Переход к альтернативным источникам энергии

Люди используют энергию ветра с незапамятных времен – достаточно вспомнить парусный флот, который был уже у древних финикиян и живших одновременно с ними других народов, и ветряные мельницы. В принципе, преобразовать энергию ветра в электрический ток, казалось бы, нетрудно – для этого достаточно заменить мельничный жернов электрогенератором. Ветры дуют везде, они могут дуть и летом, и зимой, и днем, и ночью – в этом их существенное преимущество перед самим солнечным излучением. Поэтому вполне понятны многочисленные попытки "запрячь ветер в упряжку" и заставить его вырабатывать электрический ток.[4]

Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт.

Одна из наиболее известных установок этого класса "Гровиан" была создана в Германии, ее номинальная мощность – 3 МВт. Но самое широкое развитие ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там была построена первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой стране достигает 1300 МВт, причем среди них есть гиганты с мощностью до 4 МВт (табл.2.). Всего в мире в настоящее время насчитывается около 3 млн. ветроустановок, из них примерно 3,5 тыс. у нас.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом.

Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1 м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики.[9]

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра – фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.[5]

Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25 % от общей установленной мощности системы. [2]

По данным испанских компаний «Gamesa Eolica» и «WinWind» точность прогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке «на день вперёд» или спотовом режиме превышает 95 %.

Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередачи и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими. Проблема частично решается, если ветроустановка подключается к местной сети, где есть энергопотребители. В этом случае используется существующее силовое и распределительное оборудование, а ВЭС создаёт некоторый подпор мощности, снижая мощность, потребляемую местной сетью извне. Трансформаторная подстанция и внешняя линия электропередачи оказываются менее нагруженными, хотя общее потребление мощности может быть выше.[9]

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 метров является сложным и дорогостоящим мероприятием.

Огромна энергия  движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы  гидроэнергии  всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Климатические  условия позволяют  развивать ветроэнергетику на огромной территории.[3]

Но в наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Потому к созданию конструкций ветроколеса-сердца любой ветроэнергетической установки привлекаются специалисты-самолетостроители,  умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога.[9]

4 Некоторые пути  решения проблем современной энергетики

Несомненно, что в ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран. Велика вероятность увеличения доли углей и других видов менее чистого топлива в получении энергии. В этой связи рассмотрим некоторые пути и способы их использования, позволяющие существенно уменьшать отрицательное воздействие на среду. Эти способы базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. В их числе можно назвать следующие:

1. Использование  и совершенствование очистных  устройств. В настоящее время  на многих ТЭС улавливаются  в основном твердые выбросы  с помощью различного вида  фильтров. Наиболее агрессивный  загрязнитель - сернистый ангидрид  на многих ТЭС не улавливается или улавливается в ограниченном количестве. В то же время имеются ТЭС (США, Япония), на которых производится практически полная очистка от данного загрязнителя, а также от окислов азота и других вредных полютантов. Для этого используются специальные десульфурационные (для улавливания диоксида и триоксида серы) и денитрификационные (для улавливания окислов азота) установки. Наиболее широко улавливание окислов серы и азота осуществляется посредством пропускания дымовых газов через раствор аммиака. Конечными продуктами такого процесса являются аммиачная селитра, используемая как минеральное удобрение, или раствор сульфита натрия (сырье для химической промышленности). Такими установками улавливается до 96% окислов серы и более 80% оксидов азота. Существуют и другие методы очистки от названных газов.

2. Уменьшение  поступления соединений серы  в атмосферу посредством предварительного  обессеривания (десульфурации) углей  и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими  или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива от 50 до 70% серы до момента его сжигания.

3. Большие и  реальные возможности уменьшения  или стабилизации поступления  загрязнений в среду связаны  с экономией электроэнергии. Особенно  велики такие возможности для России за счет снижения энергоемкости получаемых изделий. Например, в США на единицу получаемой продукции расходовалось в среднем в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР. В Японии такой расход был меньшим в три раза. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии, связанные с использованием компьютерных и других устройств.

4. Не менее  значимы возможности экономии  энергии в быту и на производстве  за счет совершенствования изоляционных  свойств зданий. Реальную экономию  энергии дает замена ламп накаливания  с КПД около 5% флуоресцентными, КПД  которых в несколько раз выше.

Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Важно иметь в виду, что получение электрической энергии на ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС - не менее 70% энергии. Энергия теряется также при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается  также КПД топлива при его  использовании вместо ТЭС на ТЭЦ. В последнем случае объекты получения энергии приближаются к местам ее потребления и тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается вероятность теплового загрязнения водной среды. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (когенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае потери тепловой и электрической энергии снижаются до минимума. Такие способы в отдельных странах находят все большее применение.[8]

4.1 Методы, лежащие в основе технологий очистки дымовых газов от оксидов серы

4.1.1 Жидкофазные методы десульфуризации газов

В первоначальной постановке решения проблемы десульфуризации газов, в том числе и дымовых газов ТЭЦ и ТЭС, исходили прежде всего из задачи снижения выбросов SО2 в промышленных районах.

