Влияние возобновляемых источников энергии на окружающую среду

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГАОУВПО «Казанский «Приволжский» федеральный университет»

Институт (факультет)

Кафедра

 

 

 

 

 

ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ

 «Влияние  возобновляемых источников энергии  на окружающую среду»

 

 

 

 

 

                                                                                              Выполнила студенка группы 14-247

                                                                                             Сахабутдинова Диляра Артуровна

            Проверила: Сабирова Марина Евгеньевна 

        ______________________________

 

 

 

 

 

 

Казань, 2014

Содержание

Введение……………………………………………………………………….….3

Глава 1. Энергоустановки ВИЭ и особенности экологического воздействия……………………………………………………………………....4

1. Ветровая энергетика………………………………………………....5
2. Малая гидроэнергетика…………………………………………..….7
3. Солнечная энергетика…………………………………………….....11

Глава 2.   Состояние и перспективы возобновляемых природных источников энергии в России…………………………………………………………….......13

2.1. Перспективы применения альтернативных источников энергии в РФ…………………………………………………………………………………13

2.2. Наиболее распространенные ВИЭ в России………………….......16

2.3. Роль возобновляемых источников энергии и их воздействие на окружающую среду………………………………………………………...……17

Заключение………………………………………………………………...……..21

Список использованной литературы………………………………………...…22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В современном мире существуют не мало важных глобальных проблем. Одна их важных – истощение природных ресурсов. Большинство в мире используют большое количество нефти и газа. Но у людей возникает вопрос: как же долго нам будет хватать этих ресурсов, если так же использовать их в таком же объеме? По данным, запасы нефти исчерпаются к концу нынешнего столетия. Получается нашим внукам и правнукам будет нечего использовать для получения энергии? Это звучит ужасающе. И люди начали задумываться использовать альтернативные источники получения энергии, так как использования традиционных полезных ископаемых, ведет к плохой экологической обстановке мира. Этим обусловлено актуальность рассматриваемой темы курсовой работы, потому что в настоящее время альтернативные источники энергии – это единственный способ для получения огромного количества потребляемого сырья.

Традиционные источники энергии – основные загрязнители окружающей среды и являющие потребителями невозобновляемых природных ресурсов. В свою очередь, использование альтернативных источников энергии ведут к решению проблем устойчивого развития человечества за счет использования возобновляемых ресурсов.

Объектом данной работы являются возобновляемые источник энергии. Предмет исследования – возможности использования возобновляемых источников энергии.

Целью работы заключается в нахождении альтернативных способов использования нетрадиционных энергоресурсов в России.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть энергоустановки ВИЭ и их воздействие на экологию.
2. Исследовать основные преимущество возобновляемых источников энергии.
3. Проанализировать возможности развития ВИЭ в России.

В данной работе рассматриваются энергетические установки, использующие ветровую и солнечную энергию, и их воздействие на окружающую среду. А также состояние и меры по улучшению возобновляемых источников энергии в России.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Энергоустановки возобновляемых источников энергии и особенности экологического воздействия

1.1.Ветровая  энергетика

Ветровая энергетика в последние годы является одна из самых востребованных источников альтернативной энергии. Люди задумались о том, как использовать мощную силу воздушных масс. Мощность ветрового потока в атмосфере составляет примерно 2000 ТВт.

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, основанная на использовании энергии ветра. Энергию ветра как правила, относят к возобновляемым видам энергии, потому что она является следствием деятельности солнца.

Первые ветродвигатели появились в древности в Египте и в Китае. Они использовались для размола зерна в Персии уже 200-ом году до н.э. Мельницы такого типа были распространенны в исламском мире, позже в 13-ом веке начали появляться и в Европе.

Общество начинает двигаться вперед, усовершенствоваться и уже в 19-ом веке в Дании появляются ветряные мельницы, которые производят электричество. В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Техника XX века открыла со всем новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой – получения электроэнергии.

Принцип действия всех ветродвигателей одинаковый: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше вырабатывает энергии.

Различают несколько типов ветродвигателей:

1. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные)
2. Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые)

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Типы ветродвигателей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Получение энергии с помощью ветрогенераторов

Достоинства ветроэнергетики заключаются в том, что производство электроэнергии не сопровождается выбросами в атмосферу вредных веществ; отсутствие загрязнения водного бассейна, и при этом оно не мешает ведению сельского хозяйства и промышленной деятельности вблизи ветростанций; ветровая энергетика не требует невозобновимое органическое топливо.

Главные недостатки ветровой энергетики - нестабильность и низкая энергетическая плотность, относительно невысокий выход электроэнергии, сильная изменчивость от погодных условий, шумовое загрязнение, высокая стоимость, появление пожаров.

При всех своих недостатков, ветровая энергетика очень востребована и наибольше выгодна, и в большей степени распространена во многих частях региона. Она применяется в любых отраслях человеческой жизни. Например, в частных домах, на фермах и на крупных промышленных производствах. Не мало важно отметить, что основные направлениями отрицательного воздействия на окружающую среду для ветровой электроэнергетики являются огромные площади ветропарков, создаваемый ими шум, электромагнитные помехи, в меньшей степени может произойти столкновение с птицами и влияние на климат.

Ветровая энергетика – это экологически чистый способ получения энергии, которое в современном обществе уделяется большое внимание. Мировыми лидерами в ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания и Индия. На современном этапе развития в России возникли новые организации, занимающие ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными странами. Всего в России насчитывается 20 – 25 проектов ВЭС. Вероятно, что через 10 – 20 лет она станет неотъемлемой частью нашей жизни, благодаря старанием специалистов.

1.2. Малая  гидроэнергетика

Одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемой энергетики является использование малых гидроэлектростанций (МГЭС) для преобразования энергии небольших водотоков в электрическую энергию. В настоящее время около 30 % электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии вырабатывается на малых ГЭС. Энергетический потенциал малой гидроэнергетики в России превышает суммарный потенциал ветроэнергетики, солнечной энергетики и биомассы.

Гидроэнергетика – это производство электроэнергии при помощи гидротурбин разной мощности, устанавливающиеся на постоянных водотоках. Например, в руслах рек. Для того чтобы, создать гидроэлектростанции необходимо возвести плотину, в которой устанавливаются гидротурбины.

Объектом малой гидроэнергетики являются малые и микро ГЭС. Это область занимается применением энергии водных ресурсов и гидравлических систем при помощи гидроэнергетических установок малой мощности.

В мире малая гидроэнергетика стала развиваться в последние десятилетия, в основном это связано со стремлением избежать экологического ущерба, который наносится водохранилищам крупных ГЭС, с возможностью гарантировать энергоснабжения в изолированных и труднодоступных районах, а также с небольшими затратами капитала при строительстве станций и скорого возврата инвестиций.

Источниками энергии для малой гидроэнергетики служат: небольшие реки, ручьи, естественные перепады высот на озерных водосбросах.

Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) включает в себя генератор, турбины и системы автоматического управления. По типу используемых гидроресурсов МГЭС делят на категории: новые русловые или приплотинные станции с водохранилищами небольших размеров; станции, работающие за счет скоростной энергии свободного течения рек; станции, применяющие существующие перепады уровней воды в разливных объектах водного хозяйства – от водоочистных комплексов до судоходных сооружений (сегодня есть опыт применения питьевых водоводов, канализационных и промышленных стоков).

Применение энергии небольших водотоков при помощи малых ГЭС – одно из самых эффективных направлений развития возобновляемой энергетики в нашей стране. Большая часть ресурсов малой гидроэнергетики в России сконцентрированы на Дальнем Востоке, на Северном Кавказе, на Северо - Западе (Мурманск, Архангельск, Карелия, Калининград), в Туве, на Алтае, в Тюменской области и в Якутии.

Микро ГЭС (мощность до 100 кВт) устанавливают практически в любом месте. Гидроагрегат включает водозаборное устройство, энергоблок и устройство автоматического регулирования. Микро ГЭС применяются в качестве источников электроэнергии для фермерских хозяйств, дачных поселков, хуторов и небольших производств в труднодоступных районах – там, где невыгодно прокладывать сети.

Технико-экономические возможности малой гидроэнергетики в нашей стране превышают возможности следующих возобновляемых источников: солнце, ветер, биомасса, а также все они вместе взятые. Сегодня он оценивается в размере 60 млрд. кВт/ч в год. Но этот потенциал применяется слабо: лишь на 1%. В 1950-60-х годах функционировало несколько тысяч МГЭС. Сегодня – только несколько сотен – отразились последствия перекосов в ценовой политике и слабое внимание к повышению качества и профессионализма конструкций оборудования, к использованию совершенных технологий и материалов.

