Другие возобновляемые источники энергии

Введение

 

В настоящее время традиционные энергоносители становятся все более дорогими, а использование альтернативных становится все дешевле. Поэтому сейчас уже можно говорить о перспективах их массового применения, что актуально в условиях ограниченности запасов традиционных источников и экологической ситуации.

Целью работы является рассмотрение перспектив применения альтернативных источников энергии. Для этого были поставлены следующие задачи:

- изучить опыт использования возобновляемых источников энергии в разных странах.

- рассмотреть технические характеристики основных типов генераторов.

- проанализировать перспективы массового использования альтернативных источников энергии в РФ.

Основным преимуществом возобновляемых источников является их экологическая чистота и неограниченность. Энергия солнца, ветра, геотермальная, приливная неограниченны, в отличии от запасов нефти и газа. Поэтому рано или поздно система энергоснабжения всех стран будет вынуждена переходить на возобновляемые источники. Но современная, уже сложившаяся система экономических отношений и энергосистема, а так же стоимость мощных установок, использующих альтернативные источники энергии, делает этот переход очень дорогим. К тому же генераторы, использующие определенные виды возобновляемой энергии (ветра, приливные, геотермальные) привязаны к определенным территориям, что сильно затрудняет их повсеместное использование. Еще очень важным является то, что электростанции, использующие альтернативные источники энергии, обладают сравнительно малой мощностью и не могут обеспечивать потребности промышленности, потребляющей большую часть производимой электорэнергии. Вложения в них окупаются далеко не сразу, поэтому без государственных программ массовое внедрение альтернативных источников энергии в нашей стране практически невозможно.

Солнечная энергия

Большая часть территории нашей страны (более 60%) характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт-ч/м день (приложение 1). То есть, солнечные батареи, к примеру, в Приморском крае будут работать так же эффективно, как и на Северном Кавказе.

Почему же солнечные батареи не получили широкого распространения, несмотря на многие преимущества использования солнечной энергии?

Главным преимуществом солнечной энергии является то, что запасы ее бесконечны. Пока светит солнце ее можно использовать, а когда солнце погаснет, человечеству она уже не потребуется.

Вторым преимуществом считается ее экологическая чистота. Действительно, при преобразовании солнечной энергии в электрическую не происходит загрязнений атмосферы и окружающей среды. Но производство кремния - основного и незаменимого элемента солнечных батарей – одно из самых грязных на планете. При массовом использовании солнечных батарей экологии разом может быть нанесен немалый ущерб.

К тому же, использованию солнечной энергии мешает ряд других трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана.

Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.

Суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Здесь следует упомянуть проект «Тысяча крыш», реализованный в Германии, где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного источника играет электросеть, из которой возмещается нехватка энергии. В случае же избытка энергии она, в свою очередь, передается в сеть. Любопытно, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята еще более масштабная программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 г. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд долларов. Повышение эффективности солнечных элементов и качества материалов позволило за два последних десятилетия снизить на 80% затраты на их сооружение. Сейчас солнечные элементы встраивают в кровельную черепицу, керамические плитки и оконные стекла, что позволяет получать электричество и в отдельных зданиях. Суммарная мощность солнечных батарей возросла в мире со 150 МВт в 1985 г. до 900 МВт к 1999 г.

Ветряная энергия

 

Ветряная энергия является наиболее используемой, среди возобновляемых источников. Это происходит потому, что начальные капиталовложения в эту отрасль относительно низкие.

Ветроустановки, как и солнечные электростанции, особенно эффективны в небольших поселениях, для автономных энергопотребителей, отдаленных от централизованных систем энергоснабжения. Для них энергия ветра и Солнца является самым экономичным источником электричества. Характерен в этом отношении пример Дании, разбросанной на многочисленных островах, которые трудно объединить централизованной энергосистемой. Сегодня здесь насчитывается свыше 4 тысяч ветроустановок, на которые приходится около 5% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Заметим, что энергии не только самой экологически чистой, но и дешевой. Если в начале 1990-х гг. 1 кВт ч ее стоил одну шведскую крону, то теперь — в 4 раза дешевле. Это значительно меньше аналогичного показателя для АЭС и угольных ТЭС, и даже конкурентоспособной дешевой шведской гидроэнергии. Датские ветроустановки пользуются большим спросом — свыше половины мирового спроса на них удовлетворяется датскими фирмами и их лицензиатами. Это явилось результатом стратегического предвидения государства, восприимчивого к нововведениям и к стратегическому партнерству с промышленностью, что позволяло Дании занять выгодные позиции в преддверии новой постиндустриальной эры.

Россия обладает колоссальным суммарным потенциалом энергии ветра. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана на протяжении 12 тыс. км господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с. (Считается, что ветроустановки эффективны при среднегодовых скоростях ветра выше 4-5 м/с.) Суммарная мощность ветра на Севере достигает 45 млрд. кВт, Успешно работают ветроэлектростанции на Новой Земле, в Амдерме, на мысе Уэлен, на островах Врангеля, Шмидта, Командорах (остров Беринга). Ветроустановки успешно заменяют на Севере малые дизельные электростанции, для работы которых необходимо завозить дорогостоящее (иногда импортное) топливо.

Вертяная установка может обеспечить электороэнергией частный дом. Ориентировочная стоимость устарновки около 600 долларов за киловат.

Но шум, который она производит, заставляет многих отказаться от их использования. А для удовлетворения нужд промышленных предприятий требуются большие площади. И ветряные электростанции эффективно размещать в основном на побережье. Это заставляет строить дополнительные линии электропередач. А передача энергии к потребителям на большие расстояния создает дополнительные потери. К тому же, постройка на побережье крупных ветряных электростанций наносит ущерб туристическому бизнесу. Да и амортизационные расходы больших комплексов довольно высоки. Но эти трудности преодолимы. Сейчас стоимость ветряной энергии почти равна стоимости энергии, полученной из традиционных источников.

Ветроэнергетика сейчас считается наиболее перспективной отрослью для инвестирования, но сделать точный прогноз ее развития довольно затруднительно. Использование данных и прогнозов из различных источников позволяет предположить, что себестоимость ветроэнергии будет составлять 64-74% в 2010 г. и около 41-55% в 2020 г. по сравнению со среднеотраслевой ценой ветровой электроэнергии в 2000 г. Ветровая электроэнергия станет дешевле электроэнергии, получаемой на тепловых электростанциях, использующих ископаемое топливо, уже в 2006 г., и это послужит одним из факторов, ускоряющих снижение себестоимости электроэнергии в целом.

Уже в настоящее время ветровая энергетика близка к тому, чтобы стать конкурентоспособной по ценам с традиционными отраслями энергетики. Особый интерес в данном случае представляет существующий снижающийся тренд себестоимости ветровой электроэнергии, который позволяет ценам на ветровую электроэнергию состязаться на равных и даже предлагать более выгодные условия по сравнению с ценами на электроэнергию, получаемую из ископаемого топлива. Последние прогнозы, полученные из различных источников, предполагают падение инсталляционных (капитальных) расходов до $600-990 за один киловатт установленной мощности в 2010 г. и до $380-940 в 2020 г. Производственные (эксплуатационные) расходы соответственно будут находиться на уровне $15-24 за один мегаватт в 2010 г. и $7-18 в 2020 г.

Разница в прогнозах частично обусловлена разной оценкой себестоимости ветровой энергии в настоящий момент у разных авторов, находящихся в большинстве своем под влиянием конъюнктурных интересов. Поэтому ни одна из цен не может быть использована для характеристики инсталляционных расходов или себестоимости электричества. Речь идет о тренде.

Растущий тренд строительства все более мощных ветряных электростанций ускоряет падение себестоимости электроэнергии и в свою очередь затрудняет прогнозирование.

По этим причинам сравнение себестоимости производства электроэнергии сегодня делают с осторожностью. При этом предполагают, что мощность ветра, процентные ставки и период амортизации не меняются, однако эти факторы редко учитываются на практике. Поэтому большая часть приведенной в настоящей статье информации базируется на стоимости инсталляционных расходов на один киловатт установленной мощности.

Опыт показывает, что большинство недавних прогнозов роста ветроэнергетики и снижения себестоимости производства ветроэнергии оказались заниженными. Так, для примера, согласно прогнозу, сделанному Всемирным Энергетическим Советом (World Energy Council) в 1993 г., общая мощность установленных к концу 2001 г. ветроэлектростанций должна была достичь объема чуть меньше 20 гигаватт, а на самом деле этот показатель превысил 24 ГВт. Также прогноз роста отрасли, сделанный компанией BTM Consults в ушедшем году, выше аналогичного прогноза, сделанного этой же компанией двумя годами раньше.

Суммарная мировая мощность ветроэлектростанций выросла с 1500 МВт в 1990 г. до 24.400 МВт в 2001 г. Экспоненциальная кривая и каждая точка тренда, характеризующего эту тенденцию, показывают, что мировой объем ветроэнергетического рынка ежегодно возрастает на 27% и удваивается каждые 2,88 года. Более того: в 2001 г. зафиксирована активность на несколько пунктов выше расчетной.

Два последних исследования по изучению возможного роста ветроэнергетического рынка были проведены крупнейшими аналитиками этого сектора экономики. World Market Update 2001 от BTM Consults и доклад Немецкого института ветроэнергетики (DEWI) единодушно предсказывают дальнейший ежегодный рост объемов строительства ветроустановок и инфраструктуры ветроэнергетики и как следствие - рост ее общей мощности. Учитывая то, что рост 2001 года был чрезмерным, исследователи не проецировали его показатели на общий тренд, чтобы не давать чрезмерно оптимистических прогнозов.

Согласно прогнозу BTM Consults, мощность мировой ветроэнергетики в 2010 г. достигнет 155 ГВт, прогноз DEWI - 119 ГВт. Результат, экстраполированный из существующего тренда, предполагает достижение уровня 182 ГВт. Но существует один фактор, который может привести к резкому росту объемов строительства. Этот фактор - падение цены ветрового электричества ниже цены теплового. В настоящее время основным доводом в пользу применения ветроэнергетики являются преимущества для окружающей среды, но как только стоимость киловатта, произведенного с помощью ветроэлектростанции, станет равна или ниже стоимости киловатта, произведенного на тепловой электростанции, в ход пойдут экономические аргументы, что, несомненно, сильнее и действеннее для потребительского общества.

Эта поправка имеет особое значение в свете того, что цены на ископаемое топливо будут неуклонно расти.

 

Другие возобновляемые источники энергии

 

Приливная энергетика. Существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.

Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

Твердые отходы и биомасса. Примерно половину твердых отходов составляет вода. Легко собрать можно лишь 15% мусора. Самое большее, что могут дать твердые отходы, – это энергию, соответствующую примерно 3% потребляемой нефти и 6% природного газа. Следовательно, без радикальных улучшений в организации сбора твердых отходов они вряд ли дадут большой вклад в производство электроэнергии.

На биомассу – древесину и органические отходы – приходится около 14% полного потребления энергии в мире. Биомасса – обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах.

Были предложения выращивать растения (в том числе и лес) как источник энергии. Быстрорастущие водяные растения способны давать до 190 т сухого продукта с гектара в год. Такие продукты можно сжигать в качестве топлива или пускать на перегонку для получения жидких или газообразных углеводородов. В Бразилии сахарный тростник был применен для производства спиртовых топлив, заменяющих бензин. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителей. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может быть восполняемым. Необходимы дополнительные исследования, особенно быстрорастущих культур и их рентабельности с учетом затрат на сбор, транспортировку и размельчение.

В России выращивание быстрорастущих растений затруднено из-за климата.

За прошлое столетие люди научились использовать перегретый пар вулканических областей для получения дешевой геотермальной электроэнергии. Еще в 1970-е годы белорусский академик Герасим Богомолов предлагал использовать тепло подземных вод. Но тогда эту идею "списали", потому что стоимость нефтепродуктов была очень низкой. Стакан бензина стоил дешевле стакана газировки. Теперь отечественные ученые советуют обратить внимание на энергию подземных вод.

Интерес к этому виду энергии резко возрос в последнее время, когда появилась угроза т.н. "энергетического голода". Хотя в последние годы наметилась тенденция к сокращению использования геотермальной энергии. Мощности ГеоТЭС в мире к концу 1990-х гг. сократились более чем вдвое — всего до 3.6 млн. кВт. Причина снижения интереса к геотермальным источникам энергии — трудности в эксплуатации станций, их негативное воздействие на окружающую среду и возрастающая стоимость 1 кВт установленной мощности. К тому же геотермальная энергетика не мобильна, она территориально привязана к источникам, находящимся порой в труднодоступных, малоосвоенных, преимущественно горных районах (за исключением, пожалуй, Исландии). Еще одна сложность использования геотермальных вод – их высокая минерализация. В отдельных местах она достигает 400 граммов на литр. Из-за этого может наступить закупоривание скважин.

Зарубежный опыт показывает, что затраты на строительство геотермальных ЭС сначала получаются больше. Однако поскольку эта энергия "дармовая", предлагаемая нам самой природой и к тому же возобновляемая, отопление потом становится дешевле в два раза. Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме ГеоЭС предусмотрены система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также системы снеготаяния и предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу. По мнению российских ученых, большой прогресс по удешевлению и уменьшению эксплуатационных издержек будет достигнут применением в геотермальных турбинах верхнего выхлопа отвода пара.

Тем не менее, геотермальные ресурсы перспективны в использование в северных районах России. Геотермальные станции используют энергию горячего пара или воды, получаемых из недр Земли. Этот вид возобновляемой энергии широко используется в мире. Артезианские бассейны термальных вод выявлены в Саяно-Байкальской горной системе, в Бурятии (здесь насчитывается около 400 термальных источников), в Якутии, на севере Западной Сибири, Чукотке (здесь известны 13 высокотермальных источников с суммарным дебитом 166 л/с). Самый “горячий” район — Курило-Камчатский вулканический пояс. На Камчатке выявлено 70 групп термальных источников, 40 из них имеют температуру около 100°С. Только наиболее крупные источники дают столько тепла, сколько можно получить от сжигания 200 тыс. т у.т. Себестоимость получения 4.2 ГДж тепла в системах геотермального теплоснабжения Камчатки в 10 раз ниже, чем в котельных Петропавловска-Камчатского.

Гидроэнергия. Гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой во всем мире. Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше, чем где-либо еще, живет почти исключительно гидроэнергией.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная энергия воды, накапливаемой с помощью плотин. У основания плотины расположены гидротурбины, приводимые во вращение водой (которая подводится к ним под нормальным давлением) и вращающие роторы генераторов электрического тока.

Существуют очень крупные ГЭС. Широко известны две большие ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная ГЭС в США – Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. В 1995 на гидроэнергетику приходилось около 7% электроэнергии, вырабатываемой в мире.

Гидроэнергия – один из самых дешевых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в том смысле, что водохранилища пополняются приточной речной и дождевой водой. Остается под вопросом целесообразность строительства ГЭС на равнинах.

Значительное развитие получило направление, связанное с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасосных установок (ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической энергии производится 3-4 эквивалентные единицы тепловой энергии, следовательно, их применение в несколько раз выгоднее, чем прямой электрический нагрев. Они успешно конкурируют и с топливными установками.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: