Відновлювальні джерела енергії

 

Вичерпання запасів органічного палива, забруднення повітряного і водного басейнів, кислотні дощі і парниковий ефект – усе це стало в останні роки стимулом щодо розвитку відновлюваних джерел енергії та підвищення їхньої ролі у виробництві електроенергії й тепла.

Загальний теоретичний потенціал ВДЕ на кілька порядків перевищує сучасний рівень світового споживання первинних паливно-енергетичних ресурсів. Тільки річний енергетичний потенціал сонячної радіації на поверхні Землі є у 3000 разів вищим загальної кількості первинної енергії, що споживається в світі. Значний енергетичний потенціал мають також біомаса, вітер, геотермальна і приливна енергія. Однак при сьогоднішньому рівні технологічного розвитку та існуючій на світових нергетичних ринках кон’юнктурі лише досить незначна їхня частка ефективно використовується. За даними МЕА, внесок відновлюваних джерел у світове енергозабезпечення становить біля 11%.

За визначенням МЕА, до відновлюваних джерел енергії належать: гідро- і геотермальна енергія, енергія сонця, вітру, приливна енергія, а також енергія горючих відходів (твердої біомаси, газу з рідкої і твердої біомаси, деревинного вугілля, відновлюваних муніципальних твердих відходів).

Внесок окремих видів відновлюваних джерел у їх загальний світовий обсяг складає: горючих відходів 80%, гідроенергії 16,3%, геотермальної енергії 3,1%, сонячної і приливної енергії 0,22% і енергії вітру 0,38%. Таким чином, серед відновлюваних джерел перше місце (в основному, для приготування їжі й обігріву) займають горючі відходи. Лідируючі позиції з їхнього використання займають країни Південної Азії і Африки, що розвиваються. Розвинені країни лідирують у використанні так званих «нових» відновлюваних джерел – енергії сонця, вітру і приливів.

Різні види ВДЕ перебувають на різних стадіях освоєння. Інтенсивно розвивається використання енергії біомаси. Остання може конвертуватися в технічно зручні види палива або використовуватися для одержання енергії шляхом термохімічної (спалювання, піроліз, газифікація) і (або) біологічної конверсії. При цьому використовуються деревинні й інші рослинні та органічні відходи, у тому числі міське сміття, відходи тваринництва й птахівництва. При біологічній конверсії кінцевими продуктами є біогаз і високоякісні екологічно чисті добрива. Цей напрямок має значення не тільки з погляду виробництва енергії. Мабуть, ще більшу цінність він становить з позицій екології, тому що вирішує проблему утилізації шкідливих відходів.

Особливою сферою впровадження ВДЕ є застосування біопалива на транспорті. Основними видами такого пального є біоетанол та біодизель. Біоетанол – це спирт, який виробляється з цукрової тростини, буряка, зерна, целюлози тощо. Технологія виробництва – така ж, як у “горільчаному” виробництві спирту, головні відмінності – спрощена процедура дистиляції, масштаби виробництва (значно більші), підвищена енергоефективність.

У своїй більшості етанол виробляється з кукурудзи та цукрового буряка. Використання кукурудзи є характерним для США та частини Європи (де вона дає добрі врожаї), цукрової тростини – для Південної та Центральної Європи. Цукрова тростина – це найкраща сировина, оскільки вона дозволяє застосовувати найпростіший й найефективніший спосіб виробництва етанолу.

Добавка 10% етанолу в паливо не потребує доробки двигуна. Але ж задля більш ефективного використання етанолу в Бразилії та США виробляють етанольно-гібридні авто FFV (flexible fuel vehicles), які можуть працювати на будь-якій суміші етанолу й бензину.

Витрати на виробництво етанолу в різних регіонах залежать від типу сировини й технології переробки, а також витрат на оренду землі, оплату праці тощо. Етанол, що виробляється у Бразилії із цукрової тростини, коштує біля 0,30 дол./л бензинового еквівалента. Ціна етанолу, що виробляється в США з кукурудзи, становить близько 0,60 дол./л, а вироблений із пшениці європейський етанол коштує близько 0,70-0,75 дол./л.

Біодизель – це хімічно модифікована олія, найчастіше – це метилові ефіри жирних кислот з рапсу та сої. В Америці в цьому виробництві найбільш використовується соя, в Європі – рапс. Біодизель отримують шляхом змішування 100 частин олії, 10 частин метилового спирту й 1 частини луги. Біодизель можна використовувати без будь-якої модифікації двигуна, втім, рекомендується змішувати із соляркою в пропорції 20:80, отримуючи паливо Б20 (20% біодизелю).

Поки що частка етанолу та біодизелю складає трохи більше 1% від загального обсягу транспортного пального, що споживається в світі. Найбільших успіхів досягла Бразилія – вона залишається світовим лідером у виробництві етанолу. У 2010 році в цій країні обсяги виробництва етанолу досягли 15 млрд л, що перевищило половину світового виробництва. Усі заправочні станції країни продають етанол Е95 та Е25. У 2010 році в Бразилії працювало близько 340 цукрово- та лікеро-горілчаних заводів, які виробляли етанол. Другу позицію за обсягами виробництва й споживання етанолу займають США - 14 млрд л у 2010 році. Виробництвом цього продукту займаються 80 заводів. Дж.Буш оприлюднив плани щодо доведення до 2020 року частки етанолу до 20%. До країн, де активно розвивається виробництво етанолу належать країни ЕС, Австралія, Китай, Індія та ін. Що стосується біодизелю, то його найбільшими виробниками є США, Німеччина, Франція, Італія.

Біоенергетика.На сьогодні найбільш швидкими темпами здатна розвиватись біоенергетика. Очікується, що енергетичне використання всіх видів біомаси здатне забезпечити щорічно заміщення 9,2 млн. т у.п. викопних палив на рівні 2030 року, в тому числі за рахунок енергетичного використання залишків сільгоспкультур, зокрема, соломи – 2,9 млн. т у.п., дров та відходів деревини – 1,6 млн. т у.п., торфу – 0,6 млн. т у.п., твердих побутових відходів – 1,1 млн. т у.п., одержання та використання біогазу – 1,3 млн. т у.п., виробництва паливного етанолу та біодизельного пального – 1,8 млн. т у.п. Загальний обсяг інвестицій у розвиток біоенергетики, для забезпечення таких темпів нарощування, складе до 2030 року близько 12 млрд. грн.

Біомаса це найстаріша форма відновлюваної енергії, що використовувалась людством, переважно у формі спалювання деревини для забезпечення виробництва теплової енергії. Безпосереднє спалювання достатньо поширене до теперішнього часу. При безпосередньому спалюванні отримують теплоту безпосередньо для опалення або різноманітних технологічних процесів або використовують отриману теплоту для виробництва електроенергії. Парові котли, які використовують біомасу, мають типову потужність в діапазоні 20- 50 Мвт. Хоча існують технологічні можливості досягнення паровими установками на біомасі ефективності понад 40%, ефективність типових промислових установок зараз знаходиться в межах 20%. Таке використання біомаси має негативні і позитивні сторони. З одного боку при спалюванні виділяються токсичні гази, з іншого боку сільськогосподарські та інші відходи утилізуються і виробляється енергія.

Технологія сумісного спалювання (Co-firing) передбачає, що біомаса заміщує частину звичайного палива в існуючій енергетичній установці. Часто це деревина яку додають (в кількості 5 – 15%) до вугілля при парогенерації. Така технологія широко використовується в США. Електрогенеруючі кампанії проводять дослідження щодо поширення цієї технології і пов’язаними з цим проблемами. Сумісне спалювання виявляється більш економічно ефективним ніж будівництво нової установки на біомасі тому що більшість існуючих установок можуть працювати в такому режимі без значних модифікацій. У порівнянні з вугіллям, яке замінюється, біомаса при спалюванні утворює менше SO2, NOx та інших забруднень. Після регулювання парогенератора втрат потужності при сумісному спалюванні не відбувається. Це дозволяє перетворювати енергію біомаси в електричну з високою ефективністю (в межах 33 – 37%) сучасних вугільних станцій.

