Вторичные и возобновляемые энергетические ресурсы

 

Традиционная энергетика включает: 1 – энергетику на основе использования ископаемого топлива; 2 – гидроэнергетику; 3 - атомную энергетику.

Альтернативная (возобновляемая) энергетика включает: 1 – ветроэнергетику; 2 – гелиоэнергетику; 3 – малую гидроэнергетику; 4 – геотермальную энергетику; 5 – биотопливо; 6 – водородную энергетику; 7 – космическую энергетику.

30 % территории Российской Федерации имеет централизованное энергоснабжение, а на 70 % территории страны 20 миллионов проживающих на ней людей получают энергоснабжение с помощью различных автономных энергоустановок.

В условиях истощения запасов топливно-энергетических ресурсов (рис. 13.1) и пос­тоянного повышения их стоимости огромную важность приобретает повыше­ние эффективности использования вторичных и возобновляемых топливно-энергетических ресурсов.

Рис. 13.1. Структура энергетических запасов Земли.

 

Рис. 13.2. Структура энергетического баланса России в настоящее время.

 

К вторичным энергетическим ресурсам, которые можно и надо ис­пользовать в России для повышения энергоэффективности, относят:

1 – продукты сгорания, выбрасываемые в окружающую среду при работе любых тепловых двигателей, при обеспечении отопления и горячего водоснаб­жения любых зданий и сооружений, а также при приготовлении пищи;

2 – пар и горячая вода, теплота которых должна отдаваться окружающей среде при выработке электроэнергии на любых тепловых и атомных электро­станциях;

3 – избытки теплоты, выделяющиеся при производстве продукции (на химических, металлургических, любых других предприятиях);

4 – метан, выделяющийся при добыче нефти и разработке газоносных угольных месторождений;

5 – метан, образующийся при разложении органических отходов расти­тельного и животного происхождения (бытового мусора, продуктов жизнедея­тельности животных и т. д.);

6 – теплый воздух, удаляемый из помещения системами вытяжной венти­ляции;

7 – все другие низкопотенциальные источники теплоты, являющиеся ре­зультатом деятельности человека на производстве и в быту, которые можно использовать для повышения энергоэффективности.

За рубежом вторичным энергетическим ресурсам уделяется огромное внимание и значительная часть их используется прежде всего для отопления и горячего водоснабжения потребителей в сельской местности, а применение их в России пока незначительно. Это наносит большой ушерб экономике и окружающей среде.

Не менее важно использовать возобновляемые энергетические ресурсы, к которым относятся: гидроэнергия, энергия солнца и ветра, геотермаль­ная энергия, древесина, отходы сельскохозяйственного производства и т. д.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – источники энергии, образующиеся на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества.

Рис. 13.3. Вклад возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

в мировое производство энергии (данные 2009 года).

 

Рис. 13.4. Оценка мирового потенциала возобновляемых источников энергии: ветроэнергетики (лиловый цвет); биоэнергетики (зеленый цвет); гидроэнергетики (синий цвет); солнечной энергетики (желтый цвет).

Рис. 13.5. Возобновляемые энергетические ресурсы России.

Альтернативная энергетика – способ выработки энергии, получаемой из постоянных потоков (источников) энергии, которые способны самостоятельно восстанавливаться до прежнего уровня в процессе их использования.

Рис. 13.6. Ведущие страны мира в области использования возобновляемых

источников энергии: красным показана геотермальная энергетика, синим –

ветроэнергетика, желтым – солнечная энергетика, зеленым – биоэнергетика.

 

 2. Почему энергия возобновляемых источников дороже

 

Основная фундаментальная физическая причина того, что энергия, получаемая современными установками из возобновляемых источников энергии, в большинстве случаев оказывается дорогой – низкая плотность потоков энергии и их нерегулярность (суточная, сезонная, погодная и другая).

Плотности потоков некоторых возобновляемых источников энергии обычно находятся в следующем диапазоне величин.

Солнечное излучение:

- ясный полдень – 1000 Вт/м²;

- в среднем за год – 150-250 Вт/м².

Ветровой поток:

- при v = 10 м/с – 500 Вт/м²;

- при v = 5 м/с – 60 Вт/м².

Водный поток: при v = 1 м/с – 500 Вт/м².

В традиционных энергоустановках плотность энергетических потоков достигает сотен кВт или даже нескольких МВт/м².

В результате этого потребность в больших поверхностях для сбора энергии и необходимость использования больших аккумуляторов энергии приводит к росту стоимости получения энергии из возобновляемых и альтернативных источников и сдерживает такие работы.

 

Использование энергии ветра

 

Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра бо­лее чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Посто­янно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. В настоящее время двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Современная техника от­крыла новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой - получение электроэнергии. В начале ХХ века Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводитель­ные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появи­лось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.

Рис. 13.7. Ветроэнергетический потенциал России (по данным лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения Объединенного института высоких температур РАН).

Рис. 13.8. Ветроэнергетические проекты в Российской Федерации.

 

Рис. 13.9. Ветроэнергетические установки в различных странах.

 

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Доказано, что парус можно представить в виде вет­родвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения. 

Ветроэнергетика, использующая вет­роколеса и ветрокарусели (дви­гатели кару­сельного типа), возрождается сейчас, прежде всего в наземных установ­ках.

Важным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если объеди­нить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность бу­дет постоянной. При наличии других источников энергии ветряной ге­нератор мо­жет дополнять имеющиеся.

Принцип действия всех ветряных двигателей один: под напором ветра враща­ется ветроколесо с ло­пастями, передавая крутящий момент через систему пе­ре­дач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захваты­вает и тем больше энергии вырабатывает агрегат. 

Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения (рис. 13.10) – не­пло­хое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размах лопастей вы­рос, та­кая компоновка оказалась неэффектив­ной, так как на разной высоте ветер дует в раз­ные сто­роны. В этом случае не только не уда­ется опти­мально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опас­ность разрушения лопастей.

Рис. 13.10. Крыльчатый вентилятор.

Рис. 8.10. Крыльчатый вет­родвигатель.

Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой ско­ростью, создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическое – мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себе­стоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью создать ре­альную конкуренцию традиционным источникам энергии.

По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать вет­роагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт. Пока же самые крупные из них – вдвое меньшей мощности. В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать на то, что цена кило­Ватт-часа снизится до десяти центов.

Маломощные агрегаты вырабатывают энергию примерно в 3 раза до­роже. Наприме, серийно выпускавшийся НПО «Ветроэн» крыльчатый ветродвигатель имел размах лопастей 6 метров и мощ­ность 4 кВт.

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что уже забыты имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 13.11. Они делятся на две группы:

1 – крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения

(позиции 2-5 на рис. 13.11, типы крыльчатых ветродвигателей отличаются лишь количеством лопастей);

2 – карусельные ветродвигатели с вертикальной осью вращения: лопастные (рис. 13.11, позиция 1) и ортогональные (там же, позиция 6). 

 

Рис. 13.11. Типы ветряных двигателей.

Рис. 13.12. Некоторые характеристики ряда ветряных двигателей.

 

Экологическое воздействие ветровых электростанций: 1 – влияние на животный и растительный мир; 2 - помехи теле-, радиосвязи; 3 - изменение природного ландшафта; 3 - отчуждение земель.

Рис. 13.13. Пример массовой установки ветряных двигателей.

Но доказано, что экологические проблемы ветроэнергетики в своем комплексе не могут служить препятствием для развития этой отрасли, которая уже в настоящее время вносит заметный вклад по отдельным странам в замещение ископаемых видов топлив. Общий годовой потенциал ветровой энергии Земли – 17,1 тыс. ТВт.ч, что значительно превышает энергетические потребности человечества.