Способы использования возобновляемых источников энергии. Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы
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.
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.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ»
Факультет геоэкологии и географии
Кафедра экологии и природопользования
РЕФЕРАТ
По курсу “Техногенные системы и экориск”
На тему
“Возобновляемые и не возобновляемые источники энергии”
Подготовил:
Студент группы ЭКО-14-2П
Рузметов Т.В.
Москва 2017
Введение............................................................................................................... 3
1. Возобновляемые энергоресурсы.................................................................... 4
1.1. Классификация возобновляемых источников энергии............................... 4
1.2. Ветроэнергетика........................................................................................... 5
1.3. Гидроэнергетика........................................................................................... 7
1.4 Гелиоэнергетика............................................................................................ 9
1.5 Энергия биомассы....................................................................................... 11
2. Невозобновляемые источники энергии........................................................ 13
2.1. Представители невозобновляемых энергоисточников............................. 14
2.1.1. Уголь........................................................................................................ 14
2.1.2. Нефть........................................................................................................ 16
2.1.3. Природный газ........................................................................................ 17
2.2. Получение атомной энергии...................................................................... 17
2.2.1. Атомные электростанции........................................................................ 18
2.2.2. Преимущества и недостатки АЭС........................................................... 19
2.2.3. Аварии на АЭС........................................................................................ 20
Заключение........................................................................................................ 21
Список использованной литературы................................................................ 22
Введение
В современном мире существуют несколько глобальных проблем. Одна из них - истощение природных ресурсов. С каждой минутой в мире используется огромное количество нефти и газа для нужд человека. Поэтому возникает вопрос: на долго ли нам хватит этих ресурсов, если продолжать их использовать в таком же огромном объеме? По расчетам, запас нефтяных ресурсов планеты исчерпается к концу нынешнего столетия. То есть, нашим внукам и правнукам будет нечего использовать для получения энергии? Звучит пугающе. Также использование традиционных полезных ископаемых плохо влияет на экологическую обстановку мира. Поэтому, человечество сейчас все больше задумывается об альтернативных источниках получения энергии. В этом и состоит актуальность данной реферативной работы.
Возобновляемые энергоресурсы
Классификация возобновляемых источников энергии
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов. жизнедеятельности биоцентров растительного и животного происхождения Характерной особенностью ВИЭ является цикличность их возобновления, которая позволяет использовать эти ресурсы без временных ограничений.
Обычно, к возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, потоков воды, ветра, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.
ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:
· механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);
· тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);
· химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).
Потенциальные возможности ВИЭ практически неограниченны, но несовершенство техники и технологии, отсутствие необходимых конструкционных и других материалов пока не позволяет широко вовлекать ВИЭ в энергетический баланс. Однако за последние годы в мире особенно заметен научно-технический прогресс в сооружении установок по использованию ВИЭ и в первую очередь: фотоэлектрических преобразований солнечной энергии, ветроэнергетических агрегатов и биомассы.
Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются в первую очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями. Это объясняется несколькими причинами:
· Неисчерпаемость ВИЭ;
· Нет потребности в транспортировке;
· ВИЭ - экологически выгодны и не загрязняют окружающую среду;
· Отсутствие топливных затрат;
· При определенных условиях, в малых автономных энергосистемах, ВИЭ могут оказаться экономически выгоднее, чем традиционные ресурсы;
· Нет необходимости в использовании воды в производстве.
Ветроэнергетика
Энергия ветра уже более 6000 тысяч лет используется людьми. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте (около Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных ещё во II-I вв. до н. э. Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.
Начиная с XIII в., ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков.
Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырехлопастные роторы диаметром 23 м.
Однако в начале 19-20 вв. НТП затормозил развитие ветроэнергетики. Полезные ископаемые, такие как нефть и газ, заменили ветер в качестве источника энергии. Но человечество такими темпами истощает природные ресурсы Земли, что вновь встает вопрос о возврате к истокам, т.е. к новому этапу развития ветровой энергетики.
Наиболее острый вопрос ветроэнергетики - экономическая эффективность ВЭУ. Очень важно выбрать правильное место для установки агрегатов. Для этого существуют специальные характеристики, позволяющие правильно подобрать местоположение. 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 оффшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания.
Не стоит забывать, что производительность энергии зависит от 2 главных факторов: направления и скорости ветра.
Скорость ветра - главное препятствие развития ветровой энергетики. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью. Он может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени. Отчасти кратковременные колебания скорости ветра компенсируются самим ветроагрегатом, особенно на больших скоростях ветра, когда он начинает подтормаживать своё вращение (обычно, после 13-15 м/с). Однако более длительные изменения или снижение скорости ветра влияют на выработку ветроагрегата и всего ветропарка в целом. Но в современной ветроэнергетике этот недостаток сводится к минимуму тем, что ветромониторинг, начинающийся еще на предпроектной стадии, продолжает вестись и в дальнейшем. Накопленная база данных ветропотенциала позволяет прогнозировать выработку ветропарка уже на 2-м году его эксплуатации на 24 часа вперед с достаточно высокой для электрических сетей точностью.
Все ветровые установки можно разделить на 2 больших типа: с вертикальной осью вращения ротора и с горизонтальной.
ВЭС с вертикальной осью вращения (на вертикальную ось «насажено» колесо, на котором закреплены «приемные поверхности» для ветра), в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Главными недостатками таких агрегатов является их малый период вращения и малый КПД по сравнению с горизонтальными ВЭС. К побочным действиям работы таких установок следует отнести наличие низкочастотных вибраций, возникающих за счет дисбаланса ротора.
Ветроэнергетический рынок - один из самых динамично развивающихся в мире. Его рост за 2009 год - 31%.До сих пор ветроэнергетика наиболее динамично развивалась в странах ЕС, но сегодня эта тенденция начинает меняться. Всплеск активности наблюдается в США и Канаде, в то время как в Азии и Южной Америке возникают новые рынки. В Азии, как в Индии, так и в Китае, в 2005 году зарегистрирован рекордный уровень роста.
В настоящее время промышленным производством ВУЭ занимается более 300 фирм. Наиболее развитую промышленность имеют Дания, Германия, США. Серийное производство ветроустановок развито в Нидерландах, Великобритании, Италии и других странах.
Гидроэнергетика
Человек с давних пор использовал энергию воды и ее течения в своих нуждах. Поэтому история гидроэнергетики берет свое начало с древних времен: еще древние греки использовали водяные колеса для помола зерна. С течением времени технологии совершенствовались, и в 19 веке была изобретена первая водная турбина. Ее создали отдельно друг от друга 2 ученых: русский исследователь И. Сафонов в 1837 и французский ученый Фурнейрон в 1834 году. Однако изобретателем гидротурбины, можно даже сказать первой ГЭС, считается М. Доливо-Добровольский. Свое изобретение он продемонстрировал на выставке во Франкфурте. Оно состояло из генератора трехфазного тока, который вращала водяная турбина, а электричество, вырабатываемое ею, передавалось по 170 километровым проводам на всю территорию выставки. В настоящее время энергия воды составляет более 60 процентов от всех ВИЭ и является самой производительной из всех (КПД современных ГЭС составляет около 85-95%). После этого в мире начинается «гидроэнергетический бум».
Основными причинами столь бурного развития гидроэнергетики являются постоянное возобновление ресурсов круговоротом воды в природе и относительно простыми механизмами добычи самой энергии. Однако, зачастую, постройка и установка ГЭС очень трудоемкий и капиталоемкий процесс. Особенно это относится к сооружению плотин и накоплению огромных масс воды за ними. Также стоит отметить, что добыча гидроэнергии экологически чистый процесс. Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии .
Если описывать работу ГЭС, то ее принцип заключается в выработке энергии турбиной, вращаемой с помощью падающей с неопределенной высоты воды. Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. Существуют разные конструкции гидротурбин, соответствующие разным скоростям течения и разным напорам воды, но все они имеют только два лопастных венца. Ось вращения турбины, рассчитанной на большой расход и малый напор, обычно располагают горизонтально. Такие турбины называют осевыми или пропеллерными. Во всех крупных осевых турбинах лопасти рабочего колеса могут поворачиваться в соответствии с изменениями напора, что особенно ценно в случае приливных ГЭС, всегда работающих в условиях переменного напора. Турбины устанавливаются в зависимости от напора водяного потока на ГЭС.
Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:
· Мощные - вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;
· Средние - до 25 МВт;
· Малые гидроэлектростанции - до 5 МВт.
Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.
В гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.
В настоящее время лидерами по выработке гидроэнергии являются Норвегия, Китай, Канада, Россия. Лидером по количеству энергии воды на душу населения является Исландия.
Гелиоэнергетика
Солнце - один из самых источников излучения в нашей Вселенной. И поэтому не случайно энергия звезды все больше используется человеком для переработки в электричество. Действительно, излучение Солнца, доходящее до всей поверхности Земли, имеет колоссальную мощность 1,2*10 14 кВт. И иногда очень обидно, что огромная часть этой энергии пропадает зря, особенно если она по своему количеству в разы превосходит ресурсы всех остальных ВИЭ вместе взятых. Поэтому в последние годы все активнее развивается гелиоэнергетика, в которой используется солнечная радиация для получения электричества.
Однако с помощью солнечного тепла можно не только получать ток, но обеспечивать теплопроводность. Такое возможно благодаря солнечным коллекторам, в которых нагревается вода при помощи солнечной радиации. И теперь она может использоваться для обогрева каких-либо сооружений.
Также как и в ветроэнергетике, для гелиостанций очень важно правильно выбрать место для их постройки. Не следует забывать, что солнечные лучи, прежде чем достигнуть поверхности Земли, преодолевают множество преград. Прежде всего, к ним можно отнести атмосферу, а в особенности озоновый слой. Именно благодаря ему на Земле вообще возможна жизнь, ведь он не пропускает вредное для всего живого ультрафиолетовое излучение. Также немаловажную роль играют содержащиеся в атмосфере частицы водяного пара, пыли, примесей газов и другие аэрозоли. Они частично рассеивают радиацию.
В целом, поступление радиации на земную поверхность зависит от:
· Географической широты;
· Состояния атмосферы;
· Климатических особенностей территории;
· Высоты места приема над уровнем моря;
· Высоты солнца над горизонтом и др.
Общее излучение, доходящее до Земли подразделяется на:
· Прямое излучение, дошедшее до Земли;
· Рассеянная радиация;
· Противоизлучение атмосферы.
На основе этих величин составляется суммарный радиационный баланс земли, по которому определяются наиболее удачные места для расположения гелиостанций.
Классифицировать их можно по:
· Виду преобразования солнечной энергии в другие ее виды - тепло или электричество
· Концентрированию энергии - с концентраторами или без них
· Технической сложности - простые и сложные
К простым установкам относят опреснители, нагреватели воды, сушилки, печные нагреватели ит.д.
К сложным относятся установки, которые преобразуют поступившую солнечную энергию в электрическую путем фотоэлектрических приборов.
Одним из лидеров использования солнечной энергии является Швейцария. В данный момент в стране эффективно развивается программа по строительству гелиостанций. Также идет тенденция на производство солнечных батарей, устанавливающихся на крыши зданий или как фасады. Такие установки могут компенсировать 50…70% энергии, затрачиваемой на производство
Энергия биомассы
К биомассе относятся все вещества органического происхождения.
1. Древесина. Уже многие тысячи лет человек использует дрова для получения тепла, приготовления пищи, освещения жилья. Да и до сих пор в мелких поселениях традиционно используется этот вид получения энергии. К сожалению это все приводит к одной из важнейших проблем мира - вырубки лесов. Однако эта задача решается с помощью использования энергии быстрорастущих деревьев, таких как тополь, ива и др.
2. Отстой сточных вод. Если вдуматься, то в использованных человеком водах таятся огромные запасы энергии. При отстаивании жидкости образуется огромное количество твердого вещества, которое при переработке анаэробными бактериями может содержать около 50% органического вещества. Однако существуют значительные трудности при переработке сточных вод. Главное из них - высушивание этих вод, так как на это тратится много тепла, которое по своим количественным характеристикам может превосходить теоретические значение энергии при полном сгорании отстоянного вещества. Также этот процесс не рентабелен с точки зрения экологии. Ведь при сгорании выделяется большое количество углекислого газа. Самым правильным вариантом в этом случае считается получение метана при помощи анаэробных бактерий. Но установки для этого весьма несовершенны, поэтому этот способ в современное время не получает большого размаха.
3. Отходы животноводства. Экскременты животных содержат высокое количество органического вещества, которые может использоваться для получения энергии. Однако так же, как и в случае со сточными водами, в навозе содержится большое количество влаги, поэтому его высушивание не выгодно. Тогда существует другой вариант - это анаэробное перегнивание. С помощью него получают метан, а оставшиеся вещества могут пойти на удобрения для почв. Но стоит помнить, что количество перерабатываемого вещества гораздо больше в более свежем навозе, поэтому, чтобы его переработка была экономически выгодна, нужны специальные постройки, позволяющие собирать все экскременты в одно место, не теряя его свежести.
4. Растительные остатки. После сбора урожая всегда остаются неиспользуемые части растений. Они представляют еще один источник энергии. В них содержится целлюлоза - углеродсодержащий углевод. Благодаря относительно небольшому количеству влаги в останках, при сжигании они выделяют много энергии. Ограничивающим фактором развития этого источника энергии является сезонность произрастания культур. Чтобы обеспечить круглогодичное использование останков растений, нужны специальные сооружения для их роста . Также немаловажными факторами являются потребность в перевозки к месту переработки и легкость сбора культур.
5. Пищевые отходы. Они тоже могут служить источником получения энергии. Особенно учитывая, что, например, в отходах фруктов содержится большее количество углеродсодержащих сахаров, чем в остатках зерновых культур, а в остатках мясных продуктов значительное количество протеина. Но наличие влаги затрудняет возможность получения энергии путем сгорания отходов. Поэтому целесообразней из них получать метан с помощью бактерий. Но тут появляется другая трудность: пищевые отходы с успехом используются в животноводстве. Поэтому этот источник практически не развивается в наше время. Исключение только составляют отходы в виде семян и шелухи, а также остатки от сахарного тростника. Например, в странах, где произрастает много тростника, его отходы идут на производство этанола, который при сжигании выделяет большое количество энергии. Самым ярким примером могут послужить Гавайские острова.
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.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Подобные документы
Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии, технологии их освоения. Возобновляемые источники энергии в России до 2010 г. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской обл.
реферат , добавлен 27.02.2010
Характеристика возобновляемых источников энергии: основные аспекты использования; преимущества и недостатки в сравнении с традиционными; перспективы использования в России. Способы получения электричества и тепла из энергии солнца, ветра, земли, биомассы.
курсовая работа , добавлен 30.07.2012
Динамика развития возобновляемых источников энергии в мире и России. Ветроэнергетика как отрасль энергетики. Устройство ветрогенератора - установки для преобразования кинетической энергии ветрового потока. Перспективы развития ветроэнергетики в России.
реферат , добавлен 04.06.2015
Использование возобновляемых источников энергии, их потенциал, виды. Применение геотермальных ресурсов; создание солнечных батарей; биотопливо. Энергия Мирового океана: волны, приливы и отливы. Экономическая эффективность использования энергии ветра.
реферат , добавлен 18.10.2013
Существующие источники энергии. Мировые запасы энергоресурсов. Проблемы поиска и внедрения нескончаемых или возобновляемых источников энергии. Альтернативная энергетика. Энергия ветра, недостатки и преимущества. Принцип действия и виды ветрогенераторов.
курсовая работа , добавлен 07.03.2016
Актуальность поиска нетрадиционных способов и источников получения энергии, в особенности возобновляемых. Эксплуатация малых гидроэлектростанций, развитие промышленной ветроэнергетики. Характеристика солнечных, приливных и океанических электростанций.
курсовая работа , добавлен 15.12.2011
Использование возобновляемых источников энергии. Энергия солнца, ветра, биомассы и падающей воды. Генерирование электричество из геотермальных источников. Сущность геотермальной энергии. Геотермальные электрические станции с комбинированным циклом.
