Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии, технологии их освоения. Возобновляемые источники энергии в России до 2015 г. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской обл.
по дисциплине:
"Основы энергосбережения "
Тема: "Возможности использования н етрадиционны х и возобно в ляемы х источников энергии "
Содержание
- ВВЕДЕНИЕ
- Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения
- Использование возобновляемых источников энергии
- Возобновляемые источники энергии в России до 2010 года
- Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области
- Заключение
Нетрадиционные возобновляемые источники энергии - это солнечное излучение, энергия ветра, энергия малых рек и водотоков, приливов, волн, энергия биомассы (дрова, бытовые и сельскохозяйственные отходы, отходы животноводства, птицеводства, лесозаготовок, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности), геотермальная энергия, а также рассеянная тепловая энергия (тепло воздуха, воды океанов, морей и водоёмов).
Основное преимущество возобновляемых источников энергии их неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Возобновляемые источники энергии играют значительную роль в решении трёх глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетика, экология, продовольствие.
Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.
Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ. Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
На современном этапе развития цивилизации экономический рост в любой стране самым тесным образом связан с функционированием топливно-энергетического комплекса. При этом наиболее конкурентоспособными являются те страны, где энергетические ресурсы используются в максимальном объеме и с высокой степенью эффективности. Экономика России базируется на невозобновляемых углеводородных топливно-энергетических ресурсах, причем, в большей степени, чем в большинстве промышленно развитых стран мира
Разведанные запасы традиционных углеводородных ресурсов в России пока позволяют обеспечивать текущие потребности национальной экономики и получать существенные доходы от экспорта энергоносителей. В то же время с каждым годом наблюдается ухудшение горно-геологических условий добычи горючих полезных ископаемых. С начала 90-х годов прошлого века восполнение запасов углеводородных ресурсов отстает от темпов роста их добычи.
В перспективе будут постоянно возрастать требования к защите окружающей среды при сжигании традиционных углеводородных ресурсов. Снижение энергоемкости российской экономики в отличие от ведущих промышленно развитых стран не являлось следствием комплексного проведения энергосберегающих мероприятий. В данном случае сыграли свою роль факторы, связанные со спадом производства, глобальным потеплением климата, повышением доли природного газа в энергетическом балансе и изменением структуры производства ВВП в сторону увеличения доли производства услуг. Производство услуг обычно менее энергоемко по сравнению с производством товаров.
Если разрыв в уровне энергоемкости ВВП будет сохраняться, то это несомненно окажет негативное воздействие на конкурентоспособность российских товаров на мировом рынке.
Уже в ближайшей перспективе все большую часть прироста национальных потребностей России в топливе и энергии необходимо будет обеспечивать за счет мероприятий по энергосбережению. В основных положениях Энергетической стратегии России до 2020 года энергосбережение предполагается в основном осуществлять за счет организационных и технологических мероприятий, направленных на более эффективное использование традиционных видов топливно-энергетических ресурсов.
Следует, однако, подчеркнуть, что энергосбережение - это не только внедрение технологий, позволяющих увеличить эффективность использования традиционных энергоносителей, но также и диверсификация энергобаланса за счет использования альтернативных источников энергии. К сожалению, последнему аспекту в стратегии энергосбережения уделяется недостаточно внимания.
В стратегическом плане среди альтернативных источников энергии наиболее важную роль будут играть возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Среди них особый интерес представляют нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ): энергия солнца, ветра, тепла земли, малых рек, океана, биомассы и торфа.
В данном реферате мы рассмотрим возобновляемые источники энергии, их достоинства и недостатки, и перспективы использования ВИЭ в России.
Глава 1. Характеристики возобновляемых источников энергии и основные аспекты их использования в России
1.1 Возобновляемые источники энергии
Это виды энергии, непрерывно возобновляемые в биосфере Земли. К ним относится энергия солнца, ветра, воды (в том числе сточных вод), исключая применения данной энергии на гидроаккумулирующих электроэнергетических станциях. Энергия приливов, волн водных объектов, в том числе водоемов, рек, морей, океанов. Геотермальная энергия с использованием природных подземных теплоносителей. Низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с применением особых теплоносителей. Биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива. А также биогаз; газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов; газ, образующийся на угольных разработках.
Теоретически возможна и энергетика, основанная на использовании энергии волн, морских течений, теплового градиента океанов (ГЭС установленной мощностью более 25 МВт). Но пока она не получила распространения.
Способность источников энергии возобновляться не означает, что изобретен вечный двигатель. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) используют энергию солнца, тепла, земных недр, вращения Земли. Если солнце погаснет, то Земля остынет, и ВИЭ не будут функционировать.
1.2 Преимущества возобновляемых источников энергии в сравнении с традиционными
Традиционная энергетика основана на применении ископаемого топлива, запасы которого ограничены. Она зависит от величины поставок и уровня цен на него, конъюнктуры рынка.
Возобновляемая энергетика базируется на самых разных природных ресурсах, что позволяет беречь невозобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики, а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию.
Независимость ВИЭ от топлива обеспечивает энергетическую безопасность страны и стабильность цен на электроэнергию
ВИЭ экологично чисты: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы. Отсутствуют экологические издержки, связанные с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива.
В большинстве случаев ВИЭ-электростанции легко автоматизируются и могут работать без прямого участия человека.
В технологиях возобновляемой энергетики реализуются новейшие достижения многих научных направлений и отраслей: метеорологии, аэродинамики, электроэнергетики, теплоэнергетики, генераторо- и турбостроения, микроэлектроники, силовой электроники, нанотехнологий, материаловедения и т. д. Развитие наукоемких технологий позволяет создавать дополнительные рабочие места за счет сохранения и расширения научной, производственной и эксплуатационной инфраструктуры энергетики, а также экспорта наукоемкого оборудования.
1.3 Наиболее распространенные возобновляемые источники энергии
И в России, и в мире - это гидроэнергетика. Около 20% мировой выработки электроэнергии приходится на ГЭС.
Активно развивается мировая ветроэнергетика: суммарные мощности ветрогенераторов удваиваются каждые четыре года, составляя более 150 000 МВт. Во многих странах ветроэнергетика занимает прочные позиции. Так, в Дании более 20% электроэнергии вырабатывается энергией ветра.
Доля солнечной энергетики относительно небольшая (около 0,1% мирового производства электроэнергии), но имеет положительную динамику роста.
Геотермальная энергетика имеет важное местное значение. В частности, в Исландии такие электростанции вырабатывают около 25% электроэнергии.
Приливная энергетика пока не получила значительного развития и представлена несколькими пилотными проектами.
1.4 Состояние возобновляемой энергетики в России
Этот вид энергетики представлен в России главным образом крупными гидроэлектростанциями, обеспечивающими около 19% производства электроэнергии в стране. Другие виды ВИЭ в России пока заметны слабо, хотя в некоторых регионах, например на Камчатке и Курильских островах, они имеют существенное значение в местных энергосистемах. Суммарная мощность малых гидроэлектростанций порядка 250 МВт, геотермальных электростанций - около 80 МВт. Ветроэнергетика позиционируется несколькими пилотными проектами общей мощностью менее 13 МВт. Приливная энергетика ограничена возможностями экспериментальной Кислогубской ПЭС.
Глава 2. Обзор возобновляемых источников энергии
2.1 Энергия солнца
Солнечная энергетика -- использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов
2.1.1 Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения
Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов
Преобразование энергии в фотоэлементах основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Неоднородность структуры фотоэлементов может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлементов, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
Солнечный водонагреватель
Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд. Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°. КПД установки - 40%.
“С олнечный парус” -- приспособление, использующее давление солнечного светана зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земле -- около 5·10 -6 Н/м) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Но солнечный парус не требует ракетного топлива, и может действовать в течение длительного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Эффект солнечного паруса использовался несколько раз для проведения малых коррекций орбиты космических аппаратов, в роли паруса использовались солнечные батареи или радиаторы системы терморегуляции. Однако на сегодняшний день ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя.
Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество -- запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.
2.1.2 Практическое использование солнечной энергии
a ) Солнечные коллекторы-концентраторы
Солнечный коллектор -- устройство для сбора энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. Солнечные коллекторы применяются для отопления промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30--90°C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов. В Европе в 2000 г. общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн. мІ, а во всём мире -- 71,341 млн. мІ. Солнечные коллекторы -- концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов
б ) Параболоцилиндрические концентраторы
Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой. Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300--390°C.
Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север--юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором. С 1984 по 1991 г. в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт*ч. Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт. В июне 2006 г. в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами. Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране. Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.
c ) Параболические концентраторы
Параболические концентраторы имеют форму спутниковой тарелки. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92% падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.
В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25% в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.
В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9--25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22--24%, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния солнечной чистоты. В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98%. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999%.В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09--0,12 за кВт*ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04--0,05 к 2015--2020 г. Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров -- до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 г. будет построено 20 тыс. параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.
д ) Освещение зданий с помощью световых колодцев
Световой колодец (англ. lighttubeorlightpipe) -- оборудование для освещения помещений при помощи естественного солнечного света. Световой колодец представляет cобой трубу, передающую солнечный свет с минимальными потерями. Простейший вариант светового колодца -- отверстие в потолке. Солнечные колодцы применяются для освещения как промышленных, так и жилых зданий в дневное время суток. Могут применяться в больших промышленных зданиях: складах, цехах, подземных помещениях и т. д.
2.1.3 Достоинства и недостатки солнечной энергетики
Достоинства
*Общедоступность и неисчерпаемость источника.
*Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
Недостатки
*Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках.
*Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990--2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4% в год.
*Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).
*Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.
*Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.
*Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.
Вывод
Сегодня солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически. В России солнечная энергетика существует только в виде небольших установок автономного энергоснабжения, не подключенных к энергосистеме и применяемых частными лицами и небольшими организациями.
2.2 Ветровая энергия
Ветер -- поток воздуха, движущийся относительно земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с.
Ветры над большими площадями образуют обширные воздушные течения -- муссоны, пассаты, из которых слагается общая и местная циркуляция атмосферы.
Ветроэнергетика -- отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра -- кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца.
2.2.1 Получение энергии с помощью ветрогенераторов
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) -- устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.
Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) -- полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС -- высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.
2.2.2Типы ветродвигателей
Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатовделятся на две группы:
1. ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5);
2. ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.
a ) Крыльчатые
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастейкрыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.
б ) Карусельные
Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов - повышающий редуктор не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.
c ) Ортогональные
Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете. Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.
Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми - взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.
2.2.3 Достоинства и недостатки ветрогенераторов
Достоинства
Экологически-чистый вид энергии
Эргономика
Возобновимая энергия
Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест.
