Учебный год

Лекция 20

Энергосберегающие технологии и освоение новых источников энергии

Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и возобновляемые . К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, не экологична, и многие из них истощаются.

Возобновляемые источники энергии - это источники, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из природных ресурсов - таких как солнечный свет, ветер, движении воды в реках или морях, приливы, биотопливо и геотермальная теплота - которые являются возобновляемыми, т.е. пополняются естественным путем.

Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.

Примеры использования возобновляемой энергии.

1.Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Использование энергии ветра растет примерно на 30 процентов в год и широко используется в странах Европы и США.

2. На гидроэлектростанциях (ГЭС) в качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока, первоисточником которой является Солнце, испаряющее воду, которая затем выпадает на возвышенностях в виде осадков и стекает вниз, формируя реки. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободнопоточных (бесплотинных) ГЭС.

Особенности этого источника энергии:

Себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций;

Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии;

Возобновляемый источник энергии;

Значительно меньше воздействует на воздушную среду, чем другие виды электростанций;

Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое;

Часто эффективные ГЭС удалены от потребителей;

Водохранилища часто занимают значительные территории;

Лидерами по выработке гидроэнергии на человека являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира.

3.Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

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);

Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии 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.

Достоинства солнечной энергетики :

Общедоступность и неисчерпаемость источника;

Теоретически полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной способности) земной поверхности и привести к изменению климата.

Недостатки солнечной энергетики :

Зависимость от погоды и времени суток;

Как следствие необходимость аккумуляции энергии;

Высокая стоимость конструкции;

Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли;

Нагрев атмосферы над электростанцией.

4.Приливные электростанции . Электростанциями этого типа являются особым видом гидроэлектростанции, использующим энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.

Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками - высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций.

5.Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении. Крупнейшей в мире геотермальной установкой является установка на гейзерах в Калифорнии, с номинальной мощностью 750 МВт.

6.Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты,топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).

США и Бразилия производят 95 % мирового объёма биоэтанола. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15%.

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива.

Критики развития биотопливной индустрии заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек.

С другой стороны, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн. га из 63,5 млн. га потенциально пригодных земель. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385-472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %.

7.Водородная энергетика - развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики).

Топливный элемент - электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. Топливные элементы - это электрохимические устройства, которые могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %). Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент). В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента. Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:

7.1 Высокий КПД : у топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин. Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42 %, чаще же составляет порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %.

7.2Экологичность . В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. Но это лишь в локальном масштабе. Нужно учитывать экологичность в тех местах, где производятся данные топливные ячейки, так как производство их само по себе уже составляет некую угрозу.

7.3 Компактные размеры . Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях.

Проблемы топливных элементов .

Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» - зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта? Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи). Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается.

Под выражением «возобновляемая энергия» либо регенеративная, то есть «зеленая энергия», подразумевается энергия источников, неисчерпаемая по человеческим меркам. В окружающей среде она представлена в широком спектре – солнечная, ветровая, водная, включая морские волны и течения, силы приливов и отливов океана, биомассы, геотермального тепла.

Возобновляемые природные ресурсы в жизни человека

В последние годы широкое развитие получила альтернативная энергетика. Она представлена самыми разнообразными видами ВИЭ, которые постоянно возобновляются.

Под формулировкой «возобновляемые источники энергии» подразумеваются определенные формы энергии, вырабатываемые в естественных условиях, за счет происходящих на поверхности Земли природных процессов.

Условно они делятся на классы – возобновляемые и невозобновляемые:

• к первому классу относятся источники, которые имеют неисчерпаемые источники энергии по человеческим меркам. Они постоянно пополняются естественным путем в ходе прохождения планетой определенного цикла;
• второй класс представлен невозобновимыми природными ресурсами, в число которых входит газ, нефть, уголь, уран. Они относятся к энергоресурсам, сокращающимся с истечением времени без возобновления до прежних размеров.

Возобновляемый источник энергии предоставляют ресурсы, в число которых входит солнечный свет, водный поток, приливы и геотермальная теплота. Их возобновлению способствует круговорот воды в природе, цикличность его определяется временем года. Явление способствует постоянному восполнению энергии естественным путем.

ВИЭ подразделяется на группы – традиционные и нетрадиционные источники

В первую группу входит:

• гидравлическая энергия воды, которая преобразуется в электрическую энергию. Каждая энергетическая станция вырабатывает ее посредством действия гидросилового оборудования, устанавливаемого на ней;
• энергия биомассы, получаемая в ходе сжигания древесного угля, дров, торфа. Она применяется в основном для выработки тепла, подаваемого в отопительную систему жилых и нежилых зданий;
• геотермальная энергия, являющаяся результатом естественного гниения и поглощения минералами, находящимися в недрах земли, солнечной энергии. В сущности, солнце есть неисчерпаемый источник энергии. Его тепловое излучение преобразовывается в электрическую энергию с применением фотоэлементов, тепловых машин.

Вторая группа состоит из энергии, которая существует в природе, окружающей человека:

• солнечной;
• ветровой;
• морских волн и течений;
• приливов и отливов океана;
• биотоплива;
• низкопотенциальной тепловой.

Принцип использования возобновимой энергии заключается в ее извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде геологических процессов. Она предоставляется потребителю, который использует ее для решения технических задач и удовлетворения своих нужд.

Характеристики отдельных ВИЭ

Многие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии без затруднений устанавливаются в жилых зданиях. Отдельные его виды можно применять в тяжелой и легкой промышленности, установив в производственных зданиях. В их число входят возобновляемые ресурсы, предоставляемые человеку самой природой.

Наибольшую популярность обрела энергия биомассы, являющаяся одним из видов «зеленой энергии». Она позволяет рационально использовать природные ресурсы планеты. Ресурсами являются отходы деревообрабатывающей и бумажной промышленности, отраслей сельского хозяйства, включая бытовой и строительный мусор, из которого вырабатывается естественным путем метан.

Воздушные массы атмосферы есть своего рода вечный неиссякаемый источник, потому что обладают огромной кинетической энергией. Они перемещаются под воздействием геологической деятельности ветра. Его сила преобразуется в электрическую энергию с помощью ветровых установок. Несмотря на довольно высокую стоимость, они успешно используются в районах со спокойным ландшафтом.

Еще один вечный источник энергии – Солнце. Солнечная энергетика является одним из направлений НВИЭ, основанной на непосредственном применении солнечного излучения для получения энергии. Она является бесплатным источником, который возобновляется. Помимо того, ее относят к категории «чистая энергетика», не производящей вредных отходов. Но солнечные установки применимы только в тех широтах планеты, где достаточно солнечного света для выработки электрической энергии.

Водный поток есть неиссякаемый источник, обладающий потенциальной и кинетической энергией. Она в ходе работы преобразуется в электрический ток. Ярким примером использования гидравлической энергии рек, воды является строительство малых и микро ГЭС, а также крупных ГЭС с большими мощностями.

Малые и микро ГЭС обрели популярность во многих странах, использующих энергию возобновляемых источников малых водотоков с целью выработки электрического тока. Нужно заметить, что в последние годы строительство крупных гидроэлектростанций сократилось до минимума.

«Зеленая энергетика» представлена энергией приливов и отливов океанов, морских волн и течений. Для их использования на берегу морей и океанов строятся приливные станции. Они преобразуют кинетическую энергию вращения Земли, возникающую за счет гравитационных сил Луны и Солнца, которые два раза в сутки изменяют уровень воды.

Достоинства и недостатки ВИЭ

Основное преимущество заключается в том, что возобновляемые ресурсы являются дешевым источником энергии. Это неиссякаемый источник энергии, который предоставлен в неограниченном количестве в окружающей среде, не являясь следствием целенаправленной деятельности человека.

Нужно заметить, что возобновляемые источники энергии имеют один недостаток. Он заключается в низкой степени концентрации, поэтому нельзя получаемую энергию передать на большие расстояния. Как правило, ВИЭ подлежит использованию вблизи потребителя.

