Возобновляемые источники энергии. Возобновляемая энергетика
по дисциплине:
"Основы энергосбережения"
Тема: "Возможности использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии"
Введение
Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения
Использование возобновляемых источников энергии
Возобновляемые источники энергии в России до 2010 года
Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области
Заключение
Один из основных аргументов против использования НВИЭ - их "дороговизна". Однако приведенные в таблице 1 данные по средней стоимости электроэнергии, полученной от различных источников энергии на электростанциях стран ЕС (в центах за кВт. ч), свидетельствуют об обратном: одной из самых дорогих оказывается энергия, полученная на АЭС. Все остальные источники (за исключением фотоэлектрических станций) значительно дешевле.
Таблица 1.
Согласно официальным оценкам (Минтопэнерго), экономический потенциал ВИЭ в России представлен в таблице 2.
Таблица 2.
Однако энергия большинства НВИЭ обладает малой плотностью потоков энергии (рассеянностью или низким удельным потенциалом) и нерегулярностью поступления, зависящей от климатических условий, суточных и сезонных циклов. Поэтому для эффективного использования НВИЭ, собственно ветра, солнца, морских волн и др., необходимо решить ряд инженерных задач по созданию экономичных и надежных устройств и систем, воспринимающих, концентрирующих и преобразующих эти виды источников энергии в приемлемую для потребителя тепловую, механическую и электрическую энергию. Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения за счет НВИЭ, особенно автономных потребителей, система должна быть укомплектована аккумуляторами и преобразователями. Особенно перспективны гибридные системы, использующие одновременно два или несколько видов НВИЭ, например солнце и ветер, взаимно дополняющих друг друга, в сочетании с аккумулятором и резервным двигателем внутреннего сгорания в качестве привода электрогенератора.
При существующем соотношении цен на органическое топливо и оборудование уже сегодня имеются зоны экономически эффективного применения НВИЭ и в России.
По электроэнергии - это районы автономного электроснабжения, особенно использующие привозное топливо, а также территории дефицитных энергосистем.
По теплу - это практически вся территория России, особенно районы с привозным топливом, экологически напряженные населенные пункты и города, а также места массового отдыха населения.
Ветровая энергетика.
Использование энергии ветра сегодня чрезвычайно динамично развивающаяся отрасль мировой энергетики. Если суммарная установленная мощность ветровых энергоустановок (ВЭУ) в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигла уже 31,1 ГВт. По данным 2002 г. странами-лидерами по установленной мощности (ГВт) ВЭУ являлись:
Германия - 12;
Испания - 4,8;
Дания - 2,9;
Индия - 1,7.
Тенденцией последних десятилетий является непрерывный рост единичной мощности сетевых ВЭУ. Еще 10 лет назад типичной ВЭУ в составе ветровых ферм была установка мощностью 300-500 кВт. В 2000-2002 годах серийной стала ВЭУ мощностью 1÷1,2 МВт. Некоторые фирмы начали производить еще более крупные установки - до 4,5 МВт в основном для применения на шельфе, где наиболее благоприятны характеристики ветра. Это приводит к снижению стоимости установленного киловатта, которая сегодня находится на уровне 1000 долл. /кВт, и стоимости вырабатываемой электроэнергии.
При благоприятных характеристиках ветра стоимость электроэнергии, вырабатываемой крупной ветровой фермой, приближается к стоимости на топливных электростанциях. Все крупные ВЭУ работают совместно с сетью, и их суммарная мощность не должна превышать 15-20% от емкости сети.
В России до недавнего времени развитию ветроэнергетики не уделялось должного внимания. Разрабатывавшиеся в конце прошлого века ВЭУ мощностью в 250 кВт не были доведены до необходимых требований по надежности и эффективности. Аналогичной оказалась судьба разработки ОКБ "Радуга" ВЭУ мощностью в 1 МВт. Поэтому практически все крупные ВЭУ, действующие сегодня в России, укомплектованы импортными агрегатами (Табл.3).
Таблица 3.
В отличие от производства крупных ВЭУ, в России имеется довольна развитая производственная база по выпуску автономных ветроустановок малой мощности: от 0,04 до 16 кВт, в том числе ветро-дизельные агрегаты. Около 10 изготовителей готовы выпускать такие ВЭУ, а некоторые из них (ЦНИИ "Электроприбор" г. Санкт-Петербург) поставляют свои изделия заграницу. В России потенциальный рынок для таких установок велик, однако, расширение выпуска не происходит из-за малого платежеспособного спроса. Для более широких поставок заграницу, прежде всего в развивающиеся страны, необходима сертификация установок по международным стандартам и наладка гарантийного и сервисного обслуживания.
К малым ГЭС условно относят гидроэнергетические агрегаты мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Меньшие агрегаты относятся к категории микро-ГЭС. Суммарная мощность малых ГЭС в мире сегодня превышает 70 ГВт.
Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение в электроэнергетике многих стран мира. В ряде развитых стран установленная мощность малых ГЭС превышает 1 млн. кВт (США, Канада, Швеция, Испания, Франция, Италия). Они используются как местные экологически чистые источники энергии, работа которых приводит к экономии традиционных топлив, уменьшая эмиссию диоксида углерода. Лидирующая роль в развитии малой гидроэнергетики принадлежит КНР, где суммарная установленная мощность малых ГЭС превышает 13 млн. кВт. В развивающихся странах создание малых ГЭС как автономных источников электроэнергии в сельской местности имеет огромное социальное значение. При сравнительно низкой стоимости установленного киловатта и коротком инвестиционном цикле малые ГЭС позволяют дать электроэнергию удаленным от сетей поселениям.
В России энергетический потенциал малых рек очень велик. Число малых рек превышает 2,5 млн., их суммарный сток превышает 1000 км3 в год. По оценкам специалистов сегодняшними доступными средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд. кВтч электроэнергии в год.
В середине прошлого века в России работало большое количество малых ГЭС, однако, впоследствии предпочтение было отдано крупному гидроэнергостроительству, и малые ГЭС постепенно выводились из эксплуатации. Сегодня интерес к малым ГЭС возобновился. Несмотря на то, что их экономические характеристики уступают крупным ГЭС, в их пользу работают следующие аргументы. Малая ГЭС может быть сооружена даже при нынешнем дефиците капиталовложений за счет средств частного сектора экономики, фермерских хозяйств и небольших предприятий. Малая ГЭС, как правило, не требует сложных гидротехнических сооружений, в частности, больших водохранилищ, которые на равнинных реках приводят к большим площадям затоплений. Сегодняшние разработки малых ГЭС характеризуются полной автоматизацией, высокой надежностью и полным ресурсом не менее 40 лет. Малые ГЭС позволяют лучше использовать солнечную и ветровую энергию, так как водохранилища ГЭС способны компенсировать их непостоянство.
В 90-е годы в России проблема производства оборудования для малых и микро-ГЭС в основном была решена. Особенно привлекательно создание малых ГЭС на базе ранее существовавших, где сохранились гидротехнические сооружения. Сегодня их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях существующие малые водохранилища, которых в России более 1000.
В стране имеется ряд предприятий, производящих и продающих гидроэнергетическое оборудование, отвечающее самым современным требованиям и не уступающее лучшим мировым образцам. С использованием этого оборудования малые ГЭС могут создаваться как полностью автономные, так и работать на сеть. Последнее требует разработки законодательства, регламентирующего взаимоотношения между индивидуальными производителями электроэнергии и сетью.
Наиболее просто использовать солнечную энергию для получения тепла для горячего водоснабжения. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) широко распространены в странах с жарким климатом. Например, в Израиле закон требует, чтобы каждый дом был оснащен СВУ. В США СВУ повсеместно используются для подогрева воды в бассейнах. Вклад СВУ в энергетический баланс США эквивалентен примерно 2 млн. тут в год. Основным элементом СВУ является плоский солнечный коллектор, воспринимающий солнечную радиацию и преобразующий ее в полезное тепло. Поэтому обычно масштаб использования СВУ оценивают площадью установленных солнечных коллекторов. Суммарная площадь коллекторов, установленных сегодня в мире оценивается в 50-60 млн м 2 , что обеспечивает получение тепловой энергии, эквивалентной 5-7 млн тут в год. В Европейских странах к концу 2000 г. действовало 11,7 млн м 2 коллекторов.
В России СВУ на сегодня не нашли сколько-нибудь значительного распространения, что с одной стороны связано с относительно низкой стоимостью традиционных топлив, а с другой - бытующим мнением о недостаточной инсоляции в большинстве регионов России.
Вместе с тем в последние годы для всей территории России проведено тщательное исследование прихода солнечной энергии на поверхности, тем или иным образом ориентированные в пространстве, и показано, что практически для всех регионов страны, включая высокие широты, применение СВУ в течение 3-6 месяцев в году экономически оправдано.
В эти же годы рядом промышленных предприятий разработаны новые типы солнечных коллекторов, применение которых в СВУ вместо импортных, делает эти установки экономически более привлекательными. В связи с этим интерес к использованию СВУ в стране, особенно в южных регионах, возрос (Ростовская область, Ставропольский и Краснодарский края, Дагестан, Калмыкия, Бурятия). Хотя в летнее время даже в Сибири достаточно солнца, чтобы использовать СВУ. Представляет также интерес использование солнечных коллекторов в сочетании с тепловыми насосами (ТН) в том числе для отопления.
Для преобразования солнечной энергии в электроэнергию могут быть использованы как термодинамические методы, так и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).
Сегодня в США работают 7 электростанций общей мощностью 354 МВт (э), использующие параболоцилиндрические концентраторы солнечной радиации и термодинамический метод преобразования. Известны проекты сооружения подобных СЭС в ряде стран так называемого солнечного пояса (Мексика, Египет и др.). Для России, с учетом характеристик солнечной радиации, подобные СЭС сегодня не представляют сколько-нибудь значительного интереса.
Фотоэлектрические преобразователи, напротив, находят все большее применение в самых разных регионах. В отличие от СЭС с концентраторами, ФЭП используют не только прямое, но и рассеянное излучение и не требуют дорогостоящих устройств для слежения за солнцем.
Рынок ФЭП развивается весьма динамично. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Это обусловлено принятием в ряде стран национальных программ, предусматривающих широкое внедрение ФЭП ("100 тысяч солнечных крыш" в Германии, "100 тысяч солнечных крыш" в Японии, "1 млн. солнечных крыш" в США). Быстрыми темпами растет и производство ФЭП, достигшее 1 ГВт в год. Япония и Германия прогнозируют в ближайшие годы выход на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенно велик рынок ФЭП в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации.
Сегодня на мировом рынке присутствуют тысячи фирм, создающих различные установки с ФЭП, но только десятки фирм, в том числе в России умеют делать солнечные элементы. Начиная с середины 90х годов, в России инициированы работы по совершенствованию ФЭП и развертывание их опытно-промышленного производства. Была разработана технология изготовления ФЭП и внедрена в производство на фирме "Солнечный Ветер" (г. Краснодар) и ОКБ "Красное знамя" (г. Рязань). Это позволило выйти на мировой рынок и увеличить поставки ФЭП за рубеж. Так, например, фирма "Солнечный Ветер" поставляет свою продукцию в более чем 10 стран. За 1996-2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.
Однако, несмотря на положительные тенденции мирового рынка, высокая стоимость, электроэнергии от ФЭП сдерживает их более широкое применение. Эта высокая стоимость обусловлена как дороговизной основного материала (как правило, кремния высокой чистоты), так и дороговизной технологического процесса. Поэтому в мире и в России ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП. Одним из перспективных направлений является создание высокоэффективных ФЭП с концентраторами солнечного излучения. Наиболее интенсивно исследования в этой области проводятся в США и России. КПД разработанных в США солнечных элементов (СЭ) на основе монокристаллического кремния достигает 20-25% при концентрации в 10-100 солнц и рабочей температуре 25оС. При большей концентрации эти СЭ требуют принудительного охлаждения, ибо их кпд существенно снижается с ростом температуры (на 1/3 при повышении температуры на 100 о С). Для работы при концентрации в 300-1000 солнц более перспективны СЭ на основе системы арсенид галлия - арсенид алюминия, впервые разработанной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Значения КПД каскадных СЭ на основе GaAs, достигнутые в США и России (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), составляют около 30% при концентрации в 500-1000 солнц и при реальных рабочих температурах 60-80 о С. Поэтому, несмотря на более высокую стоимость арсенида галлия, цены на энергоустановки с концентрацией по оценкам окажутся приблизительно в 2 раза ниже плоских кремниевых.
Вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная доля биомассы, используемой для энергетических нужд, не является коммерческим продуктом и, как результат, не учитывается официальной статистикой. В странах Европейского Союза, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, но с широкими вариациями: в Австрии - 12%, в Швеции - 18%, в Финляндии - 23%.
Первичной биомассой являются растения, произрастающие на суше и в воде. Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический кпд собственно фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от рода растений и климатической зоны произрастания это приводит к различной продуктивности в расчете на единицу площади, занятой растениями. Для северных зрелых, медленно растущих лесов продуктивность составляет 1 т прироста древесины в год на 1 га. Для сравнения урожай кукурузы (вся зеленая масса) в штате Айова, США в 1999 г. составил около 50 т/га.
Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, замещающее традиционное ископаемое топливо. Причем речь, как правило, идет об отходах лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также об отходах полеводства (солома, сено). Теплотворность сухой древесины достаточно высока, составляя в среднем 20 ГДж/т. Несколько ниже теплотворность соломы, например, для пшеничной соломы она составляет около 17,4 ГДж/т. В то же время большое значение имеет удельный объем топлива, который определяет размеры соответствующего оборудования и технологию сжигания. В этом отношении древесина значительно уступает, например, углю. Для угля удельный объем составляет около 30 дм3/ГДж, тогда как для щепы, в зависимости от породы дерева, этот показатель лежит в пределах 250 - 350 дм3/ГДж; для соломы удельный объем еще больше, достигая 1 м3/ГДж. Поэтому сжигание биомассы требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств. В частности, в ряде стран распространение получил способ уплотнения древесных отходов с превращением их в брикеты или, так называемые, пелетки. Оба способа позволяют получить топливо с удельным объемом около 50 дм3/ГДж, что вполне приемлемо для обычного слоевого сжигания. Например, в США годовое производство пелеток составляет около 0,7 млн. т, а их рыночная цена - около 6 долл. /ГДж при теплотворности около 17 ГДж/т.
В России использование отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока достаточно ограничено. По данным Госкомстата в 2001 г. в стране имелось 27 малых ТЭЦ с общей установленной мощностью 1,4 ГВт, использовавших биомассу совместно с традиционными топливами (мазут, уголь, газ). При этом собственно на биомассе выработано 2,2 млрд. кВтч электроэнергии и 9,7 млн. Гкал тепла из общей выработки 5,5 млрд. кВтч и 24 млн. Гкал (т.е. около 40% от общей выработки).
Наряду с первичной растительной биомассой значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твердых бытовых отходах и отходах различных отраслей промышленности. Использование этого потенциала возможно термохимическими или биохимическими методами. В первом случае речь идет в основном о твердых бытовых отходах, которые либо сжигаются, либо газифицируются на мусороперерабатывающих фабриках. Во втором случае сырьем является навоз или жидкие бытовые стоки, которые перерабатываются в биогаз.
В России ежегодно образуется около 60 млн. т твердых бытовых отходов (ТБО); количество отходов животноводства и птицеводства составляет около 130 млн. т/год, а осадков сточных вод 10 млн. т/год. Энергетический потенциал этих отходов составляет 190 млн. т у. т. Этот потенциал используется пока совершенно недостаточно. Имеются единичные опытные установки по переработке ТБО, эксплуатационные характеристики которых нельзя признать удовлетворительными для широкого промышленного использования. В этом направлении предстоит еще большая работа.
Серьезные успехи были достигнуты в области переработки жидких городских стоков. Уже с 50-х годов прошлого века на Курьяновской и Люберецкой станциях г. Москвы производилась очистка городских стоков и работали мощные биогазогенераторы - метантенки. Этот радикальный метод переработки активного ила и осадков сточных вод был затем реализован на станциях очистки Новосибирска, Сочи и других городов России.
В основе биохимической переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70% метана и 30% диоксида углерода.
В настоящее время в России разработкой, созданием, производством опытных серий оборудования, установок в целом, реализующих высокорентабельные биогазовые технологии, занимается ЗАО Центр "ЭкоРос". Этот Центр разработал и выпускает опытными сериями индивидуальные биогазовые установки ИБГУ-1 для хозяйств, имеющих до 5-6 голов крупного рогатого скота. За 10 лет Центр произвел и реализовал 86 комплектов ИБГУ-1: из них - 79 в России, 4 - в Казахстане, 3 - в Белоруссии. С 1997 года по документации ЗАО Центр "ЭкоРос" освоено производство таких установок в Китае в г. Ухань на совместном китайско-российском предприятии.
Под геотермальной энергией понимают физическое тепло глубинных слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. Носителями этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем по земной поверхности составляет около 0,03 Вт/м 2 . Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры - так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2-3К/100м. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100 о С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.
Принято считать, что если температура в геотермальном месторождении превышает 100оС, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН).
В настоящее время в мире суммарная мощность действующих ГеоЭС составляет около 10 ГВт (э). Суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт (т).
Запасы геотермальной энергии в России чрезвычайно велики, по оценкам они в10-15 раз превышают запасы органического топлива в стране. Практически на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30 до 200оС. Сегодня на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые позволяют перейти к широкомасштабному внедрению самых современных технологий для локального теплоснабжения на всей территории нашей страны. С учетом того, что скважины уже существуют, энергия, получаемая из них, в большинстве случаев окажется экономически выгодной.
До недавнего времени масштаб использования геотермальной энергии в стране был весьма скромным. В последнее десятилетие благодаря инициативе и работам АО "Геотерм" и АО "Наука" совместно с Калужским турбинным заводом был сделан существенный скачок в использовании геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах. Построена Верхнемутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт. В 2002 г. пущен в эксплуатацию первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских островах сооружены геотермальные станции теплоснабжения.
Особенно велики и практически повсеместно распространены запасы термальных вод со сравнительно невысокой температурой, недостаточной для непосредственного теплоиспользования. Интерес представляет и использование тепла поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год практически постоянна и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низкопотенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.
Открытие излучения урана впоследствии стало ключом к энергетическим кладовым природы. Главным, сразу же заинтересовавшим исследователей, был вопрос: откуда берется энергия лучей, испускаемых ураном, и почему уран всегда чуточку теплее окружающей среды?
Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. пришли их к революционному по тем временам выводу: атомы некоторых элементов подвержены распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях.
Невиданными темпами развивается сегодня атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт!
В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто - в нем, так же как и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.
Самый распространенный в настоящее время тип реактора водографитовый.
Еще одна распространенная конструкция реакторов - так называемые водо-водяные. В них вода не только отбирает тепло от твэлов, но и служит замедлителем нейтронов вместо графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожской, Балаковской и других атомных электростанциях. Вскоре реакторы такой конструкции, видимо, догонят по мощности и рекордсмена - полуторамиллионик с Игналинской АЭС.
Но все-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными, - реакторами на быстрых нейтронах. Их называют еще реакторами-размножителями. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе - уране-235, которого в природном уране всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудь продолжительное время или же человечество вновь столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов?
Более тридцати лет назад эта проблема была поставлена перед коллективом лаборатории Физико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лаборатории Александром Ильичом Лейпунским была предложена конструкция реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка.
Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы природных урана и тория, а они огромны - только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.
Но все 400 атомных электростанции, работающих сейчас на планете, не могут создать угрозу, хотя бы сравнимую с угрозой, исходящей от 50 тысяч боеголовок.
Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она, безусловно, будет развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а ученые и инженеры сумеют найти необходимые решения.
В 2000-2001 гг. в Минэнерго России была разработана подпрограмма "Энергоэффективность топливно-энергетического комплекса" как часть Федеральной целевой программы "Энергоэффективная экономика", рассчитанной на 2000-2002 годы и на перспективу до 2010 года.
Основными целями раздела подпрограммы "Энергообеспечение регионов", являются:
Улучшение социальных условий жизни населения, проживающего в удаленных и труднодоступных районах с автономным энергоснабжением, при сокращении издержек на доставку топлива в эти районы и увеличении надежности энергоснабжения.
Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения (главным образом в дефицитных энергосистемах) во время аварийных и ограничительных отключений, особенно в сельской местности.
Улучшение экологических условий жизни населения, проживающего в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, особенно в местах массового отдыха населения, за счет снижения вредных выбросов от традиционных энергоустановок путем частичной их замены установками нетрадиционной энергетики.
В соответствии с указанными целями были определены мероприятия:
Создание энергетических комплексов с применением оборудования возобновляемой энергетики в 2002-2010 гг. с государственной поддержкой в объеме 2077 млн. руб.
Развитие производственной базы оборудования нетрадиционной энергетики в 2002-2010 гг. с государственной поддержкой в объеме 218 млн. руб.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области нетрадиционной энергетики на 2002 - 2010 гг. с государственной поддержкой в объеме 46 млн. руб.
Планируемый прирост объема вырабатываемой электрической и тепловой энергии за счет возобновляемых источников в России приведен в табл.4.
Таблица 4.
Снижение вредных выбросов от объектов энергетики, использующих органическое топливо, за 2002-2010 гг. составит 140 тыс. тонн, и сокращение эмиссии СО 2 - более 7700 тыс. тонн. По Программе общие бюджетные затраты на развитие возобновляемой энергетики России в 2002-2010 годах составят 2, 3 млрд. рублей, а суммарная бюджетная эффективность, которая состоит из налоговых поступлений и сокращения затрат на "северный завоз", оценивается в 12, 6 млрд. рублей.
Планируемая общая установленная мощность микро и малых ГЭС составляет 369, 38 МВт при суммарной выработке электроэнергии в объеме 2032, 6 млн кВт*ч. Малая гидроэнергетика занимает ведущее место по объемам освоения среди возобновляемых источников энергии.
Программой запланировано освоение суммарной установленной мощности ветроэнергетических установок в объеме 228 МВт с выработкой электроэнергии количеством 570 млн кВт*ч.
Реализация солнечных фотоэлектрических установок определена в объеме 2, 36 МВт с выработкой 3, 77 млн кВт*ч. Установленная мощность гелионагревательных систем определена в объеме 69, 89 Гкал/ч при выработке энергии на 111, 82 тыс. Гкал, что обеспечивает замещение органического топлива в количестве 15, 99 тыс. т у. т.
Выработка электрической энергии на основе биомассы определена в объеме установленной мощности в 152, 02 МВт, а производство тепловой энергии 2753, 74 тысяч Гкал, что обеспечивает суммарное замещение органического топлива в количестве 686, 37 тысяч т у. т.
Планируемая установленная мощность геотермальных станций по выработке электроэнергии составит 68, 3 МВт, а по выработке тепловой энергии 16, 5 тыс. Гкал, что в сумме обеспечит замещение органического топлива в объеме 133, 84 тыс. т у. т.
Сооружение энергетических установок на основе использования низкопотенциальной энергии (преимущественно тепловых насосов) предусматривает освоение 543, 9 Гкал/ч установленной мощности с выработкой 2991, 4 тыс. Гкал и замещением 221, 2 тыс. т у. т.
Предусмотренное строительство комбинированных систем на базе возобновляемой энергетики и локальных энергоресурсов обеспечит ввод электрической мощности в объеме 30, 54 МВт с выработкой электроэнергии количеством 122, 16 млн. кВт*ч и тепловой энергии мощностью 10, 2 Гкал/ч с выработкой 314, 6 тыс. Гкал. Общее замещение органического топлива от комбинированных энергосистем составит 87, 75 тыс. т у. т.
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 большими дебитами и малыми перепадами высот 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);
Значительной годовой неравномерностью дебита рек.
Указанные факторы осложняют требуют детального обоснования использования энергии рек. В области действует лишь одна ГЭС - Верхотурская установленной мощностью 7 МВт.
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 /3,4/.
Возможные пункты строительства новых ГЭС на существующих гидротехнических сооружениях приведены в табл.5.
Таблица 5. Перечень гидротехнических сооружений с ожидаемым уровнем мощности выше 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.
Использование потенциала микро ГЭС для рек, берущих начало вблизи 60-го градуса восточного меридиана (отроги Уральского хребта) может быть оценено на уровне от 10 до 50 МВт.
При КИУМ ГЭС на уровне = 0,30÷0,35, характерном для изменения водостока рек области годовое производство электроэнергии возможно в объёмах 300 - 500 млн. кВт. ч, что эквивалентно экономии 100-160 тыс. т. у. т. /год. На территории области имеются предприятия, осуществляющие выпуск оборудования для ГЭС малой мощность (Уралгидромаш, Уралэлектротяжмаш и др.).
Область характеризуется достаточно неравномерным распределением ветровых потоков по территории /5/. В табл.6 приведены данные по среднегодовым и среднемесячным скоростям ветра для ряда точек на территории.
Таблица 6.
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.
Существующие технологии получения биогаза из отходов животноводства /6/ для Свердловской области позволяют сделать следующую оценку (табл.7).
Таблица 7
Что соответствует экономии органического топлива: ~ 370 тыс. т. у. т. /год.
Несмотря на кажущуюся незначительность этой экономии целесообразно сооружение биогазовых станций на площадках крупных хозяйств (табл.8).
Таблица 8.
Использование биогаза возможно, как для производства тепловой, так и электрической энергии. В последнем случае используются ДВС с генератором электроэнергии.
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 следующих районах (табл.9).
Таблица 9.
В Свердловской области добыча и использование торфа практически свернуты. Если в 1987 году его добывалось около 3,600 млн. т/год, то в 1999 добыча снизилась до 0,135 млн. т.
Использование торфа сопряжено с необходимостью совершенствования технологии его добычи, осушки, приготовления брикетов и полубрикетов, совершенствования технологий использования (включая газогенераторную технику).
Реально торфяные предприятия области способны при соответствующих условиях обеспечить замену на торф дров и привозного угля для частных потребителей и мелких котельных, а в перспективе и для ряда ведомственных ТЭЦ и ЭС АО "Свердловэнерго".
Возможные объёмы производства торфа в течение 5 лет могут составить не менее 1,5 млн. т. у. т. /год.
Ежегодные объёмы 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.
Объём 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 ожигание 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 ~ 1,5 млн. м³/год для целей энергопотребления.
Общий потенциал нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и нетрадиционных топлив представлен в табл.10.
Таблица 10.
1. Потенциал НИВИЭ области позволяет снизить потребление органического топлива до 5-8 млн. т. у. т. в год.
2. Анализ показывает, что полное использование потенциала НИВИЭ позволит обеспечить устойчивое энергообеспечение свыше 40% децентрализованных и удалённых потребителей.
3. 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.
4. Развертывание работ по НИВИЭ затруднено отсутствием правовой базы, стимулирующей их создание и внедрение.
Заключение
В настоящее время возобновляемые источники энергии (энергия рек, ветра, солнца, биомассы, тепла Земли) в энергобалансе России составляют 22%. Ведущую роль занимает большая гидроэнергетика (20%). При рассмотрении стратегии развития энергетики России необходимо учитывать, что, согласно данным Института мировых ресурсов и других международных организаций, запасов жидкого ископаемого топлива в России осталось на 1-2 поколения, угля и урана на 2-4 поколения жителей России.
Сегодня вклад ВИЭ в энергетический баланс России, несмотря на их огромный потенциал, незначителен. Основным препятствием развития этого направления является отсутствие законодательства по стимулированию возобновляемой энергетики и экономических механизмов его реализации, недостаток финансирования и комплексного подхода к решению этой проблемы: наука – производство - широкомасштабное использование.
Несмотря на то, что электроэнергия и тепло, получаемые от различных ВИЭ, сегодня, как правило, дороже, чем от традиционных источников, существует значительный рынок, где использование ВИЭ конкурентоспособно. Это прежде всего относится к регионам, где источником энергии является дорогое привозное топливо, рекреационным зонам, где на первый план выступает экологическая чистота ВИЭ, к ряду случаев, когда имеющиеся сооружения и объекты позволяют существенно снизить капитальные затраты для сооружаемых ВИЭ (пробуренные скважины для геотермального теплоснабжения, гидротехнические сооружения для малых ГЭС, большое количество различных отходов, подлежащих утилизации).
Состояние производственной базы для производства оборудования для различных ВИЭ в стране различно. Значительны успехи в создании крупных геотермальных электростанций на Камчатке. Отечественные предприятия сегодня производят малыми сериями конкурентоспособное оборудование для малых ГЭС, биогазовых установок небольшой мощности, фотопреобразователи, солнечные водонагревательные установки, малые ветроэнергетические установки, тепловые насосы средней мощности. При ограниченном платежеспособном спросе объем этих производств достаточен. Однако по мере экономического роста потребуется расширение производственной базы по выпуску оборудования для ВИЭ.
Отечественные разработки и производство крупных (мегаваттного класса) ветроэнергетических агрегатов существенно отстают от зарубежных фирм.
Список литературы
1. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Зайцев С.В., Муругов В.П., Пузаков В.Н. "Возобновляемая энергия" "Вестник энергосбережения Южного Урала". июнь, 2002.
2. Борисова С., Темнова Е., Трошкова А., Щеклеин С.Е. Возможности гидроэнергетического потенциала Свердловской области для развития малой гидроэнергетики региона. Энерго - и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Изд. УГТУ, 2001.
3. Данилов Н.И., Щеклеин С.Е., Велкин В.В., Шестак А.Н., Малетин А.П. Возобновляемая энергетика - альтернативная в электрификации удаленных районов. Эффективная энергетика, Изд. УГТУ, 2001.
4. Пицунова О.Н. Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения "Вестник энергосбережения Южного Урала". июнь, 2002
5. Шпильрайн Э.Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России
6. Щеклеин С.Е. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области. "Энергетика региона", Екатеринбург, №2, 2001.
На протяжении последних десятилетий не утихают споры о возобновляемых источниках энергии. Какое значение они должны занимать в энергетической политике, какую часть энергетики следует им «отдать на откуп» и вообще, стоит ли их поддерживать и развивать?К сожалению, позиции многих людей по этим важным вопросам основаны на устаревших фактах и даже ложных представлениях.
Миф №1. Возобновляемые источники энергии – малозначительный ресурс
Критики зеленой энергетики в США утверждают, что, несмотря на многолетние федеральные субсидии и головокружительный рост, демонстрируемый возобновляемыми источниками энергии, они пока не достигли того уровня, который был бы значимым для экономики.
Если судить по доле рынка, занятой отдельными категориями возобновляемых источников, на первый взгляд это утверждение кажется верным. Действительно, на ветряные энергетические установки приходится всего около 5% генерирующих мощностей США и немногим более 4% производства электроэнергии.
Однако соотношение выглядит совершенно иным, если рассматривать всю возобновляемую энергетику в совокупности. Критики почему-то забывают, что гидроэлектростанции, среди которых такая гигантская, как плотина Гувера, тоже относятся к возобновляемым источникам.
Вместе взятые гидроэлектростанции, ветряные фермы, геотермальные и солнечные установки и другие возобновляемые источники произвели в прошлом году 12% всей американской электроэнергии, и почти 14% ожидается получить в текущем году. Для сравнения, на долю атомных электростанций приходится около 19% производства электроэнергии в стране.
Важно учитывать и масштабы. Соединенные Штаты обладают второй по величине энергосистемой на планете, в которой сосредоточено около 20% мировых генерирующих мощностей.
Приходящиеся на ветроэнергетику 5% от этого «пирога» — это очень большой «кусок». Его 60 ГВт, это большая мощность, чем имеет в своем распоряжении энергосистема такого государства как Австралия или Саудовская Аравия и почти столько же, сколько есть у всей Мексики. Это около половины генерирующих мощностей Франции или Бразилии.
Конечно, ветер дует не всегда. Ветряные станции производят лишь около третьей части того, на что способны потенциально, тогда как АЭС может генерировать почти до 100% паспортной мощности. Но даже это «урезанное» количество электроэнергии огромно. В глобальном сравнении объем генерации ветряных ферм США составляет 54% от всего производства электричества Мексики, 26% — Бразилии и Франции, 62% — Австралии, 64% — Турции и более чем в два раза превышает производство электроэнергии в Швейцарии.
Кроме того, размер доли возобновляемой энергетики в общем энергетическом балансе США отражает тот факт, что пока не все штаты проявляют равнозначную активность в ее развитии. Некоторые из них производят значительные объемы «зеленой энергии», другие практически не развивают эту отрасль.
Например, Техас, обладая самой большой энергосистемой в стране, получает 11% энергии из возобновляемых источников, в основном, от ветряных установок. В то же время в Нью-Йорке и Джорджии, где энергетический сектор также очень развит, доля возобновляемой энергетики незначительна.
В спорах рождается истина. Но лишь в том случае, если спорщики основываются на реальном положении вещей, а не «витают в облаках», оторвавшись от твердой почвы. Сторонники возобновляемой энергетики уверены в том, что рано или поздно их позицию поддержит весь мир.
Однако на пути к зеленому «светлому будущему» есть немало препятствий, на которые мечтатели не обращают внимания. Для популяризации идеи и привлечения новых сторонников в лагерь зеленых миф о том, что возобновляемые источники являются панацеей от всех проблем, весьма привлекателен, как может показаться на первый взгляд.
Миф №2. Возобновляемые источники энергии способны заменить все виды ископаемого топлива
Оборотной стороной критики возобновляемых источников энергии является бустеризм, т.е. их рекламирование, сглаживая «острые углы» и не акцентируя внимание на трудностях. Некоторые сторонники возобновляемой энергетики описывают радужное будущее, где 100% энергетических потребностей будут удовлетворять недорогие и надежные возобновляемые источники энергии.
Возможно ли такое? Сфокусировавшись на электричестве, исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory) попытались найти ответ на этот вопрос.
Сценарий полного отказа от ископаемого топлива ученые не рассматривали, однако они выяснили, что технически к 2050 году США вполне могут получать из возобновляемых источников до 80% всей электроэнергии, доставляя ее потребителям ежечасно и ежедневно в любой уголок страны.
«Ну, ты могла бы», — гласит известный рекламный слоган. Однако на практике взобраться на теоретические «сияющие вершины» не так-то просто. Исследования показали, что для достижения этой цели Соединенным Штатам пришлось бы ежегодно в течение двух десятилетий вводить в строй не менее 20000 МВт генерирующих мощностей возобновляемой энергетики, постепенно наращивая усилия, чтобы увеличить эту цифру вдвое.
Ученые не нашли поводов, чтобы выразить сомнения в том, что индустрия способна произвести необходимое оборудование. Куда сложнее найти место, где бы можно было установить все эти ветряные, солнечные и гидроэлектростанции.
Управление огромными инвестициями, необходимыми для первого этапа строительства было бы еще одним препятствием для достижения радужной цели.
Но по мере расширения сферы возобновляемой энергетики неизбежно появление еще одной финансовой проблемы. Эксперты прогнозируют, что наличие больших переменных объемов энергии из возобновляемых источников может обрушить оптовые цены на электроэнергию. Это усложнит поиск новых инвестиций в генерирующие мощности в последующие годы.
Также США пришлось бы к 2050 году практически переделать заново всю существующую сеть ЛЭП, чтобы приспособить их для работы с переменными объемами. Трудность в том, что потребуется выяснить, где будут построены новые линии и кто будет за них платить, какие федеральные или местные органы власти будут нести эту финансовую нагрузку.
Таким образом, нет никаких оснований сомневаться в том, что США способны достичь 80-процентного уровня внедрения возобновляемых источников в энергосистему страны. Но есть множество проблем, которые предстоит решить, прежде чем замахиваться на подобную задачу.
«Дороговизна» возобновляемых источников энергии – один из излюбленных аргументов их противников. Но как обстоят дела на самом деле?
Миф №3. Возобновляемые источники энергии обходятся слишком дорого
Одно из последних всеобъемлющих сравнений оптовых цен на электроэнергию на американском рынке опубликовано в Журнале экологических исследований и наук (Journal of Environmental Studies and Sciences). Электричество, генерируемое угольными электростанциями, стоит 3 цента за киловатт-час.
Выработанная новыми газовыми станциями энергия продается по 6,2 цента, электроэнергия с ветряных ферм – по 8 центов, полученная солнечными фотоэлектрическими установками продается по 13,3 за 1 киловатт-час.
Однако есть два значимых фактора, которые следует иметь в виду. Во-первых, затраты быстро снижаются. Благодаря технологическим достижениям появляются дешевые мощные ветряные турбины и недорогие компоненты солнечных электрических систем, поэтому во многих местах себестоимость возобновляемой энергии становится все меньше.
В среднем, закупочная цена электричества с ветряных ферм упала до уровня, немного превышающего 4 цента за киловатт-час, не считая федеральной субсидии в размере 2,2 цента. В некоторых районах, расположенные удачно ветряные установки производят электроэнергию по ценам близким к 2 центам.
Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) недавно выпустила самый свежий отчет о затратах на установку солнечных энергетических установок. Согласно данным отчета расходы на мелкие бытовые солнечные установки в жилых массивах упали за прошлый год примерно на 13% в основном по причине перенасыщения рынка солнечными компонентами.
Следует учесть также и скрытые затраты. У угольных электростанций, например, есть неприятные побочные эффекты, такие как загрязнение воздуха, воздействие на здоровье человека и выбросы двуокиси углерода, способствующие глобальному потеплению.
Несмотря на то, что все эти факторы учтены в последних предложениях администрации президента Обамы по новым ограничениям выбросов от сжигания угля, в цене электричества, вырабатываемого тепловыми электростанциями они не отражены.
С учетом скрытых расходов общая стоимость различных источников энергии отличается от тех, что были недавно опубликованы. На существующих угольных электростанциях цена увеличится на 6 центов и составит 9 центов за киловатт-час. Для новых угольных станций эти цифры составят 4 и 13,2 цента соответственно.
Цена энергии, полученной на новых газовых электростанциях, увеличится на 1,3 цента и достигнет 7,5 цента за киловатт-час. Однако цена электричества с ветряных ферм, солнечных установок и АЭС не увеличится, т.к. они не способствуют росту числа заболеваний астмой и не выделяют углекислый газ.
Будет справедливо отметить, что есть и другие дополнительные расходы, не учитывающиеся в прямых сравнениях. Так следствием работы АЭС является необходимость решения проблемы переработки и хранения радиационных отходов, а нестабильные объемы ветровой и солнечной энергии требуют дополнительных мер по их интеграции с электросетями.
Кроме перечисленных особенностей при сравнении себестоимости производства энергии из различных источников, следует учитывать и другие факторы. Газовые электростанции производят энергию в пиковые часы, что способствует ее продаже по более высокой цене. Аналогично солнечные установки также работают днем, что делает солнечную энергию более привлекательной.
В то же время энергия ветра преобразуется в электричество преимущественно по ночам, поэтому продукция ферм менее ценна для энергосистемы.
Миф №4. Нестабильность обрекает возобновляемые источники энергии
Солнце порой прячется за облаками, на смену ветру, как правило, приходит штиль. Эти естественные факторы приводят к тому, что ветряные фермы и солнечные панели работают не на полную мощность. 100-мегаваттный ветропарк генерирует в среднем столько же энергии, сколько постоянно действующий источник втрое меньшей мощности.
«Кому нужны «мертвые» мощности!» — восклицают оппоненты возобновляемой энергетики. Потребитель не может «ждать у моря погоды», промышленность нуждается в энергии для производства, население – для удовлетворения бытовых нужд. Возобновляемые источники обречены, так как не способны обеспечить стабильность поставок энергии.
Первым делом, не следует забывать, что среди возобновляемых источников энергии есть виды, способные работать на полную мощность постоянно, например, гидроэлектростанции или геотермальные установки.
Но так как основной прирост мощности возобновляемой энергетики в США обеспечивают ветряные и солнечные установки, их непостоянство является не только технической проблемой для электрических сетей, но и стабильным поводом для критики всего зеленого сектора энергетики.
Непостоянство выработки требует дополнительных денег, и это факт. Чтобы эксплуатировать нестабильные источники требуется содержать определенный резерв или использовать иные способы компенсации этого системного недостатка, который даже может привести к простою оборудования или работе вхолостую, отмечают исследователи из Лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory).
Когда, к примеру, операторы электросетей не хотят или не могут справиться с объемом поставляемой ветряными фермами электроэнергии, они просто отказываются от него. Этот процесс называется ограничением поставок.
Нестабильность — действительно сложная техническая проблема. Тем не менее, положение быстро улучшается. Ограничение поставок в последние годы сокращается, так как сетевые операторы научились лучше использовать прогнозы для интеграции ветровой энергии.
Растут инвестиции в новые линии электропередач, что позволяет ветряным фермам в изолированных местностях предлагать свою энергию большему количеству потребителей.
Линии электропередач – ключ к преодолению естественной нестабильности энергии солнца и ветра. Поставки от отдельного ветропарка могут быть очень неустойчивыми.
Но десятки ветряных полей рассредоточенных на тысячи километров показывают значительно меньшую нестабильность. Где-то всегда дует ветер. Когда операторы сетей подключили к ним больше рассредоточенных ветряных установок и расширили сеть ЛЭП для передачи энергии, уровень интеграции возобновляемых источников и электросетей повысился.
Например, Техас четыре года назад сталкивался с серьезными ограничениями поставок. Штат «сбрасывал» 17% энергии, поставляемой ветряными фермами.
В 2012 году после роста числа ветропарков и строительства свыше 4000 километров линий электропередач потери сократились ниже 4%, и сегодня ветер вырабатывает 10% потребляемой штатом электроэнергии.
___________________________________________________________
Возобновляемые источники энергии — важная составляющая общемировой тенденции к озеленению экономики, как и сантехника для ванной — важная составляющая общей идеи дизайна ванной комнаты. Это обязательный элемент, без которого картина не будет полной
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ, потоки энергии, постоянно существующие или периодически возникающие в окружающей среде. К основным возобновляемым источникам энергии относятся: солнечное излучение, гидроэнергия, энергия ветра, биомассы, морских и океанических течений, энергия приливов и отливов, тепловая энергия недр Земли (геотермальная энергия). Потенциальные запасы возобновляемых источников энергии намного превышают все перспективные потребности человечества в энергии, а также потенциал невозобновляемых источников энергии (органических и ядерное топливо). Использование возобновляемых источников энергии (нетрадиционная энергетика) позволит решить проблемы сокращения запасов невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов, обеспечения энергоресурсами децентрализованных потребителей и регионов с дальним завозом топлива, снижения расходов на его доставку. Технический потенциал возобновляемых источников энергии России составляет примерно 4,6 миллиарда тонн условного топлива (т.у.т.) в год (в Российской Федерации принят топливный тонно-эквивалент по углю, равный 29,3·10 9 Дж; в Европе и США принят топливный тонно-эквивалент по нефти, равный 41,8·10 9 Дж), что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 миллиарда т.у.т. в год.
Солнечное излучение (самый мощный источник энергии на Земле) существенно меняется в зависимости от времени суток, состояния атмосферы, времени года. Годовой поток солнечной радиации на Земле находится в пределах 3000-8000 МДж/м 2 в год (800-2200 кВт·ч/м 2). Ежегодное количество солнечной энергии у поверхности Земли в 25 раз превышает энергию всех мировых разведанных запасов угля и в 3-5 тысяч раз больше ежегодно расходуемой человечеством энергии. В России экономический потенциал использования солнечной энергии эквивалентен 2300 миллионам т.у.т., освоено 12,5 миллионов т.у.т.
Солнечную энергию можно использовать для производства электроэнергии непосредственным преобразованием в электрическую энергию при помощи солнечных батарей (смотри также Гелиотехника, Гелиоэлектрическая станция).
Гидроэнергетические источники оценивают количеством энергии, которая может быть получена, если перегородить все крупные реки планеты, что соответствует 9802 миллиардам кВт·ч, в том числе 852 миллиарда кВт·ч (около 8,7% мировых запасов) составляет экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов России. Наибольшими гидроэнергетическими запасами обладают Китай, Россия, США и Бразилия. В России основные гидроэнергетические ресурсы (около 80%) расположены в малообжитых районах Сибири и Дальнего Востока (освоено около 10%). Поэтому создание в этих районах крупных ГЭС представляется неоправданным как с экономической, так и с экологической точек зрения (приведёт к затоплению обширных пространств тайги). Производство современных гидроагрегатов мощностью 10-5860 кВт позволяет возобновить в России строительство малых ГЭС. Экономический потенциал использования малой гидроэнергетики эквивалентен 125 миллионам т.у.т., освоено 65 миллионов т.у.т. (на 2003 действуют около 50 микро-ГЭС мощностью от 1,5 до 50 кВт) (смотри Гидроэнергетика).
Использование энергии ветра в различных районах Земли неодинаково. В России экономический потенциал энергии ветра эквивалентен 2000 миллионов т.у.т., освоено 10 миллионов т.у.т. (смотри Ветроэлектрическая станция, Ветроэнергетика).
Биомасса, получаемая из продуктов сельского хозяйства, лесоводства, аквакультуры, промышленных и бытовых органических отходов, служит для производства энергии и биотоплива (энергетическая ферма). Основной целью переработки сырья могло бы быть исключительно производство энергии, но более выгодно использовать биомассу для получения и биотоплива (например, метилового спирта). В России экономический потенциал энергии биомассы эквивалентен 53 миллионам т.у.т., освоено 35 миллионов т.у.т. (2005). Имеются технические разработки по использованию биогаза в качестве автомобильного топлива (смотри Биогаз, Биомасса).
Океанические источники включают энергию течений на всей акватории Мирового океана, приливов, волн, смешивания пресные и солёные морские воды, разности (градиентов) температур, существующей между поверхностными и глубинными слоями воды в тропических районах океанов. Для технической реализации целесообразно освоение только наиболее крупных течений, приливов с большой амплитудой, участков океана со значительной разницей солёности между речным стоком и морской водой и с температурным перепадом в 20°С, при котором может быть эффективно осуществлён Карно цикл. На преобразовании энергии приливов основано действие приливных электростанций (ПЭС). Наиболее известны: ПЭС мощностью 240 МВт, расположенная в Бретани (Франция), и небольшая опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой губе на побережье Баренцева море (Россия). К перспективным проектам развития приливной энергетики в России относятся Мезенская ПЭС на Белом море (19 200 МВт), Тугурская ПЭС на Охотском море (7980 МВт). В Мировом океане разность температур между тёплыми поверхностными водами и более холодными (придонными) достигает 20°С. Это обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая может быть преобразована в другие виды (механическую, электрическую).
Геотермальные источники аккумулируют неисчерпаемое количество энергии в недрах земли. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, разделяют на гидрогеотермальные и петрогеотермальные (смотри в статье Геотермальные ресурсы). Гидрогеотермальные источники (в том числе системы с горячей водой) распространены гораздо шире, чем системы, вырабатывающие перегретый пар (около 240°С) под давлением до 3,5 МПа, с небольшим содержанием других газов, отсутствием (или малым содержанием) воды (известные также как системы сухого пара). Пар, обычно высокого качества (содержит незначительное количество твёрдых частиц), можно направлять сразу же после извлечения из недр в обычную паровую турбину для производства электроэнергии. Первая в России Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведённая впоследствии до мощности 11 МВт, создана в 1967 году на южной оконечности полуострова Камчатка. На Верхнемутновской ГеоТЭС мощностью 12 МВт и Мутновской ГеоТЭС мощностью 80 МВт (Камчатка) в качестве теплоносителя используется пар местного месторождения (давление 0,8 МПа). В 1989 году на Северном Кавказе создана опытная Ставропольская ГеоТЭС, где в качестве теплоносителя применяется термальная вода с температурой 165°С, добываемая с глубины 4,2 км. Функционирует океанская ГеоТЭС на острове Итуруп (Сахалинская область) суммарной мощностью 30 МВт. Находится в эксплуатации Курильская ГеоТЭС мощностью 0,5 МВт. Месторождения парогидротермальных источников имеются в России только на Камчатке и Курилах, поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны, однако для указанных районов, энергоснабжение которых целиком зависит от привозного топлива, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения (смотри также Геотермальная электростанция).
Экологический аспект. Существует мнение, что выработка электроэнергии за счёт возобновляемых источников представляет собой абсолютно экологически «чистый» вариант. Это не совсем верно, так как эти источники энергии обладают принципиально иным спектром воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционными энергоустановками на органическом топливе. Использование возобновляемых источников энергии может привести к изменению теплового баланса, затемнению больших территорий солнечными концентраторами (солнечная энергия); шумовым воздействиям, локальным климатическим изменениям, опасности для мигрирующих птиц и насекомых (ветроэнергетика); выбросу твёрдых частиц, канцерогенных и токсичных веществ, диоксида углерода, биогаза (биоэнергетика); появлению биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений, периодическому затоплению прибрежных территорий, эрозии побережья, смене движения прибрежных песков (гидротермальная энергетика, энергия приливов, волн); изменению уровня грунтовых вод, оседанию почвы, заболачиванию (геотермальная энергетика) и др.
Лит.: Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. М., 1987; Васильев Л. Л., Гракович Л. П., Хрусталев Д. К. Тепловые трубы в системах с возобновляемыми источниками энергии. Минск, 1988; Андреев В. М., Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л., 1989; Сичкарев В. И., Акуличев В. А. Волновые энергетические станции в океане. М., 1989; Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. М., 2000.
В последние десятилетия использование возобновляемых источников энергии все чаще становится темой различных научных исследований, совещаний, ассамблей. Люди приходят к пониманию, что добывая для себя ресурсы, мы наносим необратимый вред планете. А с развитием технического прогресса энергии для человечества требуется все больше и больше. Если еще пару десятилетий назад экспериментальные установки, преобразующие энергию ветра или солнца в электрическую и тепловую вызывали саркастические улыбки, то сейчас эти ресурсы уже получили распространение и стали вполне обычным явлением.
Но далеко еще не все знают, что в конструкциях многих современных приборов используются технологии, использующие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. К примеру, производители компании Bosh производят котлы отопления и ГВС, создали несколько моделей, которые подсоединяются к солнечным коллекторам. В результате этого шага КПД котлов возрос на 110%. Получается, что атмосфера получает намного меньше вреда в виде продуктов сгорания природного газа, а люди получают существенную экономию, благодаря уменьшению потребления газа, следовательно, и оплаты за него.
Польза от экономичных приборов, работающих на возобновляемых источниках энергии понятна, и теперь перед учеными и промышленниками стоит главная задача – провести максимально обширную информационную компанию, которая бы привела человечество к выбору экологичных технологий.
Что такое возобновляемая энергия
Возобновляемая энергия носит еще несколько названий. Это «регенеративная энергия» и «зеленая энергия», то есть энергия, которую вырабатывается природными источниками, и ее добыча совершенно не вредит окружающей среде. Запасы такой энергии неисчерпаемы, размеры их неограниченные, если судить по меркам человечества.
Соотнести обозримое будущее людей и, к примеру, срок жизни солнца, совершенно невозможно. Буквально недавно ученые обнародовали выведенную ими цифру лет, после которой солнце совершенно погаснет. Это 5 миллиардов лет. Очень хочется верить, что жизнь на Земле будет процветать все это время, и что люди будут жить и здравствовать. Но уже сейчас можно предположить, что число людей на планете будет расти, как и сейчас. Для них нужны будут дешевые энергетические ресурсы. Возобновляемые энергетические технологии будут в этом вопросе единственным выходом при условии сохранения планеты, ее богатств животного и растительного мира, климатического разнообразия, ландшафтных красот, чистого воздуха, воды, земли и недр.
Именно поэтому так широко приветствуются уже сейчас технологии получения энергии при помощи ветра, солнца, дождя, геотермальных источников, рек, морей и океанов и пр. Все это возобновляемые источники энергии. Сколько бы человек не пользовался такой энергией, она никогда не иссякнет. Ветер всегда будет дуть, вызывая приливы и отливы, реки всегда будут своей мощью крутить лопасти гидротурбин, солнечные коллекторы будут обеспечивать тепло в жилых домах и больших учреждениях.
Энергоэффективность и энергосбережение в России
Эти два направления входят в общий стратегический план развития России, обозначены они были еще в 2010 году. Государству действительно выгодно, чтобы возобновляемые источники энергии в России действительно применялись. Если завод будет потреблять дешевую и легко получаемую энергию, то снизится себестоимость продукции. При этом снизится цена на товар в магазине, создав сокращение социальной напряженности, и увеличится общая прибыль предприятия. А это значит, что будут созданы новые рабочие места, будут развиваться новые технологии и существенно вырастет уровень средств, перечисляемых предприятием в виде налогов.
Если частный владелец жилья перейдет на потребление возобновляемой энергии, то государству от этого шага опять-таки будет большая польза. Он, во-первых, приобретет новейшее оборудование, что стоит недешево в настоящее время. Во-вторых, человек не будет требовать подвести к его жилью центральные коммуникации. И в третьих, воздействие на экологию сократиться до минимального, следовательно, государство потратит намного меньше средств на природоохранные мероприятия.
Мотивы в масштабе всей России понятны, осталось самое трудное — научить российских граждан рассуждать не только, исходя из собственных затрат, но и с позиций сбережения природных ресурсов. Необходимо донести до населения, что возобновляемые и невозобновляемые источники энергии могут по-разному влиять не только на благосостояние, но и на здоровье и продолжительность жизни нации.
Нефть, газ, торф, каменный уголь – все это ресурсы привычные, эффективные, но невозобновляемые. Да, если рассматривать вопрос с позиции ныне живущих и даже их детей и внуков, то на наш век всего этого хватит. Но загрязнение атмосферы происходит в большей части именно продуктами сгорания этих ресурсов, а болезни от грязного воздуха (астмы, аллергии, иммунная недостаточность, болезни сердца, рак и пр.) – это уже проблема ныне живущих.
Использование возобновляемых источников энергии не только удешевляет добычу и потребление, но и очищает атмосферу, улучшает наше здоровье. И в этом тоже огромная выгода для государства, ведь здоровое общество – гарант высоких показателей экономики, достижений науки, культуры и искусства и пр.
Ученые отмечают, что в нашей стране огромный потенциал для развития использования энергосберегающих технологий. Мы можем добиться показателя в 40% от всего количества потребления энергии. То есть 40% энергии будет производиться с помощью возобновляемых источников. Это 400 миллионов т.у.т. Для справки: 1 т.у.т. – это теплота сгорания 1 килограмма условного топлива. То есть мы можем заменить альтернативными источниками 400 миллионов килограмм топлива в год, дорогостоящего и дающего вредные выхлопы. Такова возобновляемая энергия в России, а если говорить о мире в целом, то этот показатель составляет 20 миллиардов т.у.т. в год! Это более половины всего топливного и энергетического ресурса.
Российское правительство разработало ряд документов, которые определяют регламент работы по внедрению у нас энергоэффективных технологий. Рассчитано их действие до 2030 года.
Очень интересно мнение экономических аналитиков на тему внедрения в России технологий с использованием возобновляемых источников энергии. Они заметили, что поводом для использования крупными бизнес-субъектами новейших разработок, производства экологичных приборов, имеет два мотива. Первичен мотив экономический. Если технология приносит прибыль производителю или пользователю, то она используется и внедряется. А вот улучшение экологии всегда является вторичным мотивом, про него вспоминают только тогда, когда успешно получена прибыль. Менталитет, что поделать!
Возобновляемые источники энергии: мировые тенденции
В этом направлении поражает очень интересная тенденция – наиболее сильно развиваются и применяются все виды возобновляемых источников энергии в развивающихся и небогатых странах. Они, конечно, не приблизились к цифрам затрат передовых стран, но по темпам развития опережают, и достаточно уверенно.
В 2012 году были созданы и получили развитие проекты по возобновляемым технологиям в 138 странах. И две трети от этого числа – развивающиеся страны. Неоспоримым лидером среди них является Китай, в 2012 году он увеличил получение электричества из солнечной энергии на 22%, по государственным расценкам «из солнца» было получено 67 миллиардов долларов! Так же резкий рос развития энергоэффективных и экологичных технологий произошел в Марокко, в Южной Африке, Чили, Мексике, Кении. Блестящих результатов в своих регионах добились Ближний Восток и Африка.
ООН отметила, что благодаря такому эффективному росту был обеспечен доступ всех стран к современным энергетическим услугам, были удвоены темпы повышения эффективности использования альтернативной энергии на Земле, и появилась очевидная вероятность того, что к 2030 году альтернативная энергетика обгонит стандартную.
В развитых странах предпринимаются ряд мер, которые позволяют ускорить процесс строительства установок для получения возобновляемой энергии. В Японии, к примеру, тем, кто устанавливает солнечные батареи, положены льготные тарифы и субсидии на строительство и установку.
Гидроэлектростанции
В этих сооружениях электричество вырабатывается за счет энергии падающей воды. Поэтому строят такие объекты на реках с большим течением и перепадами в уровне на местности. Кроме того, что река никогда не перестанет течь, выработка энергии не приносит никакого вреда окружающему пространству. Мировое сообщество получает таким способом до 20% от всей электроэнергии. Лидеры в этой отрасли – страны, где протекает большое количество многоводных рек: Россия, Норвегия, Канада, Китай, Бразилия, США.
Биотопливо
Биотопливо – это самые разнообразные виды возобновляемых источников энергии. Это отходы различных производств: деревообработки, сельского хозяйства. Да и просто бытовой мусор является ценным источником энергии. Также в выработке альтернативной энергии используются мусор со строительства, от вырубки леса, от производства бумаги, от фермерских хозяйств, мусор с городских свалок и там же вырабатываемый естественным образом метан.
В последнее время в прессе все больше появляется информации, что топливом становятся такие источники, которые ранее даже предположительно ими быть не могли. Это навоз с ферм, это перегнившая трава, это растительное и животное масло. В продукты переработки этих источников добавляется немного дизельного топлива, и далее используется по назначению – для заправки автомобилей! Выхлопы такого топлива во много раз менее токсичны, что особо важно в мегаполисах. Сейчас уже ученые ведут разработку рецептуры и технологии производства биотоплива без добавления дизельного.
Ветер
Технология ветряных мельниц известна издревле. И только в 70-х годах прошлого века люди стали придумывать ветряки в качестве источников альтернативной энергии. Были созданы первые ветряные электростанции. Уже в 80-е годы XX века в селах стали появляться целые ряды генераторов, преобразовывавшие в электрическую энергию ветра. Сейчас лидируют по числу таких электростанций Германия, Дания, Испания, США, Индия и все тот же самый прогрессивный Китай. Отличительная особенность установки таких сооружений – их совсем не низкая себестоимость. Окупается ветряк не очень быстро, и строительство ветряных станций требует первоначальных инвестиций.
Геотермальная энергия
Геотермальные электростанции работают на тепле природных горячих источников, они его преобразовывают в электрическую энергию и снабжают жилые помещения близлежащих населенных пунктов горячей водой. Первая такая электростанция была пущена в эксплуатацию в Италии в 1904 году. Причем работает она до сих пор и довольно успешно! Сейчас такие станции построены в 72 странах мира, лидируют здесь США, Филиппины, Исландия, Кения, Россия.
Океан
Приливы и отливы в прибрежных зонах океана настолько сильны, что своим течением они способны выработать довольно большое количество энергии. Плотиной разгораживаются верхний и нижний бассейны, при движении воды вращаются лопасти турбины, которая приводит в действие генератор электричества. Схема проста, как и все, что связано с возобновляемыми источниками энергии. На планете всего 40 таких станций, потому что мало где соблюдено природой основное требование – разница уровня в бассейнах 5 метров. Построены приливные станции во Франции, Канаде, Китае, Индии, России.
В последнее время все большую популярность приобретает технология «пассивного охлаждения и нагревания». Благодаря ей, совершенно не нужно отапливать или охлаждать жилое помещение, следовательно, происходит экологичное получение энергии из внутренних ресурсов самого дома. Технология включает в себя правильное архитектурное решение, соблюдение размеров окон и наклона козырьков, структуры стен и потолков, а также использование внутренних вентиляторов и деревьев, посаженных рядом с домом. Очень интересная и рачительная технология, проверенная уже не на одном жилом строении.
Несколько слов о будущем
Будущее сегодня кажется немного наивным, как когда-то смешными казались солнечные батареи и ветряные электростанции. Сегодня ученые прогнозируют развитие технологии водородного топлива, энергии синтеза атомов водорода в атом гелия с огромным выделением энергии, а также планируют получать энергию солнца с помощью спутников Земли и использовать энергию черных дыр. Словом, все теории необычайно интересны. Кто знает, может, уже через 5-10 лет все черные дыры нашей галактики будут работать для тепла в наших домах. Главное, чтобы планета наша жила и была чистой и безопасной!
Германия: Ставка на возобновляемые источники энергии