Недостатки
Нестабильность
Относительно невысокий выход электроэнергии
Высокая стоимость
Природные условия
Шумовое загрязнение
Вывод
Ветроэнергетика является наиболее развитой сферой практического использования природных возобновляемых энергоресурсов. Мировыми лидерами в ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. В настоящее время в России возникли новые организации, занимающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами.
В России, по мнению экспертов, уникальное сочетание благоприятных факторов для развития ветроэнергетики:
Обширная территория;
Богатый и хорошо изученный потенциал ветра (127 ТВтч);
Большие объёмы энергопотребления, связанные с климатическими условиями и структурой экономики.
В настоящее время, прорабатывается и реализуется целый ряд проектов строительства ветроэнергетических станций (ВЭС), мощностью чаще всего от 100 до 300 МВт каждая, практически по всей территории страны, хотя большая часть сконцентрирована на северо-западе и юге европейской части России: Ленинградская область; Псковская область; Ростовская область и Северный Кавказ (Порт Кавказ, Анапа, Темрюк, Карачаево-Черкесия); Оренбург; Остров Русский в Приморье.
Всего в России насчитывается 20-25 проектов ВЭС в разной степени продвижения.
электричество солнце ветер биомасса
2.3 Геотермальная энергия
Геотермальная энергетика -- производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, возобновимым энергетическим ресурсам.
Тепловая энергия недр образуется за счет расщепления радионуклидов в середине планеты. Этот экологически чистый и постоянно обновляемый источник энергии может быть использован в регионах с вулканическими проявлениями и геологическими аномалиями, когда вода вблизи от поверхности земли нагревается до температуры кипения, в результате чего в виде водяного пара может подаваться на турбины для производства тока. Горячая вода естественных источников (гейзеров) может быть использована непосредственно.
Однако тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры.
Источники геотермальной энергии
по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:
Месторождения геотермального сухого пара - сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;
Источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) - встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);
Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) - представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;
Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) - их запасы энергии наиболее велики;
Магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы.
Опыт, накопленный различными странами (в том числе и Россией), относится в основном к использованию природного пара и термальных вод, которые остаются пока наиболее реальной базой геотермальной энергетики. Однако ее крупномасштабное развитие в будущем возможно лишь при освоении петрогеотермальных ресурсов, т. е. тепловой энергии горячих горных пород, температура которых на глубине 3-5 км обычно превышает 100°С.
Для использования геотермальной энергии используют высокотемпературные геотермальные энергетические и тепловые станции (ГеоЭС) и низкотемпературные тепловые насосы (ТН).
2.3.1 Геотермальные электростанции
Способы использования геотермальной энергии
Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0 С).
Принципы работы
В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0 С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.
Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару
Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии - это самая крупная геотермальная электростанция в мире.
Геотермальные электростанции на парогидротермах
Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182°С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.
Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии
Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0 С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.
2.3.2 Тепловые насосы
Одним их приоритетных направлений развития альтернативной энергетики в мире является освоение низкопотенциальной энергии Земли (тепла грунта, грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированное в поверхностных слоях земной коры).
Низкопотенциальные геотермальные ресурсы (НГР) могут использоваться для обеспечения тепло- и хладоснабжения (кондиционирования), горячего водоснабжения зданий и сооружений всех типов, а также энергоснабжения технологических процессов. Технология их освоения заключается в использовании систем извлечения энергии, ее обработки и доставки теплоносителя к потребителю. Главным компонентом подобных систем являются геотермальные тепловые насосы (ГТН).
Геотермальные тепловые насосы представляют собой устройства, осуществляющие обратный термодинамический цикл, благодаря чему низкопотенциальная энергия переносится на более высокий уровень.
Помимо геотермального тепла, источником энергии для тепловых насосов может служить тепло сточных и оборотных вод, что позволяет параллельно решать проблему эксплуатации вторичных энергоносителей.
На сегодняшний день используются парокомпрессионные геотермальные тепловые насосы (ПТН), работающие на хладонах, и адбсорционные геотермальные тепловые насосы (АТН), в которых рабочими веществами выступают вода и водный раствор бромистого лития. Однако, в связи с меньшей эффективностью и сложностью конструкции, АТН не получили распространения.
Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос - это устройство, которое работает по принципу обратной холодильной машины, передавая тепло от низкотемпературного источника к среде с более высокой температурой, например системе отопления вашего дома.
Каждая теплонасосная система имеет следующие основные компоненты:
Бак-аккумулятор - теплоизолированная ёмкость для воды, предназначена для накопления горячей воды, с целью выравнивания тепловых нагрузок системы отопления и горячего водоснабжения, а также увеличивает срок работы теплового насоса.
Первичный грунтовый контур - закрытая циркуляционная система, которая состоит из испарителя (теплового насоса), циркуляционного насоса грунтового контура, трубопроводов, и служит для передачи тепла от грунта к тепловому насосу.
Вторичный грунтовый контур - закрытая система, которая состоит с конденсатора (теплового насоса), циркуляционного насоса, трубопроводов, и служит для передачи тепла от теплового насоса к системе отопления в доме.
Принцип работы теплового насоса похож к работе обыкновенного холодильника, только наоборот. Холодильник отбирает тепло от пищевых продуктов и переносит его наружу. Тепловой насос переносит тепло, накопленное в почве, земле, водоеме, подземных водах или воздухе, в Ваш дом. Как и холодильник, этот энергоэффективный теплогенератор имеет следующие основные элементы:
Конденсатор (теплообменник, в котором происходит передача тепла от хладагента к элементам системы отопления помещения: низкотемпературным радиаторам, фанкойлам, теплому полу);
Дроссель (устройство, которое служит для снижения давления, температуры и, как следствие, замыкания теплофикационного цикла в тепловом насосе);
Испаритель (теплообменник, в котором происходит отбор тепла от низкотемпературного источника к тепловому насосу);
Компрессор (устройство, в которое повышает давление и температуру паров хладагента).
Виды теплосъема тепловым насосам
1) Земляной горизонтальный контур
Использует энергию, накопленную на поверхности земли (глубина от 1м до 2,5 м). Летом Тепловой насос забирает лишнее тепло из дома и переносит его под землю. Зимой Тепловой насос забирает накопленное за лето тепло и отдаёт обратно в дом
2) Земляной вертикальный контур
Использует энергию, накопленную в глубине земли (глубина 30-200 м). Бурится вертикальная скважина и в неё опускается замкнутая труба, по которому течёт теплоноситель. Тепло уносится грунтовыми водами летом и подается зимой.
3) Подземные воды
Использует энергию, грунтовой воды.Грунтовые воды круглогодично имеют температуру +5+12 С.Даже в самый сильный мороз Вы получите «бездонный» источник тепла, а летом - приятную прохладу
4) Энергия водоёма
Использует энергию, накопленную в летний период водоёма. Энергия водоёма имеет зимой температуру +3 +5 С. Даже в самый сильный мороз Вы получите «бездонный» источник тепла, а летом - приятную прохладу.
Преимущества и недостатки теплового насоса
Преимущества
Высокая экономичность.
Не требует постоянного сервисного обслуживани.
Длительный срок эксплуатации (до 50 лет).
Экологически чистая и безопасная систем.
Возможность использования в одной установке нескольких систем (отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование.
Низкий уровень шумов.
Срок окупаемости установки от 3-х до 5-ти лет.
Недостатки
Высокая начальная стоимость оборудования и установки внешнего коллектора или скважины забора воды.
2.3.3 Преимущества и недостатки геотермальной энергетики
Основной недостаток геотермальной энергии - необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.
Вывод
Всего в России можно выделить три основные зоны, в зависимости от типа и возможностей использования геотермальной энергии:
Камчатка и Курилы -- наиболее «горячие»точки;
Северный Кавказ и зона, прилегающая к Байкалу, где возможно использование глубинных вод для теплоснабжения;
Потенциально обширная территория, охватывающая 2/3 России, где возможно использование низкопотенциальной энергии с помощью тепловых насосов.
Принципом теплового насоса, используемым в большом масштабе, можно назвать и петротермальную энергетику, использующую энергию фонового теплового потока, исходящего из недр Земли.
Геотермальная энергетика России ориентирована как на строительство «гигантов» (крупных объектов), так и на использование геотермальной энергии для отдельных домов, школ, больниц, частных магазинов и других объектов мощностью 0,1-0,4 МВт с использованием геотермальных циркуляционных систем.
В настоящий момент в России разведано около полусотни геотермальных месторождений. Для дальнейшего развития геотермальной энергетики необходимы инвестиции и поддержка государства. Введение геотермальной энергетики в энергобаланс страны позволит, с одной стороны, повысить энергетическую безопасность, с другой - снизить вредное воздействие на экологическую обстановку по сравнению с традиционными источниками.
2.4 Биогазовая энергетика
Биогаз -- газ, получаемый метановым брожением биомассы. В результате биохимической реакции, в которой принимают участие метановые бактерии, выделяется биогаз, его основными составляющими являются: метан (СН 4 , около 70%), углекислый газ (СО 2 , около 30%) и некоторое количество H 2 , H 2 S, N 2 . Теплотворная способность данной газовой смеси от 5000 до 8000 Ккал/м3, в зависимости от состава органических отходов.
2.4.1 Получение биогаза
Суть процесса получения биогаза в биореакторе сводится к следующему:
· создание условий для начала химической реакции разложения органики,
· отвод полученного биогаза и его накопление с одновременным созданием необходимого рабочего давления,
· вывод твердых фракций за пределы реактора, полученных в результате реакции разложения.
Теперь более подробно о каждом процессе.
2.4.2 Сырьё:
навоз и помет птиц, растительные и молочные отходы, энергетические культуры (силосная кукуруза).
Следует отметить, что для большей эффективности, растительные отходы следует измельчать до минимально возможных размеров и готовить смесь.
Пропорциональное смешение органики с целью повышения объема выхода биогаза:
· навоз КРС + помет птиц дает увеличение выхода биогаза на 6%
· навоз КРС + куриный помет + навоз свиней (1: 0,5: 0,5) - на 11%
· навоз КРС + свиной - на 7%
· навоз КРС + сосняки (опавшая хвоя) - на 5%
· надо заметить, что птичий помет в чистом виде не может перерабатываться в биогаз в обычном реакторе поскольку содержат высокий уровень кислот, при котором метановые бактерии погибают (на птицефабриках дополнительно используют реактор гидролиза)
· наличие большого количества мочи не способствует увеличению выхода биогаза, зато, сказывается на азотонасыщенности конечных твердых фракций; вода так же является лишь источником разжижения массы для ускорения реакции и ее (воды) объем на увеличении количества биогаза не отражается (достаточная влажность биосырья должна составлять 60-70%).
