Характеристика отдельных НВИЭ

Ветер

Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ.

– Экологически чистое производство без вредных отходов.

– Экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций).

– Доступность.

– Практическая неисчерпаемость.

Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в 100раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты, но сегодня ветроустановки покрывают всего одну тысячную долю мировых потребностей в энергии. Они пока эффективны и экономичны только для мелкого пользователя. Энергия ветра пока еще не в состоянии давать электроэнергию в достаточных количествах. Солнечная и ветровая энергетика имеет серьезный недостаток — временную нестабильность. В связи с этим необходимы системы хранения энергии, но зрелых таких систем пока нет.

Ветер скорее дополнительный, а не альтернативный источник энергии. Достаточная конкурентоспособность (ВЭУ) с традиционными типами электростанций может быть обеспечена при уменьшении стоимости ВЭУ примерно в два раза и повышении их надежности в 3–5 раз. Во многих странах мира (США, ФРГ, ДАНИЯ, ИТАЛИЯ, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ, НИДЕРЛАНДЫ и др.) ассигнуются значительные государственные средства на НИОКР в области создания ВЭУ, по повышению надежности установок, их безопасности, снижению шума, уменьшению помех теле- и радиокоммуникациям.

В настоящее время можно выделить следующие основные направления использования энергии ветра:

– непосредственная выработка механической или тепловой энергии (ветротепловые,

ветронасосные, ветрокомпрессорные, мельничные и т.п. установки);

– электроэнергия для мелких предприятий, фирм, учреждений и т.п.

Использование энергии ветра возможно только в тех местах, где средняя скорость ветра на протяжении года находится в пределах 4 м/си более. В Беларуси средняя скорость ветра составляет 4,1 м/с и, следовательно, использование ВЭУ возможно. В РБ выявлено 1040 площадок, где можно разместить ВЭУ, их потенциал 1600 МВт, с выработкой 3,3 млрд. кВт×ч электроэнергии. Однако в ближайшие годы технически и экономически возможно установить 300–350 МВт (получить 720–840 млн. кВт∙ч).

В Беларуси установлена на средства немецкой благотворительной организации «Дамы замест Чарнобыля» опытная ветроустановка мощностью 250 кВт около деревни Занарач в Мядельском районе Минской области.

За рубежом наиболее сильные и устойчивые ветры на морском побережье в Ирландии, Шотландии, в Дании, Голландии, Франции, Испании, на юго-западе Англии, а также на большей части морского побережья Северной и Южной Америки, северной части Азии и Южной Австралии, где и получает развитие производство электроэнергии с помощью ветра.

Перспективны ветроэустановки малой мощности (до 20 кВт) для труднодоступных мест. Ветроэнергоустановки до 100 кВт в комбинации с резервным энергоисточником применимы для районов, где отсутствует централизованное электроснабжение.

В мире накоплен опыт использования ВЭУ. Так, на востоке США сооружена в 1999 г. крупнейшая ветроэлектростанция, имеющая 17 ветротурбин. Мощность станции — 11,2 МВт, а стоимость — 14,5 млн. долларов.

Начали работать первые 7 из 133 строящихся ветротурбин на ветроэлектростанции Le Hopge в провинции Квебек (Канада). Общая мощность станции — 100 МВт. Это самый крупный проект в области ветроэнергетики Канады. Его стоимость — 120 млн. долларов США.

В Австралии самый большой парк ветроэнергетических установок будет построен на северо-западном побережье острова Тасмания. Суммарный потенциал их достигнет 100 МВт.

В Японии на острове Хоккайдо планируется построить ветроэлектростанцию с 20 установками мощностью по 1 МВт.

