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. км2 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.
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
Список литературы
Введение
При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органического топлива (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии - нетрадиционных и возобновляемых.
Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.
Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников, в отличие от возобновляемых, находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.
В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков.
Основным видом "бесплатной" неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце . Оно ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг урана (U2351).
Самый простой способ использования энергии Солнца - солнечные коллекторы, в состав которых входит поглотитель (зачерненный металлический, чаще всего алюминиевый лист с трубками, по которым протекает теплоноситель). Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к горизонту, равным широте местности или монтируются в кровлю. В зависимости от условий инсоляции в коллекторах теплоноситель нагревается на 40-50° больше, чем температура окружающей среды. Такие системы применяются в индивидуальном жилье, практически полностью покрывая потребность населения в горячей воде; в районных отопительных установках, а также для получения технологической тепловой энергии в промышленности. Солнечные коллекторы производятся во многих городах России, и стоимость их вполне доступна.
Электроэнергия от светового потока может производиться двумя путями: путем прямого преобразования в фотоэлектрических установках, либо за счет нагрева теплоносителя, который производит работу в том или ином термодинамическом цикле. Прямое фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию используется на фотоэлектрических или солнечных станциях, работающих параллельно с сетью, а также в составе гибридных установок для автономных систем ("экодомов" и пр.). Возможно также комбинированное производство электрической и тепловой энергии. В перспективе предполагается, что солнечной энергии будет придаваться большое значение вследствие ее щадящего воздействия на окружающую среду по сравнению с большинством других источников энергии. Это со временем выльется в относительную экономичность, однако пока удельные капитальные вложения в фотоэлектрические установки превышают традиционные в пять и более раз.
Скорость и направление ветра меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее "надежным", чем Солнце. Таким образом, возникают две проблемы, которые необходимо решить в целях полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность "ловить" кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Может быть, одним из решений станет внедрение новой технологии по созданию и использованию искусственных вихревых потоков.
Наиболее распространенным типом ветровых установок (ВЭУ) является турбина крыльчатого типа с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3 в фиксированном положении с небольшой регулировкой угла наклона. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной мощности, а задачу кондиционирования вырабатываемой энергии выполняет электроника. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения, возможностью соединяться непосредственно с генератором электрического тока без мультипликатора и высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Другая популярная разновидность ВЭУ - карусельные ветродвигатели. Они тихоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при сильном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов неэффективно из-за низкого КПД последних. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. 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.
Экономический потенциал малых и мини-ГЭС составляет примерно 10% от общего экономического потенциала. Но используется этот потенциал менее чем на 1%. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительства новых малых и мини-ГЭС. Однако малые ГЭС, построенные путем полного перегораживания русла рек плотинами, обладают всеми недостатками наших гигантов энергетики (ГЭС) и строго говоря, вряд ли могут быть отнесены к экологически чистым видам энергии.
Бесплотинные микро-ГЭС для речек, речушек и даже ручьев существуют уже давно. Бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. в комплекте с аккумулятором обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую. Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную "лыжу" и тросами закрепляется с двух берегов. Бесплотинная мини-ГЭС, успешно зарекомендовавшая себя на речках Горного Алтая, доработана до уровня опытного образца.
Волновая энергия . В структуре возобновляемых энергоресурсов весьма перспективным энергоносителем являются океанские волны. Специалисты утверждают, что уже сейчас за счет энергии океанских волн возможно получение электроэнергии производительностью до 10 млрд. кВт. Это лишь незначительная доля совокупной мощности волн морей и океанов Земли. Вместе с тем она больше мощности всех электростанций, работавших на земле в 1990 г. Наиболее совершенен проект "Кивающая утка", предложенный конструктором С. Солтером (S. Salter, Эдинбургский университет, Шотландия). Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 кВт/ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это - 2,5 пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 кВт/ч).
Энергию приливов вполне можно "приручить" на приливных ГЭС, которые демонстрируют достаточно хорошие экономические показатели, но ресурс их ограничен - требуются специфические природные условия - узкий вход в бухту и т.п. Совокупная энергия приливов оценивается в 0,09*1015 кВт*час в год.