В принципе, процесс биореакции в закрытом пространстве (анаэробное сбраживание), со временем, начинается сам по себе, но существенно замедляется при низких температурах воздуха. Наиболее оптимальная температура для поддержания биологической активности метановых бактерий 30-40 0 С. Для искусственного ускорения начала процесса применяют подогрев биомассы с помощью обычного обогревателя-змеевика до температуры +38 0 С.
Метантек (биореактор) с целью поддержания температурного режима тщательно теплоизолируют.
Для увеличения скорости брожения и образования биогаза применяют механическоеперемешивание биомассы в биогазовой установке. Этот прием позволяет существенно сэкономить на объеме реактора, так как при отсутствии данной процедуры для получения того же объема биогаза потребуется реактор больших размеров.
На процесс брожения влияют и химические показатели, в частности, уровнь РН: если он высок, процесс существеннно замедляется либо вовсе останавливается.
Замедлению реакции сбраживания способствует наличие в биомассе сырья, содержащего антибиотики, консерванты и остатки моющих средств. Поэтому отходы жизнедеятельности человека малопригодны для биогазовых реакторов.
С целью ускорения биопроцесса в метантеках применяются стимулирующие добавки.
В примитивных биогазовых установках биогаз скапливается под тяжелой крышкой реактора, доводится до определенного давления и после отводится в систему газопотребления. В качестве газгольдера на подворье может служить и внешняя установка наподобие кузнечных мехов. Для поддержания необходимого давления в данной конструкции используется гнет.
2.4.3 Типы биогазовых установок
По типу конструкции биогазовые установки бывают следующих типов:
Без обогрева и без промешивания ферментируемой органики в реакторе;
Без обогрева, но с промешиванием органической массы;
С обогревом и промешиванием;
С обогревом, с промешиванием и с приборам, позволяющими контролировать и управлять процесс ферментации.
Биогазовая установка первого типа подходит для небольшого хозяйства и рассчитана на психрофильные бактерии: внутренний объем биореактора 1-10 м 3 (переработка 50-200 кг навоза за сутки), минимальная комплектация, полученный биогаз не хранится -- сразу поступает к потребляющим его бытовым приборам. Такую установку можно использовать только в южных районах, она рассчитана на внутреннюю температуру 5-20°С. Удаление ферментированной (сброженной) органики производится одновременно с загрузкой новой партии, отгрузка выполняется в емкость, объем которой должен быть равным или больше внутреннего объема биореактора. Содержимое емкости храниться в ней до введения в удобряемую почву.
Конструкция второго типа также рассчитана на небольшое хозяйство, ее производительность несколько выше биогазовых установок первого типа -- в ее оснащение входит перемешивающее устройство с ручным или механическим приводом.
Третий тип биогазовых установок оснащен помимо промешивающего устройства принудительным обогревом биореактора, водогрейный котел при этом работает на альтернативном топливе, производимом биогазовой установкой. Выработкой метана в таких установках занимаются мезофильные и термофильные бактерии, в зависимости от интенсивности обогрева и уровня температуры в реакторе.
Последний тип биогазовых установок наиболее сложен и рассчитан на нескольких потребителей биогаза, в конструкцию установок вводятся электроконтактный манометр, предохранительный клапан, водогрейный котел, компрессор (пневматическое промешивание органики), ресивер, газгольдер, газовый редуктор, отвод для загрузки биогаза в транспорт. Эти установки работают непрерывно, допускают установку любого из трех температурных режимов благодаря точно настраиваемому обогреву, отбор биогаза выполняется в автоматическом режиме.
2.4.4 Достоинства и недостатки биогаза
Биогазовая отрасль производит не один конечный продукт, а целый спектр дорогих и важных продуктов и без ущерба экологии:
Достоинства.
* Тепло - от охлаждения генератора или от сжигания биогаза. Полученное тепло используют для обогрева помещений.
* Электричество - из 1 мі биогаза можно выработать около 2 кВт электроэнергии.
* Биогаз - биогаз можно сжимать, накапливать, перекачивать излишки, продавать. Существуют модели автомобилей, которые используют в качестве топлива газ. Эти машины могут без дополнительной адаптации заправляться биометаном. Сейчас появляются первые заправочные биогазовые станции. В Швеции и Швейцарии биометан уже долгое время используется в городских автобусах (Volvo, Skania) и грузовых машинах.
* Удобрения - удобрения, получаемые в виде переброженной массы являются экологически чистыми, жидкими удобрениями, лишенными нитритов, семян сорников, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Расход таких удобрений составляет 1-5 т вместо 60 т необработанного навоза для обработки 1 га земли. В полученное удобрение могут добавляться фосфорные, калийные или другие удобрения, в зависимости от культуры, под которые будут использоваться удобрения. Испытания показывают увеличение урожайности в 2-4 раза.
* Утилизация органических отходов - биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах, что повышает санитарно-гигиеническое состояние этих предприятий.
* Решение экологических проблем - производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, снизить применение химических удобрений, сократить нагрузку на грунтовые воды.
Недостатки
Складирование биогаза в закрытых ёмкостях повышает требования к безопасности при использовании биогазовых установок.
Вывод
Агропромышленный комплекс России сегодня сталкивается с проблемой утилизации огромного количества биологических отходов -- чаще всего они просто вывозятся с территорий ферм и складируются. Стало происходить заметное загрязнение прилегающих к фермам рельефа почв, водоемов, лесов и пастбищ. В итоге наносится серьезный экономический, экологический и социальный ущерб не только сельскохозяйственным землям, но и жителям близлежащих населенных пунктов.
Развитие биогазовой энергетики в сельскохозяйственных регионах России может стать не только возможным решением проблемы отходов, но и решением энергетических проблем сельского хозяйства. Кроме того, биогазовая энергетика -- это еще и источник дешевых и доступных комплексных органических удобрений, которые образуются как субпродукт при производстве биогаза.
Заключение
Перспективы развития возобновляемых источников энергии и энергоэффективности в России
По оценкам, технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т у.т. в год, что немногим более 25 процентов от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране.
Важно отметить, что экономический потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличился, и будет продолжать расти в связи с подорожанием традиционного топлива.
Помимо неистощаемости и экологической чистоты ВИЭ, которые являются очевидными преимуществами этих видов энергии, существует ряд других причин обусловливающих необходимость их интенсивного использования.
Энергетическая стратегия России до 2020 года подчеркивает, что необходимость использования ВИЭ определяется их существенной ролью при решении следующих проблем:
Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях;
Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений;
Снижение экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса.
В настоящее время одними из ключевых факторов, сдерживающих развитие ВИЭ в России, являются дефицит инвестиций для реализации необходимых проектов, а также недостатки нормативно-правовой базы.
Литература
1. Лятхер, В.М. Развитие ветроэнергетики / В.М. Лятхер //Журнал «Малая энергетика». - 2006. - № 1-2 (4-5).
2. Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России
3. Щелкунов Г. Солнечная энергетика. Глобальные проекты // Электроника. НТБ. 2002. № 6.
4. Производство и использование биомассы // Энергосбережение. 2007. № 5.
5. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М. Энергоатомиздат. 1990. - 392 с.
6. Ресурсы Интернета.Тема реферата: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии, технологии их освоения. Возобновляемые источники энергии в России до 2010 г. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской обл.
реферат , добавлен 27.02.2010
Классификация возобновляемых источников энергии. Современное состояние и перспективы дальнейшего развития гидро-, гелео- и ветроэнергетики, использование энергии биомассы. Солнечная энергетика в мире и в России. Развитие биоэнергетики в мире и в РФ.
курсовая работа , добавлен 19.03.2013
Прогноз и требования к энергетике с позиции устойчивого развития человечества. Нетрадиционные источники энергии: Энергия Солнца, ветра, термальная энергия земли, энергия внутренних вод и биомассы. Попытки использования нетрадиционные источников энергии.
реферат , добавлен 02.11.2008
Использование возобновляемых источников энергии, их потенциал, виды. Применение геотермальных ресурсов; создание солнечных батарей; биотопливо. Энергия Мирового океана: волны, приливы и отливы. Экономическая эффективность использования энергии ветра.
реферат , добавлен 18.10.2013
Распространение солнечной энергии на Земле. Способы получения электричества из солнечного излучения. Освещение зданий с помощью световых колодцев. Получение энергии с помощью ветрогенераторов. Виды геотермальных источников энергии и способы ее получения.
презентация , добавлен 18.12.2013
Основные виды альтернативной энергии. Биоэнергетика, энергия ветра, Солнца, приливов и отливов, океанов. Перспективные способы получения энергии. Совокупная мощность ветроэлектростанций Китая, Индии и США. Доля альтернативной энергетики в России.
презентация , добавлен 25.05.2016
Классификация альтернативных источников энергии. Возможности использования альтернативных источников энергии в России. Энергия ветра (ветровая энергетика). Малая гидроэнергетика, солнечная энергия. Использование энергии биомассы в энергетических целях.
курсовая работа , добавлен 30.07.2012
Существующие источники энергии. Мировые запасы энергоресурсов. Проблемы поиска и внедрения нескончаемых или возобновляемых источников энергии. Альтернативная энергетика. Энергия ветра, недостатки и преимущества. Принцип действия и виды ветрогенераторов.
курсовая работа , добавлен 07.03.2016
Основные способы получения энергии, их сравнительная характеристика и значение в современной экономике: тепловые, атомные и гидроэлекростанции. Нетрадиционные источники энергии: ветровая, геотермальная, океаническая, энергия приливов и отливов, Солнца.
курсовая работа , добавлен 29.11.2014
Изучение опыта использования возобновляемых источников энергии в разных странах. Анализ перспектив их массового использования в РФ. Основные преимущества возобновляемых альтернативных энергоносителей. Технические характеристики основных типов генераторов.
по дисциплине:
"Основы энергосбережения"
Тема: "Возможности использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии"
Введение
Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения
Использование возобновляемых источников энергии
Возобновляемые источники энергии в России до 2010 года
Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области
Заключение
Один из основных аргументов против использования НВИЭ - их "дороговизна". Однако приведенные в таблице 1 данные по средней стоимости электроэнергии, полученной от различных источников энергии на электростанциях стран ЕС (в центах за кВт. ч), свидетельствуют об обратном: одной из самых дорогих оказывается энергия, полученная на АЭС. Все остальные источники (за исключением фотоэлектрических станций) значительно дешевле.
Таблица 1.
Согласно официальным оценкам (Минтопэнерго), экономический потенциал ВИЭ в России представлен в таблице 2.
Таблица 2.
Однако энергия большинства НВИЭ обладает малой плотностью потоков энергии (рассеянностью или низким удельным потенциалом) и нерегулярностью поступления, зависящей от климатических условий, суточных и сезонных циклов. Поэтому для эффективного использования НВИЭ, собственно ветра, солнца, морских волн и др., необходимо решить ряд инженерных задач по созданию экономичных и надежных устройств и систем, воспринимающих, концентрирующих и преобразующих эти виды источников энергии в приемлемую для потребителя тепловую, механическую и электрическую энергию. Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения за счет НВИЭ, особенно автономных потребителей, система должна быть укомплектована аккумуляторами и преобразователями. Особенно перспективны гибридные системы, использующие одновременно два или несколько видов НВИЭ, например солнце и ветер, взаимно дополняющих друг друга, в сочетании с аккумулятором и резервным двигателем внутреннего сгорания в качестве привода электрогенератора.
При существующем соотношении цен на органическое топливо и оборудование уже сегодня имеются зоны экономически эффективного применения НВИЭ и в России.
По электроэнергии - это районы автономного электроснабжения, особенно использующие привозное топливо, а также территории дефицитных энергосистем.
По теплу - это практически вся территория России, особенно районы с привозным топливом, экологически напряженные населенные пункты и города, а также места массового отдыха населения.
Ветровая энергетика.
Использование энергии ветра сегодня чрезвычайно динамично развивающаяся отрасль мировой энергетики. Если суммарная установленная мощность ветровых энергоустановок (ВЭУ) в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигла уже 31,1 ГВт. По данным 2002 г. странами-лидерами по установленной мощности (ГВт) ВЭУ являлись:
Германия - 12;
Испания - 4,8;
Дания - 2,9;
Индия - 1,7.
Тенденцией последних десятилетий является непрерывный рост единичной мощности сетевых ВЭУ. Еще 10 лет назад типичной ВЭУ в составе ветровых ферм была установка мощностью 300-500 кВт. В 2000-2002 годах серийной стала ВЭУ мощностью 1÷1,2 МВт. Некоторые фирмы начали производить еще более крупные установки - до 4,5 МВт в основном для применения на шельфе, где наиболее благоприятны характеристики ветра. Это приводит к снижению стоимости установленного киловатта, которая сегодня находится на уровне 1000 долл. /кВт, и стоимости вырабатываемой электроэнергии.
При благоприятных характеристиках ветра стоимость электроэнергии, вырабатываемой крупной ветровой фермой, приближается к стоимости на топливных электростанциях. Все крупные ВЭУ работают совместно с сетью, и их суммарная мощность не должна превышать 15-20% от емкости сети.
В России до недавнего времени развитию ветроэнергетики не уделялось должного внимания. Разрабатывавшиеся в конце прошлого века ВЭУ мощностью в 250 кВт не были доведены до необходимых требований по надежности и эффективности. Аналогичной оказалась судьба разработки ОКБ "Радуга" ВЭУ мощностью в 1 МВт. Поэтому практически все крупные ВЭУ, действующие сегодня в России, укомплектованы импортными агрегатами (Табл.3).
Таблица 3.
В отличие от производства крупных ВЭУ, в России имеется довольна развитая производственная база по выпуску автономных ветроустановок малой мощности: от 0,04 до 16 кВт, в том числе ветро-дизельные агрегаты. Около 10 изготовителей готовы выпускать такие ВЭУ, а некоторые из них (ЦНИИ "Электроприбор" г. Санкт-Петербург) поставляют свои изделия заграницу. В России потенциальный рынок для таких установок велик, однако, расширение выпуска не происходит из-за малого платежеспособного спроса. Для более широких поставок заграницу, прежде всего в развивающиеся страны, необходима сертификация установок по международным стандартам и наладка гарантийного и сервисного обслуживания.
К малым ГЭС условно относят гидроэнергетические агрегаты мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Меньшие агрегаты относятся к категории микро-ГЭС. Суммарная мощность малых ГЭС в мире сегодня превышает 70 ГВт.
Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение в электроэнергетике многих стран мира. В ряде развитых стран установленная мощность малых ГЭС превышает 1 млн. кВт (США, Канада, Швеция, Испания, Франция, Италия). Они используются как местные экологически чистые источники энергии, работа которых приводит к экономии традиционных топлив, уменьшая эмиссию диоксида углерода. Лидирующая роль в развитии малой гидроэнергетики принадлежит КНР, где суммарная установленная мощность малых ГЭС превышает 13 млн. кВт. В развивающихся странах создание малых ГЭС как автономных источников электроэнергии в сельской местности имеет огромное социальное значение. При сравнительно низкой стоимости установленного киловатта и коротком инвестиционном цикле малые ГЭС позволяют дать электроэнергию удаленным от сетей поселениям.
В России энергетический потенциал малых рек очень велик. Число малых рек превышает 2,5 млн., их суммарный сток превышает 1000 км3 в год. По оценкам специалистов сегодняшними доступными средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд. кВтч электроэнергии в год.
В середине прошлого века в России работало большое количество малых ГЭС, однако, впоследствии предпочтение было отдано крупному гидроэнергостроительству, и малые ГЭС постепенно выводились из эксплуатации. Сегодня интерес к малым ГЭС возобновился. Несмотря на то, что их экономические характеристики уступают крупным ГЭС, в их пользу работают следующие аргументы. Малая ГЭС может быть сооружена даже при нынешнем дефиците капиталовложений за счет средств частного сектора экономики, фермерских хозяйств и небольших предприятий. Малая ГЭС, как правило, не требует сложных гидротехнических сооружений, в частности, больших водохранилищ, которые на равнинных реках приводят к большим площадям затоплений. Сегодняшние разработки малых ГЭС характеризуются полной автоматизацией, высокой надежностью и полным ресурсом не менее 40 лет. Малые ГЭС позволяют лучше использовать солнечную и ветровую энергию, так как водохранилища ГЭС способны компенсировать их непостоянство.
В 90-е годы в России проблема производства оборудования для малых и микро-ГЭС в основном была решена. Особенно привлекательно создание малых ГЭС на базе ранее существовавших, где сохранились гидротехнические сооружения. Сегодня их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях существующие малые водохранилища, которых в России более 1000.
В стране имеется ряд предприятий, производящих и продающих гидроэнергетическое оборудование, отвечающее самым современным требованиям и не уступающее лучшим мировым образцам. С использованием этого оборудования малые ГЭС могут создаваться как полностью автономные, так и работать на сеть. Последнее требует разработки законодательства, регламентирующего взаимоотношения между индивидуальными производителями электроэнергии и сетью.
Наиболее просто использовать солнечную энергию для получения тепла для горячего водоснабжения. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) широко распространены в странах с жарким климатом. Например, в Израиле закон требует, чтобы каждый дом был оснащен СВУ. В США СВУ повсеместно используются для подогрева воды в бассейнах. Вклад СВУ в энергетический баланс США эквивалентен примерно 2 млн. тут в год. Основным элементом СВУ является плоский солнечный коллектор, воспринимающий солнечную радиацию и преобразующий ее в полезное тепло. Поэтому обычно масштаб использования СВУ оценивают площадью установленных солнечных коллекторов. Суммарная площадь коллекторов, установленных сегодня в мире оценивается в 50-60 млн м 2 , что обеспечивает получение тепловой энергии, эквивалентной 5-7 млн тут в год. В Европейских странах к концу 2000 г. действовало 11,7 млн м 2 коллекторов.
В России СВУ на сегодня не нашли сколько-нибудь значительного распространения, что с одной стороны связано с относительно низкой стоимостью традиционных топлив, а с другой - бытующим мнением о недостаточной инсоляции в большинстве регионов России.
Вместе с тем в последние годы для всей территории России проведено тщательное исследование прихода солнечной энергии на поверхности, тем или иным образом ориентированные в пространстве, и показано, что практически для всех регионов страны, включая высокие широты, применение СВУ в течение 3-6 месяцев в году экономически оправдано.
В эти же годы рядом промышленных предприятий разработаны новые типы солнечных коллекторов, применение которых в СВУ вместо импортных, делает эти установки экономически более привлекательными. В связи с этим интерес к использованию СВУ в стране, особенно в южных регионах, возрос (Ростовская область, Ставропольский и Краснодарский края, Дагестан, Калмыкия, Бурятия). Хотя в летнее время даже в Сибири достаточно солнца, чтобы использовать СВУ. Представляет также интерес использование солнечных коллекторов в сочетании с тепловыми насосами (ТН) в том числе для отопления.
Для преобразования солнечной энергии в электроэнергию могут быть использованы как термодинамические методы, так и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).
Сегодня в США работают 7 электростанций общей мощностью 354 МВт (э), использующие параболоцилиндрические концентраторы солнечной радиации и термодинамический метод преобразования. Известны проекты сооружения подобных СЭС в ряде стран так называемого солнечного пояса (Мексика, Египет и др.). Для России, с учетом характеристик солнечной радиации, подобные СЭС сегодня не представляют сколько-нибудь значительного интереса.
Фотоэлектрические преобразователи, напротив, находят все большее применение в самых разных регионах. В отличие от СЭС с концентраторами, ФЭП используют не только прямое, но и рассеянное излучение и не требуют дорогостоящих устройств для слежения за солнцем.
Рынок ФЭП развивается весьма динамично. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Это обусловлено принятием в ряде стран национальных программ, предусматривающих широкое внедрение ФЭП ("100 тысяч солнечных крыш" в Германии, "100 тысяч солнечных крыш" в Японии, "1 млн. солнечных крыш" в США). Быстрыми темпами растет и производство ФЭП, достигшее 1 ГВт в год. Япония и Германия прогнозируют в ближайшие годы выход на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенно велик рынок ФЭП в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации.
Сегодня на мировом рынке присутствуют тысячи фирм, создающих различные установки с ФЭП, но только десятки фирм, в том числе в России умеют делать солнечные элементы. Начиная с середины 90х годов, в России инициированы работы по совершенствованию ФЭП и развертывание их опытно-промышленного производства. Была разработана технология изготовления ФЭП и внедрена в производство на фирме "Солнечный Ветер" (г. Краснодар) и ОКБ "Красное знамя" (г. Рязань). Это позволило выйти на мировой рынок и увеличить поставки ФЭП за рубеж. Так, например, фирма "Солнечный Ветер" поставляет свою продукцию в более чем 10 стран. За 1996-2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.
Однако, несмотря на положительные тенденции мирового рынка, высокая стоимость, электроэнергии от ФЭП сдерживает их более широкое применение. Эта высокая стоимость обусловлена как дороговизной основного материала (как правило, кремния высокой чистоты), так и дороговизной технологического процесса. Поэтому в мире и в России ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП. Одним из перспективных направлений является создание высокоэффективных ФЭП с концентраторами солнечного излучения. Наиболее интенсивно исследования в этой области проводятся в США и России. КПД разработанных в США солнечных элементов (СЭ) на основе монокристаллического кремния достигает 20-25% при концентрации в 10-100 солнц и рабочей температуре 25оС. При большей концентрации эти СЭ требуют принудительного охлаждения, ибо их кпд существенно снижается с ростом температуры (на 1/3 при повышении температуры на 100 о С). Для работы при концентрации в 300-1000 солнц более перспективны СЭ на основе системы арсенид галлия - арсенид алюминия, впервые разработанной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Значения КПД каскадных СЭ на основе GaAs, достигнутые в США и России (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), составляют около 30% при концентрации в 500-1000 солнц и при реальных рабочих температурах 60-80 о С. Поэтому, несмотря на более высокую стоимость арсенида галлия, цены на энергоустановки с концентрацией по оценкам окажутся приблизительно в 2 раза ниже плоских кремниевых.
Вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная доля биомассы, используемой для энергетических нужд, не является коммерческим продуктом и, как результат, не учитывается официальной статистикой. В странах Европейского Союза, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, но с широкими вариациями: в Австрии - 12%, в Швеции - 18%, в Финляндии - 23%.
Первичной биомассой являются растения, произрастающие на суше и в воде. Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический кпд собственно фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от рода растений и климатической зоны произрастания это приводит к различной продуктивности в расчете на единицу площади, занятой растениями. Для северных зрелых, медленно растущих лесов продуктивность составляет 1 т прироста древесины в год на 1 га. Для сравнения урожай кукурузы (вся зеленая масса) в штате Айова, США в 1999 г. составил около 50 т/га.
Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, замещающее традиционное ископаемое топливо. Причем речь, как правило, идет об отходах лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также об отходах полеводства (солома, сено). Теплотворность сухой древесины достаточно высока, составляя в среднем 20 ГДж/т. Несколько ниже теплотворность соломы, например, для пшеничной соломы она составляет около 17,4 ГДж/т. В то же время большое значение имеет удельный объем топлива, который определяет размеры соответствующего оборудования и технологию сжигания. В этом отношении древесина значительно уступает, например, углю. Для угля удельный объем составляет около 30 дм3/ГДж, тогда как для щепы, в зависимости от породы дерева, этот показатель лежит в пределах 250 - 350 дм3/ГДж; для соломы удельный объем еще больше, достигая 1 м3/ГДж. Поэтому сжигание биомассы требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств. В частности, в ряде стран распространение получил способ уплотнения древесных отходов с превращением их в брикеты или, так называемые, пелетки. Оба способа позволяют получить топливо с удельным объемом около 50 дм3/ГДж, что вполне приемлемо для обычного слоевого сжигания. Например, в США годовое производство пелеток составляет около 0,7 млн. т, а их рыночная цена - около 6 долл. /ГДж при теплотворности около 17 ГДж/т.
В России использование отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока достаточно ограничено. По данным Госкомстата в 2001 г. в стране имелось 27 малых ТЭЦ с общей установленной мощностью 1,4 ГВт, использовавших биомассу совместно с традиционными топливами (мазут, уголь, газ). При этом собственно на биомассе выработано 2,2 млрд. кВтч электроэнергии и 9,7 млн. Гкал тепла из общей выработки 5,5 млрд. кВтч и 24 млн. Гкал (т.е. около 40% от общей выработки).
Наряду с первичной растительной биомассой значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твердых бытовых отходах и отходах различных отраслей промышленности. Использование этого потенциала возможно термохимическими или биохимическими методами. В первом случае речь идет в основном о твердых бытовых отходах, которые либо сжигаются, либо газифицируются на мусороперерабатывающих фабриках. Во втором случае сырьем является навоз или жидкие бытовые стоки, которые перерабатываются в биогаз.
В России ежегодно образуется около 60 млн. т твердых бытовых отходов (ТБО); количество отходов животноводства и птицеводства составляет около 130 млн. т/год, а осадков сточных вод 10 млн. т/год. Энергетический потенциал этих отходов составляет 190 млн. т у. т. Этот потенциал используется пока совершенно недостаточно. Имеются единичные опытные установки по переработке ТБО, эксплуатационные характеристики которых нельзя признать удовлетворительными для широкого промышленного использования. В этом направлении предстоит еще большая работа.
Серьезные успехи были достигнуты в области переработки жидких городских стоков. Уже с 50-х годов прошлого века на Курьяновской и Люберецкой станциях г. Москвы производилась очистка городских стоков и работали мощные биогазогенераторы - метантенки. Этот радикальный метод переработки активного ила и осадков сточных вод был затем реализован на станциях очистки Новосибирска, Сочи и других городов России.
В основе биохимической переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70% метана и 30% диоксида углерода.
В настоящее время в России разработкой, созданием, производством опытных серий оборудования, установок в целом, реализующих высокорентабельные биогазовые технологии, занимается ЗАО Центр "ЭкоРос". Этот Центр разработал и выпускает опытными сериями индивидуальные биогазовые установки ИБГУ-1 для хозяйств, имеющих до 5-6 голов крупного рогатого скота. За 10 лет Центр произвел и реализовал 86 комплектов ИБГУ-1: из них - 79 в России, 4 - в Казахстане, 3 - в Белоруссии. С 1997 года по документации ЗАО Центр "ЭкоРос" освоено производство таких установок в Китае в г. Ухань на совместном китайско-российском предприятии.
Под геотермальной энергией понимают физическое тепло глубинных слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. Носителями этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем по земной поверхности составляет около 0,03 Вт/м 2 . Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры - так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2-3К/100м. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100 о С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.
Принято считать, что если температура в геотермальном месторождении превышает 100оС, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН).
В настоящее время в мире суммарная мощность действующих ГеоЭС составляет около 10 ГВт (э). Суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт (т).
Запасы геотермальной энергии в России чрезвычайно велики, по оценкам они в10-15 раз превышают запасы органического топлива в стране. Практически на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30 до 200оС. Сегодня на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые позволяют перейти к широкомасштабному внедрению самых современных технологий для локального теплоснабжения на всей территории нашей страны. С учетом того, что скважины уже существуют, энергия, получаемая из них, в большинстве случаев окажется экономически выгодной.
До недавнего времени масштаб использования геотермальной энергии в стране был весьма скромным. В последнее десятилетие благодаря инициативе и работам АО "Геотерм" и АО "Наука" совместно с Калужским турбинным заводом был сделан существенный скачок в использовании геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах. Построена Верхнемутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт. В 2002 г. пущен в эксплуатацию первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских островах сооружены геотермальные станции теплоснабжения.
Особенно велики и практически повсеместно распространены запасы термальных вод со сравнительно невысокой температурой, недостаточной для непосредственного теплоиспользования. Интерес представляет и использование тепла поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год практически постоянна и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низкопотенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.
Открытие излучения урана впоследствии стало ключом к энергетическим кладовым природы. Главным, сразу же заинтересовавшим исследователей, был вопрос: откуда берется энергия лучей, испускаемых ураном, и почему уран всегда чуточку теплее окружающей среды?
Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. пришли их к революционному по тем временам выводу: атомы некоторых элементов подвержены распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях.
Невиданными темпами развивается сегодня атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт!
В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто - в нем, так же как и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.
Самый распространенный в настоящее время тип реактора водографитовый.
Еще одна распространенная конструкция реакторов - так называемые водо-водяные. В них вода не только отбирает тепло от твэлов, но и служит замедлителем нейтронов вместо графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожской, Балаковской и других атомных электростанциях. Вскоре реакторы такой конструкции, видимо, догонят по мощности и рекордсмена - полуторамиллионик с Игналинской АЭС.
Но все-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными, - реакторами на быстрых нейтронах. Их называют еще реакторами-размножителями. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе - уране-235, которого в природном уране всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудь продолжительное время или же человечество вновь столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов?
Более тридцати лет назад эта проблема была поставлена перед коллективом лаборатории Физико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лаборатории Александром Ильичом Лейпунским была предложена конструкция реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка.
Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы природных урана и тория, а они огромны - только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.
Но все 400 атомных электростанции, работающих сейчас на планете, не могут создать угрозу, хотя бы сравнимую с угрозой, исходящей от 50 тысяч боеголовок.
Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она, безусловно, будет развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а ученые и инженеры сумеют найти необходимые решения.
В 2000-2001 гг. в Минэнерго России была разработана подпрограмма "Энергоэффективность топливно-энергетического комплекса" как часть Федеральной целевой программы "Энергоэффективная экономика", рассчитанной на 2000-2002 годы и на перспективу до 2010 года.
Основными целями раздела подпрограммы "Энергообеспечение регионов", являются:
Улучшение социальных условий жизни населения, проживающего в удаленных и труднодоступных районах с автономным энергоснабжением, при сокращении издержек на доставку топлива в эти районы и увеличении надежности энергоснабжения.
Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения (главным образом в дефицитных энергосистемах) во время аварийных и ограничительных отключений, особенно в сельской местности.
Улучшение экологических условий жизни населения, проживающего в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, особенно в местах массового отдыха населения, за счет снижения вредных выбросов от традиционных энергоустановок путем частичной их замены установками нетрадиционной энергетики.
В соответствии с указанными целями были определены мероприятия:
Создание энергетических комплексов с применением оборудования возобновляемой энергетики в 2002-2010 гг. с государственной поддержкой в объеме 2077 млн. руб.
Развитие производственной базы оборудования нетрадиционной энергетики в 2002-2010 гг. с государственной поддержкой в объеме 218 млн. руб.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области нетрадиционной энергетики на 2002 - 2010 гг. с государственной поддержкой в объеме 46 млн. руб.
Планируемый прирост объема вырабатываемой электрической и тепловой энергии за счет возобновляемых источников в России приведен в табл.4.
Таблица 4.
Снижение вредных выбросов от объектов энергетики, использующих органическое топливо, за 2002-2010 гг. составит 140 тыс. тонн, и сокращение эмиссии СО 2 - более 7700 тыс. тонн. По Программе общие бюджетные затраты на развитие возобновляемой энергетики России в 2002-2010 годах составят 2, 3 млрд. рублей, а суммарная бюджетная эффективность, которая состоит из налоговых поступлений и сокращения затрат на "северный завоз", оценивается в 12, 6 млрд. рублей.
Планируемая общая установленная мощность микро и малых ГЭС составляет 369, 38 МВт при суммарной выработке электроэнергии в объеме 2032, 6 млн кВт*ч. Малая гидроэнергетика занимает ведущее место по объемам освоения среди возобновляемых источников энергии.
Программой запланировано освоение суммарной установленной мощности ветроэнергетических установок в объеме 228 МВт с выработкой электроэнергии количеством 570 млн кВт*ч.
Реализация солнечных фотоэлектрических установок определена в объеме 2, 36 МВт с выработкой 3, 77 млн кВт*ч. Установленная мощность гелионагревательных систем определена в объеме 69, 89 Гкал/ч при выработке энергии на 111, 82 тыс. Гкал, что обеспечивает замещение органического топлива в количестве 15, 99 тыс. т у. т.