В 1990-х годах в связи со снижением объемов крупного строительства в отечественной гидроэнергетике наша страна частично переориентировала производственные предприятия на нужды малой гидроэнергетики, вот некоторые из них: АО «Тяжмаш» (город Сызрань), АО «ЛМЗ» и АО «НПО ЦКТИ» (город Санкт-Петербург) и др. Вместе с этим были образованы, в том числе в рамках конверсии, акционерные компании и малые предприятия, производящие оборудование для МГЭС. Самые известные: НПЦ «Ранд» и АО «МНТО Инсет» из Санкт-Петербурга, АО «Энергомаш», АО «НИИЭС» и АО «Напор» из Москвы. Среди поставщиков оборудования отметим и региональные организации, которые когда-то входили во Всесоюзный институт «Гидропроект».

В России до 2015 года планируется ввести в эксплуатацию 65 малых гидроэлектростанций (18 - на территории Республики Тува, 35 - в Республике Алтай, 12 - в Бурятии)

Применение МГЭС характеризуется рядом преимуществ:

– отсутствует нарушение природного ландшафта и окружающей среды  в процессе строительства и на этапе эксплуатации;

– отсутствует отрицательное влияние на качество воды: не теряет первоначальных природных свойств и может использоваться для водоснабжения населения;

– отсутствуют проблемы, характерные крупной гидроэнергетике (строительство сложных и дорогостоящих гидросооружений, затопление местности и т.п.).

Строительство мини-ГЭС не требует переселения жителей, что приводило при заполнении крупных водохранилищ к существенным социальным сдвигам и потрясениям. Создание мини ГЭС не нарушает охотничьих угодий и не вносит изменений в образ жизни коренных малочисленных народов. Кроме того, во всех регионах России водохранилища могут использоваться в целях рекреации, рыборазведения и т. д.

Создание малых водохранилищ оказывает положительное влияние на состояние водных систем малых рек, активизируя их способность к самоочищению и повышению качества воды. Аэрация воды при прохождении через турбину способствует улучшению кислородного режима водотоков, идет накопление биогенных элементов, повышается рыбопродуктивность.

 

 

 

1.3. Солнечная энергетика

Солнечная энергетика, пожалуй, - одно из наиболее динамично развивающихся направлений в мире. Ведь солнце – это один из основных источников излучения в нашей Вселенной.

Солнечная энергетика – это направления возобновляемой энергетики, основанное на преобразовании солнечного излучения для получения в тепловую, механическую и электрическую энергию. Мощность солнечной радиации составляет 10 ТВт (10 Вт).

Основным преимуществом солнечной энергии является то, что запасы ее бесконечны. Пока солнце светит ее можно потреблять, а когда солнце погаснет, человечеству она уже не потребуется.

Вторым не мало важным считается ее экологическая чистота. Так как при преобразовании солнечной энергии в электрическую, не происходит загрязнений в атмосферу. Но главным элементом солнечных батарей является кремний – один из самых грязных на планете. К тому же, чтобы получать большое количество энергии, требуется коллекторные поверхности огромной площади. Однако, солнце не всегда светит, и возникает проблема нестабильности энергоснабжение. Поэтому необходимо накопители солнечной энергии.

Существуют три основных направления использования солнечной энергии: для отопления, кондиционирования воздуха, для преобразования в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей. Говоря о преобразований солнечной энергии, разделяют два метода прямого использования солнечной энергии – фотоэлектрическое преобразования и термодинамический цикл.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии имеет КПД (коэффициенты полезного действия) преобразователя до 28 %. При этом в процессе получения электрической энергии отсутствуют механические перемещения деталей конструкции установки. Фотоэлектрические системы требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде и хорошо приспособлены для отдаленных и труднодоступных районов.

Эффективность фотоэлектрического модуля зависит от 3 факторов:

1. Ориентация на  стороны света. Южная экспозиция  является наиболее предпочтительной.

2. Угол наклона. В европейской части России  оптимальным углом наклона является  диапазон 30° – 60° при южной  экспозиции.

3. Затенённость. При  монтаже фотоэлектрических элементов  необходимо учитывать тени от  близко стоящих деревьев или  построек.