Геотермальная энергия , строго говоря, не является возобновляемой, поскольку речь идет не об использовании постоянного потока тепла, поступающего из недр к поверхности (в среднем 0,03 Вт/м2), а об использовании тепла, запасенного жидкими или твердыми средами, находящимися на определенных глубинах. Мировые запасы геотермальной энергии составляют: для получения электроэнергии - 22400 ТВт*ч/год, для прямого использования - более 140 ТДж/год тепла. Существующие геотермальные электростанции (геоТЭС) представляют собой одноконтурные системы, в которых геотермальный пар непосредственно работает в паровой турбине, или двухконтурные с низкокипящим рабочим телом во втором контуре.
Биомасса представляет собой весьма широкий класс энергоресурсов. Ее энергетическое использование возможно через сжигание, газификацию (термохимические газогенераторы, перерабатывающие твердые органические отходы в газообразное топливо), пиролиз и биохимическую переработку анаэробного сбраживания жидких отходов с получением спиртов или биогаза. Каждый из этих процессов имеет свою область применения и назначение.
Некоммерческое использование биомассы (проще говоря, сжигание дров) наносит большой ущерб окружающей среде. Хорошо известны проблемы обезлесевания и опустынивания в Африке, сведения тропических лесов в Южной Америке. С другой стороны, использование древесины от энергетических плантаций является примером получения энергии от органического сырья с суммарными нулевыми выбросами диоксида углерода.
Нетрадиционные источники энергии
Современный темп роста потребления энергии с учетом роста населения невозможно обеспечить без использования новых источников, более эффективных, чем сжигание угля, нефти и газа 7 По данным ЮНЕСКО, примерно 2 млрд жителей Земного шара не имеют доступа к использованию электрической энергии в силу проживания в удаленных регионах, где не развита электроэнергетика. Исчерпаемость запасов органического топлива, а также сильное загрязнение окружающей среды продуктами его сгорания уже в ближайшее время могут привести человечество к энергетическому и экологическому кризисам.
Не нарушая экологического состояния окружающей среды и не отказываясь от достижения целей экономического развития, можно обеспечивать значительную часть энергетических потребностей за счет использования возобновляемых источников энергии
Преимуществами альтернативных (нетрадиционных и возобновляемых) источников энергии по отношению к атомной энергетике и сжиганию ископаемого органического топлива являются их экологическая безопасность, доступность и возможность локального использования. Использование возобновляемых источников энергии является одним из приоритетных направлений в энергетической политике нашего государства, но их доля в топливном балансе республики пока чрезвычайно мала.
Структура альтернативной энергетики
Потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в Республике Беларусь (млн т у. т. в год)
Солнечная энергетика
Плотность потока солнечного излучения, приходящегося на Землю, составляет примерно 1 кВт/м 2 .
Основными направлениями солнечной энергетики выступают фотоэнергетика и гелиоэнергетика. Первая связана с прямым преобразованием потока солнечной энергии в электричество, вторая - с утилизацией тепла при помощи активных и пассивных теплоиспользующих систем.
В 1993 г. суммарная мощность установленных на Земле солнечных батарей достигала 500 МВт, в 1996 г. - 700 МВт, ежегодный прирост составляет около 10 %. Есть основания утверждать, что к 2025 г. солнечная энергетика будет обеспечивать до 10 % всей электрической энергии, производимой в мире. Стоимость электроэнергии, получаемой от солнечных установок, достаточно быстро снижается.
Солнечные батареи. Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей - устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов. Срок их службы практически не ограничен. Батареи имеют высокую надежность и стабильность, малую массу, отличаются простотой в обслуживании, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными.
Переход на гетеросоединения типа арсенидов галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяют повысить КПД солнечных батарей до 35 %.
Солнечные элементы последовательно соединяются в модули, которые параллельно соединяются в батареи.
Башенные и модульные электростанции. Строятся солнечные электростанции (СЭС) в основном двух типов: башенного и распределенного (модульного).
В башенных СЭС центральный приемник с полем гелиостатов (плоских зеркал) обеспечивает увеличение плотности потока солнечной энергии в несколько тысяч раз. Управление системой слежения за Солнцем осуществляется с помощью ЭВМ.
В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт.
Ее 1 600 гелиостатов, имеющих коэффициент отражения 0,71 и площадь 25,5 м 2 каждый, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник, представляющий собой открытый цилиндр, установленный на башне высотой 89 м и служащий парогенератором.
В соответствии с прогнозом, в будущем СЭС займут 13 млн км 2 на суше и 18 млн км 2 в океане.
Солнечный пруд. СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации.
В солнечном пруду происходит одновременное улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Солнечная энергия, проникающая через всю массу жидкости в пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости до температуры 90-100 °С, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 °С.
Солнечные коллекторы и аккумуляторы теплоты. Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Различают два типа солнечных коллекторов: плоские и ф о -кусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих -с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принципе "горячего ящика". Максимальная температура нагрева теплоносителя в плоском коллекторе не превышает 100 "С.
Для работы установок, требующих высокой температуры, которую невозможно получить с помощью плоских нагревателей, используют фокусирующий солнечный коллектор. Такой коллектор включает в себя приемник, поглощающий излучение и преобразующий его в какой-либо другой вид энергии, и концентратор, который представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую ее на приемник. При этом концентратор вращается, ориентируясь на наиболее интенсивное излучение. Концентрация солнечной энергии позволяет нагреть поверхность теплообмена до 700 °С и более, что достаточно для работы теплового двигателя с приемлемым КПД. В этом случае коллектор передает энергию теплоносителю, который поступает в генератор электроэнергии.
Система солнечного теплоснабжения зданий. В пассивных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет естественной конвекции без применения вентилятора. В 2000 г. в странах Европейского сообщества пассивные гелиосистемы позволили сэкономить 50 млн т нефти.
В состав активной системы солнечного отопления входят: коллектор солнечной энергии, аккумулятор теплоты, дополнительный (резервный) источник энергии, теплообменники для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор и далее к потребителям, насосы или вентиляторы, трубопроводы с арматурой и комплекс устройств для автоматического управления работой системы. Солнечный коллектор обычно устанавливается на крыше дома, остальное оборудование гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения дома размещается в подвале.
Наряду с окнами и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания.
Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно осуществляться при соблюдении следующих условий:
Оптимальная ориентация дома - вдоль оси восток-запад или с отклонением до 30° от этой оси;
На южной стороне расположены 50-70 % всех окон, а на северной - не более 10 %, причем южные окна должны иметь двухслойное остекление, а северные - трехслойное;
Здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;
Внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых комнат с южной стороны, а вспомогательных помещений - с северной;
Должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулиру-ющая способность внутренних стен и пола для поглощения и аккумулирования теплоты солнечной энергии;
Для предотвращения перегрева помещений в летний период над окнами должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т. п.
КПД такой системы отопления, как правило, составляет 25-30 %, но в особо благоприятных климатических условиях может быть значительно выше и достигать 60 %.
Солнечные водонагревательные установки. Сейчас во всем мире в эксплуатации находится более 5 млн солнечных водонагревательных установок, используемых в индивидуальных жилых домах, централизованных системах горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, включая гостиницы, больницы, спортивно-оздоровительные учреждения и т. п. Налажено промышленное производство солнечных водонагревателей в Японии, Израиле, США, Австралии, Индии, ЮАР, во Франции, на Кипре и других странах.
Солнечные водонагревательные установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, быстрой окупаемости. По принципу работы их можно разделить на два типа: установки с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя.
Солнечная водонагревательная установка с естественной циркуляцией содержит коллектор солнечной энергии. В бак аккумулятора подводится холодная вода, и из его верхней части отводится потребителям горячая.
Солнечная водонагревательная установка с принудительной циркуляцией теплоносителя содержит тепловой коллектор солнечной энергии и аккумулятор тепловой энергии (бак с теплоносителем). В аккумуляторе находится теплоприемник, где нагревается вода. Нагретая вода циркуляционным насосом подается потребителю, а холодная возвращается в аккумулятор.
Ветроэнергетика
Потенциал энергии ветра в мире сравним с потреблением энергии странами ЕС в начале нашего столетия. В развитых странах ветроэнергетика развивается быстрыми темпами. С 1997 по 2002 г. производственные мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) увеличились на 30 %
Мощность установленных ветроэлектростанций в Германии, Америке, Испании, Дании в сумме составляет 82 % от общемировых.
На территории Германия работает около 14 000 турбин. В настоящее время 4,7% всей электроэнергии в стране вырабатывается за счет энергии ветра, к 2010 г. прогнозируется увеличение до 10 % и к 2030 г. - до 25 %.
В США в настоящее время потребляется около 1 % электроэнергии, полученной на основе энергии ветра. По прогнозам специалистов к 2020 г. эта энергия составит 6 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии.
В Дании ветер дает не менее 18 % всей энергии. Крупный прирост мощностей наметился в Голландии, где в 2005 г. на ветроэнергетику приходилось около 5 % электроэнергии из возобновляемых источников.
Большая часть ветроэнергетических установок используется для производства электроэнергии в единой энергосистеме и в автономных режимах. Стоимость электроэнергии от ветроустановок стабильно понижается: в 1983 г. стоимость 1 кВт-ч составляла 1220 центов, в 1989 г. - 6-10, в 1996 г. -5-8, в 2005 г. - 4-5 центов. С начала 80-х гг. производство энергии за счет энергии ветра стало на 80 % дешевле и на сегодняшний день уступает в цене лишь природному газу.
По оптимистическим прогнозам, ветроэнергетика способна давать миру не менее 7 % потребляемой электроэнергии.
Малые ветряные турбины (от 0,025 до 50 кВт) чаще всего являются самым дешевым источником энергии для отдаленных населенных пунктов, не подключенных к коммунальной электросети. Комбинированные системы (ветер -фотоэлементы, ветер - дизель и другие сочетания) часто являются наиболее эффективными и экономичными для сельской электрификации. Для небольших ветроэлектрических турбин среднегодовая скорость ветра должна быть около 4 м/с, а для ветротурбин, приводящих в действие водяные насосы, - еще меньше. Для коммунальных ветроэлектрос-танций минимальная скорость ветра составляет около 6 м/с.
В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии ветроэнергетическими установками составляет до 25-30 % максимального проектного значения. Срок службы ВЭУ не менее 15-20 лет, а их стоимость -от 1 000 до 1 500 долларов США за 1 кВт проектной мощности.
Ветроустановки классифицируются по основным признакам геометрии колеса и его положения относительно ветра.
Если ось вращения ветроколеса расположена параллельно воздушному потоку, установку называют горизонтально-осевой; если перпендикулярно - вертикально-осевой.
Основными элементами ветро-генераторов являются ветроуста-новка, электрогенератор, система управления параметрами генерируемой электроэнергии (регулирует скорость вращения ветроколеса при изменении скорости ветра), аккумуляторы электроэнергии или другие электроэнергетические установки (на период безветрия). Основным рабочим органом ВЭУ, принимающим на себя энергию ветра и преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветроколесо. Мощность ВЭУ определяется характеристиками ветроколеса. Ветроколесо характеризуется:
Заметаемой площадью S - площадью, покрываемой его лопастями при вращении, S - nD 2 1 А, где D - диаметр колеса;
Геометрическим заполнением, т. е. отношением площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к заметаемой площади;
Коэффициентом мощности, характеризующим эффективность использования потока ветра через заметаемую площадь, (зависит от конструкции ветроколеса);
Коэффициентом быстроходности, определяемым отношением скорости конца лопасти к скорости ветра.
Мощность ветроколеса Р определяется по формуле
P = l/2C p Spo 3 ,
где С - коэффициент мощности; S - заметаемая площадь; р-плотность воздуха; О3 - скорость ветра.
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.
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
Загрузка...