Возобновляемая энергетика будущего

Учеными планеты ведутся дальнейшие разработки технологии водородного топлива, которая выделяет энергию при помощи синтеза атомов водорода в атом гелия. В будущем они намерены получать возобновляемые ресурсы не только с применением наземных конструкций, но и спутников Земли, чтобы использовать находящуюся в черных дырах космическую энергию.

Основные предпосылки для развития ВИЭ в Российской Федерации:

• обеспечение энергетической безопасности страны;
• сохранение окружающей среды, что позволит обеспечить экологическую безопасность;
• достижение нового уровня на мировом рынке возобновляемой энергии, что обозначено в общем стратегическом плане развития государства;
• претворение в жизнь мер, способствующих сохранить собственные возобновляемые ресурсы для будущих поколений;
• увеличение размеров потребления сырья, которое используется в качестве топлива.

В перспективе использование возобновляемых источников энергии позволит человечеству восполнить топливный дефицит, удешевить добычу топлива, тепла и моторного масла. Кроме того, их использование очищает атмосферу, что, несомненно, поможет улучшить экологическую обстановку планеты.

И в заключение необходимо отметить, что возобновляемые источники электроэнергии обладают несомненным преимуществом. Оно заключается в их неисчерпаемости и экологической чистоте. Человек может использовать их без каких-либо опасений, потому что они не нарушают энергетический баланс планеты. К тому же возобновляемые ресурсы находятся вокруг него всюду.

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.

Под пристальным вниманием ученых в последнее время возобновляемые источники энергии. Пришло то время, которое заставило задуматься о завтрашнем дне и ясно понять, что использование полезных ископаемых Земли не может быть бесконечным.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)

Реакция термоядерного синтеза Солнца является основным процессом возникновения альтернативной энергии. Согласно расчету астрономов, предполагаемая жизнь этой планеты составляет пять миллиардов лет, что позволяет судить о практически бесконечных запасах солнечного излучения. Возобновляемые источники энергии - это не только поступающие потоки Солнца, но и другие производные - альтернативные источники: движение ветра, волн и в природе. В течение длительного времени природа приспосабливалась к использованию солнечного излучения и таким образом достигла теплового равновесия. Эта полученная энергия не приводит к всеобщему потеплению, так как, запустив все необходимые процессы на Земле, она обратно возвращается в космос. Рациональное использование возобновляемых источников энергии является первостепенной задачей

ученых, ведущих научные разработки в этой области. Ведь из всего полученного солнечного излучения только третья часть используется на поддержание жизненных процессов на Земле, 0,02% расходуется растениями для необходимого им фотосинтеза, а оставшаяся невостребованная часть возвращается обратно в космическое пространство.

Виды и применение

Возобновляемые источники энергии состоят из нескольких основных компонентов:

Национальная лаборатория Дании подготовила отчет, где было сказано, что уже к 2050 году мир сможет перейти на получение энергии с очень низким уровнем выброса углерода. При этом себестоимость ее будет гораздо меньше, чем стоимость добычи природных ресурсов из недр Земли.

О.С. Попель , председатель Научного совета РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии, заведующий Лабораторией возобновляемых источников энергии и энергоснабжения Объединенного института высоких температур РАН, член Экспертного совета Координационного совета Президиума Генерального совета Всероссийской политической партии «ЕДИНАЯ РОССИЯ» по вопросам энергосбережения и повышения энергетической эффективности

Введение

Сегодня возобновляемые источники энергии (ВИЭ) привлекают все большее внимание, как простых людей, так и руководств многих государств, международных организаций. На заседаниях Большой восьмерки (двадцатки) в последнее время регулярно обсуждаются нарастающие проблемы энергетики и экологии, решение которых в мировом масштабе в будущем не представляется возможным без широкого использования экологически чистых ВИЭ.

Как ни печально, но следует признать, что в отличие от многих других стран в России ясной и последовательной государственной политики в области ВИЭ пока не сформулировано. Политические декларации о важности ВИЭ пока не подкреплены необходимым набором законодательных актов и нормативных документов, стимулирующих использование ВИЭ и определяющих «правила игры» для инвесторов и потребителей «зеленой энергии». Отношение к ВИЭ в России полярное. Есть энтузиасты, которые настаивают на том, что ВИЭ нам нужно использовать как можно шире уже прямо сейчас, а есть пессимисты, в основном из среды топливно-энергетического комплекса, которые утверждают, что для России, являющейся энергетической державой с огромными запасами органических топлив, ВИЭ малоперспективны, в обозримом будущем не смогут внести заметный вклад в энергобаланс страны и поэтому ими всерьез заниматься пока не следует.

В своей статье я хотел бы постараться объективно осветить проблему, дать общую картину, что происходит с возобновляемыми источниками энергии в мире и обосновать, насколько они актуальны для России.

Возобновляемые источники включают широкий спектр источников энергии и технологий их преобразования в полезные для человека виды (электричество, тепло, холод, печные и моторные топлива и т.п.). Большая часть ВИЭ имеют солнечное происхождение (само солнечное излучение, ветер, водные потоки, биомасса). К «не солнечным» относятся геотермальная энергия, морские приливы, сбросное тепло антропогенного происхождения и др. Отмечу, что все известные источники в той или и иной степени могут претендовать на то, чтобы найти эффективное применение в том или ином секторе экономики.

Стимулы развития ВИЭ в мире

Основными стимулами развития возобновляемых источников в мире являются следующие обостряющиеся со временем проблемы, стоящие перед человечеством:

• 1. Как обеспечить возрастающие энергетические потребности быстро растущего населения мира? В начале ХХI века мировое потребление энергии превысило 500 ЭДж/год (1 ЭДж = 10 18 Дж) или около 12 млрд тн.э./год. По различным прогнозам уже к 2020г. мировое энергопотребление возрастет более чем в полтора раза, в первую очередь, за счет развивающихся стран (рост населения с одновременным повышением удельного в расчете на 1 человека потребления энергии). В условиях постепенного истощения дешевых запасов органического топлива возможность полного и с приемлемыми затратами удовлетворения растущих энергетических потребностей вызывает серьезные опасения. Ядерная энергетика после ряда серьезных аварий на АЭС пока не вызывает доверия общественности, да и ее полноценное развитие возможно лишь при переходе на новые типы реакторов-размножителей, обеспечивающих воспроизводство ядерного топлива, что сопряжено с необходимостью освоения новых технологий и определенными дополнительными рисками. Термоядерная энергетика пока не вышла из стадии фундаментальных исследований, и сроки ее возможного промышленного освоения пока не предсказуемы. В этой ситуации ставка на расширение масштабов использования ВИЭ, ресурсы которых по сравнению с обозримыми энергетическими потребностями человечества практически неограниченны, несмотря на повышенные затраты, представляется вполне оправданной.
• 2. Как обеспечить энергетическую безопасность стран и регионов, сильно зависящих от импорта энергоресурсов? Эта проблема стоит еще более остро и актуально, чем предыдущая. Мир довольно жестко поделен на страны экспортеры и импортеры энергоресурсов. Месторождения органических топлив и урана по миру распределены крайне «несправедливо», что вызывает экономические и политические кризисы и создает напряженность в мире. ВИЭ распределены по странам мира более или менее равномерно и доступны в том или ином виде и количестве в любой географической точке, что обусловливает их дополнительную привлекательность.
• 3. Как обеспечить экологическую безопасность? Масштабы современной энергетики пока еще малы в рамках природного энергетического баланса: потребление энергии человечеством составляет всего около 2/10000 суммарного поступления энергии солнечного излучения на поверхность Земли. Вместе с тем, в сравнении с энергией, идущей на процессы фотосинтеза (около 40 ТВт), мировая энергетика соизмерима и, по оценкам, достигает около 20% от нее, что указывает на принципиальную возможность заметного глобального влияния энергетики на биосферу. Энергетика ответственна примерно за 50% всех вредных антропогенных выбросов в окружающую среду, в том числе парниковых газов. Не вызывает сомнений, что ВИЭ более экологически безопасны, чем традиционные источники.

Немаловажными аргументами в пользу развития ВИЭ являются также:

• забота о будущих поколениях: энергетика - крайне инерционная сфера экономики, продвижение новых энергетических технологий занимает десятки лет, необходима диверсификация первичных источников энергии, в том числе за счет разумного использования ВИЭ;
• многие технологии энергетического использования ВИЭ уже подтвердили свою состоятельность и за последнее десятилетие продемонстрировали существенное улучшение технико-экономических показателей. Удельные капитальные затраты на создание энергоустановок на ВИЭ и стоимость генерируемой ими энергии приблизились к аналогичным показателям традиционных энергоустановок, и в ряде случаев использование ВИЭ в некоторых регионах и практических приложениях стало вполне конкурентоспособным.

Недостатки ВИЭ

Справедливости ради необходимо отметить, что ВИЭ имеют как массу достоинств, так и существенные недостатки. К недостаткам, прежде всего, относится то, что ВИЭ характеризуются, как правило, небольшой плотностью энергетических потоков: солнечное излучение - менее 1 кВт на 1 м 2 , ветер при скорости 10 м/с и поток воды при скорости 1 м/с - около 500 Вт на 1 м 2 . В то время как в современных энергетических устройствах, мы имеем потоки, измеряемые сотнями киловатт, а иногда и мегаваттами на 1 м 2 . Сбор, преобразование и управление энергетическими потоками малой плотности, в ряде случаев имеющих суточную, сезонную и погодную нестабильность, требуют значительных затрат на создание приемников, преобразователей, аккумуляторов, регуляторов и т.п. Высокие начальные капитальные затраты, правда, в большинстве случаев компенсируются низкими эксплуатационными издержками.

Важно подчеркнуть, что использование ВИЭ оказывается целесообразным, как правило, лишь в оптимальном сочетании с мерами повышения энергоэффективности: например, бессмысленно устанавливать дорогие солнечные системы отопления или тепловые насосы на дом с высокими тепловыми потерями, неразумно с помощью фотоэлектрических преобразователей обеспечивать питание электроприборов с низким КПД, например, систем освещения с лампами накаливания.

Практика использования ВИЭ в мире

Каковы масштабы практического использования ВИЭ в мире? Имеющиеся данные позволяют утверждать, что в мире наблюдается бум возобновляемой энергетики.

Установленная мощность электрогенерирующих установок на нетрадиционных ВИЭ (без крупных ГЭС) к концу 2008 г. достигла 280 ГВт, а в 2010 г. превысила мощность всех атомных электростанций - 340 ГВт. Суммарная мощность 150 тыс. ВЭУ в составе сетевых ветростанций на конец 2009 г. составила 159 ГВт. За 2009 г. в эксплуатацию было введено 39 ГВт ВЭУ, их установленная мощность по сравнению с концом 2008 г. (120 ГВт) выросла на 32%. Выработка ими электроэнергии в 2009 г. достигла 324 ТВт×ч.

Суммарная мощность действующих в мире фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) к концу 2009 г. достигла 21,3 ГВт, причем в 2009 г. в эксплуатацию было введено более 7 ГВт, а прирост продаж ФЭП на мировом рынке за год составил более 50%. Годовая выработка ими электроэнергии в 2009 г. составила 23,9 ТВт×ч.

Суммарная мощность энергоустановок на биомассе в 2009 г. достигла 60 ГВт, а годовая выработка электроэнергии более 300 ТВт×ч.

Мощность геотермальных электростанций превысила 10,7 ГВт, а выработка ими электроэнергии 62 ТВт×ч/год.

Суммарная тепловая мощность установок солнечного теплоснабжения в 2008 г. достигла 145 ГВт (более 180 млн м 2 солнечных коллекторов), солнечное горячее водоснабжение имеет более 60 млн домов в мире, ежегодные темпы роста более 15%.

Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2008 г. превысило 79 млрд литров в год (около 5% от ежегодного мирового потребления бензина, биоэтанол - 67, биодизель - 12 млрд литров в год. По сравнению с 2004 г. производство биодизеля возросло в 6 раз, а биоэтанола удвоилось).

В 30 странах мира действует более 2 млн тепловых насосов, суммарной тепловой мощностью более 30 ГВт, утилизирующих природное и сбросное тепло и обеспечивающих тепло- и холодоснабжение зданий.

В настоящее время около 100 стран имеют специальные государственные программы освоения ВИЭ и на государственном уровне утвержденные индикативные показатели их развития на среднесрочную и долгосрочную перспективу. Большинство стран ставят своей целью добиться вклада ВИЭ в энергобаланс страны на уровне не менее 15-20% к 2020 г., а страны Европейского Союза - до 40% к 2040 г. Приоритетное развитие ВИЭ с темпами роста в десятки процентов в год осуществляется при мощной государственной законодательной, финансовой и политической поддержке.

ВИЭ в России

Что же происходит в России? Нужно ли в России форсировать развитие использования ВИЭ?

С точки зрения макроэкономических показателей, Россия, казалось бы, с избытком обеспечена традиционными энергоресурсами. Анализ энергобаланса показывает, то из всех добываемых в стране энергоресурсов около 2/3 экспортируется за рубеж. 45% - в натуральном виде, еще около 13% - в виде энергоемкой продукции низкого передела (металл, удобрения и т.п.), около 6% - приходится на энергию, затрачиваемую на транспорт энергоресурсов и указанной продукции по территории России за рубеж. Что касается нефти, то сегодня 80% всей добываемой в стране нефти экспортируется. Утвержденная Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. фактически предусматривает лишь незначительное относительное снижение экспорта энергоресурсов. Экспортная ориентация во многом обусловлена тем, что нефтегазовый комплекс страны обеспечивает около 17% российского ВВП и более 40% доходов консолидированного бюджета, и отказаться от таких доходов крайне сложно. Возникает, однако, вопрос: насколько такая политика дальновидна и стратегически обоснована?

Успокаивает, видимо, то что, по имеющимся оценкам, Россия занимает 1 место по запасам природного газа (23% мировых запасов), 2 место по запасам угля (19% мировых запасов), 5-7 место по запасам нефти (4-5% мировых запасов). На Россию приходится 8% мировой добычи природного урана. Однако и в России легкодоступные месторождения относительно дешевых энергоресурсов быстро истощаются, а разведка и освоение новых месторождений требует огромных затрат. Очевидно, что энергетическая политика страны уже в ближайшее время потребует серьезной коррекции в сторону более рачительного использования энергоресурсов.

С точки зрения международных обязательств России по экологии в стране пока все обстоит благополучно. Резкое падение производства в 1990-2000 гг. привело почти к 40% сокращению выбросов СО 2 в атмосферу.

Оценки показывают, что даже без принятия специальных мер к 2030 г. объемы выбросов не достигнут уровня 1990 г., и проявлять особого беспокойства по этому поводу не требуется.

Приведенные данные, казалось бы, на стороне пессимистов: возобновляемые источники энергии для России при макроэкономическом анализе представляются не актуальными.

Однако давайте теперь посмотрим на Россию, немного с других позиций: с позиций регионов страны и конкретных потребителей энергии.

Факты говорят о том, что:

• 2/3 территории страны с населением около 20 млн человек находится вне сетей централизованного энергоснабжения. Это - районы страны с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (10-20руб./кВт и выше);
• большая часть регионов страны реально энергодефицитны, нуждаются в завозе топлива и поставке энергии. Для них столь же актуально решение проблемы региональной энергетической безопасности, как и для стран-импортеров энергоресурсов;
• в нашей стране, являющейся газовой державой, газифицировано лишь около 50% городских и около 35% сельских населенных пунктов. Здесь используется уголь, нефтепродукты, являющиеся источниками локального загрязнения окружающей среды;
• в условиях постоянного роста тарифов и цен на энергию и топливо, растущих затрат на подключение к сетям централизованного энергоснабжения автономная энергетика в стране развивается опережающими темпами: ввод за последние 10 лет дизельных и бензогенераторов единичной мощностью до 100кВт превысил ввод крупных электростанций. Потребители энергии стремятся обеспечить себя собственными источниками электроэнергии и тепла, что, как правило, ведет к снижению эффективности использования топлива по сравнению с комбинированным производством электроэнергии и тепла на ТЭЦ и снижению эффективности всей энергетики страны.

Технико-экономические оценки показывают, что именно районы с децентрализованным и автономным энергоснабжением являются наиболее привлекательными для эффективного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Необходимо проведение целенаправленных исследований и разработок в обоснование эффективности практического использования ВИЭ в конкретных условиях с учетом реальных климатических условий и особенностей потребителей. Крайне важно при поддержке региональных властей создание сети демонстрационных объектов, наглядно показывающих преимущества использования ВИЭ и служащих центрами развития бизнеса в этом секторе энергетики.

Вклад нетрадиционных ВИЭ (без крупных ГЭС) в энергобаланс России пока не превышает 1%. Принятые в последнее время государственные решения предписывают довести вклад ВИЭ к 2020 г. до 4,5%, что потребует ввода энергоустановок на ВИЭ суммарной мощностью 20-25 ГВт. Однако эти решения пока не подкреплены должным образом законодательством и нормативными актами, не приняты принципиальные решения о стимулировании развития ВИЭ, что делает проблематичным выполнение принятых решений.

Россия существенно отстает от ведущих стран по разработке и освоению технологий использования ВИЭ. Тем не менее, имеются примеры реализации успешных проектов в этой области. Это относится к созданию нескольких геотермальных станций на Камчатке, ввод которых позволил существенно сократить объемы завоза дизельного топлива в этот регион. Частный бизнес осуществил «прорыв» в освоении производства древесных пеллет из отходов деревопереработки. Россия вошла в число мировых лидеров по объему производства пеллет (более 2 млн т в год). К сожалению, они производятся преимущественно для экспорта в европейские страны, внутри страны эффективное их использование пока сдерживается административными и экономическими барьерами. Имеются определенные успехи в создании приливных энергоустановок с использованием оригинальных отечественных разработок. Ряд компаний уделяют большое внимание освоению технологий масштабного производства фотоэлектрических преобразователей, но, опять же, с ориентацией преимущественно на экспорт.

Выводы и предложения

Итак, несмотря на то, что Россия, безусловно, лучше, чем любая другая страна в мире, обеспечена собственными запасами традиционных топливно-энергетических ресурсов, развитие возобновляемых источников энергии является крайне важным стратегическим направлением будущей энергетики. Необходимость ускоренного развития ВИЭ уже сегодня в России обусловлено как потребностями в обеспечении энергетической безопасности регионов страны находящихся вне систем централизованного энергоснабжения, где многие технологии использования ВИЭ достигли уровня конкурентоспособности, так и потребностями создания надежного задела в инновационном развитии энергетики страны для будущих поколений.

Если в автономной энергетике многие технологии использования ВИЭ уже сегодня могут быть вполне конкурентоспособными, то в централизованной энергетике требуется реализация мер государственной экономической поддержки по аналогии с другими странами. В этой сфере крайне важно ускорение принятия предусмотренных распоряжениями Правительства нормативных документов, стимулирующих развитие ВИЭ.

• Ускоренное развитие ВИЭ в России необходимо рассматривать как важный фактор модернизации экономики, в том числе связанной с развитием инновационных производств, разработкой новых инновационных технологий, развитием малого и среднего бизнеса, созданием новых рабочих мест, улучшением социальных условий, улучшением экологии и т.п.

Государство должно быть заинтересованным в развитии ВИЭ и активно содействовать развитию этого нового направления в энергетике, прежде всего, путем создания стимулов для бизнеса. При этом участие государства в развитии ВИЭ не должно стать благотворительностью за счет налогоплательщика, а государственным бизнесом. Каждый затраченный бюджетный рубль на поддержку ВИЭ должен стать окупаемым, он, как показывают оценки и опыт других стран, может и должен приносить прибыль в бюджет в результате развития бизнеса.

ИНТЕРЕСНО

Год рождения эры солнечной энергетики

В далеком 1839 г. Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество.

Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн.