1.3. Відновлювальні джерела енергії, аналіз їх використання.

Джерела енергії поділяються на 2 групи:

- відновлювальні джерела енергії сонця, вітру, гідроенергія, геотермальна енергія;

- невідновлювальні джерела – здобуте паливо, ядерна енергія поділу урану та термоядерна енергія.

На сьогоднішній день бажані потреби людства в електричній енергії в декілька разів перевищують її виготовлення! І це при тому, що остання цифра є майже фантастичною – 27÷30 трлд. кіловат-годин щороку.

Рівень матеріальної, а відповідно і духовної культури людства прямо залежить від кількості енергії, що воно має. Для того, щоб виготовити будь-яку річ потрібна енергія. Матеріальні потреби людства як і популяція людей постійно збільшуються, тому збільшуються і потреби в енергії.

Нажаль темпи засвоєння нових екологічно чистих способів добування енергії зростають дуже повільно. Справа у тому, що досі не знайдено джерела енергії, більш рентабельного за найдавніший спосіб видобутку енергії – спалення. І зараз 80% всієї енергії людство отримує спалюючи вугілля, нафту та нафтопродукти, природний газ, торф тощо. Але тих запасів енергії, що природа накопичувала сотні мільйонів років вистачить лише на декілька сот років. Отже єдиний спосіб змусити людину перейти на більш екологічно чисті джерела енергії –це прийняття на державному рівні світової спільноти низки регулюючих актів, котрі б обмежили видобуток паливних ресурсів.

До рентабельних відновлювальних джерел енергії найбільш підходять такі джерела, як використання енергії текучої води та вітру, океанських приливів та відливів, тепла земних надр та безпосередньо енергії сонця.

Потенціальні можливості використання безпосередньо сонячної енергії дуже великі. Якщо можна б було використовувати 0,0125% всієї цієї енергії, то людство було б повністю забезпечене енергією зараз, а використання 0,5% повністю б покрило всі потреби людства назавжди ( якщо вважати, що населення землі не перевищить 20 млрд.).

В дійсності ж навіть при найкращих погодних умовах енергетична густина сонячного потоку не перевищує 250 Вт/м² і потрібна дуже велика площа колекторів близько 130 000 км², щоб зібрати за рік таку кількість сонячної енергії.

Енергія повітряних мас, що постійно рухаються, у сотні разів перевищує запаси гідроенергії усіх річок планети. Всюди і постійно на Землі дмуть вітри від легкого вітерця до могутніх ураганів. Ці вітри могли б постійно задовольняти потреби людства, але частка вітроенергетичних електростанцій становить лише 0,1%. Дивно, що такий доступний та екологічно чистий спосіб видобутку енергії так слабо використовується.

Людство використовує енергію вітру більш ніж 5 тис. років. Спочатку вітер викостовувався для того, щоб молотити зерно та підіймати воду. Зараз вітер використовується для видобутку електроенергії. Хоча зараз ціна 1кВт-годину видобутої з енергії вітру порівняно невисока, але всі проекти по будівництву нових вітряків зазвичай окуповують себе.

Постійне зростання цін на паливні ресурси зробить такі проекти ще більш рентабильними і тоді зроста частка «вітрової» електроенергії.

Зацікавлення до енергії, що відновлюється обумовлена подальшим розвитком людства у цьому напрямку. Про це говорить бурхливе зростання основних напрямків відновлюваної енергетики: фотоелектричної – в межах 50%, вітроенергетики – 35%, теплової сонячної енергетики, біомаси – більш, як на 20%, а також велика кількість науково – дослідних робіт, багато міжнародних конференцій та конгресів, як по відновлювальній енергетиці в цілому, так і по окремих її напрямках.

Підвищення ролі екологічного контролю, зростання коштовності традиційних енергоносіїв спонукає до того, що енерговиробництво з використанням відновлюваних джерел енергії буде щорічно зростати на 30–50%.

Сучасна економіка характеризується прискореними темпами науково – технічного прогресу. Стрімко розвиваються інформаційні, біологічні та генні технології. У всьому світі енергію виробляють переважно із видобуваємих джерел. Людство стоїть перед протиріччям між новими технологічними досягненнями, які підганяють світову економіку та отживаючою системою енергозабезпечення, яка не має майбутнього. Чим більш стрімко розвивається світова економіка, тим швидше вона наближається до своєї загибелі. Її сировинні енергетичні джерела не безкінечні.

Усі розвинуті країни прискореними темпами намагаються відійти від енергії видобувних джерел – нафти, газу, вугілля та перейти до використання енергії Сонця, вітру, біогазу. Це дозволить в найближчий час суттєво понизити затрати на енергію. Розвиток відновлюваємої енергетики оголошено пріоритетним напрямком.

Успішний розвиток економіки України безпосередньо залежить від енергозабезпечення. Сьогодні в Україні близько однієї третьої валового внутрішнього продукту – витрачається на імпорт енергоносіїв.

Український енергетичний комплекс дуже затратний. Найбільші затрати енергії йдуть на виробництво електрики та тепла. На теплових електростанціях використовується 30% тепла, залишок викидається в навколишнє середовище.

На Україні є приклади використання енергії Сонця для обігрівання домів, подачі гарячої води в Криму, Дніпропетровську та на Закарпатті. На Херсонщині встановлено 11 вітряків, потужність кожного – 100квт. Загальна потужність близько 1,72 Мвт.

Поки що рівень, як виробничої так і науково-дослідницької діяльності відносно відновлюваної енергетики не дозволяє Україні потрапити до списку країн, які активно займаються альтернативною енергетикою. Наприклад, в Німеччині більш як 20 тис. вітроагрегатів виробляють енергію з загальною потужністю більше, як 10 тис. МВт.

Вважається, що Сонце – джерело енергії №1. Відповідно до підрахунків астрофізиків Сонце в такому режимі буде працювати ще 4,5 млрд. років. Для людської цивілізації – це вічність. На відміну від традиційних енергоносіїв сонячне світло не потребує видобування, транспортування, воно не шкідливе, безшумне, не має ваги, не порушує теплову рівновагу планети – це не шкідливий, дуже добрий енергоносій. Перехід до використання сонячної енергії відіграє рішучу роль в забезпеченні стабільності світової спільноти в близькому майбутньому, зробить недоцільною боротьбу за видобувну речовину, приведе до пріоритету децентралізованого виробництва та використання енергії. Це дозволить задовольнити соціальні потреби людства.

Міжнародне енергетичне агентство, яке об’єднує 27 країн, приступило до реалізації проекту по освоєнню пустелі Гобі. По всій її площі будуть встановлені сонячні батареї. Якщо освоїти тільки половину пустелі, то вона зможе дати стільки енергії скільки її створюється сьогодні в світі.

В багатьох країнах енергія сонця ефективно використовується для потреб населення. В США встановлено більше, як 20 млн. кв.м. теплових колекторів. В Європі і Японії – 15 млн. кв. м. В Німеччині 450 тис. домовласників мають установки для забезпечення гарячою водою та опаленням. На Кіпрі близько 90% особистих домівок обладнані геліоустановками.

Відповідно до оцінок спеціалістів, на терені України можна використати до 50 млн. кв. м. колекторів геліоустановок і сонячне випромінення переробити в концентроване тепло за допомогою теплоколекторів або в електричний струм, використовуючи фотоелементи. Енергія Сонця може бути використана на гаряче водозабезпечення, опалення, опріснення води, обігрівання парників і т. п.

Основні недоліки відновлюваних джерел енергії – це їх мала густина, непостійність, не співпадання за часом їх появи та використання.

Основні переваги енергетики цього типу – екологічно чиста відновлююча енергія знаходиться в будь-якому місці планети. Дуже високі показники енерговіддачі, оскільки відсутні затрати на добування палива, розвідування, транспортування, збереження, рекультування місць добування, спорудження потужних енергокомплексів, а також використання природних ресурсів, зміна середовища для людського проживання, побудова очисних споруд та багато іншого.

До відновлювальних джерел енергії (ВДЕ) відповідно до закону України про альтернативні джерела енергії №555 –ІV від 20.02.2003 р. відносять енергію сонця, вітру, морів і океанів, теплоту землі, біомаси, енергію малих річок та вторинні ресурси, що існують постійно або періодично з’являються в навколишньому середовищі.

Традиційні джерела енергії створюють теплову або електричну енергію з використанням теплоелектростанцій та атомних електростанцій.

Як уже було показано, традиційні джерела енергії мають 2 основні недоліки:

1. Традиційні ресурси не відновлюються, мають обмежений термін використання, і вже зараз існує необхідність пошуку нових методів виробництва енергії.

2. Використання традиційних ресурсів для отримання корисної енергії призводять до серйозних екологічних наслідків – забруднення оточуючого середовища.

Використання ВДЕ майже не спричиняє негативних екологічних наслідків, або такі негативні явища зводяться до мінімуму при правильній організації охорони праці та дотримання технологічних норм.

ВДЕ мають наступні переваги:

1. Вони є практично невичерпним джерелом енергії, їх потенціал постійно відновлюється, і тому термін використання необмежений.

2. ВДЕ не потребують значних затрат на видобування, перевезення та переробку палива.

3. ВДЕ майже не впливають на навколишнє середовище, не мають екологічно небезпечних побічних продуктів, не впливають негативно на здоров’я людини.

Разом з перевагами ВДЕ мають декілька важливих недоліків, які в даний час обмежують їх широке використання:

1. Мала густина потоку енергії, необхідні великі поверхні для переробки ВДЕ в практично необхідних масштабах.

2. Значна нерівномірність вироблення енергії з ВДЕ залежно від часу доби та пори року, що потребує застосування складних та дорогих систем акумулювання енергії або дублювання потужностей за рахунок традиційних енергоресурсів.

3. Нерівномірність розташування джерел ВДЕ, вони можуть широко використовуватись тільки в найбільш сприятливих за концентрацією районах.

4. Висока капіталоємність енергетичних установок і споруд навіть при досить сприятливих експлуатаційних характеристиках джерела та ефективному способі його використання обмежує широке застосування ВДЕ в Україні.

Традиційно найбільш широко з давніх часів використовувалась енергія вітру, яка на терені Російської імперії широко застосовувалась для помолу зерна . Число вітрових млинів досягало 200 тис. екземплярів. Це були дерев’яні вітряки з чотирма лопатями і середньою потужністю 3,5 кВт. Вітряки перемолювали за рік близько 34 млн. т. зерна.

На Україні приблизно 30 тис. поселень. Якщо в кожному із них установити хоча б по одній вітро-енергетичній установці (ВУ) з потужністю 30 МВт, і з врахуванням того, що в умовах вітрового потенціалу України функціонування ВУ з номінальною потужністю складає в середньому 2 тис. годин за рік, то це приведе до економії 60 тис. МВт-годин електроенергії на рік при суттєвому скороченні викидів в атмосферу парникових газів та інших шкідливих речовин. Економічний ефект такого досягнення дуже важко підрахувати.

Середньостатистична українська сім’я використовує за місяць 100-300 кВт-годин електроенергії, а середньорічна швидкість вітру в Україні близько 4 м/с.

