Нетрадиционные источники энергии. 5

     Возобновляемые  источники энергии - это источники  на основе постоянно  существующих или  периодически возникающих  в окружающей среде  потоков энергии. Возобновляемая энергия  не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это  является ее отличительным  признаком.

     К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) 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.

     Основным  видом "бесплатной" неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. Самый простой способ использования энергии Солнца - солнечные коллекторы, в состав которых входит поглотитель (зачерненный металлический, чаще всего алюминиевый лист с трубками, по которым протекает теплоноситель). Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к горизонту, равным широте местности, или монтируются в кровлю.

     В зависимости от условий инсоляции (облучение поверхностей солнечным светом) в коллекторах теплоноситель (незамерзающая жидкость) нагревается на 40-50° больше, чем температура окружающей среды. Такие системы применяются в индивидуальном жилье, практически полностью покрывая потребность населения в горячей воде; в районных отопительных установках, а также для получения технологической тепловой энергии в промышленности.

     Электроэнергия  от светового потока может производиться  двумя путями: путем  прямого преобразования в фотоэлектрических  установках, либо за счет нагрева теплоносителя, который производит работу в том или  ином термодинамическом  цикле.

     Одно  из главных достоинств солнечной  энергии - ее экологическая чистота. Солнечные батареи имеют очень важное достоинство – долговечность, при том, что уход за ними не требует особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

     Сегодня уже разрабатываются проекты  строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где  солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение  предлагается переводить в другой тип  энергии - микроволны - и затем уже  отправлять на Землю.

     Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики. КПД достигает для лучших ветровых колес примерно 45%.

     Скорость  и направление ветра меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее "надежным", чем Солнце. Таким образом, возникают две проблемы, которые необходимо решить в целях полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность "ловить" кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Может быть, одним из решений станет внедрение новой технологии по созданию и использованию искусственных вихревых потоков.

     Наиболее  распространенным типом ВЭУ является турбина крыльчатого типа с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3 с небольшой регулировкой угла наклона. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения, возможностью соединяться непосредственно с генератором электрического тока без мультипликатора (механическое устройство, преобразующее и передающее крутящий момент; повышает угловую скорость выходного вала, понижая при этом его вращающий момент) и высоким коэффициентом использования энергии ветра.

     Другая  популярная разновидность ВЭУ - карусельные  ветродвигатели. Они тихоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при сильном порыве ветра. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. Важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем, "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных потоков.

     Биомасса представляет собой весьма широкий класс энергоресурсов. При гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии и пр. Много идей посвящено выращиванию быстрорастущих водорослей для загрузки их в биореакторы.

     Сибирский институт прикладных исследований (ООО  «СИПРИС», г. Омск) осуществляет изготовление и поставку биогазовых и биоэнергетических установок объемом 2,5-75 м3 полной заводской готовности крестьянским и фермерским хозяйствам для утилизации сельскохозяйственных отходов и производства биогаза и жидких органических удобрений.

       Геотермальная энергия, строго говоря, не является возобновляемой, поскольку речь идет не об использовании постоянного потока тепла, поступающего из недр к поверхности, а об использовании тепла, запасенного газообразными, жидкими или твердыми средами, находящимися на определенных глубинах.

     Геотермальные ресурсы классифицируются по четырем  группам:

     1) месторождения сухого пара - ресурсы  сравнительно легко осваиваются,  но встречаются редко;

     2) месторождения влажного пара - распространены  в большей степени, однако при  освоении возникают проблемы, связанные  с коррозией и повышенным содержанием  солей;

     3) горячая вода - ресурсы большие,  используются главным образом  для отопления в тепличном  хозяйстве;

     4) теплота сухих горных пород  - ресурсы большие, однако технология  использования находится в ранней  стадии освоения.

     Активное  использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное  воздействие на окружающую среду. Основными  негативными факторами являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод  с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха  попутными газами; тепловое загрязнение  окружающей среды; повышение влажности  воздуха за счет испарения в градирнях  (устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха).

     Во  многих странах проводятся исследовательские  работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов.

     Есть  несколько технических разработок получения энергии из океана. Первая возможность - это использование энергии приливов. Во время прилива уровень морской воды повышается. На пути потока воды можно поставить турбину, которая будет вырабатывать электроэнергию. Обратный поток воды во время отлива также может вращать турбину, если ее конструкция обеспечивает возможность прямого и обратного вращения и выработки при этом электроэнергии.

     Еще один вариант получения энергии  из океана – энергия волн.

     Принцип действия волновых электростанций:

     1. Использование вертикальных подъемов и спадов волны для привода в действие водяных или воздушных турбин, соединенных с электрогенераторами.

         2.Использование горизонтального перемещения волн с помощью

устройств флюгерного типа для получения через специальную передачу вращательного движения.

     3. Концентрация волн в сходящемся канале, в котором их кинетическая энергия поддерживала бы напор воды, достаточный для привода в

действие  турбины.

     Третий  вариант – термальная энергия  океана.

     Экспериментальные установки работают на Гавайских  островах, где разность температур у поверхности воды и на глубине  около километра составляет 22 °С. Установка состоит из конденсатора, испарителя, насоса и турбины, работающих в замкнутом цикле. По соединяющим их трубам протекает рабочее тело - фреон. Конденсатор охлаждается поднятой с большой глубины водой при температуре +8°С. Испаритель находится при температуре поверхностной воды +ЗО°С. Перешедший в испарителе в газообразное состояние фреон приводит во вращение турбину, после чего охлаждается в конденсаторе и снова подается на нагрев в испаритель. Такие электростанции могут быть мигрирующими, т.е. они не привязаны к какому-то строго определенному району, а при изменении температурных условий могут перемещаться туда, где градиент температур наибольший и соответственно эффективность их работы наивысшая.

     Но  здесь, естественно, возникает проблема: как быть с вырабатываемой электроэнергией? Возможность транспортировки электроэнергии на берег по линиям электропередачи - подводным кабелям - за дальностью расстояния исключается. Следовательно, напрашивается вывод: потребители электроэнергии должны быть здесь же, на месте. Крупные океанские электростанции мощностью 200-400 Мвт, смонтированные на плавучих платформах, по мнению их проектировщиков, найдут применение в качестве фабрик по добыче полезных ископаемых из океана. Малые станции мощностью 40-50 МВт будут полезны для развивающихся стран тропического пояса, так как, помимо электроэнергии, они способны опреснять воду.

     Использование энергии небольших водотоков  с помощью малых гидроэлектростанций (микро-ГЭС) – одно из наиболее эффективных  направлений развития альтернативной энергетики. Малая гидроэнергетика является прекрасной альтернативой централизованному энергоснабжению для удаленных и труднодоступных районов.

     Бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. в комплекте с аккумулятором обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую.

     Преимущества  микро- и мини-ГЭС:

• отсутствует нарушение природного ландшафта и окружающей среды в процессе строительства и на этапе эксплуатации;
• отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она не теряет первоначальных природных свойств и может использоваться для водоснабжения населения;
• практически отсутствует зависимость от погодных условий;
• обеспечивается подача потребителю дешевой электроэнергии в любое время года;
• отсутствуют проблемы, характерные крупной гидроэнергетике (строительство сложных и дорогостоящих гидросооружений, затопление местности и т.п.).

     Низкопотенциальное тепло также относят к возобновляемым источникам энергии. Обеспечивает более чем 3-х кратную экономию электроэнергии при выработке тепла.

     Естественными источниками низкопотенциального тепла могут быть атмосферный воздух, подпочвенные и грунтовые воды, озерная и речная вода, поверхностный и глубинный грунт. Искусственными  источниками (вторичные источники) тепла могут выступать вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений, отработанный воздух или вода производственных технологических процессов, тепло отработанных газов при сжигании топлива и др. При этом тепловой насос осуществляет сбор отработанного тепла и его повторное использование, чем существенно повышается энергоэффективность производственных циклов.

     Процесс работы теплонасоса аналогичен работе холодильника, только тепловые насосы работают на обогрев, используя для переноса тепла электроэнергию. Электроэнергия, которую затрачивает насос при перекачке этого тепла, все равно оказывается меньше энергии, получаемой для обогрева, поэтому затраты на электроэнергию, потребляемую тепловым насосом, стоимость которого довольно велика, оказываются меньше затрат на отопление. Затратив 1 кВт электроэнергии, мы получим до 8 кВт тепла. Поэтому покупка теплового насоса – это экономически выгодное приобретение.

     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.

     В целом использование НВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным  прогнозным оценкам, доля нетрадиционных источников в энергобалансе к 2015 г. во многих государствах достигнет или превзойдет 10%. Здесь можно дискутировать только о темпах роста данного показателя, но сам факт роста не подвергается сомнению.

     Согласно  отчёту ООН, в 2008 году во всём мире было инвестировано $140 млрд в проекты, связанные с альтернативной энергетикой, тогда как в производство угля и нефти было инвестировано $110 млрд.

     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. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия.

     Второе  место по объему применения занимает геотермальная энергетика. Суммарная  мировая мощность ГеоТЭС составляет не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако ГеоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, которые распространены отнюдь не повсеместно, что ограничивает область применения геотермальных установок. Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение получили системы геотермального теплоснабжения.

     Далее следует солнечная энергия. Она  используется в основном для производства тепла для коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Все активнее идет преобразование солнечной  энергии в электроэнергию. Суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.

     Здесь следует упомянуть проект «Тысяча  крыш», реализованный в Германии, где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного источника играет электросеть, из которой возмещается нехватка энергии. В случае же избытка энергии она, в свою очередь, передается в сеть. При реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята еще более масштабная программа «Миллион солнечных крыш». Расходы федерального бюджета на ее реализацию составили 6,3 млрд долларов.

     Значительное  развитие получило направление, связанное  с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды с помощью теплонасосных установок.

     Не  менее интенсивно развивается использование  энергии биомассы. 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 отходов.

     В последние годы наблюдается возрождение  интереса к созданию и использованию  малых ГЭС. Они получают во многих странах все большее распространение  на новой, более высокой технической  основе, связанной, в частности, с полной автоматизацией их работы при дистанционном управлении.

     Гораздо меньше развито практическое применение приливной энергии. У нас в стране на побережье Баренцева моря с 1968 г. работает Кислогубская ПЭС, на которой установлены 2 турбины по 400 кВт каждая. Большая приливная станция эксплуатируется на реке Ла-Ранс (Франция), ее мощность - 240 тыс. кВт.

     Еще менее развито использование  энергии морских волн. Этот способ использования НВИЭ находится на стадии начального экспериментирования.

     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.