Источники альтернативной энергетики

Овладение источниками энергии всегда было способом выживания человечества. И ныне ее потребление остается одним из важнейших не только экономических, но и социальных показателей, во многом предопределяющих уровень жизни людей. Электроэнергетика — наиболее важная отрасль энергетики, включающая в себя производство, передачу и сбыт электроэнергии.

Долгое время энергетической базой для человечества служило ископаемое топливо (уголь, нефть и газ), запасы которого неуклонно сокращаются и приближаются к полному исчерпанию. Кроме того, исследования климатологов всё с большей достоверностью стали свидетельствовать о том, что глобальное потепление стало слишком очевидным фактом. Не менее очевидным стал и вклад человека в изменения климата: последние исследования ископаемых льдов показали, что концентрация углекислого газа в атмосфере в настоящее время достигла пика за последние 800 тыс. лет.

Надвигающаяся угроза топливного “голода”, а также загрязнение окружающей среды вынуждает мир с новых позиций обратить внимание на так называемые альтернативные источники энергии - солнечной, геотермальной, приливной, ветровой.

Актуальность проблемы альтернативной энергетики повышается и тем, что на сегодняшний день Россия находится в стадии очень высоких темпов роста электропотребления. И при том темпе энергопотребления, который сегодня Россия демонстрирует и можно надеяться, что эта динамика продолжится, поскольку это связано с ростом промышленного производства и ростом нашей социальной и жилищной инфраструктуры, уже к 2012 году дефицит может иметь серьезный характер, и это может стать глобальным тормозом общего развития страны.

Всё это ставит нас перед выбором: либо осваивать альтернативные источники энергии, лишенные этих недостатков, либо ограничивать энергопотребление. Последнее препятствует стремлению человечества к дальнейшему технологическому развитию и может стать лишь временным решением. Поэтому альтернативные возобновляемые и экологически безопасные энергетические ресурсы – это наше будущее.

II. Альтернативная энергетика

Под альтернативной энергетикой понимают, в первую очередь, альтернативность потреблению не возобновляемых ресурсов, прежде всего нефти. Во-вторых, это альтернативность такому использованию источников энергии, которая ведет к нарастанию климатических изменений и к загрязнению окружающей среды. Кроме того, это альтернативность большой энергетике, гигантским проектам, как собственно по производству электроэнергии, тепла, так и инфраструктурным по транспортировке на большие расстояния электроэнергии. Таким образом, альтернативная энергетика – это возобновляемые источники энергии, экологически чистые источники энергии и малая энергетика. Необходимо также отметить, что с точки зрения стремительно развивающегося мира в эпоху глобализации, альтернативные источники энергии – это залог национальной и глобальной энергетической безопасности.

Совокупные ресурсы возобновляемых источников энергии более чем в 5 тысяч раз превышают современный уровень потребления энергии в мире составляющий 13 ТВт. Существенно, что эти ресурсы значительно доступнее и равномернее распределены по поверхности Земли, в том числе и на территории России, чем месторождения угля, нефти, газа или урана. Россия имеет колоссальный потенциал использования возобновляемых источников энергии Однако, имеющиеся возможности использования – в диапазоне 5–10%.

2. 1 Источники альтернативной энергии

Солнечная энергетика

Фаворит альтернативных источников энергии. За год на Землю попадает 1018 кВт·ч солнечной энергии, 2% которой могут быть использованы без заметного ущерба для окружающей среды, что в сотни раз превышает современные потребности планеты.

Энергия Солнца может преобразовываться в электроэнергию и в тепло для эффективного обогрева помещений. Сегодня энергия солнца используется в основном в системах солнечного теплоснабжения, которые представляют из себя коллекторы в виде застекленного сверху и теплоизолированного снизу плоского ящика с металлической зачерненной панелью и каналами для теплоносителя, позволяющими нагревать воду до 50–70 градусов.

Бытует мнение, что в России солнечного излучения недостаточно и использовать его нецелесообразно. Однако детальные исследования специалистов Института высоких температур Российской академии наук (в том числе с использованием спутниковых данных NASA) показали что более 60% территории России, включая многие северные районы, характеризуются существенными среднегодовым поступлением солнечной энергии 3,5 - 4,5 кВт ч/м2 день.

Наиболее "солнечными" являются регионы Дальнего Востока и юга Сибири (от 4,5 до 5,0 кВт ч/м2 день). А большая часть Сибири, включая Якутию, по среднегодовому поступлению солнечной радиации относятся к той же зоне, что и районы Северного Кавказа и Сочи, (4,0-4,5 кВт ч/м2 день).

В целом технический потенциал солнечной энергии в России составляет не менее 2 ТВт и примерно в два раза превышает сегодняшнее суммарное энергопотребление по стране.

До последнего времени развитию солнечной энергетики в России не уделялось должного внимания. Однако уже в 2008-2009 гг. российская фирма «Солнечная энергетика» приступит к выпуску основных элементов для производства солнечных батарей мощностью до 30-40 МВт в год. Инвестиции в данный проект до 2009 г составят $114 млн.

В России планируют создать 7 новых заводов по его производству. Самый большой завод, Nitol Solar, вблизи Иркутска, уже приступил к производству с января 2009.

Наибольшее развитие солнечные установки для обогрева помещений получили в Краснодарском крае и Республике Бурятия. В Бурятии солнечными коллекторами производительностью от 500 до 3000 литров горячей воды (90-100 градусов по Цельсию) в сутки оснащены различные промышленные и социальные объекты - больницы, школы, завод "Электромашина" и т. д. , а также частные жилые здания.

Опыт работы солнечных электростанций показал, что в условиях длительного полярного дня большую пользу приносит не только пассивное использование солнечной энергии (зеркальные веранды, усиленная теплоизоляция), но и пассивные системы теплоснабжения (солнечные коллекторы с водой или с другим аккумулятором тепла). Не потеряли своего значения и активные системы фотоэлементов, функционирующих также и при облачной погоде.

Гидроэнергетика

Интерес к технологии преобразования энергии приливов в электрическую впервые появился в середине прошлого века. Сразу в нескольких странах началось строительство опытных приливных электростанций. Широкое использование энергии морских приливов сможет обеспечить до 15 % всего современного мирового потребления электроэнергии. Недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым – условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.

Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор

40 лет назад в губе Кислой Баренцева моря в Кольской энергосистеме была введена в эксплуатацию пионерная в России приливная электростанция – экспериментальная Кислогубская ПЭС. Здание Кислогубской ПЭС сооружено наплавным способом, что позволило на треть сократить ее стоимость.

В 2006 в г. Северодвинске был изготовлен экспериментальный металлический наплавной энергоблок Малой Мезенской ПЭС с ортогональным гидроагрегатом с диаметром рабочего колеса 5 метров и установленной мощностью 1500 кВт. После вывода модуль-блока со стапеля завода он был отбуксирован по морю и установлен в проектное положение в створе Кислогубской ПЭС. В настоящее время на энергоблоке ведутся работы по программе комплексных натурных испытаний ортогональных гидроагрегатов и вспомогательного оборудования. Полученные результаты испытаний будут использованы при промышленном изготовлении гидроагрегатов приливных электростанций.

Впоследствии технологии и конструкции, отработанные на Кислогубской ПЭС, будут применены при создании перспективных приливных электростанций, таких как Мезенская ПЭС проектной мощностью 4000 МВт и Тугурской ПЭС проектной мощностью 3580 МВт.

Вводы первых агрегатов данных ПЭС включены в Генеральную схему размещения объектов электроэнергетики на период до 2020 года.

Ветроэнергетика

Технически достижимые ресурсы ветровой энергии в России оцениваются в 16 млрд. МВт-ч. Россия – одна из самых богатых в этом отношении стран. Самая длинная на Земле береговая линия, обилие ровных безлесных пространств, большие акватории внутренних озер и морей - всё это наиболее благоприятные места для размещения ветропарков. К сожалению, большая часть побережий малолюдны, лишены крупных промышленных потребителей и развитых высоковольтных сетей. В результате суммарная мощность всех ВЭУ России составляет только 16,5 МВт.

Целесообразно развитие ветроэнергетики, прежде всего, в регионах Крайнего Севера, побережьях и островах северных и восточных морей от Мурманска до Находки, Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского морей и ряде других мест. При среднегодовой скорости ветра превышающей, как правило, 5 м/с, применение современных ВЭУ уже оправдано, а во многих местах она составляет 6 м/с и более, что соответствует примерно 3–5 тыс. часов использования установленной мощности ВЭУ в год.

Одна из самых больших ветроэлектростанций России (5,1 МВт) расположена в районе п. Куликово (Калининградская область). Её среднегодовая выработка составляет около 6 млн кВт·ч.

На Чукотке действует Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт (10 ветроагрегатов по 250 кВт) среднегодовой выработкой более 3 млн кВт·ч, параллельно станции установлен ДВС, вырабатывающий 30 % энергии установки. На о. Беринга действует ВЭС мощностью 1,2 МВт. Также крупные ветроэлектростанции расположены у д. Тюпкильды (респ. Башкортостан - 2,2 Мвт). В Калмыкии размещена площадка Калмыцкой ВЭС планировавшейся мощностью в 22 МВт и годовой выработкой 53 млн кВт·ч, на 2006 на площадке установлена одна установка «Радуга» мощностью 1 МВт и выработкой от 3 до 5 млн кВт·ч. В 1996 году в Ростовской области установлена Маркинская ВЭС мощностью 0,3 МВт. В Мурманске действует установка мощностью 0,2 МВт. В республике Коми строится Заполярная ВДЭС мощностью 3 МВт

Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС (75 МВт), Морской ВЭС (30 МВт), Приморской ВЭС (30 МВт), Магаданской ВЭС (30 МВт), Чуйской ВЭС (24 МВт), Усть-Камчатской ВДЭС (16 МВт), Новиковской ВДЭС (10 МВт), Дагестанской ВЭС (6 МВт), Анапской ВЭС (5 МВт), Новороссийской ВЭС (5 МВт) и Валаамской ВЭС (4 МВт).

В России существуют и региональные программы развития ветряной энергетики. Например, правительство Мурманской области считает ветроэнергетику перспективным направлением и готовит инвестиционную программу развития нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Программа будет включать в себя перечень четко проработанных проектов по использованию возобновляемых источников энергии.

В целом, можно говорить, что строительство ветряных электростанций экономически целесообразно только в отдаленных районах. Во многих из них электричество вырабатывают дизельные генераторы, на ремонт которых каждый месяц тратится 200-300 тыс. руб. С помощью "ветряков" можно будет сэкономить деньги на покупку топлива для них, а также на ремонт двигателей.

Ветроэнергоустановки, работая вместе с традиционными источниками энергии, способны вытеснить до 30-50 процентов, а в наиболее ветреных районах - до 70 процентов дефицитного органического топлива.

Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика – способ получения электроэнергии путем преобразования внутреннего тепла Земли (энергии горячих пароводяных источников) в электрическую энергию. Высокопотенциальное термальное тепло (пароводная смесь свыше 100 градусов по Цельсию) позволяет производить электроэнергию напрямую. К малой гидроэнергетике относят бесплотинные ГЭС, мощность которых не превышает 30 МВт.

Большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка, Чукотка, Курилы, Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область.

В настоящее время на Камчатке действуют 3 геотермальных электростанции: Паужетская ГеоЭС, Верхне-Мутновская ГеоЭС и Мутновская ГеоЭС. Суммарная мощность этих геотермальных электростанций составляет более 70 МВт. Это позволяет на 25% обеспечить потребности региона в электроэнергии и ослабить зависимость от поставок дорогостоящего привозного мазута.

В Сахалинской области на о. Кунашир введены первый агрегат мощностью 1,8 МВт Менделеевской ГеоТЭС и геотермальная тепловая станция ГТС-700 мощностью 17 Гкал/ч.

Большая часть низкопотенциальной геотермальной энергии применяется в виде тепла в жилищно-коммунальном и сельском хозяйствах. Так, на Кавказе общая площадь обогреваемых геотермальными водами теплиц составляет свыше 70 га. В Москве построен и успешно эксплуатируется экспериментальный многоэтажный дом, в котором горячая вода для бытовых нужд нагревается за счет низкопотенциального тепла Земли.

Примеры малых ГЭС в России: Республика Тыва – МГЭС установленной мощностью – 168 кВт. Республика Алтай – МГЭС мощностью – 400 кВт, Камчатская область - ГЭС-1 мощностью 1,7 МВт на реке Быстрая, каскад Толмачевских ГЭС.

Биотопливо

По оценкам экспертов, наиболее перспективным направлением является развитие биоэнергетики. Сегодня в мире из биомассы получают около 70 % всей энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников. Однако в последние годы развитие отрасли замедлилось в связи с тем, что производство биотоплива из сельхозсырья вызвало глобальный рост цен на продовольствие. Более надежной и эффективной сырьевой базой для биоэнергетики может стать лесопромышленный комплекс. В россии его изготовляют из рапса, пшеницы, свеклы, зерна, кукурузы и так далее. Технологии производства биотоплива постоянно совершенствуются. Рынок этого вида топлива на данный момент практически безграничен.

III. Виды электростанций в России

Основная часть электроэнергии вырабатывается крупными Электростанциями: тепловыми (ТЭС), гидравлическими (ГЭС), атомными (АЭС).

3. 1 Тепловая электроэнергетика

Тепловая электроэнергетика – это основная отрасль энергетики в России. Тепловую электроэнергию используют в промышленности и коммунальном хозяйстве по всей стране.

Электроэнергия вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые электростанции - это электростанции, вырабатывающие электроэнергию посредством преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Принцип работы тепловых электростанций заключается в том, что в результате сжигания топлива в специальной камере сгорания, выделяется тепло, которое превращает воду в специальной системе труб, расположенных в паровом котле, в пар. Давление пара вращает ротор турбины, передающей энергию вращения на вал генератора, который вырабатывает электрический ток. После этого пар конденсируется и снова становится водой, которая возвращается в систему труб. Получается замкнутый процесс.

Виды теплоэлектростанций

Существуют различные виды тепловых электростанций в зависимости от используемого в них топлива и внутреннего устройства.

-На тепловых паротурбинных электростанциях (ТПЭС) в качестве топлива используют мазут, дизель, природный газ, уголь, торф, сланцы. КПД таких электростанций составляет около 40 %, а мощность может достигать 3-6 ГВт.

-Государственные районные электрические станции (ГРЭС), оборудованы специальными конденсационными турбинами. Они не используются для выработки тепла и обогрева зданий. Эти электростанции называют конденсационными.

-Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) имеют теплофикационные турбины, которые преобразуют вторичную энергию отработанного пара в тепловую энергию. Это тепло используют для обогрева зданий в коммунальном хозяйстве и для промышленных служб.

-Газотурбинные электростанции (ГТЭС) работают на природном газе или жидком топливе. Генератор в них вращает газовая турбина. КПД таких электростанций невысок, всего 27-29%, поэтому зачастую их используют как резервные источники электроэнергии для покрытия пиков нагрузки на электрическую сеть, или для электрификации небольших населенных пунктов.

-Тепловые электростанции с парогазотурбинной установкой (ПГЭС) – комбинированные электростанции. Они оснащены паротурбинными и газотурбинными механизмами. Такие электростанции позволяют использовать тепловую энергию, их КПД может достигать 41-44%.

Недостатком всех тепловых электростанций является то, что они работают на невосполнимых видах топлива. Запасов этого топлива по оценкам экспертов хватит лишь на несколько десятков лет. При этом сгорание этих видов топлива ведет к образованию вредных веществ, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Это требует принятия жестких мер по защите окружающей среды. В России последние десять лет постоянно увеличивается расход топлива. Поэтому для устойчивого развития необходимо сокращение расходов энергии, полученной из невозобновляемых источников недр, увеличение потребления возобновляемой энергии, преобразованной естественным или искусственным путем. В связи с этим в наше время разрабатывают механизмы получения энергии из восполняемых источников или других альтернативных источников энергии.

3. 2 Атомная энергетика

Атомная энергетика очень перспективная и быстроразвивающаяся отрасль энергетики в России. Атомная энергетика заняла важное место в жизни человечества. В связи с возможным энергетическим кризисом она может быть эффективным решением этой проблемы.

Электроэнергия производится на атомных электростанциях (АЭС). Принцип работы атомной электростанции такой же, как и тепловой электростанции, но для парообразования на них используют энергию радиоактивного распада.

Топливом для таких электростанций является обогащенная руда урана. Ядерный реактор работает на основе цепной ядерной реакции, когда деление одного ядра вызывает деление других ядер, это приводит к тому, что реакция сама себя поддерживает.

Для работы атомной электростанции нужен источник воды. Вода используется в реакторе для замедления реакций. Поэтому их располагают вблизи природных или искусственных водоемов и водостоков.

Управляют реактором с помощью специальных управляющих стрежней. Делают эти стрежни из соединений бора или кадмия. Эти соединения эффективно поглощают тепловые нейтроны, и делают развитие цепной реакции невозможным. Запуск реактора приводит к выделению большого количества энергии, когда мощность достигает установленного уровня, специальные автоматы погружают управляющие стержни в глубь активной зоны.