Сумісне використання енергії сонячного випромінювання забезпечить більш плавне покриття навантажень, оскільки вітер домінує в осінньо-зимній період, а сонячне випромінювання – в весняно-літній. Крім того збільшиться середньодобова та середньомісячна виробка енергії за рахунок збільшення ймовірності сумісної роботи незалежних джерел енергії і, як наслідок, при роботі двох джерел з одним блоком управління коштовність системи в цілому знизиться та зменшиться вартість виробництва однієї кВт-години електроенергії відносно вартості виробництва з окремо взятого вітрового або сонячного джерела. В світовій практиці застосовують вітроферми з вітроагрегатами від 200 кВт до 1,5 МВт і більше. Загальна потужність вітроферми може досягати десятки та сотні мегават. В штаті Каліфорнія (США) за рахунок застосування вітроферм виробляється стільки енергії, що її вистачає для задоволення потреб в енергії такого великого міста, як Сан-Франциско на протязі року.

Такий тип систем стає все більш популярним в країнах Європи, де згідно Кіотського протоколу визначена мета значного зниження емісії парникових газів.

Фірми, або окремі особи встановлюють ВЕУ, підключають їх до електромережі і продають електроенергію компаніям, отримуючи при цьому чималі прибутки.

Як правило, максимальна потужність ВЕУ не повинна перевищувати 20% потужності енергосистеми. Це необхідно для підтримки стабільності роботи системи та параметрів частоти і напруги в мережі електропостачання.

Спостерігається широке використання в енергобагажі передових країн світу відновлюємих джерел енергії (ВДЕ). В таблиці 1.3.1 приведені фактичні на 1995р. і заплановані на 2010р. структури споживання і виробництва ВДЕ, які опубліковані в Білій книзі Європейської спілки (ЄС) [1].

Споживання енергії секторами ВДЕ відповідно до даних ЄС

Таблиця 1.3.1

№ п/п	Вид енергії	Доля ЄС на 1995р.	Проект на 2010 р.
1	Енергія вітру	2500 МВт	40000 МВт
2	Гідроенергія	92000 МВт	105000 МВт
	великі ГЕС	82500 МВт	91000 МВт
	малі ГЕС	9500 МВт	14000 МВт
3	Фотоелектрика	30 МВт	3000 МВт
4	Біомаса	44,8 млн. т.	135 млн. т.
5	Геотермінальна енергія
	електрична	500 МВт	1000 МВт
	теплова	1300 МВт	5000 МВт
6	Сонячні колектори	6,5 млн. м^2	100 млн. м^2

Як видно, в Європейській спілці ставиться задача подвоїти частку ВДЕ в загальному електроспоживанні до 2010 р., з 6% на сьогоднішній день до 12% в 2010 р. Фактично ці плани здійснюються з випередженням, при цьому відносний приріст ВДЕ значно перевищує цей показник для традиційних джерел – теплових та ядерних електростанцій на початок 2002р. Загальна світова установлена потужність електростанцій на ВДЕ складала близько 30 тис. МВт, а перше місце серед них займають вітроелектричні установки (ВЕУ) близько 20000 МВт [1]. Це пов’язано з широкою розповсюдженістю енергії повітряного потоку, його великим потенціалом та значними успіхами, які досягнуті в світовій вітроенергетиці за останні 10-15 років. Європа являється лідером у світовому виробництві та використанні енергії вітру. Відповідно до данних Європейської енергетичної комісії потужність ВЕС в країнах Європи збільшиться до 100 000 МВт до 2020 р. [1]. Такий інтенсивний розвиток вітроенергетики спостерігається не тільки в Європі, але і в багатьох країнах світу. Це свідчить про те, що вітроенергетика як екологічно чисте відновлювальне джерело енергії в майбутньому буде одним із важливих джерел забезпечення енергетичних вимог людства.

Реалізація таких планів в світі в значній мірі призвана вирішити не тільки енергетичну проблему, яка пов’язана з неминучою вичерпаністю традиційних енергоносіїв (вугілля, нафта, газ), але і проблему затримки глобального потепління на Землі, погіршення загальних екологічних обставин, які пов’язані з викидами в атмосферу, в основному з ТЕС, парникових газів (СО, СО₂) та інших шкідливих речовин (окису сірки, азоту та інші), згубні наслідки яких все ясніше проявляються за останні роки.