Выработка электрической энергии на основе биомассы определена в объеме установленной мощности в 152, 02 МВт, а производство тепловой энергии 2753, 74 тысяч Гкал, что обеспечивает суммарное замещение органического топлива в количестве 686, 37 тысяч т у. т.
Планируемая установленная мощность геотермальных станций по выработке электроэнергии составит 68, 3 МВт, а по выработке тепловой энергии 16, 5 тыс. Гкал, что в сумме обеспечит замещение органического топлива в объеме 133, 84 тыс. т у. т.
Сооружение энергетических установок на основе использования низкопотенциальной энергии (преимущественно тепловых насосов) предусматривает освоение 543, 9 Гкал/ч установленной мощности с выработкой 2991, 4 тыс. Гкал и замещением 221, 2 тыс. т у. т.
Предусмотренное строительство комбинированных систем на базе возобновляемой энергетики и локальных энергоресурсов обеспечит ввод электрической мощности в объеме 30, 54 МВт с выработкой электроэнергии количеством 122, 16 млн. кВт*ч и тепловой энергии мощностью 10, 2 Гкал/ч с выработкой 314, 6 тыс. Гкал. Общее замещение органического топлива от комбинированных энергосистем составит 87, 75 тыс. т у. т.
Малая гидроэнергетика.
На территории области протекает более 18 тысяч рек и речек. Имеется более 100 водоёмов с объёмом воды выше 1 млн. м³; большая часть из них имеет регулируемый водосброс.
Гидрологический потенциал характеризуется следующими особенностями:
Наличием рек большими дебитами и малыми перепадами высот по длине русла;
Наличием рек с малыми дебитами и значительными перепадами высот;
Наличием большого количества искусственных водоемов (прудов) с регулируемым водосбросом небольшой высоты (2 - 10 м);
Значительной годовой неравномерностью дебита рек.
Указанные факторы осложняют требуют детального обоснования использования энергии рек. В области действует лишь одна ГЭС - Верхотурская установленной мощностью 7 МВт.
Однако научные разработки последних лет по совершенствованию энергетической техники для мини и микро ГЭС позволяют ставить вопрос о восстановлении заброшенных мини ГЭС области (В-Сысертская, Алапаевская, Афанасьевская, Ирбитская - 180 кВт, Речкаловская - 400 кВт и др.) и сооружении ряда новых мини и микро ГЭС /3,4/.
Возможные пункты строительства новых ГЭС на существующих гидротехнических сооружениях приведены в табл.5.
Таблица 5. Перечень гидротехнических сооружений с ожидаемым уровнем мощности выше 1000 кВт
В целом по области существующие гидротехнические сооружения позволяют использовать потенциал мини ГЭС на уровне ~ 200-250 МВт при величине капитальных вложений 10-15 т. руб/кВт. установленной мощности.
Использование потенциала микро ГЭС для рек, берущих начало вблизи 60-го градуса восточного меридиана (отроги Уральского хребта) может быть оценено на уровне от 10 до 50 МВт.
При КИУМ ГЭС на уровне = 0,30÷0,35, характерном для изменения водостока рек области годовое производство электроэнергии возможно в объёмах 300 - 500 млн. кВт. ч, что эквивалентно экономии 100-160 тыс. т. у. т. /год. На территории области имеются предприятия, осуществляющие выпуск оборудования для ГЭС малой мощность (Уралгидромаш, Уралэлектротяжмаш и др.).
Область характеризуется достаточно неравномерным распределением ветровых потоков по территории /5/. В табл.6 приведены данные по среднегодовым и среднемесячным скоростям ветра для ряда точек на территории.
Таблица 6.
К зонам высоких ветров могут быть отнесены вершины отрогов Уральского хребта (г. Благодать, г. Качканар, г. Магнитная и др.), где среднегодовые скорости ветра находятся на уровне (5,5 - 10) м/с и прилегающие к Свердловской области с севера области Северо-Сосьвинской возвышенности, где среднегодовая скорость ветра оценивается на уровне 6-12 м/с.
При указанных скоростных напорах ветра удельная мощность территорий составляет: от 1 МВт/кв.км (скорость ~ 3-4 м/с) до 4 МВт/кв.км (скорость ~ 8 м/с) КИУМ ВЭУ для гористой части территории области ожидается на уровне 0,4-0,5, что соответствует производству электроэнергии от 4 млн кВт. ч/км². год до 16 млн. кВт. ч/км². год.
Для ВЭС расположенной в заселенной равнинной части области при площади 1 км² (10 установок × 100 кВт) годовая экономия топлива составит от 1400 т. у. т. /год на одну ВЭС.
Для ВЭС расположенных на вершинах гор ~ 4000,0 т. у. т. /год.
При площади области ~ 194 тыс. кв.км и использовании под сооружение ВЭС только 10% горной части территории (~ 0,5%) возможная мощность ВЭС оценивается на уровне 200 МВт, с производством электроэнергии 0,6 - 0,8 млрд. кВт. ч/год при уровне капитальных вложений 20-30 тыс. руб. /кВт.
Указанное производство энергии эквивалентно экономии органического топлива в объёмах 0,2 - 0,3 млн. т. у. т. /год.
Целесообразно рассматривать возможность широкого использования ветронасосов в быту и в сельском хозяйстве.
Существующие технологии получения биогаза из отходов животноводства /6/ для Свердловской области позволяют сделать следующую оценку (табл.7).
Таблица 7
Что соответствует экономии органического топлива: ~ 370 тыс. т. у. т. /год.
Несмотря на кажущуюся незначительность этой экономии целесообразно сооружение биогазовых станций на площадках крупных хозяйств (табл.8).
Таблица 8.
Использование биогаза возможно, как для производства тепловой, так и электрической энергии. В последнем случае используются ДВС с генератором электроэнергии.
Запасы торфа на территории области оцениваются на уровне 7678 млн. тон 40% -влажности, что соответствует ~ 2000 млн. т. у. т.
Наибольшие запасы торфа сосредоточены в следующих районах (табл.9).
Таблица 9.
В Свердловской области добыча и использование торфа практически свернуты. Если в 1987 году его добывалось около 3,600 млн. т/год, то в 1999 добыча снизилась до 0,135 млн. т.
Использование торфа сопряжено с необходимостью совершенствования технологии его добычи, осушки, приготовления брикетов и полубрикетов, совершенствования технологий использования (включая газогенераторную технику).
Реально торфяные предприятия области способны при соответствующих условиях обеспечить замену на торф дров и привозного угля для частных потребителей и мелких котельных, а в перспективе и для ряда ведомственных ТЭЦ и ЭС АО "Свердловэнерго".
Возможные объёмы производства торфа в течение 5 лет могут составить не менее 1,5 млн. т. у. т. /год.
Ежегодные объёмы потребления топлива прямого использования, тепловой и электрической энергии в энергетике, промышленный и коммунально-бытовой сферах области достигают 30-35 млн. т. у. т.
Существующие технологии их использования, приводят к образованию больших количеств низкопотенциальных тепловых сбросов предприятий в окружающую среду через системы оборотного водоснабжения, вентиляции, с теплотой шлаков и золы, сбросных вод электростанций и пр. Энергетический потенциал сбросной теплоты достигает 10-15 млн. т. у. т. /год, т.е. составляет почти половину всего поступающего на территорию топлива.
Имеющийся в мире опыт использования сбросной теплоты при помощи тепловых насосов показывает, что не менее 30% этой энергии может быть возвращено в хозяйственный оборот при капитальных вложениях не более 30 тыс. руб. /кВт (тепл).
Для Свердловской области это соответствует ежегодной экономии 3-5 млн. т. у. т.
Объём производства древесины в Свердловской области составил в 1990 году около 10 млн. м³/год. На всех стадиях заготовки и переработки древесины в виде щепы, стружки, опила и т.п. образуется и практически не используется до 5 млн. м³/год, что эквивалентно около 3 млн. т. у. т. /год.
Использование данного энергетического потенциала возможно лишь при разработке технологий подготовки и использования отходов древесины например путём переработки их в термических газогенераторах или биореакторах.
Возможно прямое ожигание отходов в топках мини и микро ТЭЦ и в котлах с кипящим слоем для ЭС большой мощности.
В настоящее время объёмы лесозаготовки и лесопереработки снизились до ~ 2,50 млн. м³/год из них ~ 1,5 млн. м³/год для целей энергопотребления.
Общий потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и нетрадиционных топлив представлен в табл.10.
Таблица 10.
1. Потенциал НИВИЭ области позволяет снизить потребление органического топлива до 5-8 млн. т. у. т. в год.
2. Анализ показывает, что полное использование потенциала НИВИЭ позволит обеспечить устойчивое энергообеспечение свыше 40% децентрализованных и удалённых потребителей.
3. При поддержке правительства области на территории развернуто производство и подготовка к внедрению установок ветроэнергетики (4, 16, 30 кВт), солнечных коллекторов, газогенераторной техники, оборудования малой гидроэнергетики.
4. Развертывание работ по НИВИЭ затруднено отсутствием правовой базы, стимулирующей их создание и внедрение.
Заключение
В настоящее время возобновляемые источники энергии (энергия рек, ветра, солнца, биомассы, тепла Земли) в энергобалансе России составляют 22%. Ведущую роль занимает большая гидроэнергетика (20%). При рассмотрении стратегии развития энергетики России необходимо учитывать, что, согласно данным Института мировых ресурсов и других международных организаций, запасов жидкого ископаемого топлива в России осталось на 1-2 поколения, угля и урана на 2-4 поколения жителей России.
Сегодня вклад ВИЭ в энергетический баланс России, несмотря на их огромный потенциал, незначителен. Основным препятствием развития этого направления является отсутствие законодательства по стимулированию возобновляемой энергетики и экономических механизмов его реализации, недостаток финансирования и комплексного подхода к решению этой проблемы: наука – производство - широкомасштабное использование.
Несмотря на то, что электроэнергия и тепло, получаемые от различных ВИЭ, сегодня, как правило, дороже, чем от традиционных источников, существует значительный рынок, где использование ВИЭ конкурентоспособно. Это прежде всего относится к регионам, где источником энергии является дорогое привозное топливо, рекреационным зонам, где на первый план выступает экологическая чистота ВИЭ, к ряду случаев, когда имеющиеся сооружения и объекты позволяют существенно снизить капитальные затраты для сооружаемых ВИЭ (пробуренные скважины для геотермального теплоснабжения, гидротехнические сооружения для малых ГЭС, большое количество различных отходов, подлежащих утилизации).
Состояние производственной базы для производства оборудования для различных ВИЭ в стране различно. Значительны успехи в создании крупных геотермальных электростанций на Камчатке. Отечественные предприятия сегодня производят малыми сериями конкурентоспособное оборудование для малых ГЭС, биогазовых установок небольшой мощности, фотопреобразователи, солнечные водонагревательные установки, малые ветроэнергетические установки, тепловые насосы средней мощности. При ограниченном платежеспособном спросе объем этих производств достаточен. Однако по мере экономического роста потребуется расширение производственной базы по выпуску оборудования для ВИЭ.
Отечественные разработки и производство крупных (мегаваттного класса) ветроэнергетических агрегатов существенно отстают от зарубежных фирм.
Список литературы
1. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Зайцев С.В., Муругов В.П., Пузаков В.Н. "Возобновляемая энергия" "Вестник энергосбережения Южного Урала". июнь, 2002.
2. Борисова С., Темнова Е., Трошкова А., Щеклеин С.Е. Возможности гидроэнергетического потенциала Свердловской области для развития малой гидроэнергетики региона. Энерго - и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Изд. УГТУ, 2001.
3. Данилов Н.И., Щеклеин С.Е., Велкин В.В., Шестак А.Н., Малетин А.П. Возобновляемая энергетика - альтернативная в электрификации удаленных районов. Эффективная энергетика, Изд. УГТУ, 2001.
4. Пицунова О.Н. Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения "Вестник энергосбережения Южного Урала". июнь, 2002
5. Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России
6. Щеклеин С.Е. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области. "Энергетика региона", Екатеринбург, №2, 2001.
К категории нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), которые также часто называют альтернативными, принято относить несколько не получивших пока широкого распространения источников, обеспечивающих постоянное возобновление энергии за счет естественных процессов. Это источники, связанные с естественными процессами в литосфере (геотермальная энергия), в гидросфере (разные виды энергии Мирового океана), в атмосфере (энергия ветра), в биосфере (энергия биомассы) и в космическом пространстве (солнечная энергия).
Среди несомненных достоинств всех видов альтернативных источников энергии обычно отмечают их практическую неисчерпаемость и отсутствие каких-либо вредных воздействий на окружающую среду. Хотя второй из этих тезисов ныне оспаривают не только отдельные географы и экологи, но и эксперты ООН, никто не отрицает, что они могли бы сыграть определенную роль в укреплении энергетической и экологической безопасности многих стран. Действительно, использование НВИЭ способствовало бы сбережению органических видов топлива и соответственно уменьшению поступления продуктов их сгорания в атмосферу, снижению объемов перевозок этих видов топлива (а следовательно, и транспортных расходов), рационализации топливно-энергетических балансов и др.
Однако на пути широкого использования НВИЭ существует и немало серьезных препятствий, прежде всего технико-экономического характера. Это крайнее непостоянство большинства таких источников энергии во времени и в пространстве, малая плотность потоков энергии, с чем непосредственно связаны высокая капиталоемкость строительства и себестоимость энергии, длительные сроки строительства, значительная степень разного рода рисков.
В целом баланс положительных и отрицательных факторов использования НВИЭ пока можно охарактеризовать как складывающийся с перевесом факторов второй группы. Показательно, что наибольший интерес к ним стали проявлять в период мирового энергетического кризиса 1970-х гг., когда цены на традиционные энергоносители резко поднялись. В 1981 г. в Найроби (Кения) состоялась специальная конференция ООН, на которой была принята мировая «Программа действий по использованию новых и возобновляемых источников энергии». Однако после того, как традиционные энергоносители снова подешевели, интерес к альтернативным значительно снизился. В настоящее время их доля в мировом топливно-энергетическом балансе не превышает 1 %. Только в очень немногих странах и регионах, где отсутствуют запасы органического топлива и ресурсы гидроэнергии, но имеются благоприятные условия для использования альтернативных источников энергии, доля их в таких балансах оказывается значительной. В остальных же странах и регионах они имеют сугубо местное значение, снабжая энергией мелких и территориально рассредоточенных потребителей.
Однако нельзя не учитывать и того, что за последние два десятилетия в мире был достигнут значительный прогресс в повышении экономичности использования нетрадиционных источников энергии. Так, существенно снизились затраты на строительство ветровых и солнечных электростанций, что повысило их конкурентоспособность даже в сравнении с обычными ТЭС, работающими на органическом топливе. В свою очередь, это стало возможным в результате разработки принципиально новых технологий использования альтернативных источников энергии. Большое значение имеет также проводимая в США, Японии, Китае, Индии, во многих странах Западной Европы политика стимулирования их использования. Она обычно предусматривает налоговые льготы на разработку оборудования, предоставление кредитов – государственных и частных, принятие специальных законодательных актов. Исходя из этого и прогнозы дальнейшего использования этих источников энергии относительно оптимистичны. Так, по оценке Мирового энергетического совета (МИРЭС), в 2020 г. даже при минимальном варианте прогноза они могут обеспечить выработку 540 млн тут (в нефтяном эквиваленте) и составить 3–4 % мирового потребления топлива и энергии. А при максимальном варианте эти показатели возрастут предположительно до 1350 млн тут и8-12 %.
Источники геотермальной энергии отличаются не только неисчерпаемостью, но и довольно широким распространением: ныне они известны более чем в 60 странах мира. Но сам характер использования этих источников во многом зависит от их природных особенностей.
Низко– и среднетемпературные «подземные котлы» (с температурой до 150 °C) используют в основном для обогрева и теплоснабжения: природную горячую воду по трубам подают к жилым, производственным и общественным зданиям, теплицам, оранжереям, плавательным бассейнам, водолечебницам и т. д. Термальные воды используют для прямого обогрева во многих странах зарубежной Европы (Франция, Италия, Венгрия, Румыния), Азии, (Япония, Китай), Америки (США, страны Центральной Америки), Океании (Новая Зеландия). Но, пожалуй, наиболее ярким примером такого рода может служить Исландия.
В этой стране, практически лишенной других источников энергии, пресные термальные воды начали осваивать еще в конце 1920-х гг., но первая в мире крупная система геотермального водоснабжения вступила тут в строй только в конце 1950-х гг. Горячую воду из почти ста глубоких скважин по специальной теплотрассе подают в столицу страны – Рейкьявик и соседние поселения. Ею отапливают жилые и общественные здания, промышленные предприятия, оранжереи и в особенности теплицы, полностью обеспечивающие потребности жителей в огурцах и помидорах и снабжающие их яблоками, дынями и даже бананами.
Высокотемпературные (более 150 °C) термальные источники, содержащие сухой или влажный пар, выгоднее всего использовать для приведения в движение турбин геотермальных электростанций (ГеоТЭС).
Первая промышленная ГеоТЭС была построена в итальянской провинции Тоскана, в местечке Лардерелло около Пизы, в 1913 г. Затем в Италии стали работать и другие небольшие ГеоТЭС. В 1920-х гг. начали строить ГеоТЭС в Японии, в 1950-х – в Новой Зеландии и Мексике, в 1960-х – в США, в 1970-х – в Китае, Индонезии, Турции, Кении, Сальвадоре, на Филиппинах, в 1980-х – в ряде стран Центральной Америки, в 1990-х – в Австралии. Соответственно и суммарная мощность ГеоТЭС стран мира возрастала следующим образом (в тыс. кВт): в 1950 г. – 240, в 1960 г. – 370, в 1970 г. – 715, в 1980 г. – 2400, в 1990 г. – 8770. Число стран, имеющих ГеоТЭС, уже превышает 20.
До недавнего времени внеконкурентное первое место по количеству (около 20) и мощности (более 3,2 млн кВт) ГеоТЭС занимали США. В этой стране геотермальные электростанции работают в штатах Юта, Гавайи, но большинство их находится в северной части Калифорнии, в Долине гейзеров. Однако с начала 1990-х гг. разработки геотермальных источников в США явно замедлились, почти прекратилась практика предоставления разного рода льгот производителям и потребителям геотермальной энергии. К тому же ГеоТЭС в Долине гейзеров пострадали от падения внутреннего давления и уменьшения поступления горячего пара. Так что в последнее время строительство новых ГеоТЭС в стране не происходило.
Вторым мировым лидером в области геотермальной электроэнергетики стали Филиппины, которые уже в 1995 г. имели несколько ГеоТЭС мощностью 2,2 млн кВт и ныне, по-видимому, по этому показателю уже обогнали США. Первая ГеоТЭС была сооружена здесь в 1977 г. (с помощью иностранного капитала). Согласно расчетам, к 2000 г. геотермальные электростанции этой страны должны были удовлетворять до 30 % ее потребности в электроэнергии. Далее по размерам производства электроэнергии на ГеоТЭС следуют Мексика, Италия и Япония.
Среди ученых нет единого мнения о перспективах развития геотермальной электроэнергетики. Одни считают эти перспективы довольно ограниченными, исходя из того, что на Земле (в том числе и при помощи космических снимков) разведано лишь около ста «горячих точек» конвективного выхода глубинного тепла Земли. Другие, напротив, оценивают эти перспективы весьма высоко. Можно добавить, что главным координатором работ в этой области служит Международная геотермальная ассоциация, периодически созывающая свои симпозиумы.
Использование энергии ветра началось, можно сказать, на самом раннем этапе человеческой истории.
«Ветер служил человечеству с той поры, – пишут американские экологи супруги Ревелль, – как первобытные люди впервые подняли парус над хрупким челноком, выдолбленным из цельного бревна. Преобладающие западные ветры были той силой, которая обеспечила открытие Нового Света и несла испанскую армаду от победы к победе. Пассаты надували паруса больших клиперов и помогли открыть Индию и Китай для торговли с Западом». Они же упоминают о том, что древние персы использовали силу ветра для размола зерна, и о том, что в средневековой Голландии ветряные мельницы служили не только для размола зерна, но и для откачки воды с польдеров. В середине XIX в. в США был изобретен многолопастной ветряк, использовавшийся для подъема воды из колодцев. Но получать при помощи ветра электроэнергию первыми научились датчане в 1890 г.
Технологические основы современной ветроэнергетики разработаны уже достаточно хорошо.
Пока наибольшее распространение получили малые и средние ветроэнергетические установки (ВЭУ) мощностью от 100 до 500 кВт. Но уже началось серийное производство ветротурбин мощностью от 500 до 1000 кВт. Их ротор имеет диаметр от 35 до 80 м, а высота башни достигает 90 м. Малые ветроустановки обычно используют для автономной работы (например, на отдельной ферме), а более крупные чаще концентрируют на одной площадке, создавая так называемую ветровую ферму. Самым крупным производителем ветродвигателей была и остается Дания, за которой следуют Германия, США, Япония, Великобритания, Нидерланды.
