Законы сохранения энергии

Введение 

    В настоящее время во всем мире наблюдается  повышенный интерес к использованию  в различных отраслях экономики  нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Ведется бурная дискуссия  о выборе путей развития энергетики. Это связано, прежде всего, с растущей необходимостью охраны окружающей среды.

    Движущей  силой этого процесса являются происходящие изменения в энергетической политике стран со структурной перестройкой топливно-энергетического комплекса, связанной с экологической ситуацией, складывающейся в настоящее время как переходом на энергосберегающие и ресурсосберегающие технологии в энергетике, так и в промышленности и в жилищно-гражданском комплексе.

    Ежегодно  в мире увеличивается число международных  симпозиумов, конференций и встреч ученых и специалистов, рассматривающих состояние и перспективы развития этого направления энергетики.

    Значительное  внимание этой проблеме уделяется организациями, входящими в ООН, такими как ЮНЕСКО, ЕЭК, ЮНЕП, ЮНИДС, а также другими  межправительственными и неправительственными международными организациями. Выделяются значительные средства на работы в области НВИЭ из целевых ассигнований ЕЭС, Европейского фонда национального развития, Евроатома и других организаций.

    Приближающаяся  угроза топливного “голода”, а также загрязнение окружающей среды и тот факт, что прирост потребности в энергии значительно опережает прирост ее производства, вынуждает многие страны с новых позиций обратить внимание на энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр, то есть на энергию, большая часть которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда, ни пользы.

    В настоящее время на производство тепла и электричества расходуется  ежегодно количество тепла, эквивалентное  примерно 1000 трлн. баррелей нефти, сжигание которых сильно засоряет атмосферу Земли.

    В 1990 г. первое место по объему бюджетных  ассигнований на НИОКР в области  НВИЭ сохранялось за США, второе –  у Японии, у германии – третье, далее следуют Италия, Испания, Великобритания и Нидерланды. Отмечается также некоторая смена приоритетов в отношении к различным видам НВИЭ. Первое место принадлежит теперь солнечной энергетике, второе – биоэнергетике, которая несколько оттеснила ветроэнергетику. Последнее объясняется тем, что многие ветроэнергетические проекты не доведены до промышленной и коммерческой стадии. Третье место осталось за геотермальной энергетикой.

    В “Белой книге” ООН (1992 г.), посвященной  роли НВИЭ приведена оценка удельных затрат на строительство энергетических установок на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии.

    Ожидаемая стоимость в долларах 1 кВт установленной мощности в 1998 г. оценивается: для ТЭС на угле мощностью 300 МВт – 2283, для группы ветроустановок мощностью 75 МВт – 1434. Для электростанций на биомассе мощностью 40 МВт – 7085, ГеоТЭС мощностью 113 МВт – 1527, солнечные электростанции модульного типа мощностью 30 МВт – 4497, фотоэлектрические станции мощностью 100 МВт – 3800 МВт – 4200. Доля НВИЭ в мировом топливно-энергетическом балансе мира в 1985 г. составила 17,6%, в том числе гидроэнергия 5,8% (доля среди НВИЭ 33%), биомасса из природных источников и энергетических плантаций – 10,3% (58% всех НВИЭ), отходы сельского хозяйства – 1,2%. Ожидается, что к 2000 г. вклад НВИЭ возрастет до 4807 млн. т. условного топлива, при этом гидроэнергия составит 26%, солнечная энергия 6%, древесное топливо 49%, отходы 15%, энергия ветра 1,8%. К 2020 г. при общем потреблении НВИЭ примерно 6944 млн. т. условного топлива, доля различных источников составит соответственно 25; 9,6; 42 и 13,3%.

    Учитывая все более обостряющиеся проблемы защиты окружающей среды, сделана попытка оценки предельных значений возможного использования энергии. В одном из прогнозов отмечается, что для предотвращения катастрофического загрязнения окружающей среды и сохранения разнообразия биологических вдов на Земле потребление энергии на одного человека в среднем не должна превышать 80 ГДж/год.

    В настоящее время в США оно  составляет 280, в Великобритании 150 ГДж.

    В одном из прогнозов, разработанных  в Испании, проведена оценка возможного потенциала использования НВИЭ в мире. Технический гидропотенциал мира оценен в 1350 ГВт.

    По  прогнозу развития использования НВИЭ, выполненному в США указывается, что ресурсы НВИЭ в США более  чем в 500 раз превышают объемы их потребления и более чем в 10 раз ресурсы органического и ядерного топлива.

