Альтернативные виды энергии и их использование

1. Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

    Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой  круглый год и возможно большие  уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

Преимущества

• использование возобновляемой энергии.
• очень дешевая электроэнергия.
• работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.
• быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки

• затопление  пахотных земель
• строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды
• на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов

2. Теплоэлектростанция (ТЭС) — электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счет преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Преимущества

• требуют меньших капиталовложений по сравнению с другими электростанциями
• могут быть построены в любом месте независимо от наличия топлива
• занимают меньшую площадь по сравнению с ГЭС 
  

Недостатки

• загрязняют атмосферу, выбрасывая в воздух большое количество дыма и копоти
• более высокие эксплуатационные расходы по сравнению с гидроэлектростанциями.

3. Атомная электростанция (АЭС) - ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками.

Преимущества

• стоимость производимой электроэнергии
• практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива
• небольшие расходы на перевозку ядерного топлива
• относительная ТЭС экологическая чистота

Недостатки

• тепловое загрязнение, вызванное большими расходами технической воды для охлаждения конденсаторов турбин
• тяжелые последствия аварий
• ликвидация АЭС после выработки ресурса

    Альтернативная энергетика современности

    Альтернативная энергия – это энергия, получаемая из возобновляемых, неисчерпаемых источников энергии – ветра, солнца, биомассы, внутреннего тепла земли. Для получения альтернативной энергии используют специальные установки: ветрогенераторы, солнечные батареи, солнечные коллекторы, биогазовые реакторы и другие установки.

    Ветроэлекторостанции (ветрогенераторы)

    Альтернативная  энергия, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, может стать той путеводной звездой, которая выведет Россию из продолжительного социально-экономического кризиса на путь устойчивого развития. Возобновляемые энергоресурсы энергии распределены относительно равномерно, поэтому лидерство в их использовании скорее всего завоюют страны с квалифицированной рабочей силой, восприимчивостью к нововведениям, эффективными финансовыми структурами и стратегическим предвидением.

    Уменьшение  зависимости энергопотребителей от централизованных энергосетей и  энергетических монополистов станет важнейшей особенностью энергетики XXI века.

    Возможности новых технологий очень широки —  достаточно проследить путь, пройденный за два десятилетия компьютерной отраслью (от производства громоздких электронно-вычислительных и допотопных счетно-решающих машин до компактных карманных ноутбуков).

    Если XX век можно назвать «нефтяным», то XXI век реально может стать эрой водородной энергетики. Ученые считают, что открытие дешевого и эффективного способа электролиза воды могло бы превратить водород в господствующий энергоноситель в недалеком будущем. Так, большие перспективы открываются у топливных элементов. Топливные элементы сегодня применяются в легковых автомобилях, автобусах, больницах, на военных базах, предприятиях по переработке промышленных стоков, разрабатываются они и для сотовых телефонов, ноутбуков. Использование малогабаритных топливных элементов и других альтернативных возобновляемых автономных источников энергии позволит децентрализировать энергосистему, сократить расстояние между источником энергии и ее потребителем.

    Альтернативная энергия, как то ветроустановки, как и солнечные электростанции, особенно эффективны в небольших поселениях, для автономных энергопотребителей, отдаленных от централизованных систем энергоснабжения. Для них энергия ветра и Солнца является самым экономичным источником электричества. Характерен в этом отношении пример Дании, разбросанной на многочисленных островах, которые трудно объединить централизованной энергосистемой. Сегодня здесь насчитывается свыше 4 тысяч ветроустановок, на которые приходится около 5% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Заметим, что энергии не только самой экологически чистой, но и дешевой. Если в начале 1990-х гг. 1 кВт ч ее стоил одну шведскую крону, то теперь — в 4 раза дешевле. Это значительно меньше аналогичного показателя для АЭС и угольных ТЭС, и даже конкурентоспособной дешевой шведской гидроэнергии. Датские ветроустановки пользуются большим спросом — свыше половины мирового спроса на них удовлетворяется датскими фирмами и их лицензиатами. Это явилось результатом стратегического предвидения государства, восприимчивого к нововведениям и к стратегическому партнерству с промышленностью, что позволяло Дании занять выгодные позиции в преддверии новой постиндустриальной эры.

    Система ветроустановок в Дании

    Россия обладает колоссальным суммарным потенциалом энергии ветра. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана на протяжении 12 тыс. км господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с. Считается, что ветроустановки эффективны при среднегодовых скоростях ветра выше 4-5 м/с. Суммарная мощность ветра на Севере достигает 45 млрд. кВт. Успешно работают ветроэлектростанции на Новой Земле, в Амдерме, на мысе Уэлен, на островах Врангеля, Шмидта, Командорах (остров Беринга). Ветроустановки успешно заменяют на Севере малые дизельные электростанции, для работы которых необходимо завозить дорогостоящее (иногда импортное) топливо. Только доставка топлива к дизельным электростанциям, расположенным на Севере Канады, обходится вдвое дороже его самого.

    Все шире используется на Севере и энергия приливов. В России на северном побережье Кольского полуострова построена Кислогубская приливная электростанция (ПЭС). Опыт эксплуатации этой станции позволил разработать новое проектное решение для строительства ПЭС на Кольском полуострове мощностью до 40 тыс. кВт.

    Проект  ПЭС на Кольском полуострове

    В Тургурском и Пенжинском заливах  Охотского моря, в районе Шантарских островов (здесь приливы достигают 13 м), перспективно строительство приливных  электростанций мощностью от 7 до 25 млн. кВт.

    В Канаде, Швеции, Норвегии, Финляндии, на Аляске все более широкое применение, помимо малых гидроэлектростанций, находят солнечные электростанции. В 2000 г. доля солнечной энергии в энергоснабжении Канадского Севера достигла 5%. Повышение эффективности солнечных элементов и качества материалов позволило за два последних десятилетия снизить на 80% затраты на их сооружение. Сейчас солнечные элементы встраивают в кровельную черепицу, керамические плитки и оконные стекла, что позволяет получать электричество и в отдельных зданиях.

    Суммарная мощность солнечных батарей возросла в мире со 150 МВт в 1985 г. до 900 МВт к 1999 г. Опыт работы солнечных электростанций показал, что в условиях длительного полярного дня большую пользу приносит не только пассивное использование солнечной энергии (зеркальные веранды, усиленная теплоизоляция), но и пассивные системы теплоснабжения (солнечные коллекторы с водой или с другим аккумулятором тепла). Не потеряли своего значения и активные системы фотоэлементов, функционирующих также и при облачной погоде.

    За  прошлое столетие люди научились  использовать перегретый пар вулканических областей для получения дешевой геотермальной электроэнергии. Еще в 1970-е годы белорусский академик Герасим Богомолов предлагал использовать тепло подземных вод. Но тогда эту идею «списали», потому что стоимость нефтепродуктов была очень низкой. Стакан бензина стоил дешевле стакана газировки. Теперь отечественные ученые советуют обратить внимание на энергию подземных вод.

    Интерес к этому виду энергии резко возрос в последнее время, когда появилась угроза т.н. «энергетического голода». Хотя в последние годы наметилась тенденция к сокращению использования геотермальной энергии. Мощности ГеоТЭС в мире к концу 1990-х гг. сократились более чем вдвое — всего до 3.6 млн. кВт. Причина снижения интереса к геотермальным источникам энергии — трудности в эксплуатации станций, их негативное воздействие на окружающую среду и возрастающая стоимость 1 кВт установленной мощности. К тому же геотермальная энергетика не мобильна, она территориально привязана к источникам, находящимся порой в труднодоступных, малоосвоенных, преимущественно горных районах (за исключением, пожалуй, Исландии). Еще одна сложность использования геотермальных вод – их высокая минерализация. В отдельных местах она достигает 400 граммов на литр. Из-за этого может наступить закупоривание скважин.

    Зарубежный  опыт показывает, что затраты на строительство геотермальных ЭС сначала получаются больше. Однако поскольку эта энергия «дармовая», предлагаемая нам самой природой и к тому же возобновляемая, отопление потом становится дешевле в два раза. Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме ГеоЭС предусмотрены система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также системы снеготаяния и предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу.

      По мнению российских ученых, большой прогресс по удешевлению  и уменьшению эксплуатационных  издержек будет достигнут применением  в геотермальных турбинах верхнего выхлопа отвода пара. Тем не менее геотермальные ресурсы перспективны в использование в северных районах России. Геотермальные станции используют энергию горячего пара или воды, получаемых из недр Земли.

      Этот вид возобновляемой энергии  широко используется в мире. Артезианские бассейны термальных вод выявлены в Саяно-Байкальской горной системе, в Бурятии (здесь насчитывается около 400 термальных источников), в Якутии, на севере Западной Сибири, Чукотке (здесь известны 13 высокотермальных источников с суммарным дебитом 166 л/с). Самый «горячий» район — Курило-Камчатский вулканический пояс. На Камчатке выявлено 70 групп термальных источников, 40 из них имеют температуру около 100°С. Только наиболее крупные источники дают столько тепла, сколько можно получить от сжигания 200 тыс., то есть себестоимость получения 4.2 ГДж тепла в системах геотермального теплоснабжения Камчатки в 10 раз ниже, чем в котельных Петропавловска-Камчатского.

    18 августа 1966 года здесь была  построена Паужетская геотермальная станция мощностью 11 тыс. кВт с тремя агрегатами, которая использует энергию паро-гидротермального месторождения. Энергоустановка создавалась на Подольском турбинном заводе, работает очень надежно. И это не смотря на то, что она находится в районе, где часто происходят землетрясения. Недавно введена в строй Верхне-Мутновская геотермальная станция обеспечивая более четверти потребности области в электроэнергии. Работой геотермальной станции будут управлять операторы из Москвы посредством спутника. Для этого германская фирма Siemens разработала комплекс. Такая система будет первой по счету в России и третьей – в мире. Мощность Мутновского месторождения оценивается в 300 мегаватт, а общий геотермальный потенциал Камчатки еще значительней. Но пока в конкретных планах рассматривается только расширение ранее введенных геотермальных станций (Паужетская, Верхне-Мутновская).

      Так, планируется размещение на  них новых энергоустановок на основе бинарного цикла – когда горячая термальная вода используется повторно для выработки дополнительной электроэнергии, что, кстати, на Мутновке позволит увеличить мощность станции на 20 мегаватт.

    Хотя  в наши дни размеры Паужетской геотермальной станции на Камчатке пока еще невелики, возможности таких станций открывают громадные перспективы. За годы своего существования Паужетская геотермальная станция была прибыльной всегда, независимо от величины тарифов. Сегодня этот энергетический узел отпускает энергию по самым низким в области тарифам. И при этом станция остаётся самоокупаемой и самодостаточной. Средний тариф на электроэнергию составляет 1 рубль 40 копеек. Электроотопление для населения стоит 75 копеек за 1 кВт/час. В ближайшие годы планируется создать каскад станций, мощностью до 300 МВт.

    Интересный  факт – в скором будущем на Паужетской геотермальной станции будет установлена турбина, снятая с утилизированной подводной лодки. Её наработка на подводной лодке составила меньше года. Хоть лодка была в строю несколько лет, но по ходовым часам ресурс турбины использован очень мало. Была проведена серьёзная подготовительная работа: обследование оборудования с привлечением проектировщика с завода-изготовителя, выполнен проект реконструкции этой турбины для геотермального энергоносителя. Центр по утилизации вооружения выполнил подгонку под другие параметры.

    А надолго ли хватит природного источника  энергии для функционирования Паужетки? При работе в нынешнем режиме, по прогнозам специалистов, запасов Паужетского месторождения хватит как минимум лет на 30. Если изыскать средства и провести дополнительную разведку, примерно в двух километрах к югу, то мощность паро-гидротерм составит 30 мегаватт. Возможно, весь этот объём пока и не потребуется, но вполне можно наращивать мощности станции.

    Сегодня геотермальную альтернативную энергию используют в 40 странах мира. В Швейцарии 10 тысяч теплоносителей забирают тепло из-под грунта. Сотни тысяч киловатт дают станции районов Лардерелло в Италии, Вайракей в Новой Зеландии. Треть электроэнергии для Сан-Франциско также дают геотермальные станции. Сегодня мощность канадских ГеоТЭС достигла 0.7 млн. кВт. Поляки начали заниматься геотермальной энергией десять назад. В Польше есть уже четыре геотермальные станции. Одна из них, в курортном Закопане. В Литве вся Клайпеда обеспечивается горячей водой с помощью геотермальной станции.

    В Японии с помощью геотермальной  энергетики растапливают снег на дороге. Геотермальная энергетика в Японии занимает значительное место – ее доля составляет 21 % . Основным сдерживающим фактором для развития стали экологические движения. Это связанно с тем, что станции расположены в природных парках и дальнейшее их развитие затруднено опасностью нанести ущерб охраняемым и заповедным территориям. Ядерные станции дают 35% общего энергопроизводства, работающие на природном газе – 24%. У нас максимум потребления электроэнергии приходятся на зимние, самые холодные месяцы, а в Японии – на лето, когда из-за жары основное потребление электроэнергии связано с работой оборудования, вырабатывающего холодный воздух.

    Но  дальше всех в использовании геотермальных  ресурсов продвинулась Исландия. Например, столица Исландии Рейкьявик с 1943 года использует геотермальные воды для обогрева домов, учреждений, магазинов и фабрик. Установленная мощность всех исландских геотермальных станций еще в 1988 г. составляла 39 МВт.

    За  последние 200 лет концентрация ртутных  паров в атмосфере повысилась более чем в три раза. Произошло  это в результате сжигания городских отходов и некоторых сортов углей, в которых содержится ртуть. Мы заинтересованы в развитии нетрадиционных источников энергетики для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу. 