Удельная стоимость оборудования применяющихся ВЭУ 1000–1200 дол/кВт, а стоимость электроэнергии 7-9 центов/(кВт×ч), (сравните, для ТЭС 4-6). В настоящее время наибольшее распространение получают ВЭУ мощностью 300–750 кВт по сравнению с ранее применявшимися ВЭУ мощностью 100 кВт. В новых конструкциях ВЭУ используется аэродинамический профиль ветрового колеса, изготавливаемого из синтетических материалов, электронные устройства, включая контроль за изменением скорости ветра, обеспечивающие эффективность использования ветра. Новые конструкции лучше приспособлены к режиму ветра, в них стоимость электроэнергии уже составила 4-5 центов/(кВт×ч).

Солнце

Солнечная энергия сейчас используется по трем направлениям:

– получение тепловой энергии;

– прямое фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в электрическую;

– комбинированное производство электрической и тепловой энергии.

Следует отметить, что всего лишь 0,0125% энергии Солнца могли бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% — полностью покрыть потребности на перспективу.

Но эти потенциальные ресурсы трудно реализовать в больших масштабах. Серьезное препятствие — низкая интенсивность солнечного излучения, плотность потока энергии Солнца не более 250 Вт/м² (по другим данным 350 Вт/м²).Для удовлетворения всех потребностей человечества, нужна площадь приемников излучения в 130 тыс. км².

Однако человечество настойчиво пытается овладеть технологиями преобразования солнечной энергии.

Один из примеров создания такой технологии — сооружение солнечной электростанции в калифорнийской пустыне (США). В 1996 г. там была построена высокая башня, заполненная тоннами соли. На ее крыше установлены 1900 солнечных батарей. Днем электростанция «питается» непосредственно от солнца, а в вечернее время, после его захода, соль, разогретая за день с помощью солнечных батарей до температуры 500 ^оС, доводит до кипения воду, а последняя, превращаясь в пар, раскручивает турбины. Это первая в мире солнечная электростанция — прообраз будущих подобных электростанций, способных вырабатывать и хранить электроэнергию.

Возведение СЭС в настоящее время дорого, это в 4 раза дороже расходов на ТЭС, в 3 раза больше, чем для ГЭС или АЭС. Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, другой аппаратуры, их перевозки.

Тем не менее, эксперты уверены, цены на преобразование солнечной энергии значительно снизятся.

СЭС перспективны в первую очередь для густонаселенных стран третьего мира, таких, как Китай, Индия, где потребление энергии ежегодно возрастает на 10 %.

В настоящее же время солнечная энергия используется преимущественно для получения тепловой энергии для отопления, горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения вод, а технологии по преобразованию солнечной энергии в электрическую и химическую энергию выйдут на первое место в дальнейшем.

При нынешнем состоянии науки и техники солнечная электростанция может быть рентабельна, если число солнечных часов за год составляет не менее 1900.

По данным метеорологов в Республике Беларусь 150 дней в году пасмурно, 185 дней — с переменной облачностью и 30 — ясных, а всего число часов солнечного сияния в Беларуси достигает 1200 на севере страны и 1300 — на юге. Вывод: ВЭУ для РБ не рентабельны.

Однако эти соображения были справедливы, когда РБ оплачивала по 37 дол. за 1000 м³ российского газа, в настоящее время, когда цена возросла в 3–5 раз, вполне возможно рентабельное производство электроэнергии на ВЭУ.

Успешно работает солнечная электростанция «Тесей» мощностью 50 МВт на острове Крит, где Солнце светит 2200 часов в год. По ночам и в пасмурные дни на станции подключается резервный паровой котел, работающий на мазуте.

Япония взялась осуществить проект перекачки энергии Солнца на Землю. Предполагается запуск в космос спутника с двумя солнечными батареями по километру в ширину и по три — в длину. Стоимость проекта 18 миллиардов долларов, мощностью станции 1 ГВт. Масса спутника — 20 тысяч тонн. Диаметр антенны-тарелки километр, она будет передавать собранную энергию наземной антенне. Площадь приемной антенны несколько км². Станция экологически безупречна, высота орбиты в 36 тысячах километров. Время постройки — не позднее 2040 г.

Современные СЭС строятся башенного типа, для них были разработаны параболоцилиндрические концентраторы. Эти устройства концентрируют солнечную энергию на трубчатых приемниках, расположенных в фокусе концентраторов. Широкое применение эффективных материалов, электронных устройств и параболоцилиндрических концентраторов позволило создать СЭС модульного типа с уменьшенной стоимостью.

В Южной Калифорнии (США) строится серии СЭС израильской фирмой Луз. В период между 1984 и 1990 г. построено девять СЭС общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии 13 центов/(кВт×ч), в перспективе — 10 центов/(кВт×ч). Д. Миле из университета Сиднея улучшил конструкцию солнечного концентратора, получил КПД 25–30%, стоимость электроэнергии 6 центов/кВт×ч. Считают, что в США возможно снизить стоимость получаемой электроэнергии до 5,4 цента/кВт×ч, т.е. СЭС станет экономичной и конкурентоспособной по сравнению с ТЭС.

Предполагается использовать СЭС небольшой мощности для электроснабжения автономных потребителей в отдаленных местностях.

Находит применение солнечная энергия также на наземных транспортных средствах, на водных просторах и в воздухе.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Фотоэнергетика.

Начиная с 70-х годов, правительства индустриальных стран израсходовали миллиарды долларов на разработки фотоэлектрических преобразователей. 3а последние 10 лет стоимость фотоэлектрических преобразователей снижалась и в 1993 г. достигла 3,5–4 дол/Вт, а стоимость получаемой энергии 25–40 центов/кВт×ч. Мировой объем установленной мощности вырос с 6,5 МВт в 1980 г. до 29 МВт в 1987 г. и в 1993 г. составил более 60 МВт.

В Японии ежегодно выпускается 100 млн. калькуляторов общей мощностью 4 МВт, что составляет 7% мировой торговли фотоэлектрическими преобразователями. Более 20 тыс. домов в Мексике; Индонезии, Южной Африке, Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические системы, смонтированные на крышах домов, для получения электроэнергии для бытовых целей. Наилучшим примером использования таких систем является Доминиканская республика, где 2 тыс. домов имеют фотоэлектрические установки, сконструированные в последние 9 лет. Стоимость такой установки 2 тыс. дол.

В Шри-Ланке израсходовано 10 млн. дол. на электрификацию 60 тыс. домов с помощью фотосистем. Стоимость установки мощностью 50 Вт, включающая фотопанель, источник света и аккумуляторную батарею, составляет 500 дол.

В будущем стоимость установки для малых систем будет снижаться, например установки с люминесцентными лампами. В Кении в течение последних лет 20 тыс. домов электрифицировано с помощью фотосистем по сравнению с 17 тыс. домами, где за это же время введено централизованное электроснабжение. В 3имбабве за счет кредита в 7 млн. дол., выделенного в 1992 г., будет электрифицировано 20 тыс. домов в течение 5 лет. Мировым банком выделен кредит в 55 млн. дол. для электрификации 100 тыс. домов в Индии фотосистемами. В США стоимость 1 км распределительных электросетей составляет 13–33 тыс. дол. Контракт на установку, включающую электроснабжение дома; освещение, радио, телевидение и компьютер, составляет не менее 15 тыс. дол. (включая аккумуляторную батарею). Уже имеется 50 тыс. таких установок в городах и ежегодно строится около 8 тыс. установок. Среди индустриальных стран кроме США также лидируют в использовании фотосистем в домах Испания и Швейцария.

Если даже ежегодно в мире будет снабжаться фотосистемами 4 млн. домов (1% тех, что электрифицируются ежегодно), то общая установленная мощность фотосистем составит 200 МВт.

Для успешного внедрения фотосистем их удельная стоимость должна быть снижена в 3–5 раз прежде, чем появятся крупные энергосистемы.

Половина продажи кремния приходится на монокристаллы, поликристаллическая модификация также имеет большое будущее. Большое будущее будут иметь тонкопленочные системы, в частности на основе аморфного кремния.

Некоторые образцы фотоэлектро-преобразователей на основе аморфного кремния имеют КПД 10%, удельную стоимость 1 дол/Вт, стоимость получаемой электроэнергии 10–12 центов/кВт×ч. Имеется перспектива снижения стоимости до 4 центов/кВт×ч к 2020 г.

Итак, фотоэнергетика может стать источником энергии мировой индустрии.

 

Энергия биомассы

Биомасса — это сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные. Основа биомассы — органические соединения углерода. Энергия биомассы возникает в результате преобразования солнечной энергии в биохимическую энергию растений в процессе фотосинтеза. Биомасса — исходное природное вещество для образования ископаемых топлив (уголь, нефть, газ, торф). Биомасса — природный источник для получения энергии, для этого используют процессы:

– прямое ее сжигание для получения теплоты;

– пиролиз, т.е. разложение на составляющие под действием высоких температур, процесс используется в газогенераторах, где в процессе разложения биомассы выделяется и сжигается газ;

– гидрогенизацию, т.е. обработку водородом биомассы при высокой температуре (450–650^оС) с целью получения высококачественных моторных топлив, парафинов, спиртов и т.п.;

– микробиологическое анаэробное разложение биомассы с целью получения биогаза;

– получение различных видов биотоплива: жидкого для транспорта, твердых брикетов для котельных и пр.

Биогаз состоит из 50–80% метана и 5—20% углекислого газа. Теплотворная способность биогаза 5500–6000 ккал/м³. По содержанию энергии 1 м³ биогаза эквивалентен: 2 кВт∙ч электроэнергии, 0,6 кг керосина, 15,5 кг каменного угля, 3,5 кг дров, о,4 кг бутана. 12 кг навозных брикетов.

Одним из способов получения биогаза является метановое брожение в реакторах-метантенках. Метантенк — герметичный сосуд объемом от 1 до нескольких тысяч м³, изготовленный из бетона, кирпича, стали и т.п. Сырьем для получения биогаза являются разнообразные органические отходы (животноводческих ферм, птицефабрик, полеводства). В процессе брожения поддерживается постоянная температура (32–35 ^оС), герметичность установки, получается газ, вода, эффективные биоудобрения, полное обеззараживание продуктов.

Биогаз с высокой эффективностью может трансформироваться в другие виды энергии, при этом коэффициент его полезного использования в качестве топлива на газогенераторах может составлять 83%. Производство биогаза в некоторых зарубежных странах уже заняло ведущее положение в энергетическом балансе сельскохозяйственного производства.

Одна корова дает в течение года 50 кг метана, если на ферме 2–3 десятка коров, они обеспечат полное энергоснабжение хозяйства, качественные удобрения для полей и пастбищ плюс молоко, сыры, творог, сметану и т.д., создается замкнутый биологический цикл без загрязнения окружающей среды.

ВИЭСХом разработан анаэробный биофильтр, для производства биогаза из сточных вод.

В Беларуси биоэнергетические установки находятся в стадии разработки и испытаний. В Китае их свыше 7 млн., в Индии около 1 млн. Они используется в Швеции, Германии, Норвегии.

Биогазовые установки улучшат экологическую обстановку около ферм, на полях.

В ряде стран для получения тепла достаточно широко используется древесное топливо, древесный угль и сельскохозяйственные отходы путем прямого сжигания. Теплотворная способность 1 т сухой соломы эквивалентна 415 кг сырой нефти, теплотворность 1 кг пшеничной соломы и сухих кукурузных стеблей равна 15,5 МДж, соевой соломы —14,9, рисовой шелухи —14,3, подсолнечной лузги 17,2 МДж. По этому показателю растительные отходы полеводства приближаются к дровам —14,6–15,9 МДж/кг и превосходят бурый уголь — 12,5 МДж/кг.

В развивающихся странах этот вид энергоресурсов составляет в среднем 20%. В ряде стран Африки использование биомассы для энергетических целей равно 60% энергопотребления, в азиатских странах— 40%, в странах Латинской Америки до 30% и в ряде стран Европы, Ближнего Востока и Скверной Африки до 10%.

В РБ, как и во всем мире, серьезной проблемой является переработка твердых бытовых отходов. Их можно использовать для получения биогаза, станциям по переработке отходов для своих нужд достаточно 15% получаемой энергии, остальную можно продавать потребителям.

США, Дания и Швеция довели производство электроэнергии на установках, использующих биомассу отходов до 400 МВт.

Значительное развитие получила переработка биомассы, основанная на процессах пиролиза в газогенераторах. Их можно устанавливать на автомашинах. Опытные образцы показали, что для пробега 100 км автомашины, грузоподъемностью 3 т требуется 60 кг дров.

Биомасса позволяет получать жидкое топливо, этанол, дизельное топливо на основе рапсового масла.

Предложены технологии получения твердых видов биотоплива: брикетов из опавшей листвы, шелухи от зерна, опилок и т.п.

Ежегодное производство этанола в Бразилии составляет 10 млн. л.

В США уже в течение нескольких лет производится «биохол» — горючее для автомобилей, содержащее 10 % этанола, полученного из кукурузы.

В США создана ферма по выращиванию бурых водорослей, 50 % энергии этих водорослей можно превратить в метан. Океанская ферма будущего обеспечит энергией город в 50 тыс. человек.

Возможно выращивание с плотов в океане быстрорастущих водорослей, легко перерабатываемых в метан.

 

Гидроэнергия

Гидроэнергия — экологически чистый вид энергии.

Гидропотенциал всех рек РБ 900–950 МВт. Использовать практически можно 1/3, т.к. строительство плотин вызывает затопление больших площадей.

В нашей стране ГЭС начали строить в 30-х годах прошлого века. Первенцем была Чигиринская ГРЭС на реке Друть в Могилевской области. До войны были построены небольшие ГЭС на малых реках. В годы войны они были разрушены, а в послевоенные годы восстановлены и построены новые. К концу 1956 г. в Беларуси насчитывалось 162 ГЭС общей мощностью 11,854 МВт. Но начиная с 60-х годов, они закрылись, и были разрушены, т. к. не выдержали конкуренции с большой энергетикой. Закрылась ГЭС «Дружба народов» на границе России, Беларуси и Латвии. Осталось 6 малых ГЭС, в.ч. Осиповичская мощностью 0,75 МВт. От остальных станций остались фундаменты, оборудование сдано в металлолом.

В РБ с 90-х годов начинается возрождение гидроэнергетики. Сейчас работает 25 малых ГЭС (Вилейская, Яновская, Лепельская, Лукомльская и др.). Планируется строительство ГЭС средней мощности. До 2020 г. на реке Западная Двина будет построено 4 ГЭС (Витебская, Бешенковичская, Полоцкая, Верхнедвинская), мощностью каждой — 45 МВт. Будет построен каскад ГЭС на реке Днепр. Начато строительство Гродненской ГЭС мощностью 27 МВт на реке Неман, на этой реке будет построена еще одна ГЭС.

Гидроэнергетика вносит существенный вклад во всемирное производство электроэнергии (21%). Будучи экологочистым видом энергии, гидроэнергетика в то же время часто несет в себе опасность катастроф. Каждый год в мире происходит 11—15 крупных аварий на плотинах. В 1933 г катастрофа на реке Хуанхэ, утонули 18 тыс. человек. 1963 г. в Вайонте (Италия) гибель 3 тыс. человек. В 1979 г. в Морви (Индия) гибель 15 тыс. чел. В 2001 г. в Польше река Висла прорвала дамбы в пяти местах, эвакуированы 12 тыс. человек. В 2002 г. в Германии на Эльбе вода прорвала 7 плотин, было затоплено несколько населенных пунктов и т.д.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: