Экологические основы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Плюсы и минусы НИВИЗ

2. Освоение НИВИЭ в МИРЕ

3. Малая гидроэнергетика

4. Ветровая энергетика

5. Биоэнергетика

6. Использование торфа

7. Потенциал сбросовой теплоты энергетики, промышленной и коммунально-бытовой сфер

8. Лесотехнический комплекс

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

В последние  годы как в научно-технической литературе, так и в популярных изданиях появляются многочисленные публикации о нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии (НИВИЭ). Оценки возможностей их широкого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических. «Зеленые» призывают вообще заменить всю традиционную топливную и атомную энергетику на использование НВИЭ. Мнения специалистов гораздо более осторожны [1].

Чтобы понять роль и место этих новых источников энергии в будущем, полезно обратить взгляд в недавнее прошлое. В 60-е годы основой энергетики многих стран, в том числе экономически наиболее развитых, являлась нефть (в значительной мере - достаточно дешевая ближневосточная). В то время исследования в области использования НВИЭ многим казались чем-то экзотическим, эдакой причудой «высоколобых» интеллектуалов. Все переменилось в 1973 г. во время ближневосточного нефтяного кризиса. Вдруг стало ясно, что ориентация на импортную нефть представляет угрозу энергетической безопасности многих государств. Большинству экономически развитых стран пришлось срочно разрабатывать новую энергетическую стратегию, направленную на диверсификацию источников энергии, всемерное энергосбережение, а также среди прочих мер - на основательное изучение возможностей применения НВИЭ.

Одним из положений новой энергетической стратегии стало всемерное развитие нетрадиционных направлений. Во многих странах оно превратилось в предмет государственной технической политики. Появились солидно финансируемые государственные программы в данной области. В ряде стран были приняты нормативно-законодательные акты в сфере использования НВИЭ, которые составили правовую, экономическую и организационную основу этого направления технического развития. Правовая база состоит в установлении права производителей электроэнергии на нетрадиционных источниках на подключение к сетям энергоснабжающих компаний, которые обязаны принимать эту энергию.

Созданная во многих странах нормативно-законодательная база по использованию НВИЭ является мощным инструментом государственной технической политики в этой области. Особенно развито это законодательство в США, где в последние 25 лет принято более дюжины законов в указанной сфере.

Необходимость повышения коммерческой эффективности электроэнергетического комплекса области в связи с реструктуризацией приводит к необходимости решения следующих проблем:

• ликвидация низкоэффективных потребителей и снабжающих их электрических сетей.;
• имеющаяся тенденция роста стоимости органического топлива с одной стороны и, имеющийся на территории области потенциал нетрадиционных источников энергии с другой стороны позволяют ставить вопрос о восстановлении и сооружении широкой сети установок НИВИЭ.

1. Плюсы и минусы НИВИЭ

Каковы же эти нетрадиционные и возобновляемые источники энергии? К ним обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную  энергию, энергию морских приливов и волн, биомассы (растения, различные  виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды. К НВИЭ также принято относить малые  ГЭС (мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые  отличаются от традиционных - более  крупных - ГЭС только масштабом.

Рис. 1. Поле зеркал-гелиостатов Крымской солнечной  электростанции

Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Рис. 3. Приливная  электростанция Ранс во Франции

Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Очень  изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».

Для малых автономных ветровых и солнечных энергоустановок возможно и целесообразно применение электрохимических аккумуляторов, но при производстве электроэнергии за счет этих нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с графиком нагрузки). Что же касается «бесплатности» большинства видов НВИЭ, то этот фактор нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования.

источник  энергия геотермальный

2. Освоение  НИВИЭ в МИРЕ

В целом использование  НВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. В некоторых странах доля нетрадиционных источников в энергобалансе составляет единицы процентов. По различным  прогнозным оценкам, в которых в  настоящее время нет недостатка, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет или превзойдет 10%. Здесь  можно дискутировать только о  темпах роста данного показателя, но сам факт роста не подвергается сомнению.

Различные виды НВИЭ находятся на разных стадиях освоения. Как это ни парадоксально, наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии - ветер. Суммарная мировая установленная мощность крупных ВЭУ и ВЭС, по разным оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт. Кажущийся парадокс объясняется тем, что удельные капиталовложения в ВЭУ ниже, чем при использовании большинства других видов НВИЭ. Растет не только суммарная мощность ветряных установок, но и их единичная мощность, превысившая 1 МВт.

Значительное развитие получило направление, связанное с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасоных установок (ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической энергии производится 3-4 эквивалентные единицы тепловой энергии, следовательно, их применение в несколько раз выгоднее, чем прямой электрический нагрев. Они успешно конкурируют и с топливными установками.

Не менее интенсивно развивается использование энергии биомассы. Последняя может конвертироваться в технически удобные виды топлива или использоваться для получения энергии путем термохимической (сжигание, пиролиз, газификация) и (или) биологической конверсии. При этом используются древесные и другие растительные, а также органические отходы, в том числе городской мусор, отходы животноводства и птицеводства. При биологической конверсии конечными продуктами являются биогаз и высококачественные экологически чистые удобрения. Это направление имеет значение не только с точки зрения производства энергии. Пожалуй, еще большую ценность оно представляет с позиций экологии, так как решает проблему утилизации вредных отходов.

Таково в настоящее время положение с использованием НВИЭ в мире. В России же практическое их применение значительно отстает от масштабов, достигнутых в других странах. И это несмотря на такие благоприятные предпосылки, как практически неограниченные ресурсы НВИЭ, достаточно высокий научно-технический и промышленный потенциал в данной области.

3. Малая гидроэнергетика

На территории области протекает более 18 тысяч  рек и речек . Имеется более 100 водоёмов с объёмом воды выше 1 млн. м³; большая часть из них имеет регулируемый водосброс. Гидрологический потенциал характеризуется следующими особенностями:

• наличием рек с большими дебитами и малыми перепадами воды по длине русла;
• наличием рек с малыми дебитами и значительными перепадами высот;
• наличием большого количества искусственных водоемов (прудов) с регулируемым водосбросом небольшой высоты (2 - 10 м);
• наличием рек большими дебитами и малыми перепадами высот по длине русла;
• значительной годовой неравномерностью дебита рек.

Указанные факторы  осложняют и требуют детального обоснования использования энергии  рек. В области действует лишь одна ГЭС – Верхотурская установленной  мощностью 7 МВт.

Рис. 4. Микро  ГЭС 10кВт (МНТО «ИНТСЭТ»)

Однако научные  разработки последних лет по совершенствованию  энергетической техники для мини и микро ГЭС позволяют ставить  вопрос о восстановлении заброшенных мини ГЭС области (В-Сысертская, Алапаевская, Афанасьевская, Ирбитская - 180 кВт, Речкаловская - 400 кВт и др.) и сооружении ряда новых мини и микро ГЭС. Возможные пункты строительства новых ГЭС на существующих гидротехнических сооружениях приведены в табл. 1.

Таблица 1

Перечень  гидротехнических сооружений с ожидаемым  уровнем мощности свыше 1000 кВт

В целом по области существующие гидротехнические сооружения позволяют использовать потенциал мини ГЭС на уровне ~ 200-250 МВт при величине капитальных  вложений 10-15 т.руб/кВт. установленной  мощности.

4. Ветровая энергетика

Область характеризуется  достаточно неравномерным распределением ветровых потоков по территории. В  табл. 2 приведены данные по среднегодовым  и среднемесячным скоростям ветра  для ряда точек на территории.

Таблица 2. Среднегодовые  и среднемесячные скорости ветра

К зонам высоких  ветров могут быть отнесены вершины  отрогов Уральского хребта (г. Благодать, г. Качканар, г. Магнитная и др.), где  среднегодовые скорости ветра находятся  на уровне (5.5 - 10) м/с, и прилегающие  к Свердловской области с севера области Северо-Сосьвинской возвышенности, где среднегодовая скорость ветра  оценивается на уровне 6-12 м/с.

При указанных  скоростных напорах ветра удельная мощность территорий составляет: от 1 МВт/кв.км (скорость ~ 3-4 м/с) до 4 МВт/кв.км (скорость ~ 8 м/с) КИУМ ВЭУ для гористой части  территории области ожидается на уровне 0.4-0.5, что соответствует производству электроэнергии от 4 млн. кВт×ч/км²×год до 16 млн.кВт×ч/км²×год. Для ВЭС, расположенной в заселенной равнинной части области при площади 1 км² (10 установок ´ 100 кВт), годовая экономия топлива составит от 1400 т.у.т./год на одну ВЭС. Для ВЭС, расположенных на вершинах гор, ~ 4000.0 т.у.т./год.

При площади  области ~ 194 тыс.кв.км и использовании  под сооружение ВЭС только 10% горной части территории (~ 0,5%) возможная  мощность ВЭС оценивается на уровне 200 МВт, с производством электроэнергии 0,6 -0,8 млрд.кВт×ч/год при уровне капитальных вложений 20-30 тыс.руб./кВт. Указанное производство энергии эквивалентно экономии органического топлива в объёмах 0,2 -0,3 млн.т.у.т./год.

Целесообразно рассматривать возможность широкого использования ветронасосов в быту и в сельском хозяйстве. Работы по созданию и внедрению ветроэнергетического оборудования ведутся в рядом  предприятий Свердловской области  при активном участи научных работников и студентов УГТУ.

Рис. 5. Ветроэнергетическая  установка мощностью 4 кВт (НПК "Ветроток"- ОАО "Завод промавтоматики")

5. Биоэнергетика

Существующие  технологии получения биогаза из отходов животноводства для Свердловской области позволяют сделать следующую  оценку (табл. 3).

Таблица 3. Оценка технологий получения биогаза

Приведенные данные свидетельствуют о возможности  экономии органического топлива ~ 370 тыс.т.у.т./год. Несмотря на кажущуюся  незначительность этой экономии целесообразно  сооружение биогазовых станций на площадках  крупных хозяйств (табл. 4).

Таблица 4. Перечень возможных биогазовых станций

Использование биогаза возможно, как для производства тепловой, так и электрической  энергии. В последнем случае используются ДВС с генератором электроэнергии.

6. Использование торфа

Запасы торфа  на территории области оцениваются  на уровне 7678 млн.тон 40%-влажности, что  соответствует ~ 2000 млн.т.у.т. Наибольшие запасы торфа сосредоточены в  районах, указанных в табл. 5.

Таблица 5. Месторождения  торфа

7. Потенциал сбросовой теплоты энергетики, промышленной и коммунально-бытовой сфер

Ежегодные объемы потребления топлива прямого  использования, тепловой и электрической  энергии в энергетике, промышленный и коммунально–бытовой сферах области  достигают 30-35 млн. т.у.т. Существующие технологии их использования, приводят к образованию больших количеств  низкопотенциальных тепловых сбросов  предприятий в окружающую среду  через системы оборотного водоснабжения, вентиляции, с теплотой шлаков и  золы, сбросных вод электростанций и пр. Энергетический потенциал сбросной теплоты достигает 10-15 млн. т.у.т./год, т.е. составляет почти половину всего  поступающего на территорию топлива.

Имеющийся в  мире опыт использования сбросной теплоты  при помощи тепловых насосов показывает, что не менее 30% этой энергии может  быть возвращено в хозяйственный  оборот при капитальных вложениях  не более 30 тыс.руб./кВт (тепл.). Для Свердловской области это соответствует ежегодной  экономии 3-5 млн.т.у.т.

8. Лесотехнический комплекс

Объем производства древесины в Свердловской области  составил в 1990 году около 10 млн.м³/год. На всех стадиях заготовки и переработки  древесины в виде щепы, стружки, опила  и т.п. образуется и практически  не используется до 5 млн.м³/год, что  эквивалентно около 3 млн.т.у.т./год.

Использование данного энергетического потенциала возможно лишь при разработке технологий подготовки и использования отходов  древесины, например, путём переработки  их в термических газогенераторах  или биореакторах. Возможно прямое сжигание отходов в топках мини и  микро ТЭЦ и в котлах с кипящим  слоем для ЭС большой мощности.

В настоящее  время объёмы лесозаготовки и  лесопереработки снизились до ~ 2.50 млн.м³/год, из них примерно 1.5 млн.м³/год используется для целей энергопотребления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общий потенциал  нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и нетрадиционных топлив представлен в табл. 6.

Таблица 6

Потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Потенциал НИВИЭ  области позволяет снизить потребление  органического топлива до 5-8 млн.т.у.т.в  год. Анализ показывает, что полное использование потенциала НИВИЭ  позволит обеспечить устойчивое энергообеспечение  свыше 40% децентрализованных и удалённых  потребителей. При поддержке правительства  области на территории развернуто производство и подготовка к внедрению установок  ветроэнергетики (4, 16, 30 кВт), солнечных  коллекторов, газогенераторной техники, оборудования малой гидроэнергетики. Развертывание работ по НИВИЭ  затруднено отсутствием правовой базы, стимулирующей их создание и внедрение.

В целом очевидно, что в России тормозом развития нетрадиционной энергетики, как, впрочем, и многих других направлений, является хронически неудовлетворительное состояние экономики [1]. Особенную тревогу вызывает сокращение объемов НИОКР в сфере НВИЭ из-за резкого снижения их финансирования. Если и раньше, в бывшем СССР, эти расходы были на порядок меньше, чем во многих развитых странах, то теперь они сократились, по крайней мере, еще на порядок. Недостаточный объем НИОКР не способен обеспечить не только развитие, но и поддержание имеющегося научно-технического уровня в данной сфере.

В России на сегодня есть все предпосылки  развития НВИЭ. С выходом из кризисного экономического состояния, которое  не может быть вечным, станет возможным  развитие многочисленных областей промышленной, научно-технической и иной деятельности, в том числе и альтернативной энергетики. В мире рост применения этих источников энергии необратим. Россия в этом отношении исключением  не является.

В заключение обратимся к известной истине, которая гласит, что все новое - это хорошо забытое старое. Вспомним, что каких-нибудь 200-300 лет назад человечество использовало исключительно возобновляемые источники энергии: растительное топливо, энергию ветра (ветряные мельницы, парус), водных потоков (водяные колеса) да мускульную силу животных. Вспомним также, насколько благополучной была в то время экологическая обстановка. Теперь мы в определенном смысле возвращаемся к истокам, но на новом витке, вооруженные принципиально новой и во много раз более мощной и эффективной техникой. Попробовал бы теперь благородный Дон Кихот сражаться с современной ветроустановкой мощностью 1000 кВт.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