Нетрадиционные источники энергии

Нетрадиционная (альтернативная) энергетика - сектор энергетики, включающий разработку и использование для получения энергии перспективных установок, технологий и топлив, которые по техническим и экономическим причинам распространены в меньшей степени, чем традиционные. Развитие альтернативной энергетики обусловлено, во-первых, ограниченностью запасов ископаемого топлива, во-вторых, постепенным ужесточением экологических норм, в-третьих, появлением новых энергетических технологий и т. д.

К нетрадиционной энергетике относят возобновляемые источники:

- Малые ГЭС

- Приливные ГЭС

- Волновые ГЭС

- Гелиоэнергетика

- Геотермальная энергетика

- Ветроэнергетика

- Биотопливо

- Термоядерный синтез

Также к Н.э относят нетрадиционные технологии использования традиционных источников энергии:

- Синтетическое жидкое топливо

- Водоугольное топливо

- Технологии переработки вторичных твёрдых бытовых отходов

Альтернативная гидроэнергетика

Энергия воды являестя, пожалуй, самой потенциальной из всех альтернативных источников. Именно из-за этого электростанции, работающие с её использованием, являются одними из наиболее распространённых нетрадиционных производителей энергии. К альтернативной гидроэнергетике можно отнести ГЭС малой мощности, приливные электростанции, разнообразные волновые электростанции, и электростанции, работающие за счёт температурного градиента воды.

Малые ГЭС

Использование энергии течения воды имеет длинную историю, первые упоминания водяных мельниц относятся ко II веку до н.э. В начале второго тысячелетия нашей эры водяные мельницы начали применятьдля работ в разнообразных производствах. А в 1891 году была создана первая ГЭС с мощностью 100 кВт, изобретённая Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским.

В настоящее МГЭС являются одним из перспективнейших альтернативных источников. Уже сейчас они вырабатывают ~1/3 электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников энергии.

Конкретного определения малой гидроэлектростанции не существует. К МГЭС отностя ГЭС небольшой мощности, но в зависимости от государства верхний её предел колеблется от 2 МВт, как в Швеции и Латвии, до 30 МВт, как в России и США, но наиболее распространены МГЭС мощностью менее 10 МВт, эту мощость и возьмём как определяющую.

Малые гидроэлектростанции классифицируются по мощности:

- Малые ГЭС — мощностью от 1 до 10 МВт

- МиниГЭС — мощностью от 0,1 до 1 МВт

- МикроГЭС — мощностью менее 0,1 МВт

Главное отличие МГЭС от традиционных состоит в том, что для их работ не нужно возводить крупные гидротехнические объекты, и это позволяет затрачивать иеньше финансов на их строительство. Следствием этого является то,что малые ГЭС быстрее строятся и окупаются, не смотря на большую стоимость 1 кВт энергии, чем на крупных и средних ГЭС. Энергоисточником для МГЭС могут являться разнообразные водотоки — малые реки, ручьи, озёрные водосбросы. Вкупе эти факторы способствуют тому, что МГЭС возводят для электроснабжения поселений, расположенных на отдалённых или труднодоступных территориях. Общее число ГЭС, мощностью менее 10 МВт - 91. Примеры подобных МГЭС в России — МГЭС Ляскеля мощностью 4,8 МВт (Карелии), МГЭС-3 мощностью 3,5 МВт (Кабардино-Балкария), Харлу ГЭС мощностью 3 МВт (Карелия).

Однако при проектировании новых МГЭС должны учитываться не только экономические, но и экологические аспекты проблемы электроснабжения различных регионов. Среди экологических проблем важнейшими при создании МГЭС являются следующие:

- Влияние на экологию прилегающей местности. Многочисленные ТЭС и котельные вырабатывают до 40% от общего количества загрянений атмосферы. Замена подобных станций на МГЭС позволит значительно снизить количество выбросов в атмосферу.

-  Оптимальность работы. Малые гидростанции способны удовлетворять потребности человека, нанося наименьший урон экологии, что проявляется в меньшем затоплении территорий, по сравнинию с средними и крупными ГЭС.

- Плотины и водохранилища МГЭС в значительно меньшей степени, чем другие виды энергообъектов, нарушают нормальную естественную среду обитания человека и животного мира. [13]

Основной недостаток МГЭС - отсутствия аккумулирующих возможностей, что вызывает высокий разрыв между гарантированной и установленной мощностями[14].

Приливные электростанции

Приливные электростанции, как следует из названия, для производства электроэнергии используют силу морских приливных волн — циклического поднимания и понижения уровня моря. В особо узких заливах амплитуда подобных волн может достигать более 10 метров. Энергия данных волн огромна: к примеру, энергия приливной волны, входящей впролив Ла-Манш, достигает 180млн кВт, а на выходе, за счёт рассеивания, уменьшается до 30млн кВт. Общая энергия приливов в Мировом океане может достигать 2 млрд. кВт, причём большая часть этой энергии рассеивается в мелководных морях, проливах и заливах, и именно в этих местах строительство ПЭС наиболее выгодно.

Приливные электростанции можно разделить на два типа:

- Крупные ПЭС. Данные электростанции возводят в виде плотин, которые отделяют часть акватории моря для накопления потенциальной энергии прилива. В плотинах данных ПЭС расположены специальные реверсивные турбины, которые при смене направления течения меняют своё положение, что способствует извлечению энергии как из приливов, так и из отливов[15]. Основное негативное воздействие данного типа ПЭС на природу заключается в необходимости строительства дамбы. Дамбовые ПЭС полностью перекрывает вход в залив, что препятствует миграции рыбы между морем и внутренней акваторией используемого залива.

- Малые ПЭС. К малым приливным электростанциям можно отнести станции небольшой мощности, как и МГЭС, то есть в пределах от 1 до 10 МВт. Для строительства данных ПЭС нет необходимости возведения плотин — они представляют из себя столб с прикреплённому к нему лопастными винтами, напоминающими лопасти ветрогенератора. Данный тип ПЭС, из-за отсутствия плотины, не способен максимально использовать всю энергию прилива. Но при этом то же отсутствие плотины является одновременно и плюсом подобных станций, так как отсутствие дамбы способствует свободной миграции морских животных из залива в море и обратно. [16]

Основной недостаток ПЭС — высокая стоимость строительства, по сравнению с классическими ГЭС такой же мощности. При этом стоимость электроэнергии, производимой ПЭС, на много ниже, в следствие чего сроки окупаемости значительно растягиваются. Но в целом плюсов в использовании ПЭС больше, чем минусов. Помимо производства дешёвой энергии, ПЭС также:

- устойчиво работают в энергосистемах как в обычном режиме так и при пиковых нагрузках при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии;

- не загрязняют атмосферу, в отличие от тепловых электростанций;

- не вызывают затопления прибрежных территорий, в отличиетрадиционных ГЭС

- не несут высокой потенциальной опасности, каковую несут атомные электростанции.

Волновые электростанции

Энергия волн океанов превосходит по удельной мощности как ветровую, так и солнечную энергию. Средняя мощность волн океанов и морей превышает 15 кВт на погонный метр.

При преобразовании энергии волн, эффективность может существенно превышать прочие альтернативные способы, такие как ветряные и солнечные электростанции, достигая коэффициента полезного использования в 85%. Но несмотря на это использование энергии волн весьма ограниченно по нескольким причинам- низкая плотность волн, сильная зависимость от погодных условий и высокая стоимсть оборудования.

Энергию из морской качки можно получить, преобразовав колебательное движение волн в электрическую энергию посредством генератора. В простейшем случае генератор должен получать вращательный момент на вал, при этом промежуточных преобразований не должно быть много.

Первая волновая электростанция (ВолЭС) была построена в 2008 году шотландской компанией «Ocean Power Delivery» у северных берегов Португалии.

ВЭС от данной компании состоит из нескольких установок-конверторов, называемых «Pelamis P-750»

Pelamis — структура, состоящая из четырёх цилиндрических секций, связанных шарнирами, и представляет собой некоторое подобие змеи.

Волны заставляют изгибаться эту плавающую «змею», за счёт чего внутри, в местах соединения соседних секций, перемещаются гидравлические поршни, прокачивающие масло через гидравлические двигатели, в свою очередь, вращающие электрогенераторы.

Произведённое одной «змеёй» электричество направляется в кабель, опускающийся с поплавка на дно. Несколько таких «змей» могут быть электрически соединены непосредственно на месте их расположения. И тогда уже по одному кабелю вся суммарная мощность будет подаваться на берег.

4. Энергия температурного градиента морской воды

Одним из мощнейших альтернативных источников энергии в мире является процесс изменения температуры воды Мирового океана на разных глубинах.

Явление температурного градиента в Мировом океане возникает вследствие того, что солнечное излучение нагревает лишь верхние слои воды. Средняя температура воды в верхних слоях океанов в тропических поясах достигает 25–30 градусов по Цельсию, по мере увеличения глубины она резко падает.

Каждый грамм нагретой воды у поверхности при разнице температур в 15 градусов содержит примерно на 15 калорий больше энергии, чем глубинный слой. В каждом кубометре воды — миллион граммов, таким образом, в этом объёме содержится 15 млн калорий энергии или 60 млн джоулей. При высвобождении такого количества энергии за одну секунду её генерируемая мощность составит 60 МВт. Если за секунду извлечь энергию одновременно из 20 кубометров воды, будет получено 1,2 ГВт, что сопоставимо с выработкой современной атомной электростанции.

Конверсия энергии температурного градиента морской воды осуществляется при помощи гидротермальных станций, которые устанавливаются в океанической акватории. Но ввиду несовершенства технологий реализованные проекты имеют по большей части экспериментальный характер.

Принцип работы станций, работающих на разнице температур воды — тёплую морскую воду отправляют в теплообменник, где жидкий аммиак и фрион превращаются в пар, который вращает турбины, а затем вода поступает в следующий теплообменник для охлаждения иконденсации. Далее полученная при вращении турбин электроэнергия поступает по подводному к местам потребления.

2.2 Гелиоэнергетика

Использование энергии солнца также является одной из самых перспективных нетрадиционных источников альтернативной энергии. Электричество из солнечной энергии производят многочисленными методами — от тепловых электростанций, где собранные в пучёк солнечные лучи нагревают, до солнечных батарей и наноантен.