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.
Возобновляемая энергия – та, что добывается из пополняемых или неисчерпаемых источников. За счет циклического характера процессов, протекающих в природе, некоторые источники пополняются при прохождении полного цикла, что позволяет использовать их регулярно в энергетической отрасли. Другие вовсе неисчерпаемы, что положительно влияет на их доступность в глобальном масштабе.
Какие бывают источники энергии
Источники делятся на два основных вида:
- невозобновляемые;
- возобновляемые.
Первые включают ископаемые виды топлива, которые при добыче и израсходовании не восполняются природой. На данный момент они составляют ¾ от общего объема выработки и потребления энергии. Среди них нефть, газ, уголь. Для возобновляемых обычно используется аббревиатура ВИЭ. Для них характерно воспроизведение за счет естественных природных процессов, образуемых за счет действия следующих явлений: свечение солнца, круговорот воды, сила гравитации, ветер.
Отличие от альтернативных источников
Альтернативные источники включают возобновляемые и другие неископаемые виды энергии: водород, энергия расщепления. Назначение – поиск новых способов получения энергии, способных заменить традиционные виды. Разработка новых методов выработки ведется с целью получения более выгодных при эксплуатации и менее вредных для экологии. Возобновляемые отвечают обоим требованиям.
Подробная классификация и виды ВИЭ
Нетрадиционные источники энергии группируются по двум признакам:
- явление.
Первая классификация используется редко из-за низкой практической применимости, содержит три источника:
- механические;
- химические;
- тепловые.
Вторая классификация разделяет возобновляемые источники по явлениям:
- солнце;
- ветер;
- вода;
- тепло земли;
- биотопливо.
Энергия солнечного света
Солнечные панели в Европе
Ведущее положение среди возобновляемых источников занимает солнечный свет. Для извлечения энергии используются панели, на которых концентрируются солнечные лучи. После этого происходит нагревание и последующая выработка за счет взаимодействия элементов панели: бора и фосфора.
Панели могут устанавливаться на жилые дома, транспорт, а также составлять полноценные солнечные электростанции. Для размещения панелей важен ряд параметров: высота, климат, положение солнца. Используется полученная энергия для выработки электричества, отопления и нагрева воды. Мировая доля солнечной энергетики составляет 1,3% – 301 ГВт/ч.
Среди недостатков технологии выделяют высокую стоимость, низкий коэффициент полезного действия (до 20%), что приводит к низкой экономической целесообразности использования солнечных панелей.
Энергия ветра
Другое явление, широко применяющееся в качестве источника, – ветер. Он возникает за счет разницы давления в атмосфере и обладает кинетическим потенциалом. Это используется при работе ветроэнергетических установок (ВЭУ) – башни с вращающимися лопастями.
Основание башни бывает стационарным, плавучим. Разработка плавучих связана с тем, что оптимальное место установки ВЭУ – прибрежная зона в 10-12 километрах от берега. Стационарные размещают в море, если глубина и рельеф дна позволяют, на равнинной местности.
Главный недостаток ветра – непостоянность. Для избегания этого фактора инженеры заранее анализируют предполагаемую область размещения ВЭУ с учетом силы и направления ветра. Мировая доля ветряной энергетики составляет 2,6% – 600 ГВт/ч.
Использование энергии воды
Для воды характерно то, что сразу несколько ее свойств используются для получения энергии. Напор используется для работы гидроэлектростанций – самый распространенный способ. Менее распространенные методы связаны с приливами, отливами, волнами, течениями, разницей температур на поверхности и глубине.
Вода – возобновляемый источник, составляющий ¾ от объема. Среди всех источников гидроэнергетика дает примерно 15%. За счет круговорота воды в природе обеспечивается энергетическая стабильность.
ГЭС в России
Энергия водного потока
Основной источник в гидроэнергетике – напор. Для этого строятся гидроэлектростанции (ГЭС), перекрывающие русла рек. Образовывающиеся водохранилища и разница уровней воды создают напор, вращающий турбины, от которых генераторы вырабатывают электричество. ГЭС представляют собой плотины и влекут локальные изменения : перекрытие доступа к нерестилищам, затопление территории, образование новых мест обитания водоплавающих. На ГЭС предусмотрена возможность регулирования уровня подачи воды и выработки энергии.
Гидроэнергетика обеспечивает 16% мирового производства энергии, что составляет 25 тысяч ТВт/ч. Например, Парагваю она дает 100% вырабатываемой энергии. Годовая выработка китайской ГЭС «Три ущелья» составляет 98 ТВт/ч – это самая мощная ГЭС в мире.
Энергия приливов и отливов
За счет действия гравитации Луны и Солнца на Земле существует явление приливов и отливов. Во время прилива уровень воды поднимается, по аналогии с действием ГЭС во время отлива может вырабатываться энергия. Для этого в прибрежных районах сооружают приливные электростанции (ПЭС) с генераторами, насосными установками. Последние необходимы в период отсутствия приливов и отливов. Такие электростанции не распространены из-за высокой стоимости строительства, нестабильности работы.
Потенциальная энергия волн
По аналогичной схеме извлекается энергия из волновых движений. Конструкция волновых электростанций, состоящая из поршней, размещенных в специальных отсеках, называется «Морской змей». Внутри них – генераторы и гидравлические двигатели. При прохождении волн кинетическая энергия трансформируется в электрическую за счет волновых колебаний. Недостаток системы – неустойчивость к штормам.
Часть проекта волновой электростанции (Сочи)
Энергия температурного градиента в океане
Вода имеет разную температуру на поверхности и на глубине, что позволяет генерировать энергию. Для этого разрабатываются геотермальные станции, для которых выбирается подходящее место в акватории океана. Для работы активно задействуется солнечное излучение, которое формирует температуру поверхности воды.
Геотермальная энергия недр Земли
Геотермальная станция в Исландии
Земные недра содержат огромное количество энергии, которая сама в некоторых местах вырывается наружу в виде гейзеров и вулканов. Пар и выбросы воды в гейзерах используются для работы геотермальных теплоэлектростанций (ГеоТЭС). Для доступа к источникам бурятся скважины к недрам земли глубиной до полутора километров . Вода подается для отопления или используется для выработки энергии.
Данный вид получения энергии отличается стабильностью и, например, в Исландии дает четверть всего электричества. Основное распространение ГеоТЭС получили в местах действия вулканов и горячих источников. Кроме Исландии, велика доля (более 10%) в следующих странах: Филиппины, Сальвадор, Коста-Рика, Кения, Новая Зеландия, Никарагуа.
Биоэнергетика и биотопливо
Два понятия, тесно связанные друг с другом, – биоэнергетика и биотопливо. Биотопливо в данном случае – источник энергии. К топливу относится сырье, получаемое при переработке биологических отходов живого или растительного происхождения: этанол, метанол, биодизель.
Биотопливо принадлежит к одному из трех поколений:
Ведущее место в производстве и потреблении биотоплива занимает Бразилия, на долю которой приходится до 45% мирового объема.
Плюсы и минусы использования ВИЭ
ВИЭ снижают негативное влияние на окружающую среду, заключающегося в парниковом эффекте, за счет восстанавливаемых естественным образом ресурсов. Как и для других отраслей экономики, энергетике необходима диверсификация, позволяющая избежать зависимости от одного вида сырья.
Из негативных факторов на первый план выходит стоимость внедрения объектов инфраструктуры, которая значительно влияет на итоговую стоимость энергии. Многие виды ВИЭ имеют нестабильный характер и не могут на регулярном уровне обеспечивать потребности в требуемом объеме.
Применение в современной России
Ведущую роль в энергосистеме России играют нефть и газ, обеспечивающие 75% потребления страны. Еще 15% дает уголь, только 10% – ВИЭ и атомная энергетика . Высокая степень обеспеченности энергоресурсами делает отрасль маловосприимчивой к изменению текущего баланса. России располагает значительными запасами как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов.
Из возобновляемых источников две трети – гидроэнергетика. Остальные виды в незначительных масштабах представлены в разных регионах страны:
Мировые тенденции использования возобновляемых источников
Начиная с XXI века в мире произошел стремительный рост выработки энергии из возобновляемых источников:
- в 22 раза за 13 лет выросла ветряная энергетика;
- в 430 раз за 10 лет выросла солнечная энергетика.
В некоторых регионах приняты государственные программы, призванные увеличить долю энергии, получаемой из возобновляемых источников до 75-100%. Также инициатива исходит от крупнейших корпораций, стремящихся получать 100% из ВИЭ: IKEA, Apple, Google.
Необходимость внедрения ВИЭ
Нетрадиционные виды энергетики призваны заменить действующие, ресурсы которых ограничены. Своевременное внедрение ВИЭ позволит избежать энергетического кризиса, экологических проблем на планете. Некоторые страны способны полностью покрыть свои потребности за счет ВИЭ: Шотландия, Ирландия, Дания. Из-за нестабильного характера источников это не происходит на регулярной основе.
Статистические данные и прогнозы
Прогнозы разных специалистов относительно использования возобновляемых источников регулярно корректируются. Коррекция связана как с развитием нетрадиционных способов, так и традиционных. Одновременно с открытием новых способов выработки энергии, совершенствованием методов, осуществляется разработка и ввод новых месторождений нефти и газа. По одному из прогнозов к 2040 году на ВИЭ придется до половины мирового объема энергетики.
Страны-лидеры по использованию ВИЭ
Дом с солнечной панелью в США
Среди лидеров по применению ВИЭ выделяются как мировые державы, так и малые страны. Среди мировых держав лидеры – США и Китай. Их лидерство выражается в количественном, а не долевом соотношении. Среди малых стран есть те, которые полностью или большей частью обеспечивают себя за счет возобновляемых источников энергии: Исландия, Дания, Уругвай, Коста-Рика, Никарагуа. Высока доля в развитых странах: Великобритании и Германии.
Возобновляемые источники будущего
Яркий пример среди известных возобновляемых источников будущего – водород. Элемент уже активно применяется в ракетном топливе. Ведутся разработки для его широкого применения в транспорте. Непосредственно водород не имеет вредных выбросов в атмосферу, но в чистом виде активно не применяется из-за воспламеняемости при контакте с воздухом, износа элементов двигателя при взаимодействии.
Перспективы ВИЭ
Примеры России и Германии в значении себестоимости производства энергии показывают причину, по которой возобновляемые источники составляют меньшую долю относительно невозобновляемых:
| Источник | Себестоимость 1 КВт/ч в России (руб.) | Себестоимость 1 КВт/ч в Германии (евро) |
| Уголь, нефть, газ | 0,22-0,35 | 0,03-0,05 |
| Атомная | 0,20-0,50 | 0,03 |
| Вода | 0,15-0,20 | 0,04 |
| Ветер | 0,30-0,90 | 0,09 |
| Солнце | 0,35-1,50 | 0,54 |
Исчерапемые ресурсы – наиболее освоенный источник. По экономическим показателям конкуренцию составляет только гидроэнергетика и атомная. Себестоимость от возобновляемых выше в несколько раз.
В XXI веке промышленность набирает небывалые обороты. Промышленное производство потребляет около 90–93% всей мировой энергии. Повышение общей энергетической эффективности – одно из приоритетных направлений политики Российской Федерации.
В связи с этим возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в России начали набирать всё большую популярность. Так ли необходим государству переход к альтернативной энергетике? Обязательна ли политика энергосбережения? Какую пользу принесут эти изменения? Обо всём по порядку.
Промышленность и энергетика – две тесно связанные между собою отрасли. Чтобы обеспечивать работу крупных и мелких предприятий, а также организовывать транспортные грузоперевозки, необходимо подключиться к мощнейшим источникам электрической энергии. В жизни без неё, кстати, тоже никуда.
От электросетей питаются:
- освещение дорог и автомагистралей;
- теле- и радиостанции;
- жилые, рабочие, торговые кварталы;
- стационарные и частные заведения;
- обслуживающие предприятия.
Таким образом, электроэнергия окружает человека со всех сторон. Но как её получают? В городские сети энергия поступает, в основном, с тепловых (ТЭС), водяных (ГЭС) и ядерных электростанций. Они являются представителями традиционной топливной энергетики.
В качестве источников энергии на таких станциях выступает природное топливо:
- уголь,
- торф;
- нефть;
- радиоактивные руды (уран, плутоний).
Энергопреобразующие станции устроены примитивно, зато их КПД свидетельствует об их эффективности:
- Российские ТЭС работают благодаря сжиганию горючего топлива. Мощная химическая энергия, которая высвобождается в процессе горения, преобразуется в электрическую. Максимальный КПД – около 35%.
- Схожим способом работают атомные электростанции. В России для обеспечения их работоспособности используют урановые руды или плутоний. При распаде ядер этих радиоактивных материалов выделяется энергия, которую впоследствии преобразуют в тепловую и электрическую. Наивысший показатель КПД – 44%.
- В случаях с гидроэлектростанциями энергия добывается из мощных водных потоков. Огромные массы воды поступают на гидротурбины и приводят их в движение. Так генерируется электроэнергия. КПД – до 92%.
- ГТЭС – газотурбинные станции – относительно новые установки, генерирующие сразу и электрическую, и тепловую энергию. Максимальный КПД – 46%.
Почему же традиционная энергетика, в основе которой лежит использование нефтепродуктов и радиоактивных элементов, не поощряется специалистами?
Основы альтернативной энергетики и использования ВИЭ
Возобновляемая энергетика использует для своих нужд энергию:
- ветра;
- малых речных потоков;
- солнца;
- геотермальных источников;
- приливов и отливов.
Обратите внимание: на сегодняшний день под возобновляемую энергетику в России отводится всего около 2–3% от общего энергобаланса страны.
Россия стремится к переходу на использование альтернативных источников энергии. Вот как развивается эта отрасль энергетики в государстве:
Из приведённых в списке данных видно, что ВИЭ на территории России набирают обороты и медленно, но верно развиваются. Однако страна всё ещё отстаёт от мировых лидеров по использованию ВИЭ.
Недостатки системы ВИЭ
По расчётам учёных, использование ВИЭ в России на сегодняшний день должно было составлять около 15–18%. Эти оптимистические прогнозы не сбылись. Почему же обещанное не сбылось?
Большое влияние здесь имели такие недостатки системы ВИЭ:
- Сравнительная дороговизна производства.В то время как добыча традиционных ископаемых уже давно себя окупила, сооружение нового оборудования под стандарты альтернативной энергетики требует огромных инвестиций. Пока что инвесторы не заинтересованы совершать крупные вложения, отдача от которых будет минимальной. Предпринимателям выгоднее открывать новые месторождения нефти и газа, а не тратить деньги «на ветер».
- Слабая законодательная база в Российской Федерации.Мировые учёные уверены, что направление развитию альтернативной энергетики задаёт государство. Правительственные органы формируют надлежащую базу и этим оказывают поддержку. Например, во многих странах Европы введены налоги на выброс СО₂ в атмосферу. В этих странах общий процент использования ВИЭ достигает от 20 до 40%.
- Потребительский фактор.Тарифы на энергию, произведённую ВИЭ, выше традиционных в 3–3,5 раз. Современный человек работает над своим благосостоянием и хочет получать максимальный результат при минимальных затратах. Ментальность людей изменить сложнее всего. Ни крупные бизнесмены, ни простые обыватели не хотят переплачивать за альтернативную энергию, пусть даже от этого зависит будущее планеты.
- Непостоянство системы.Природа переменчива. Эффективность разных видов ВИЭ зависит от сезонных и погодных условий. Солнечные элементы не будут производить энергию в пасмурный день. Ветрогенераторы не работают в штиль. До сих пор человеку не удаётся побороть сезонность ВИЭ.
Для успешного развития российской возобновляемой энергетике не хватает потенциала и поддержки. В связи с этим русские энергетики уверены, что в обозримом будущем ВИЭ будут использоваться лишь в качестве подспорья традиционному топливу.
Необходимость перехода к ВИЭ
С точки зрения таких наук, как биология и экология, переход к альтернативной энергетике является лучшим вариантом развития событий как для человека, так и для природы.
Дело в том, что применение не возобновляемых источников энергии (нефтепродуктов) в промышленных масштабах – мощный вредоносный фактор для экосистемы Земли. И вот почему:
- Запасы топлива не безграничны.Газ, уголь, торф и нефть добываются человеком из недр Земли. Россия богата на месторождения этих полезных ресурсов. Однако, как бы ни была огромна площадь добычи, рано или поздно все источники себя исчерпают.
- Добыча ископаемых модифицирует все системы планеты.Из-за ресурсодобывающей деятельности человека меняется рельеф, в земной коре образуются пустоты, карьеры.
- Работа электростанций меняет свойства атмосферы.Меняется состав воздуха, увеличивается выброс парникового газа СО₂, образуются озоновые дыры.
- ГЭС вредят рекам.В результате деятельности ГЭС разрушаются поймы рек, затопляются близлежащие территории.
Эти факторы являются причинами катаклизмов и природных бедствий. В свою очередь, альтернативная энергетика обладает такими преимуществами:
- Экологически чистая.При использовании возобновляемых источников исключается выброс вредных веществ и парниковых газов в атмосферу. Не страдают ни литосфера, ни гидросфера, ни биосфера. Запасы ВИЭ практически бесконечны. С физической точки зрения, они исчерпаются, когда нашей планеты не станет. Но пока Земля существует в космосе, на ней будут дуть ветры и течь реки, совершаться приливы и отливы. В конце концов, будет светить Солнце.
- Совершенно безопасна для человека.Никаких вредных выбросов.
- Эффективна в удалённых районах, куда вести централизованное энергообеспечение не представляется возможным.Возобновляемые источники энергии в России могут обеспечить человеку светлое, экологически чистое будущее.
Глобальный взгляд: почему в России переход на ВИЭ не осуществится?
Специалисты данной области уверены, что для перехода на возобновляемые источники энергии в России необходимо устранить большое количество препятствий, ибо горючее и ядерное топливо отлично справляются со своими главными задачами.
Традиционная топливная энергетика обладает рядом несомненных преимуществ, т. к. она:
- Сравнительно дешёвая.Добыча ископаемого топлива уже «поставлена на конвейер». Человечество занимается этим несколько десятков лет подряд. За такой продолжительный срок было изобретено эффективное оборудование, которое широко используется в добывающей отрасли. Разработка месторождений угля, нефти и природного газа больше не стоит так дорого. У современного человека есть опыт в данной отрасли, так что людям намного проще «идти по накатанной», чем искать новые пути добычи энергии. «Зачем изобретать то, что у нас уже есть?» – вот так мыслит человечество.
- Общедоступная.В связи с тем, что добыча горючих ископаемых ведётся на протяжении многих лет, все затраты, отведённые на эту деятельность, уже покрыты. Стоимость оборудования для топливной энергетики сполна окупилась. Техобслуживание не затратное. Плюс ко всему, энергодобывающие компании являются стабильным источником рабочих мест. Все эти факторы играют на руку традиционной энергетике, в связи с чем она становится всё популярнее.
- Удобная в использовании.Добыча топлива и производство энергии цикличны и стабильны. Людям остаётся лишь поддерживать функционирование этой системы, и тогда она будет давать хорошие доходы.
- Востребованная.В энергетической отрасли решающим фактором выступает экономическая целесообразность. Востребовано то, что дешевле и практичнее. А пока что эти черты не присущи альтернативным источникам.
Все перечисленные преимущества топливной энергетики делают её фавориткой мирового производства. Пока она не требует безвозвратных финансовых вложений и приносит большие доходы, она будет конкурентом для ВИЭ.
Наравне с достоинствами топливного производства стоят недостатки применения возобновляемых источников энергии.
Если изучить представленные выше списки, становится ясно, что топливная энергетика более перспективна, в то время как альтернативная лишь пытается «встать на ноги», и для её развития необходимо преодолеть множество препятствий.
Заключение
Альтернативная энергетика всё ещё несовершенна, а потому не пользуется широким спросом. Однако уже сегодня специалисты в данной области понимают, что именно за использованием ВИЭ стоит перспективное будущее России. Поэтому весь научный потенциал государства направлен на решение проблем, связанных с ВИЭ, и устранение основных недостатков альтернативной энергетики.
В последние десятилетия в мировой энергетике наблюдаются качественные изменения, обусловленные экономическими, политическими и технологическими причинами. Одна из основных тенденций - снижение потребления топливных ресурсов – их доля в общемировом производстве электроэнергии за последние 30 лет сократилась с 75% до 68% в пользу использования возобновляемых ресурсов (рост с 0,6% до 3,0%).
Странами-лидерами в развитии производства энергии из нетрадиционных источников являются Исландия (на долю возобновляемых источников энергии приходится около 5% энергетики, в основном используются геотермальные источники), Дания (20,6%, основной источник – энергия ветра), Португалия (18,0%, основные источники – энергия волн, солнца и ветра), Испания (17,7%, основной источник – солнечная энергия) и Новая Зеландия (15,1%, в основном используется энергия геотермальных источников и ветра).
Крупнейшими мировыми потребителями возобновляемой энергии являются Европа, Северная Америка и страны Азии.
Китай, США, Германия, Испания и Индия обладают почти тремя четвертями общемирового парка ветроэнергетических установок. Среди стран, которые характеризуются наилучшим развитием малой гидроэнергетики, лидирующее положение занимает Китай, на втором месте Япония, на третьем - США. Пятерку лидеров замыкают Италия и Бразилия.
В общей структуре установленных мощностей объектов солнечной энергетики лидирует Европа, далее следуют Япония и США. Высокий потенциал развития солнечной энергетики имеют Индия, Канада, Австралия, а также ЮАР, Бразилия, Мексика, Египет, Израиль и Марокко.
Первенство в геотермальной электроэнергетике сохраняют США. Затем идут Филиппины и Индонезия, Италия, Япония и Новая Зеландия. Активно развивается геотермальная энергетика в Мексике, в странах Центральной Америки и в Исландии - там за счет геотермальных источников покрывается 99% всех энергетических затрат. Перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны, в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд.
Согласно многочисленным экспертным заключениям, мировой рынок возобновляемой энергетики продолжит успешное развитие, и к 2020 году доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии в Европе составит около 20%, а доля ветровой энергии в производстве электрической энергии в мире – около 10%.
Использование возобновляемых источников энергии в России
Россия занимает одно из ведущих мест в мировой системе оборота энергоресурсов, активно участвует в мировой торговле ими и в международном сотрудничестве в этой сфере. Особенно значимы позиции страны на мировом рынке углеводородов. Вместе с тем страна практически не представлена на мировом рынке энергетики, основанной на возобновляемых источниках энергии.
Общая установленная мощность электрогенерирующих установок и электростанций, использующих возобновляемые источники энергии, в России в настоящее время не превышает 2 200 МВт.
С использованием возобновляемых источников энергии ежегодно вырабатывается не более 8,5 млрд. кВтч электрической энергии, что составляет менее 1% от общего объема производства электроэнергии. Доля возобновляемых источников энергии в общем объеме отпускаемой тепловой энергии составляет не более 3,9%.
Структура выработки энергии на базе возобновляемых источников энергии в России значительно отличается от общемировой. В России наиболее активно используются ресурсы тепловых электростанций на биомассе (доля в выработке электроэнергии – 62,1%, в выработке тепловой энергии – не менее 23% на ТЭС и 76,1% на котельные), в то время как общемировой уровень использования биоТЭС – 12%. При этом в России почти совсем не используются ресурсы ветро- и солнечной энергетики, зато около трети выработки электроэнергии приходится на малые ГЭС (против 6% в мире).
Мировой опыт показывает, что первоначальный толчок к развитию возобновляемой энергетики, особенно в странах, богатых традиционными источниками, должен быть дан государством. В России же никакой поддержки этом сектору энергетической отрасли практически не оказывается.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это те ресурсы, которые человек может использовать, не причиняя вреда окружающей среде.
Энергетика, использующая возобновляемые источники, называется «альтернативной энергетикой» (в отношении традиционных источников – газа, нефтепродуктов, угля), что указывает на минимальный вред окружающей среде.
Преимущества использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) связаны с экологией, воспроизводимостью (неисчерпаемостью) ресурсов, а также с возможностями получения энергии в труднодоступных местах проживания населения.
К недостаткам энергетики на ВИЭ часто относят низкий КПД технологий выработки энергии на таких ресурсах (на текущий момент времени), недостаточность мощностей для промышленного потребления энергии, потребность в значительных территориях посева «зеленых агрокультур», наличие повышенного шумоуровня и виброуровня (для ветровой энергетики), а также сложности добычи редкоземельных металлов (для солнечной энергетики).
Применение возобновляемых источников энергии, связано с местными возобновляемыми ресурсами и государственной политикой.
Успешные примеры - это геотермальные станции, обеспечивающие энергией, отоплением и горячей водой города Исландии; «фермы» солнечных батарей в Калифорнии (США) и ОАЭ; «фермы» ветрогенерации в Германии, США и Португалии.
Для энергогенерации России, с учетом опыта использования, территорий, климата и обеспеченностью возобновляемыми источниками энергии, наиболее перспективными являются: гидростанции малой мощности, солнечная энергетика (особенно перспективна в ЮФО) и ветроэнергетика (Балтийское побережье, ЮФО).
Перспективный источник возобновляемой энергии, но требующий профессиональной технологической разработки - это бытовые отходы и газ метан, получаемый в местах их хранения.
До недавнего времени по целому ряду причин, прежде всего из-за огромных запасов традиционного энергетического сырья, вопросам развития использования возобновляемых источников энергии в энергетической политике России уделялось сравнительно мало внимания. В последние годы ситуация стала заметно меняться. Необходимость борьбы за лучшую экологию, новые возможности повышения качества жизни людей, участие в мировом развитии прогрессивных технологий, стремление повысить энергоэффективность экономического развития, логика международного сотрудничества – эти и другие соображения способствовали активизации национальных усилий по созданию более зеленой энергетики, движению к низкоуглеродной экономике.
Объем технически доступных ресурсов возобновляемых источников энергии в Российской Федерации составляет не менее 24 млрд. тонн условного топлива.
Человечество давно научилось добывать возобновляемую (регенеративную) энергию, используя мощь рек. Но к концу ХХ века из-за энергетического кризиса, стремительного уменьшения запасов , газа, ухудшения экологии стал вопрос об использовании других источников, находящихся в окружающей среде. Благодаря разработкам ученых, стало возможно добывать энергию солнца, ветра, приливов, геотермальных вод.
Интересно! В мире из возобновляемых источников получают 18% энергии, из которых на долю древесины приходится 13%.
По данным, предоставленным журналу Forbes Международным агентством по возобновляемой энергетике IRENA, к 2015 году в мире доля добываемой таким способом энергии составила около 60%. В перспективе к 2030 году ВИЭ выйдет в лидеры по производству электричества, оттеснив на второе место использование угля.
Гидроэнергия добывается на протяжении очень длительного времени, а вот новые виды возобновляемых источников энергии, такие как ветер, геотермальные воды, солнце, приливы, стали использовать совсем недавно – около 30-40 лет. В 2014 году доля гидроэнергетики составила 16,4%, энергия солнца и ветра – 6,3%, а в перспективе до 2030 года эти доли могут сравняться.
В европейских странах и США ежегодный прирост добычи энергии при помощи ветра составляет примерно 30% (196600 МВт). В Германии, Испании и США широко используется фотоэлектрический способ. Калифорнийская гейзерная геотермальная установка вырабатывает 750 МВт ежегодно.
Интересно! Датские ветряные электростанции в 2015 году обеспечили 42% энергии, а в перспективе до 2050 года планируется выйти на проектные 100% выработки «зеленой энергии» и полностью отказаться от ископаемых ресурсов.
Примеры возобновляемых источников энергии
Применение ВИЭ позволит решить проблемы энергетики районов с плохой экологической обстановкой. Провести электричество в отдаленные и труднодоступные области без использования ЛЭП. Такие установки позволят децентрализовать энергоснабжение в районах, куда доставка топлива экономически невыгодна. Большинство разрабатываемых проектов относится к автономным источникам энергии, работающим на таком сырье, как нетрадиционные возобновляемые источники энергии, получаемые из биомассы, торфа, продуктов жизнедеятельности животных, человека, бытовых отходов.
Активное развитие АИЭ получили в США, Канаде, Новой Зеландии, Южной Африке. Такие энергетические источники используются китайскими, индийскими, немецкими, итальянскими и скандинавскими потребителями. В России пока эта индустрия не вышла на промышленный уровень, поэтому применение регенеративной энергии очень невысоко.
На планете можно использовать не только такие, какие есть возобновляемые источники энергии, предоставляемые природными ресурсами. Сейчас ведется разработка технологий по добыче термоядерной, водородной энергии. Согласно последним исследованиям, лунные запасы изотопа гелий-3 огромны, поэтому сейчас ведется подготовка к работам по доставке этого топлива в сжиженном виде. По расчетам российского академика Э. Алимова (РАН) двух «Шаттлов» вполне хватит, чтобы обеспечить электроэнергией всю планету на целый год.
Возобновляемые источники энергии в России
В отличие от мирового сообщества, где «зеленую энергию» давно и успешно используют, в России этим вопросом занялись совсем недавно. И, если гидроэнергетика давно снабжает электричеством города и поселки, то регенеративные источники считались неперспективными. Однако после 2000 года из-за ухудшения экологической обстановки, уменьшения природных ресурсов и других не менее важных факторов, стало очевидно, что необходимо развивать альтернативные источники, вырабатывающие энергию.
Наиболее перспективным направлением является разработка установок, напрямую преобразующих излучение солнца в электроэнергию. В них используются фотобатареи на основе монокристаллов, поликристаллов и аморфного кремния. Электроэнергия добывается даже при рассеянном солнечном свете. Мощность можно регулировать, снимая или добавляя модули. Они практически не расходуют энергию на себя, автоматизированы, надежны, безопасны, их можно ремонтировать.
Для развития возобновляемых источников энергии в Дагестане, Ростовской области, Ставропольском и Краснодарском крае установлены и работают солнечные коллекторы, обеспечивающие автономной энергией потребителей.
Интересно! 1 м 2 солнечного коллектора экономит до 150 кг условного топлива в год.
В России электроэнергетика, основанная на силе ветра, дает до 20000 МВт. Использование таких установок при средней скорости ветра 6 м/с и мощности 1 МВт экономит 1000 тонн условного топлива в год. Основываясь на научных данных, сейчас ведутся разработки, и вводятся в эксплуатацию энергетические комплексы. Однако использование таких возобновляемых источников энергии, как ветер, в России затруднено. Согласно закону, принятому в 2008 году, для ветряков должен использоваться очень мощный фундамент, а дороги, ведущие к строительству, должны быть отлично асфальтированы. Для примера, в европейских странах и США используется грунтовка.
Интересно! если в Тюменской области, Магадане, на Камчатке и Сахалине использовать установки, то с 1 квадратного километра можно собрать 2,5-3,5 млн. кВт/ч. Это в 200 раз выше потребления энергии на данный момент.
На сегодняшний день построены и работают ГеоТЭС на Камчатке, Курильских островах. Три модуля Верхне-Мутновская ГеоТЭС (Камчатка) вырабатывают 12 МВт, завершается строительство Мутновской ГеоТЭС на 4 блока, которые будут выдавать 100 МВт. В перспективе в этом районе возможно использование геотермальных вод для выработки 1000 МВт, плюс отсепарированная вода и конденсат могут отапливать здания.
На территории страны существует 56 уже разведанных месторождений, в которых скважины могут выдавать более 300 тысяч кубометров геотермальных вод в сутки.
Перспективы развития приливной электроэнергетики
1968 года на Кольском п-ове работает первая в мире экспериментальная приливная электростанция, вырабатывающая 450 кВт/ч. На основе работ этого проекта, было решено продолжить развитие приливных электростанций в России, как перспективных возобновляемых источников энергии на побережье Тихого и Северного Ледовитого океанов. Начато строительство в Хабаровском крае Тугурской ПЭС, проектная мощность которой составит 6,8 млн. кВт. Возводится Мезенская ПЭС в Белом море с проектной мощностью 18,2 млн. кВт. Такие установки сейчас разрабатываются и устанавливаются для китайских, корейских, индийских потребителей. Оборудование альтернативной приливной энергетики также изображено на первой картинке этой статьи.