Солнечная энергетика в России пока не является особо востребованной, несмотря на свой огромный потенциал. Никто не сомневается в преимуществах потребления альтернативных источников энергии вместо традиционных, тем не менее, на сегодняшний день существует множество препятствий в становлении солнечной энергетики в России. В частности, в нашей стране отсутствует соответствующая законодательная база. Электроэнергию в России могут продавать лишь специализированные генерирующие или распределительные компании, рынок для частных производителей на сегодня закрыт. К сожалению, на сегодняшний день солнечная энергетика в России является дорогостоящей, срок окупаемости ФЭС довольно долгий – 20-30 лет, многие предприятия не могут себе этого позволить. Во всех странах большим спросом сейчас пользуются электростанции, которые можно подключать к сети, что существенно снижает их стоимость. Для развития солнечной энергетики в России, вероятно, также имеет смысл разрешить подключать солнечные батареи к распределительной сети и при соответствии всем требованиям безопасности упростить процесс выдачи таких разрешений организациями, контролирующими сетевое хозяйство. Это поднимет интерес к ФЭС в несколько десятков раз. Обеспечив еще и привлекательный тариф на солнечное электричество, правительство может добиться высоких темпов внедрения солнечной энергетики в России. 

К настоящему времени основным способом прямой утилизации солнечной энергии является преобразование ее в электрическую и тепловую. Это главная задача человечество.

Солнечная энергетика в России может быть с успехом использована и в городах и районах с централизованным электрообеспечением. Примером здесь может служить опыт развитых стран, где солнечная энергия активно используется для автономного освещения подъездов жилых домов, рекламных щитов и т.п. Предприятия малого и среднего бизнеса используют солнечные системы для сокращения издержек в процессе производства и эксплуатации своих объектов.

Глава 2. Состояние и перспективы возобновляемых природных источников энергии в России

1. Перспективы применения альтернативных источников энергии в РФ

Как известно, интерес к альтернативной энергетике в мире вызван, в первую очередь, истощением природных ресурсов. В Российской Федерации, к счастью, нет дефицита традиционных энергоносителей — наша страна на долгие годы вперед обеспечена ископаемым топливом. Однако использование альтернативных и возобновляемых источников энергии интересно и для России.

На территории РФ альтернативные источники могут применяться в разных областях. Во-первых, ВИЭ позволяют обеспечить энергией северные районы, а также другие труднодоступные и удаленные уголки страны, не подключенные к централизованным энергосистемам. Завоз топлива в такие районы очень дорог и проблематичен, в связи с чем стоимость электроэнергии, выработанной на основе привозного топлива, становится неприемлемо высокой.

Другой сферой возможного применения альтернативных источников энергии в РФ может стать создание генерирующих мощностей в энергодефицитных районах, где постоянно происходят аварийные отключения электричества. В таких регионах сегодня проживает более 15 миллионов россиян. Ненадежное электроснабжение не только создает неудобства для жителей, но и наносит серьезный ущерб промышленности и сельскому хозяйству. Использование альтернативных источников — в первую очередь, энергии ветра, микро-ГЭС и биомассы — позволило бы существенно сократить потери.

В перспективе нетрадиционные ВИЭ — солнечные коллекторы, биогенераторы, тепловые насосы, ветроустановки — смогут снабжать электричеством и теплом отдаленные изолированные поселения, семейные фермы и загородные дома. В число потребителей альтернативных источников в будущем могут войти предприятия лесной и рыбной промышленности, нефтяные и газовые платформы, радары и маяки, а также метеорологические, коммуникационные, археологические и геологические станции.

По мнению экспертов, наша страна обладает значительными ресурсами ВИЭ: энергия ветра, солнца, биомассы, геотермальная энергия и гидроэнергетические ресурсы малых рек. Ученые считают, что практически в каждом регионе России имеется хотя бы один тип альтернативных источников, использование которого может быть целесообразным и оправданным с коммерческой точки зрения.

К сожалению, несмотря на огромный потенциал ВИЭ в России, практическое применение альтернативных источников пока что сильно затруднено. По словам отечественных экспертов, сегодня в России на базе нетрадиционных ВИЭ получают лишь 4% тепла. Что касается производства электроэнергии, то, согласно данным за 2008 год, посредством альтернативных источников в нашей стране вырабатывается менее 1% от общего объема произведенной электроэнергии. Другими словами, по темпам развития альтернативной энергетики Россия сильно уступает многим странам мира.

