1. Введение
В последнее десятилетие бурно развиваются отрасли возобновляемой (нетрадиционной) энергетики.
Возобновляемая энергетика – это область хозяйства, науки и техники, включающая производство, передачу, преобразование, накопление и потребление электрической, тепловой и механической энергии: Солнца, ветра, тепла Земли, биомассы, рек, морей и океанов, низкопотенциального тепла, а также новых альтернативных экологически чистых видов топлива.
Возобновляемые источники энергии – это источники на постоянно существующих в окружающей среде потоках энергии. К ним относятся солнечное излучение, энергия ветра, притяжение Солнца, Земли и Луны, тепловая энергия глубин Земли, химических реакций и радиоактивного распада в недрах Земли, ядерные реакции, химические реакции различных веществ.
Невозообновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые используются для производства энергии. Это нефть, уголь, газ и ядерное топливо. Учёные считают, что мировых разведанных запасов нефти и газа хватит на 55 и 66 лет, а угля на 300 лет. Рис. 1.1 поясняет смысл данных определений [1]. Запасы невозобновляемых источников энергии ограничены.
На территории России сосредоточено 45 % мировых запасов природного газа, 13 % - нефти, 23 % - угля, 14 % - урана. Эти природные богатства могли бы обеспечить потребности в энергии России продолжительное время. Однако более 70 % территории России требуют автономного энергоснабжения и на этой территории проживают около 15 миллионов человек.
Рис 1.1. Схемы процессов использования возобновляемой и невозобновляемой энергии.
А,Б,В – неиспользуемый поток возобновляемой энергии
Г,Д,Е - используемый поток возобновляемой энергии
Кроме того, экологическая безопасность требует сокращения производств, выбрасывающих в атмосферу большое количество углекислого газа. Другим немаловажным фактором является сбережение нефти и газа для получения из них широкого спектра материалов химического производства. Эти соображения заставляют задуматься и шире использовать возобновляемые источники энергии. Однако для каждого конкретного региона эффективно использовать возобновляемые источники энергии можно только на основе научно разработанных принципов использования этой энергии.
Прежде, чем развивать энергетику на возобновляемых источниках, необходимо точно определить их мощность.
Кроме того, необходимо рассчитать временные и качественные характеристики возобновляемых источников энергии. Периодичность солнечного излучения, ветра, приливов должны учитываться при проектировании энергоснабжения.
Рис. 1.2. Возобновляемые источники энергии Земли и их использование. Числа обозначают мощность источника в теваттах (1012Вт)
Качество тепловой энергии на тепловых электростанциях около 30%, ветровой энергии – 30 %, гидроэнергии – 60 %, волновой и приливной – 75 %. Невозможно определить универсальный способ развития энергетики на возобновляемых источниках ни в мировом масштабе, ни в каждой конкретной стране. Необходимо учитывать географические и природные особенности каждого региона.
Экономический потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на территории России, выраженный в тоннах условного топлива (т.у.т.) составляет: энергия Солнца – 12,5 млн., энергия ветра – 10 млн., тепло Земли – 115 млн., энергия биомассы – 35 млн., энергия малых рек – 65 млн., энергия низкопотенциальных источников тепла – 31,5 млн., всего – 270 млн. т.у.т. Эти источники по объему составляют 30% от объема потребления топливно-энергетических ресурсов в России, составляющих 916 млн. т.у.т. в год [2].
В России и за рубежом имеются обширные районы, где по экономическим и социальным условиям целесообразно приоритетное развитие возобновляемой энергетики. Это районы с интенсивным солнечным облучением, пустыни, береговая территория морей и океанов.
Динамика использования ВИЭ характеризуется следующими данными:
Солнечная энергетика
В производстве фотоэлементов наблюдается настоящий бум. В 1999г. годовое производство электроэнергии составило 200 МВт.
Страны – лидеры: Япония - 80, США - 60, Германия - 50, (Россия - 0,5).
Солнечные водонагреватели – Япония – 7 млн.м2, США - 4, Израиль - 2,8, Греция - 2,0, Россия - 0,1 млн.м2.
Ветроэнергетика
На начало 2008г. мощности в мире составили 94172 МВт. Германия – 22300,
США - 16850, Испания - 15200, Индия – 8000, Россия – 15 МВт.
Гидроэнергетика
Из установленных в мире ГЭС мощностью 670ГВт на долю России приходится 44ГВт. Малые ГЭС до 1000-3000кВт: Китай планирует ввести с 2002г.-40000 станций, Индия- 4000 станций.
Геотермальная энергия
В мире до 2000г. введено установок мощностью-8000МВт:
США-2228, Филлипины - 1909, Италия -785, Мексика - 755, Индонезия -589.
В России 12 геотермальных энергоблоков мощностью 83,7 МВт.
Биомасса
Число установок в мире превысило 6млн. шт. (лидеры - Китай и Индия).
Можно выделить 5 основных причин, обусловивших развитие ВИЭ:
- обеспечение энергетической безопасности;
- сохранение окружающей среды и обеспечение экологической безопасности;
- завоевание мировых рынков ВИЭ;
- сохранение запасов собственных энергоресурсов для будущих поколений;
- увеличение потребления сырья для неэнергетического использования топлива
(пластмассы, ткани и т.д.).
В России, богатой невозобновляемыми источниками энергии (нефть, газ, уголь),
Использованием ВИЭ в первую очередь следует заниматься в районах Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири, куда ежегодно завозится 8 млн.т. жидкого топлива (дизтопливо, мазут) и 25млн.т. угля. На завоз тратится более половины бюджета этих территорий. В этих районах проживает до 15 млн. чел.
Недостатки и преимущества различных видов энергии
Таблица 1.1.
Источник энергии |
Недостатки |
Преимущества |
1 |
2 |
3 |
Невозобновляемые источники энергии |
||
Нефть |
Транспортные аварии, утечки нефти, пожароопасность, выделение окислов серы и взвешенных частиц, потребление кислорода и выделение СО2 |
Лёгкость распределения, удобный источник энергии, лёгкость хранения, пригодность к непосредственному использованию. |
Уголь |
Транспортировка, аварии в шахтах, необходимость отведения больших земельных участков и их опустошение, выделение серы, окислов азота, токсических металлов и золы, необходимость удаления шлака, потребление кислорода и выделение С2 |
Значительные потенциальные ресурсы, лёгкость хранения, пригодность к непосредственному использованию. |
1 |
2 |
3 |
Природный газ |
Пожароопассность, аварии газопроводов, транспортные аварии при перевозке сжиженного газа, потребление кислорода и выделение СО2, выделение микрозагрязнителей (ртуть). |
Большая степень чистоты, удобный источник энергии, отсутствуют проблемы переработки, лёгкость распределения, пригодность к непосредственному использованию. |
Ядерная энергия |
Обращение с радиоактивными материалами и их транспортировка, удаление радиоактивных отходов, меры по ядерной безопасности, возможность аварии со значительными последствиями, возможность использования расщепляющих материалов для изготовления ядерного оружия, непригодность для непосредственного использования. |
Отсутствие потребления кислорода и отсутствие выделения СО2, пыли и окислов серы, очень чистая с экологической точки зрения при нормальной эксплуатации. |
Возобновляемые виды энергии
|
||
Источник энергии |
Недостатки |
Преимущества |
Гидроэнергия |
Повреждение плотин, недостатки экологического плана. |
Не потребляет кислород и не выделяет СО2 и другие загрязнители. Энергия высокого качества. |
Ветер |
Использование значительной территории, недостатки экономического плана, низкая степень готовности, необходимость аккумулирования энергии. |
|
1 |
2 |
3 |
Прямое солнечное тепло |
Использование значительной территории и потребность в специальных материалах, недостатки экономического плана, рассредоточенность, низкотемпературное тепло. |
Не потребляет кислород и не выделяет СО2 и другие загрязнители. Энергия высокого качества. |
Геотермальная энергия |
Ресурсы ещё не определены, низкотемпературное тепло, |
|
Биомасса |
Использование значительной территории (требует обработки практически всех продуктивных земель в мире), при сжигании выделяются продукты сгорания, низкая интенсивность. |
Место нетрадиционных источников энергии
в удовлетворении энергетических потребностей человека
Таблица 1.2
№ |
Показатели сравнения |
Источник |
|
Возобновляемая энергия |
Невозобновляемая энергия |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
1. |
Вид источника |
Ветер, Солнце, приливы |
Уголь, нефть, газ |
2. |
Место нахождения |
Всюду в окружающей среде |
Сосредоточенно в особых местах |
3. |
Время использования |
Бесконечно |
Ограниченно в особых местах |
1 |
2 |
3 |
4 |
4. |
Стоимость оборудования |
Высокая, 1000 долларов/кВт |
Средняя, 500 долларов/кВт |
5. |
Стоимость потребляемой энергии |
Бесплатно |
140 долларов/баррель (150 литров) |
6. |
Размеры установок |
Мелкие более экономичны |
Чем крупнее, тем экономичнее |
7. |
Автономность |
Самообеспечение |
Обязательна поставка топлива |
8. |
Влияние на окружающую среду |
Небольшое или отсутствует |
Загрязняет окружающую среду |
9. |
Предпочтительные области применения |
Сельская местность, с/х, удалённость от ЕС |
Крупная промышленность, города |
10. |
Стабильность мощности |
Низкая |
Высокая вырабатываемость, столько, сколько надо |
11. |
Ограничения по применению |
Особенности местных условий |
Ограничений нет |
Терминология
-Ресурс возобновляемого источника энергии – объём энергии, заключённой или извлекаемой при определённых условиях из возобновляемого источника энергии в течение года.
-Валовый потенциал ВИЭ – средний годовой объём энергии, содержащийся в данном виде ВИЭ при полном её превращении в полезно используемую энергию.
-Технический потенциал ВИЭ – часть валового потенциала, преобразование которого в полезно используемую энергию возможно при данном уровне развития техники, при соблюдении требований по экологии.
-Экономический потенциал ВИЭ – часть технического потенциала, преобразование которого в полезно используемую энергию экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы и транспортные услуги, оплату труда и др.
-Низкопотенциальная тепловая энергия, содержащаяся в воздухе, вентиляционных выбросах, воде, в промышленных и бытовых стоках и в верхних слоях Земли (до 150м), с температурой до 400С.
-Энергия градиента температуры – энергия, получаемая за счёт разности верхних и глубинных слоёв морей и океанов и др.
-Биомасса – часть растительного и животного мира, которая в естественном или превращённом виде может быть использована для производства электрической и/или тепловой энергии, например, отходы лесозаготовки и лесопереработки, отходы растениеводства и животноводства, твёрдые и жидкие бытовые отходы, отходы биомассы перерабатывающей промышленности и др.
-Гидравлическая энергия – потенциальная и кинетическая энергия воды.
-МикроГэс – гидроэлектростанции единичной мощностью до 100кВт.
-Малые ГЭС – гидроэлектростанции общей мощностью до 30МВт.
-Геотермальная энергия – часть тепловой энергии ядра Земли, выходящая в верхние слои поверхности Земли за счёт теплопроводности твёрдых пород, а также в виде горячей воды или парогазовой смеси.
-Солнечная энергия – энергия солнечного излучения, приходящая на поверхность Земли.
-Ветровая энергия – кинетическая энергия движущихся масс воздуха.
-Волновая энергия – энергия морских волн.
-Приливная энергия – потенциальная энергия водных масс морей и океанов, запасаемая в результате воздействия планет.
-Горючие вещества, основной составляющей которых является углерод. Они делятся на природные и искусственные, на жидкие, твёрдые и газообразные.
Основная характеристика топлива – теплота сгорания.
Для сопоставления различных видов топлива в России принята единица – условное топливо (у.т.), для которого низшая теплота сгорания принята – 29,31ГДж/т (7000ккал/кг). В зарубежной практике используется нефтяной эквивалент (н.э.) с теплотой сгорания 41,868ГДж/т.
(см. Приложение).
Таблица 1.3.
Сравнительная стоимость электроэнергии
Типы электростанций и виды топлива |
Рублей за кВт – ч. |
Биомасса |
2,2 - 7 |
Малые ГЭС |
2,4 – 3,5 |
Геотермальные установки |
2,5 – 5,4 |
Ветровые установки |
2,2 – 3,2 |
Фотобатареи |
14,5 – 20,5 |
Угольные ТЭС |
1,8 – 2,9 |
Экологически чистые ТЭС |
2,5 – 3,2 |
Парогазовые установки |
1,5 – 1,8 |
Атомные электростанции |
1,5 – 2,9 |