    К 2030 г. НВИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50-70 современного уровня потребления  энергии. НВИЭ, преимущественно биомасса и гидроресурсы, удовлетворяют сейчас примерно 20% мировой потребности  в энергии, а энергия биомассы – 35% энергетических потребностей развивающихся стран.

    Гидроэнергия  и биомасса удовлетворяют более 50% энергетических потребностей Норвегии. В промышленно развитых странах  потребность в низкотемпературном тепле составляет 30-50% общей потребности в энергии, а в развивающихся странах – еще больше. Через несколько десятилетий с помощью солнечной энергии будет производиться нагрев почти всей требующейся воды, а пассивные системы отопления и охлаждения зданий снизят потребность в энергии для этих целей примерно на 80%.

    На  Кипре, в Израиле, Японии и Иордании 25-65% потребности в горячей воде обеспечивают гелиотермические установки.

    В конце 1989 г. мощность электрогенерирующих  установок в странах ЕС на НВИЭ составила 1718 МВт. Например, в Португалии мощность установок на биомассе составила 201 МВт, на городских и промышленных отходах в Германии – 194, В Нидерландах - 164 МВт. В Италии мощность геотермальных установок составила 521 МВт (всего в странах ЕС 559 МВт). Франция – единственная страна, обладающая крупной электростанцией 240 МВт. Дания обладает 77% (253 МВт) всех ветроустановок ЕС, Нидерланды – 40 МВт.

    В странах ЕС реализовалась третья четырехлетняя программа в области  НВИЭ (1990 – 1994 гг.), принципиальной целью  которой являлось повышение конкурентоспособности Европейской промышленности высоких технологий на мировом рынке, в сравнении с промышленностью США и Японии.

    Важнейшим достижением первых двух программ НИОКР  были признаны разработка проекта солнечной  электростанции башенного типа, строительство 15 гелиоэнергетических установок мощностью 30 – 300 кВт внедрение технологий по использованию энергии биомассы и геотермальной энергии.

    В мире эксплуатируется свыше 100 тыс. ветроэнергетических установок  общей мощностью 2500 МВт, в том числе более 16 тыс. в США.

    Согласно  прогнозу МИРЭС, на долю НВИЭ в 2020 г. будет  приходиться 1150 – 1450 млн. т условного  топлива (5,6 – 5,8% общего энергопотребления). При этом прогнозируемая доля отдельных видов НВИЭ составит: биомасса – 35%, солнечная энергия – 13%, гидроэнергия – 16%, ветроэнергия – 18%, геотермальная энергия – 12%, энергия океана – 6%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1 Источники энергии 

    Ветер – один из нетрадиционных источников энергии. Ветер рассматривается  специалистами как один из наиболее перспективных источников энергии, способный заменить не только традиционные источники, но и ядерную энергетику.

    Выработка электроэнергии с помощью ветра  имеет ряд преимуществ:

• Экологически чистое производство без вредных отходов;
• Экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций);
• Доступность;
• Практическая неисчерпаемость.

    В ближайшем будущем ветер будет  скорее дополнительным, а не альтернативным источником энергии. По оценкам зарубежных специалистов (в частности США), достаточная  конкурентноспособность ветроэнергетических установок (ВЭУ) по сравнению с традиционными типами электростанций может быть обеспечена при сокращении стоимости ВЭУ примерно в два раза и повышении их надежности в 3-5 раз. Во многих странах мира (США, ФРГ, ДАНИЯ, ИТАЛИЯ, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ, НИДЕРЛАНДЫ и др.) ассигнуются значительные государственные средства на НИОКР в области создания ВЭУ. Особое внимание при проведении этих работ уделяется повышению надежности установок, их безопасности, снижению шума, уменьшению помех теле - и радиокоммуникаций.

    В настоящее время можно выделить следующие сановные направления  использования энергии ветра:

    Непосредственная  выработка механической или тепловой энергии (ветротепловые, ветронасосные, ветрокомпрессорные, мельничные и т.п. установки);

    Удовлетворение  потребностей в электроэнергии мелких предприятий, фирм, учреждений и т.п.

    По  данным ООН к 2000 г. доля новых и  возобновляемых источников энергии  составит более 13% энергоресурсов и  будет эквивалентна использованию  примерно 1 млрд. т нефти, что немногим меньше доли природного газа и более чем в два раза превосходит долю ядерной энергии.

