенко В.А., Тарасенко С.В. Технічні та економічні аспекти перетворення вуглекислого газу в газ метан // Компрессорное и энергетическое машиностроение. – 2009. №3. – С.49 – 54. -  0,28 друк. арк.           6.Тарасенко В.А., Тарасенко М.В., Тарасенко С.В. Економічне обгрунтування  фінансової вигоди отримання штучного газу метану як складової інноваційного поступу регіонального розвитку // Вісник Вінницького фінансово-економічного інституту. Регіональна бізнес-економіка та управління.-2010.-№1 ( 25 ).С.93-101. 7.Тарасенко В.А., Тарасенко М.В., Тарасенко С.В., Денькович Р.С.Єкимовських О.А. Технічні та економічні аспекти каталізу двоокису вуглецю в газ метан // Восточно-Европейский журнал передовых технологий.-2010 № 3/8 (45) С.14-22.           8.Тарасенко В.А., Тарасенко С.В., Подік В.О. Переведення енергопостачання на альтернативне джерело енергії, штучний газ метан, - основа інноваційного поступу регіонального розвитку// Сучасні національні економічні моделі: проблеми та перспективи розвитку. Матеріали  II Міжнародної науково-практичної конференції, Сімферополь, 5 березня 2010 р. НОВИНИ | КОНТАКТ | КАРТА САЙТУ     mob. 80935691117, 80677172980, e-mail KNOW-HOW@YEKIMOVSKIKH.COM Copyright © 2005, Yekimovskikh A.A. All rights reserved.