Такой односторонний подход к проблеме привел к тому, что для достижения поставленной цели в странах Центральной Европы, США, а также в Японии наибольшую поддержку и распространение получили технологам десульфуризации, в основе которых использовались жидкофазные методы простой абсорбционной очистки газов. Такие тенденции характерны для конца 60- первой половины 70-х гг., которые в свою очередь привели к возникновению новых проблем, связанных с охраной окружающей среды. Применение методов щелочной, двойной щелочной, известняковой или известковой очистки (установки первого поколения) влечет за собой образование больших количеств твердых и жидких отходов, для которых необходимо отводить специальные площади, а в некоторых случаях получаемые продукты -подвергать захоронению, что может привести к отравлению фунтовых вод.[10]

При извлечении серы из дымовых газов электростанций с помощью жидкофазных методов можно получать различные продукты в зависимости от типа технологии. Например, на установке мощностью 500 МВт. работающей на угле, при содержании серы – 3,5% со степенью извлечения серы из газа 95%, образуется : 90 т сульфитно-сульфатной пульпы или 45 т гипса, или 31 т сульфата аммония, или 23 т серной кислоты, или 15 т диоксида серы, или 7,5 т серы в час.[11]

В свете нового подхода к проблеме десульфуризации газов, возможность использования этих продуктов определяет, какая из традиционных технологий очистки отходящих газов может быть применена в конкретной ситуации.[9]

В настоящее время несмотря на большое количество работ, проводимых во всем мире по очистке газов от диоксида серы, наибольшее распространение для очистки дымовых газов получили жидкофазные (мокрые) технологии, это прежде всего нерегенерационный известняковый методы регенерационный сульфит-бисульфит натриевый метод.[11]

4.1.2 Смешанные (полусухие) методы десульфуризации газов

Полусухая абсорбция или мокросухие методы десульфуризации газов как новые технологии появились в конце 80-х гг. Они были особенно привлекательны при использовании малосернистых углей и умеренных требованиях к эффективности улавливания SO2 на уровне 70-80%. Большинство жидкофазных (скрубберных) установок десульфуризации газов, построенных до 1978 г., были запроектированы также на эффективность очистки 70 - 80%. Законодательные стандарты на нормы выбросов диоксида серы остались в силе до конца 1990 г. в США и в большинстве стран Европейского Союза (ЕС). Учитывая реалии тех лет вполне закономерным является появление новых мокросухих технологий, позволяющих уменьшать капитальные затраты на строительство установок, сохраняя при этом степень улавливания SО2.[11]

Преимущества мокросухих систем перед мокрыми заключаются в возможности использования более дешевых конструкционных материалов, меньшем расходе воды, более простых в эксплуатации и ремонте. С другой стороны, стоимость реагента в мокросухих системах обычно выше, а степень улавливания SO2 ниже (на единицу расходуемого сорбента), чем в мокрых.[10]

4.1.3 Газофазные методы десульфуризации

Газофазные методы десульфуризации отходящих газов можно разделить на три основные группы термические (высокотемпературные), адсорбционные и гетерогенно-каталитические. С точки зрения промышленного применения данных методов для десульфуризации дымовых газов практический интерес представляют две последние группы.

Как известно, в настоящее время на промышленных установках десульфуризации доминируют жидкофазные процессы. В большей степени это объясняется тем фактом, что в дымовых газах содержится большое количество взвешенных частиц, которые при газофазных процессах засоряют и отравляют используемые адсорбенты или катализаторы. Тем не менее при организации стадии предварительной очистки газов от твердых частиц эти процессы могут весьма эффективно применяться для десульфуризации дымовых газов, вышрывая по одному из основных показателей – энергозатратам, которые в жидкофазных процессах весьма велики.[9]

4.2 Методы, лежащие в основе технологий очистки дымовых газов от оксидов азота

4.2.1 Газофазные методы денитрификации газов

Очистка отходящих газов от токсичных примесей так или иначе связана либо с их улавливанием и повторным использованием, либо с превращением этих газов в полезные или практически безвредные соединения.

Среди газофазных (сухих) методов денитрификации газов наиболее распространены каталитические методы. При использовании этих методов, как правило, проводят восстановление оксидов азота восстанавливающими агентами; NH3, СО, СН4 и другие углеводороды, Н2, коксовый газ (Н2, СН4, СО, СО:), из которых чаще всего применяют аммиак.[8]