Возобновляемые источники энергии

Возобновляемые  источники энергии

    Технологии, направленные на использование сил природы для выполнения работы, удовлетворяющей человеческие потребности, столь же стары, как и первое парусное судно. Имеется фундаментальная привлекательность в использовании таких природных сил, которые оберегают окружающую среду от эффектов горения органического топлива. Солнце, ветер, волны, реки, биомасса, потоки геотермальной теплоты земли действуют непрерывно и всегда (отсюда и термин "возобновляемый"). Из всего перечисленного пока только энергия падающей воды в реках получила широкое распространение для преобразования в электроэнергию.  Основное применение солнечной энергии, благодаря фотосинтезу, человечество нашло в сельском хозяйстве и лесоводстве, хотя все чаще ее начинают использовать для отопления. Биомасса (например, остатки сахарного тростника) сжигается для получения энергии, увеличивается использование зерна для получения автомобильного топлива. Масштабы использования других видов природной энергии в настоящее время незначительны. Имеются и первостепенные задачи в сегодняшнем использовании возобновляемых источников энергии. Для фотоэлектрических систем, например, это вопрос - как сделать их самовозбуждающимися генераторами электричества. Для использования природной теплоты, - как преобразовать ее в пар или как применить другие способы преобразования энергии.

     Если  фундаментальное свойство возобновляемости  источников энергии состоит в их доступности и относительно широкой распространенности, то фундаментальная проблема в их использовании для производства электроэнергии состоит в их нестабильности и недостаточной предсказуемости. Исключение составляет геотермальная энергия, которая не широко доступна. Это означает, что должны существовать либо дублирующие источники электроэнергии, либо способы ее накопления в больших масштабах. Однако, кроме накопления гидроэнергии в водохранилищах или сжатого воздуха в резервуарах (см. ниже), в настоящее время никакого другого способа не существует и не просматривается в будущем. Для автономных систем вопросы аккумулирования энергии являются первостепенными. При подключении их к существующим электросетям, возникает вопрос дублирующих источников. В использовании энергии солнца для крупномасштабного и особенно базисного производства электроэнергии имеются небольшие возможности.

     Солнечная энергия: "Солнечный - не ядерный" - популярный лозунг представителей анти-ядерного движения в защиту окружающей среды и многих "технологических оптимистов", ратующих за прямое использование солнечного тепла, продолжает еще иногда звучать. Конечно, в будущем, возможно, мы будем видеть большее количество солнечных батарей на крышах домов, поскольку их цена снижается, а мы более рационально используем энергию, что способствует более широкому их распространению. Однако, для генерации электричества солнечная энергия имеет ограниченный потенциал, поскольку она непостоянна и непредсказуема. Во-первых, потоки солнечной энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это приводит к достаточно низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15 процентов. Во-вторых, коэффициент преобразования современными фотоэлементами солнечной энергии в электрическую не превышает 12-16 процентов, и его до сих пор его не удается увеличить, хотя исследования в этой области ведутся уже более нескольких десятилетий. В Австралии в погожий солнечный день на поверхность земли, ориентированную перпендикулярно к солнечным лучам, попадает до одного килоВатта энергии на квадратный метр. В Канаде эта величина оказывается намного меньшей. На большей части ее территории, на горизонтальную поверхность площадью в один квадратный метр, попадает в среднем не более одного килоВатт часа солнечной энергии в течение дня. В настоящее время внимание сфокусировано на двух способах преобразования солнечной энергии в электрическую. Более всего известен метод, использующий фотоэлементы для генерации электричества. Этот метод имеет большое значение, например, для обеспечения энергией космических аппаратов, оборудования систем связи отдаленных узлов телесети в Австралии и Канаде. Популярность фотоэлементов была бы тем выше, чем выше была бы их эффективность и ниже стоимость (на сегодняшний день стоимость фотоэлементов составляет примерно 4000 долларов США на один килоВатт вырабатываемой мощности). Стоимость фотоэлементов все еще слишком высока для бытового использования. Для автономных систем должны обязательно использоваться некоторые способы хранения собранной энергии в течение темного времени суток или облачности. Это могут быть или аккумуляторные батареи, или водород, произведенный электролизом, или сверхпроводники. В любом случае, в дополнительные стадии превращения энергии необходимо вовлекать процессы с неизбежными энергетическими потерями, понижающие общий КПД, и значительно увеличивающие затраты. Несколько экспериментальных солнечных электростанций мощностью от 300 до 500 кВт включены в электросети Европы и США. В научных учреждениях продолжаются исследования в направлении уменьшения размеров фотоэлементов и увеличения их эффективности. Другое главное направление исследований - разработка экономных способов хранения энергии, которая выработана фотоэлементами в течение светового дня. Солнечная тепловая электростанция имеет систему зеркал для концентрации солнечного света на специальный поглотитель, в котором выделяющееся тепло преобразуется в пар высокого давления и приводит в движение турбины. Концентратор - это обычно параболический отражатель, который ориентируется между севером и югом, прослеживает путь солнца в течение дня. Поглотитель расположен в фокусе этого отражателя и использует солнечную энергию для нагревания специальной жидкости (обычно это синтетическое масло) до температуры порядка 400 градусов Цельсия. Эта жидкость далее управляет турбиной и генератором. В настоящее время несколько таких электростанций с мощностью энергоблоков 80 МВт находятся в эксплуатации. Каждый такой модуль занимает площадь примерно в 50 гектаров земли и требует очень точных систем управления. Солнечные электростанции дополняются модулями, работающими на газе, которые производят около четверти полной вырабатываемой мощности и сохраняют рабочий режим в течение ночи. В середине 1990-ых годов такие станции с суммарной мощностью более чем 350 МВт произвели во всем мире примерно 80 % электроэнергии, полученной от солнца. В будущем основная роль солнечной энергии будет состоять в ее прямом использовании для отопления. Наибольшая энергетическая потребность людей - это потребность в тепле, например, в горячем водоснабжении с температурой не более 60 градусов Цельсия. Более высокие температуры требуются в промышленности (в диапазоне 60 - 110 градусов Цельсия). Эти потребности в совокупности определяют пропорции энергетического потребления в индустриальных странах. Первая потребность же сего дня может быть удовлетворена в некоторых областях за счет использования солнечного света и тепла. Коммерческое использование солнечной энергии для снабжения теплом промышленных объектов, по-видимому, будет возможно в недалеком будущем. Практическая реализация такого подхода снизит в некоторой степени потребление электроэнергии, уменьшит расход органического топлива и благоприятно скажется на охране окружающей среды. А если использовать тепловые насосы с надлежащей изоляцией, то можно также отапливать (или охлаждать) здания с очень небольшими затратами энергии. В конечном счете, до десяти процентов полной потребляемой энергии в индустриальных странах может быть получено при рациональном использовании солнечного света и тепла. Это частично уменьшит необходимый уровень базисного производства электроэнергии.

     Энергия ветра: В течении многих десятилетий в отдаленных районах используются ветряные турбины для бытовой генерации электричества и подзарядки аккумуляторных батарей. Генерирующие модули мощностью больше чем 1 МВт теперь функционируют во многих странах. Производимая ветряной турбиной мощность электроэнергии пропорциональна скорости ветра в третьей степени, и многие турбины эффективно работают при скорости ветра приблизительно 7 - 20 метров в секунду (или 25 - 70 км/час). На земном шаре не так много районов, имеющих такие преобладающие ветры. Подобно солнечной энергии, использование энергии ветра требует дополнительных дублирующих источников электроэнергии или систем аккумулирования энергии на случай более спокойной и безветренной погоды. В настоящее время ветряные турбины, работающие в различных частях мира, имеют общую мощность около 15000 МВт. Они являются ценным дополнением к крупномасштабным базисным электростанциям. Дания, например, получает 10 % своей электроэнергии от энергии ветра и, находясь в зависимости от импорта электроэнергии, намерена увеличивать эту долю. Наиболее экономичными и практичными являются ветряные коммерческие модули мощностью более одного МВт, которые могут группироваться в небольшие ветряные станции.