    В Дании в 1994 г. действовало приблизительно 3600 ветровых энергетических установок (ВЭУ), обеспечивая 3% общей потребности  в электроэнергии. В Калифорнии (США) действует 15 000 ВЭУ, обеспечивающих электроэнергией жителей Сан-Франциско. На конец 1993 г. в мире было приблизительно 20 000 ВЭУ, вырабатывающих 3000 МВт/ч электроэнергии в год. В 80-х годах удельная стоимость ВЭУ составляла 3000 дол/кВт, а стоимость вырабатываемой электроэнергии более 20 центов/(кВт / ч). В дальнейшем за счет усовершенствования ВЭУ удельная стоимость снизилась до 1000-1200 дол/кВт, а стоимость производимой электроэнергии до 7-9 центов/(кВт-ч). Для сравнения на новых ТЭС, работающих на газе и угле, она составляет 4-6 центов/(кВт-ч). Многие американские и европейские компании, многие правительства успешно продвигают ветровую технологию, понимая ее значимость. Так, в Калифорнии в 1987 г. установленная мощность ВЭУ составляла 13% по отношению к общей генерирующей мощности, а в 1990 г. - 24%.

    В настоящее время наибольшее распространение  получают ВЭУ мощностью 300-750 кВт  по сравнению с ранее применявшимися ВЭУ мощностью 100кВт. В новых конструкциях ВЭУ используется аэродинамический профиль ветрового колеса, изготавливаемого из синтетических материалов. Насыщается конструкция многими электронными устройствами, включая контроль за изменением скорости ветра, обеспечивающими эффективность использования ветра. Новые конструкции лучше приспособлены к режиму ветра, в 1994 г. стоимость вырабатываемой электроэнергии уже составила 4-5 центов/(кВт-ч).

    В США планируется использовать энергию  ветра (кроме Калифорнии) в штатах Миннесота, Монтана, Нью-Йорк, Орегон, Техас, Вермонт, Вашингтон, Висконсин и др. ВЭУ занимают в настоящее время 0,6% площади страны. При использовании ветра в 48 штатах может быть выработано до 20% потребности в энергии США. Теоретические расчеты показывают, что в трех штатах: Северная и Южная Дакота и Техас потребность в электроэнергии может быть полностью обеспечена за счет энергии ветра.

    В Северной Германии стоимость вырабатываемой ВЭУ электроэнергии составляет 13 центов/(кВтч). Предполагалось к 1995 г. ввести вэу общей  мощностью 500 МВт и уже в первой половине 1994 г. установленная мощность ВЭУ составила 95 МВт.

    В Дании общая мощность ВЭУ вскоре может достигнуть мощности ВЭУ Германии и Великобритании, вместе взятых и  превысит 1000 МВт к 2005 г.

    Европейский союз предполагает довести мощность ВЭУ до 4000 МВт к 2000 г. и 8000 МВт к 2005 г. В середине 1994 г. в Европе уже было построено ВЭУ общей мощностью 1400 МВт и в 1995 г. эта цифра может достигнуть 2000 МВт.

    В Индии наибольший ветряной бум, поддержанный правительством, начался в 1994 г. Уже  в середине 1994 г. было ведено в эксплуатацию 120 МВт и в течение последующих 12 мес. должно быть введено еще 970 МВт. В результате выполнения этой программы в некоторых регионах Индии располагаемая генерирующая мощность возросла в десятки раз.

    В Китае, Новой Зеландии, Швейцарии, Канаде и на Кубе официально предполагалось в 1994 г. приступить к осуществлению проектов строительства ВЭУ.

    На  Украине с помощью американских фирм предусматривается строительство  ВЭУ общей мощностью 500 МВт.

    Среди стран, которые еще имеют возможность  развития ветроэнергетики, следует указать Аргентину, Канаду, Китай, Россию, Мексику, Южную Америку и Тунис, где возможно за счет энергии ветра покрывать до 20% потребности в электроэнергии.

    Наконец, 20 малых субтропических стран, где  потребности в электроэнергии удовлетворяются за счет дорогих дизель-генераторных установок, имеют возможность развивать использование ветра.

    Развитие  ветроэнергетики как источника  энергии в некоторых странах  сталкивается с противодействием. С  одной стороны, ветровые фермы занимают большие площади. С другой стороны, возникают проблемы, связанные с изменением ландшафта при строительстве ВЭУ. Площади, занимаемые ВЭУ, могут быть использованы для сельскохозяйственных нужд. Стоимость 1 га земли в зависимости от регионов может составлять от 100 до 2500 дол. и более. Опыт подсказывает, что требования сохранения эстетики в большинстве случаев могут быть решены.