Биотопливо, получаемое из пищевого сырья, (т. н. биотопливо первого поколения) в России практически не производится. По причине высоких цен на масличные культуры биодизель отечественного производства неконкурентоспособен ни на внутреннем, ни на внешнем рынках. Что касается этанола, то у нас нет излишков кукурузы, необходимых для его рентабельного производства. Кроме того, в России цены на кукурузу значительно выше, чем во многих других странах, а акцизный налог на этанол очень высок.

Сегодня основной сферой интересов российских ученых и производителей в области альтернативной энергетики является биотопливо, получаемое из растительной целлюлозы, — целлюлозный этанол. Сырьем для него служат трава, опилки, солома и прочие непищевые отходы, поэтому производство такого этанола не сказывается негативно на пищевом балансе страны. К сожалению, пока что себестоимость целлюлозного этанола существенно выше, чем зернового. Но прогресс не стоит на месте, и производство биоэтанола постепенно дешевеет.

Развитие альтернативной энергетики в РФ сдерживается не только высокой себестоимостью энергии, получаемой с помощью ВИЭ, но и отсутствием в стране необходимой нормативно-правовой базы, а также хорошо проработанных федеральных и региональных программ поддержки. Информированность россиян о современных ресурсах, технологиях и возможностях возобновляемых источников энергии, по мнению экспертов, тоже оставляет желать лучшего.

Правда, сейчас отношение государства к альтернативной энергетике и роли ВИЭ в энергетике будущего стало меняться. Экологические требования к традиционным электростанциям становятся жестче, совершенствуется оборудование для производства энергии путем внедрения нетрадиционных технологий, в результате чего альтернативная энергия становится все более конкурентоспособной и перспективной.

 

2.2.Наиболее распространенные возобновляемые источники энергии в России

Самым распространенным возобновляемым источником энергии является гидроэнергетика, которая распространена как и в России, так и по всему миру. Примерно 20% мировой выработки электроэнергии приходится на ГЭС.

Происходит активное развитие мировой ветроэнергетики: суммарные мощности ветрогенераторов удваиваются каждые четыре года, составляя более 150 000 МВт. Например, в Дании 20% электроэнергии вырабатывается энергией ветра.

Доля солнечной энергии относительно небольшая, но имеет положительную динамику роста. Так же геотермальная энергетика имеет особое местное значение. Вот например, в Исландии такие электростанции вырабатывают примерно 25% электроэнергии.

        

          Рис.3 Структура возобновляемых источников энергии

Правительством РФ заданы высокие темпы развития возобновляемой энергетики: доля ВИЭ в производстве электроэнергии в стране должна увеличиться с 0,9% до 4,5% в 2020 г. Возобновляемая энергетика пока затратный проект, но необходимый в современных условиях.

Возобновляемая энергетика нуждается в государственной поддержке, а поскольку производство электроэнергии и тепла практически полностью находится в частных руках, реализация проектов в области возобновляемой энергетики должна осуществляться на принципах государственно-частного партнерства.

 Средняя стоимость 1 кВт установленной  мощности на американских АЭС, вводившихся в эксплуатации в  середине 80-х годов, составляла 3500-4000 $ США, а для атомных энергоблоков, ввод в строй которых ожидается  в краткосрочной перспективе, величина  этого показателя (по данным фирм-производителей) не будет превышать 1500 $ США/кВт.

2.3.Роль возобновляемых  источников энергии и их воздействие  на окружающую среду

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются ВИЭ, на которых происходит процесс сжигания органического топлива. Ветровые и солнечные установки, мини-ГЭС в процессе эксплуатации не загрязняют атмосферу.

Рис.4 Показатели источников энергии

С точки зрения окружающей среды и устойчивого развития эти альтернативные источники электричества вполне надежны. К сожалению, они никак не решают проблему сокращения запасов сырой нефти, которая по-прежнему необходима для транспорта.

Пассивные солнечные нагревательные системы весьма рентабельны, и имеет смысл включать их в проекты всех новых зданий. Однако, пока еще существующие и используемые здания не изменятся, потребление традиционных энергоресурсов не снизится; в лучшем случае замедлится его рост. Действительно сократить их использование могло бы повсеместное улучшение теплоизоляции зданий и установка в низ «задним числом» солнечных систем отопления и водонагрева. В таком случае появится возможность перебросить часть мазута, потребляемого в бытовых целях, на нужды транспорта. Однако в самом благоприятном случае проблемы будущего дефицита сырой нефти, необходимой для производства, автомобильного горючего.

Поэтому необходимо сконцентрировать особое внимание на транспортном секторе.