     Реки: Гидроэлектроэнергия, которая является преобразованной потенциальной энергией воды в реках, в настоящее время составляет 19% всей мировой электроэнергии (в Австралии 10%, в Канаде 59 %). Кроме нескольких стран, гидроэлектроэнергия обычно применяется для компенсации пиковых нагрузок, потому что, во-первых, она может быть оперативно подключена к действующим электросетям, а во-вторых, запасы воды ограничены. В любом случае гидроэлектроэнергия не имеет перспектив для использования в будущем, так как  большинство географических районов в мире, имеющих возможности для использования потенциальной энергии воды, или уже находятся в эксплуатации или же недоступны по другим причинам (из соображений охраны окружающей среды, например). Преимущество многих гидросистем состоит в их способности компенсировать сезонные (также как и ежедневные) максимальные нагрузки в потреблении электроэнергии. На практике использование запасов воды иногда усложняется запросами на ирригацию, которые могут происходить одновременно с пиковыми нагрузками. В некоторых областях географические условия могут ограничивать использование гидроэлектроэнергии в периоды сезонных дождей. Геотермальное тепло: В тех районах, где горячий подземный пар может достигать поверхности земли, его можно использовать для производства электроэнергии. Такого рода геотермальные источники энергии получили распространение в некоторых частях мира, например, в Новой Зеландии, в США, на Филиппинах, в Исландии и Италии. В общей сложности эти источники энергии сегодня вырабатывают до 6000 МВт мощности. Имеются также перспективы в использовании этого метода в других районах путем перекачивания горячей подземной воды в те места, где ее нет.

     Приливы: Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях рек было осуществлено во Франции и в России (начиная с 1966 года). Приливно-отливная вода, движущаяся в обеих направлениях, используется для вращения турбин. Этот вид энергии может использоваться там, где есть значительные области с приливно-отливными потоками. В Канаде, например, это залив Фанди между Новой Скоцией и Новым Брансуиком. Во всем мире эта технология имеет незначительный потенциал.

     Волны:  Использование энергии движения  волн может дать гораздо больший эффект, чем приливно-отливная энергия. Возможности практического использования энергии волн в свое время исследовалась в Великобритании. Генераторы электроэнергии в этом случае должны располагаться на плавающих платформах или в полостях прибрежных скальных пород. Высокая стоимость требуемых устройств и многочисленные практические проблемы делают такие проекты не реальными.

    Биомасса: Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта. Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3. Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12  куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома  злаковых  культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника,  из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений, трав и др. Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина. Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую. Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