Виды альтернативной энергии 

Альтернативные виды энергии. Энергия солнца

    В последнее время интерес к  проблеме использования солнечной  энергии резко возрос. И хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас отдельно рассмотреть  возможности использования солнечной энергии.

    Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно  солнечного излучения, чрезвычайно  велики.

    Заметим, что использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % - полностью покрыть потребности на перспективу.

    К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти  огромные потенциальные ресурсы  удастся реализовать в больших  масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130000 км2!

    Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам, изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2 требует примерно 104 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17´109 тонн.

    Из  написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять  не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется «собирать» солнечную энергию на площади от 1´106 до 3´106 км2. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13´106 км2.

    Солнечная альтернативная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт´год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.

    Пока  еще электрическая энергия, рожденная  солнечными лучами, обходится намного  дороже, чем получаемая традиционными  способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных  установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

    Солнечные батареи - представляет собой фотоэлектрический генератор, принцип действия которого основан на физическом свойстве полупроводников: фотоны света выбивают электроны из внешней оболочки атомов. При замыкании цепи возникает электрический ток. Солнечные батареи соединяют в цепи последовательно и/или параллельно для получения необходимых параметров по току и напряжению.

Интересная  информация о солнечных  батареях: 

• срок службы солнечной батареи более 25 лет,
• типичный КПД солнечной батареи 14%,
• напряжение любой пластинки кремниевого элемента: без нагрузки 0.6 В, под нагрузкой 0.5 В(при инсоляции 1 кВт/м2),
• кремний - второй по распространённости элемент во вселенной, 
  в то же время всего 2% чистого кремния идёт на солнечную энергетику,
• мировая нехватка солнечного кремния оценивается в 10-15 тысяч тонн в год,
• за год в России изготавливается примерно 5-6 МВт солнечных батарей, а продаётся на внутреннем рынке не более 150 кВт,
• к 2020 году Швеция планирует полностью отказаться от углеводородного топлива,
• в Германии уже несколько лет действует государственная программа «Сто тысяч солнечных крыш»,
• в США действует аналогичная программа «Миллион солнечных крыш».

Рыночная  ниша: 
Солнечные батареи предназначены для повышения автономности энергоснабжения дома, а также для придания дому современного внешнего вида.

Стоимость: 
Примерная стоимость под ключ солнечных поли-, монокристаллических модулей в составе системы – 200-250 тыс. рублей за 1 кВт установленной мощности. Мощность системы может наращиваться постепенно, модуль за модулем.

Примерная стоимость солнечных модулей  на основе аморфного кремния – 120-150 тыс. рублей за 1 кВт установленной  мощности. Такие модули могут быть интегрированы в конструкцию дома.

География: 
Солнечные батареи вполне сносно работают и в условиях Подмосковья. Наиболее экономически оправдана установка солнечный батарей в самых солнечных регионах РФ – Юг европейской части России, юг Поволжья, Южный Урал, Восточная Сибирь, Дальний Восток.

    НО современные кристаллические кремниевые солнечные панели очень дороги для того, чтобы широко использовать их в производстве. Более дешевые солнечные панели доступны, но они не так эффективны. Например, органическая солнечная панель имеет максимальную эффективность 8% (солнечные элементы кпд которых - 8%). Единственный способ увеличения эффективности дешевых солнечных панелей - использование полупроводников наночастиц, квантовых точек. Теоретически, КПД солнечных элементов на квантовых точках может быть увеличен до 44%.

    Это возможно в частности благодаря  эффекту лавинного умножения, продемонстрированному  исследователями из TU Delft and the FOM Foundation еще в 2008 г. В изготавливаемых  сегодня солнечных элементах, поглощенная легкая частица может возбудить только один электрон (создание электронно-дырочной пары), тогда как в квантовой точечной солнечной ячейке легкая частица может возбудить несколько электронов. Чем больше активированных электронов, тем больше эффективность солнечной ячейки. 

    До  сих пор, создание электро-дырочной пары под влиянием света демонстрировали  только в пределах квантовой точки. Чтобы быть пригодным к употреблению в солнечных элементах, необходимо чтобы электроны и дыры могли двигаться. Это - то, что создает электрический поток, который может быть собран в электроде. Исследователи из той же исследовательской группы доказали также, что электро-дырочная пара может двигаться как свободные заряды между наночастицами.

    Наконец, ученые связали наночастицы вместе, использовав очень маленькие молекулы, таким образом, что они были сгруппированы очень плотно, но все же оставались отдельно друг от друга. наночастицы находятся так близко друг к другу, что каждая отдельная легкая частица, которую поглощает солнечная ячейка фактически, заставляет электроны двигаться. 
 
 
 
 
 

Альтернативные  виды энергии. Ветровая энергия

    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 - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.