Есть очень много преимуществ атомных электростанций. Они полностью не зависят от мест добычи урана. Ядерное топливо компактно, срок его использования достаточно продолжителен. АЭС ориентированы на потребителя и становятся востребованы в тех местах, где существует острая нехватка органического топлива, а потребности в электроэнергии очень велики. Еще одним их достоинством является низкая стоимость полученной энергии, сравнительно небольшие затраты на строительство. В сравнении с тепловыми электростанциями атомные электростанции не выделяют в атмосферу такого большого количества вредных веществ, и их работа не приводит к усилению парникового эффекта.

На данный момент перед учеными стоит задача повысить эффективность использования урана. Ее решают с помощью реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (РБН). Совместно с реакторами на тепловых нейтронах они повышают энерговыработку с тонны природного урана в 20-30 раз. При полном использовании природного урана становится рентабельной его добыча из очень бедных руд и даже извлечение его из морской воды. Использование АЭС с РБН ведет к некоторым техническим трудностям, которые в данный момент пытаются решить.

В качестве топлива Россия может использовать высокообогащенный уран, освободившийся в результате сокращения численности ядерных боеголовок.

Недостатком атомных электростанций является проблема безопасности атомной энергетики. После аварии на Чернобыльской АЭС были предприняты меры повышения безопасности, путем проведения технических и организационных мероприятий.

Возможность радиоактивного заражения окружающей среды – вот самый большой риск работы атомных электростанций.

Важной проблемой является захоронение радиоактивных отходов. В нашей стране существуют различные способы их переработки, перед тем как закопать в глубокие слои земли. Отходы прессуют, обрабатывают в печах, остекловывают, а затем упаковывают, придавая им компактность. На сегодняшний день ведутся активные поиски оптимального варианта обезвреживания радиоактивных отходов. Только решение проблемы безопасности атомных электростанций позволит отрасли успешно развиваться дальше.

3. 3 Гидроэнергетика

Россия имеет огромный гидроэнергетический потенциал, но использует его не полностью. Гидроэнергетика занимает сравнительно небольшое место во всей энергетической отрасли страны. Основная ее часть сосредоточена в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях (ГЭС). Для работы ГЭС применяют энергию водных потоков. Их мощность напрямую зависит от количества протекающей через них воды и высоты ее падения, поэтому гидроэлектростанции строят на больших реках и водоемах.

Гидроэнергоресурсы считаются возобновляемым источником энергии, благодаря этому гидроэлектростанции производят наиболее дешевую электроэнергию. Достоинствами ГЭС можно считать экономию топлива, снижение загрязнения окружающей среды.

Для того чтобы наиболее полно использовать весь потенциал гидроэлектростанций, в общую энергосистему зачастую включают тепловые электростанции. Это позволяет переводить ГЭС в режим пиковой мощности при меньшей нагрузке. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) имеют массу преимуществ. Они могут работать в насосном и турбинном режимах. Насосный режим позволяет перекачивать воду из низового водоема в верховой, тем самым, запасая ее на случай повышенных нагрузок. Для ГАЭС проще выбрать место размещения, потому что они требуют меньше воды. На них есть возможность использовать более крупные и эффективные гидрогенераторы. Смешанный тип гидроэлектростанций ГЭС с ГАЭС позволяет накапливать больше воды и вырабатывать больше энергии за более длительный период.

К недостаткам гидроэлектростанций можно отнести то, что их строительство занимает очень длительный период и стоит очень дорого. Создание крупных водохранилищ ведет к затоплению ценных земель, а строительство плотин препятствует естественной миграции рыб. Вода, использованная в турбинах гидроэлектростанций, становится «мертвой», в ней погибают все микроорганизмы.

IV. Выводы

В целом использование альтернативной энергии в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. Если сейчас в некоторых странах их доля составляет в энергобалансе единицы процентов, то, по различным прогнозным оценкам, к 2010-2015 году она достигнет или превзойдет 10%-ную отметку. Конечно, о темпах роста данного показателя можно поспорить, но сам факт его роста не подвергается сомнению. Различные виды альтернативной энергии находятся на разных стадиях освоения.

Печально, что на фоне того как большинство стран мира обратило свое внимание на развитие альтернативной энергетики, Россия, напротив, продолжила наращивать добычу нефти и вышла по этому показателю на первой место (9,5 млн. баррелей в сутки). В настоящее время перед Россией стоит актуальная задача поиска альтернативных источников энергии и внедрения энергосберегающих технологий

Сегодня мы вплотную подошли к той грани, когда традиционных источников энергии становится недостаточно для удовлетворения постоянно растущего мирового спроса. Это делает альтернативную энергетику одной из важнейших отраслей, от развития которой зависит будущее нашей планеты