     Отношение  возобновляемых источников энергии  к базисному потреблению электроэнергии: Солнце, энергия ветра, приливы и волны не могут заменить использование угля, газа или ядерной энергии, однако они исключительно важны для использования в специфических районах земного шара. По указанным выше причинам перечисленные источники энергии не могут обеспечить базисные потребности в электроэнергии или компенсировать пиковые нагрузки, когда это необходимо. Практически они могут дать лишь 10 - 20% от общей потребности в энергии и никогда не заменят уголь, газ или ядерную энергию. Однако, они могут стать исключительно важными в специфических районах земного шара, где для их использования существуют благоприятные условия. Проблемы воздействия на окружающую среду сотен огромных ветряных турбин, занятые и неиспользуемые обширные территории земли или огромные приливно- отливные заграждения, не говоря уже о новых гидроузлах, являются существенным ограничением в использовании возобновляемых источников энергии. Конечно, такие технологии в некоторой степени внесут свой вклад в будущую мировую энергетику, хотя и не будут нести основной нагрузки на удовлетворение энергетических нужд планеты. Если человечество найдет в будущем способы эффективного хранения электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или ветряных генераторов, вклад этих технологий в удовлетворение базисных энергетических потребностей станет намного значительней. В некоторых местах в течение времени непиковых нагрузок и выходных дней избыточная энергия угольных или ядерных электростанций используется для накопления воды в водохранилищах, которая затем расходуется гидроэлектростанциями для компенсации пиковых нагрузок. К сожалению, не так много мест имеют возможности для строительства подкачиваемых плотин такого рода. Хранение сжатого воздуха в подземных хранилищах используется пока в гораздо меньшей степени. Способы ранения больших количеств электроэнергии в гигантских аккумуляторных батареях пока не разработаны. При рассмотрении энергоснабжения в целом, имеются некоторые возможности для реверсирования (переключения) энергопотоков в развитых странах с их 24-часовыми и 7-дневными циклами для того чтобы удовлетворить ежедневные пиковые нагрузки. Сегодняшнее оборудование для компенсации пиковых нагрузок могло бы использоваться в некоторой степени для снабжения энергией систем, полагающихся в основном на возобновляемые источники энергии. Эти мощности позволили бы дополнить крупномасштабное производство энергии солнечными батареями и ветряными турбинами в моменты, когда они не в состоянии этого делать. Любое реальное использование солнечных батарей или энергии ветра для производства электроэнергии в энергосети должно предусматривать наличие 100%-ной дублирующей генерирующей мощности - гидро или тепловой электростанции. Понятно, что это связано с очень высокими экономическими затратами, хотя в некоторых местах может стать основой развития будущей энергетики. Для развивающихся стран с незначительными базисными потребностями в электроэнергии такой подход, естественно, неприменим.

     Экологические  аспекты использования возобновляемых  источников энергии: Возобновляемые источники энергии имеют различный набор качеств с точки зрения их влияния на окружающую среду и выгоды по сравнению с органическим или ядерным топливом. К положительным качествам следует отнести тот факт, что они совершенно не выбрасывают в атмосферу углекислый газ, и не производят других загрязняющих веществ (кроме некоторых продуктов распада, образующихся на дне водных резервуаров). Но так как они используют относительно малоинтенсивную энергию, площадь, занимаемая ими, оказывается намного большей. Кроме того, физические размеры оборудования, по этой же причине, оказываются очень большими по сравнению с существующими высокоинтенсивными источниками энергии. Последнее обстоятельство требует для изготовления соответствующих конструкций больших материальных и энергетических затрат. Сомнительно, например, что бы жители Австралии одобрили воздействие на окружающую среду новых гидросистем в районе Снежных Гор (дающих, кстати, 3.5 % всей электроэнергии и обеспечиваютирригацию). Вряд ли будут одобрены и проекты по застройке больших площадей вблизи городов под электростанции на солнечных батареях, если такие проекты вообще когда-либо будут сделаны. В Европе, ветряные турбины давно не вызывают к себе любовь из-за производимого ими шума и по соображениям охраны природы. Громадные вращающиеся турбины постоянно приводят к гибели большого числа птиц. Однако, воздействие на окружающую среду может быть минимизировано в некоторых случаях. Солнечные батареи, например, могут устанавливаться вдоль автомагистралей, выполняя дополнительную функцию шумоизоляции, или располагаться на крышах домов. Имеются также отдельные места, где возможна и безопасная становка ветряных турбин.

Список  используемой литературы.

1. Энергетические ресурсы мира. Под редакцией Непорожнего П.С., Попкова В.И. - М.: Энергоатомиздат. 1995 г.

2. Огородников И.А., Огородников А.А. «На пути к устойчивому развитию: экодом. Сборник материалов» М.: Социально-экологический союз, 1998г.

3. Журнал «Техника молодежи» №5, 1990г.

4. Лаврус В.С. «Источники энергии» К.: НиТ 1997г.

5. Ресурсы  Интернета.