В последние два десятилетия ветроэнергетика развивалась более высокими темпами, чем энергетика, использующая остальные виды НВИЭ. Отсюда и значительный рост мощностей ветроустановок в мире. В 1981 г., когда началось их применение в американском штате Калифорния, общая их мощность составляла всего 15 тыс. кВт. К 1985 г. она возросла до 1,1 млн, к 1990 г. – до 2 млн, к 1995 г. – до 5 млн (все такие установки давали тогда 8 млрд кВт ч электроэнергии), а к 2000 г. – до 13 млн кВт. Согласно некоторым прогнозам, в 2006 г. она может достигнуть 36 млн кВт.
География мировой ветроэнергетики претерпела довольно существенные изменения. До середины 1990-х гг. по суммарной мощности ВЭУ (или ветроэлектростанций – ВЭС) первое место занимали США: в 1985 г. на эту страну приходилось 95 %, да и в 1994 г. – 48 % всех мировых мощностей. Почти все они сконцентрированы здесь в штате Калифорния, где находятся и самые крупные в стране отдельные ветро-электростанции и самые большие «ветровые фермы» (на одной из них размещено около 1000 ВЭУ, так что ее суммарная мощность превышает 100 тыс. кВт). Кроме того, такие установки работают в штатах Нью-Мексико, Гавайи, Род-Айленд, ведется или намечается их сооружение и в нескольких других штатах.
Однако во второй половине 1990-х гг. мировое лидерство в ветроэнергетике перешло к Западной Европе, где уже в 1996 г. было сосредоточено 55 % мировых мощностей ветроэнергетических установок. Ветроэлектростанции уже работают в 14 странах Западной Европы, причем в первую их пятерку входят Германия, Дания, Нидерланды, Великобритания и Испания, но определяющая роль принадлежит двум первым из них.
До начала 1990-х гг. европейское первенство удерживала страна – родоначальник ветроэнергетики– Дания. Тем не менее во второй половине 1990-х гг. Дания уступила его Германии, мощности ветроустановок которой в 1999 г. достигли 4 млн кВт, а выработка электроэнергии на них – б млрд кВт ч. К тому же в отличие от Дании, где преобладают мелкие автономно работающие установки, для Германии более характерны крупные «ветровые фермы». Больше всего их на самом «продуваемом» участке ее территории – побережье Северного моря в пределах земли Шлезвиг-Гольштейн. В 2005 г. здесь была введена в строй крупнейшая в мире ВЭУ, которая ежегодно производит 17 млн квт-ч электроэнергии.
В целом еще в середине 1990-х гг. ветроэнергетические установки Западной Европы обеспечивали бытовые потребности в электроэнергии примерно 3 млн человек. В рамках ЕС была поставлена задача к 2005 г. увеличить долю ветроэнергетики в производстве электроэнергии до 2 % (это позволит закрыть угольные ТЭС мощностью 7 млн кВт), а к 2030 г. – до 30 %.
Из других стран мира, имеющих перспективы для развития ветроэнергетики, можно назвать Индию, Китай и Японию в Азии, Канаду в Северной Америке, Мексику, Бразилию, Аргентину, Коста-Рику в Латинской Америке, Австралию. Но настоящий рывок в этой сфере в 1990-е гг. предприняла только Индия, которая, с одной стороны, испытывает дефицит традиционных видов топлива, а с другой – обладает значительным потенциалом ветроэнергетических ресурсов, обусловленным муссонной циркуляцией воздушных масс в сочетании с особенностями строения рельефа страны. В результате осуществления большой государственной программы строительства ВЭУ, рассчитанной на привлечение иностранного капитала, Индия по их суммарной мощности уже обогнала Данию и вышла на третье место в мире после США и Германии.
Хотя солнечную энергию использовали для обогрева домов еще в Древней Греции, зарождение современной гелиоэнергетики произошло только в XIX в., когда был сконструирован солнечный коллектор для подогрева воды, а становление ее – уже в XX в. Наиболее благоприятные условия для широкого использования солнечной энергии существуют на территориях, расположенных южнее 50-й параллели. Что же касается самого ее преобразования в тепловую или электрическую энергию, то его можно осуществлять при помощи трех технико-технологических способов.
Первый способ, который получил наиболее широкое распространение, – это теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов-водонагревателей, которые неподвижно устанавливают на крышах домов под определенным углом к горизонту. Они обеспечивают нагрев теплоносителя (вода, воздух, антифриз) на 40–50 °C по сравнению с температурой окружающей среды. Их применяют также для кондиционирования воздуха, сушки сельскохозяйственных продуктов, опреснения морской воды и др. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчета на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре. Так, в Израиле 800 тыс. солнечных коллекторов обеспечивают горячей водой 70 % жителей этой страны. Солнечные коллекторы применяются также в Китае, Индии, ряде стран Африки (преимущественно для привода в действие насосных установок) и Латинской Америки.
Второй способ заключается в преобразовании солнечной энергии уже не в тепловую, а в электрическую, причем «напрямую» – при помощи фотоэлектрических установок (солнечных батарей) на кремниевой основе – наподобие тех, которые устанавливают на космических аппаратах. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г., а затем они появились и в других регионах США, и в других странах. Хотя получаемая при их помощи электроэнергия продолжает оставаться еще весьма дорогой (30 центов за 1 кВт ч), наиболее богатые страны уже развернули широкую кампанию за установку солнечных батарей на крышах и фасадах домов. Лидерство в этом деле захватила Япония, которая контролирует также около 1/3 мирового рынка фотоэлектрических элементов. Но и Германия уже приступила к осуществлению программы под названием «1000 крыш и фасадов», а в США в 1997 г. тогдашний президент страны Клинтон провозгласил программу «Миллион крыш».
Наконец, третий способ, также обеспечивающий превращение солнечной энергии в электрическую, реализуется при помощи сооружения собственно солнечных электростанций (СЭС), которые подразделяются на два типа – башенные и параболические.
В 1970-х – начале 1980-х гг. башенные СЭС были построены в США, Японии, Испании, Италии, во Франции, в СССР, но затем они были остановлены из-за неконкурентоспособности. Однако опыт, накопленный при их эксплуатации, позволил начать проектирование нового поколения таких СЭС. На мировом «солнечном саммите», проведенном в середине 1990-х гг., была разработана Мировая солнечная программа на 1996–2005 гг., имеющая глобальные, региональные и национальные разделы.
Биомасса также представляет собой особый класс энергоресурсов, включающий в себя древесину, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, растениеводства и животноводства. Когда биомассу относят к НВИЭ, то имеют в виду не прямое ее сжигание, например в виде дров или навоза, а газификацию и пиролиз, биологическую переработку с целью получения спиртов или биогаза. Для этой цели в зависимости от сельскохозяйственной специализации той или иной страны обычно используют отходы сахарного тростника, рисовую шелуху, стебли кукурузы, хлопчатника, скорлупу кокосовых, земляных и других орехов, а также навоз. Производство биогаза, хотя и полукустарными способами, получило наибольшее развитие в Китае, где насчитывают миллионы биогазовых установок, рассчитанных на одну семью. Быстро растет число таких установок в Индии. Есть они также в странах Юго-Восточной Азии, Центральной Америки, СНГ.
Крупнейший в мире производитель этилового спирта – Бразилия. С целью замены импортной нефти здесь в 1970-х гг. была разработана, а затем осуществлена в широких масштабах специальная программа «Этанол», предусматривавшая создание специальных плантаций сахарного тростника, из которого получают этиловый спирт, сооружение в сельской местности 280 дистилляционных заводов. Теперь значительная часть автопарка страны работает либо на чистом этаноле, либо на спирто-бензиновых смесях.
К альтернативным источникам энергии можно отнести также синтетическое горючее. В качестве сырья для его получения обычно рассматривают каменный и бурый уголь, горючие сланцы, битуминозные песчаники и биомассу.
Опыт получения синтетической нефти при помощи гидрогенизации угля имелся еще в Германии 1930-х гг. После начала энергетического кризиса многие страны Запада разработали обширные программы получения синтетического горючего из угля при помощи этого способа. То же относится и к газификации угля. Только в США, согласно энергетической программе президента Форда, намечалось построить 35–40 заводов по переработке угля в горючий газ. Но большинству этих программ не суждено было сбыться. Когда нефть снова подешевела, они потеряли актуальность. Жидкое горючее из угля в промышленных масштабах получает только ЮАР, где в 1980-х гг. оно наполовину удовлетворяло потребности страны в автомобильном топливе.
Крупнейшими ресурсами горючих (битуминозных) сланцев обладают страны СНГ, Эстония, США, Бразилия, Китай. По данным МИРЭК, из уже разведанных и доступных для извлечения запасов этих сланцев можно получить 40–50 млрд т нефти, что сравнимо с запасами зоны Персидского залива! Но в промышленных масштабах получение «сланцевой» нефти пока не практикуется.
То же можно сказать и об использовании битуминозных песчаников, запасы которых особенно велики в Канаде, Венесуэле и Колумбии. В Канаде они залегают на площади 75 тыс. км 2 в бассейне р. Атабаска (провинция Альберта). Подсчитано, что они содержат до 130 млрд т нефти, из которых доступны для извлечения 30–40 млрд т. В начале 1970-х гг. здесь были созданы мощности, позволявшие получать несколько миллионов тонн нефти. Но этот эксперимент не был продолжительным. Помимо высокой себестоимости такой нефти, сказалась и угроза состоянию окружающей среды. В Венесуэле, в так называемом поясе Ориноко, запасы тяжелой нефти, содержащейся в песчаниках, оцениваются в 185 млрд т, извлекаемые – в 40 млрд т. Их используют для получения смеси битума и воды, которую применяют как топливо.
Россия обладает большими ресурсами практически всех видов нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Их экономически оправданный потенциал, предназначенный для первоочередного освоения, составляет в общей сложности 275 млн т условного топлива в год, т. е. примерно 1/4 годового потребления энергетических ресурсов в стране (в том числе геотермальная энергия – 115 млн тут, энергия биомассы – 35 млн, энергия ветра– 10 млн, солнечная энергия – 13 млн тут). Однако доля используемых НВИЭ в стране незначительна – всего 1 %, а ежегодное замещение органического топлива всеми их видами составляет 1,5 млн тут. В России как в стране очень богатой органическим топливом и гидроэнергией в течение длительного времени основное внимание традиционно уделялось крупнейшим и крупным энергетическим объектам. В условиях же хронического дефицита материально-финансового обеспечения трудно предвидеть их развитие в ближайшем будущем. Исключение составляет обширная зона Севера России, где более 70 % территории с населением в 20 млн человек образуют особый регион децентрализованного энергоснабжения. Вот почему федеральная программа «Энергообеспечение северных территорий в 1996–2000 гг.» предусматривала частичную замену доставляемого сюда органического топлива местными альтернативными источниками энергии. Энергетическая стратегия России исходит из того, что в 2010 г. НВИЭ будут удовлетворять 1 % потребностей страны в энергии.