Піроліз – процес розкладу при підвищенні температури (300 -700 °C) і відсутності кисню. Продуктом піролізу може бути тверда речовина (деревинне вугілля), рідина (піролізна олія), або суміш паливних газів. Піроліз використовувався на протязі сторіч для отримання деревинного вугілля. Останнім часом піролізна олія привертає більшу увагу тому що має більший вміст енергії ніж тверда біомаса і зручна при використанні. Подібно сирій нафті піролізна олія може легко транспортуватись і перероблятись в різноманітну продукцію. В процесі швидкого піролізу можливе отримання піролізної олії до 80% від початкової ваги біомаси, в той час як повільний піроліз забезпечує більшу кількість деревинного вугілля (35 – 40%). Головна перевага швидкого піролізу (щодо вмісту енергії, транспортування, розподілу) в тому, що виробництво пального відокремлено від енергогенерації.

Газифікація – це форма піролізу при більшій кількості повітря і вищій температурі для отримання газу. Паливний газ має більш різнобічне використання ніж біомаса. Він може використовуватись як для опалення і парогенерації,так і в двигунах внутрішнього згорання, або турбінах при виробництві електроенергії. Він може навіть використовуватись, як пальне транспортних засобів. Газифікація – найбільш новий процес перетворення енергії біомаси що має переваги перед безпосереднім спалюванням. В техніко-економічних термінах газ може бути використаний більш ефективно в комбінованих системах що об’єднують газові і парові турбіни при виробництві електроенергії. Процес перетворення теплоти в енергію відбувається при вищій температурі ніж в паровому циклі, що робить процес перетворення термодинамічно більш ефективним. Газ очищується і фільтрується для усунення небажаних хімічних компонентів, що знімає екологічні проблеми.

Анаеробне зброджування - це біологічний процес в ході якого органічні рештки перетворюються не біогаз – зазвичай суміш метану (40 – 75%) і двоокису вуглецю. Процес базується на руйнуванні макромолекул біомаси бактеріями природного походження. Цей процес відбувається при відсутності повітря в замкнених контейнерах. Результат – біогаз і супутні продукти, що складаються з неперетравленого залишку (густий бруд) і різні розчинні субстанції. Анаеробне зброджування широко використовується для утилізації різноманітних відходів. Біогаз може використовуватись для тепо- і електрогенерації, в дизельних двигунах і двигунах, що можуть використовувати різні типи палива потужністю до 10 МВт.

Інший відомий приклад використання анаеробного зброджування - утилізація відходів тваринництва – гній змішаний з водою підігрівають і зброджують у герметичному контейнері. Об’єм контейнера може коливатись від 1 м3 до більш ніж 2000 м3.

Нетрадиційні позабалансові енергетичні ресурси. Головними напрямками збільшення використання позабалансових джерел енергії є видобуток та утилізація шахтного метану. Використання метану для виробництва теплової та електричної енергії забезпечить заміщення 5,8 млн. т у.п. первинної енергії на рівні 2030 року, близько 1 млн. т у.п. – на рівні 2011 року, водночас поліпшиться екологічний стан і стан безпеки у вуглевидобуванні. Разом з тим, цей напрям потребує детальнішого економічного обґрунтування, оскільки вугілля видобувається з великої глибини і системи дегазації вугільних пластів на основі прийнятих у світі технологічних схем потребуватимуть значних інвестицій, що знизить конкурентноздатність використання шахтного метану. Разом з тим, можливі інші варіанти його використання, зокрема при очистці вентиляційних викидів.

Поряд з цим, передбачається подальше збільшення використання природного газу малих родовищ, газоконденсатних родовищ і попутного нафтового газу для виробництва електроенергії і теплоти. Обсяги видобутку цих ресурсів оцінюються у 830 тис. у.п. у 2030 р.

Передбачається виробництво електроенергії за рахунок надлишкового тиску доменного та природного газів, за рахунок чого можна виробити до 1,3 млрд. кВт*год у 2030 році. Економічно доцільним є також збільшення використання вторинних горючих газів промислового походження.

Найбільш швидко серед негорючих ВДЕ в світі розвивається вітроенергетика. За різними оцінками, щорічні темпи її зростання складають від 25% до 50%. Значні темпи розвитку вітроенергетики пояснюється тим, що їй властиві найменші питомі капітало-вкладення в порівнянні з іншими видами ВДЕ. Сумарна світова встановлена потужність великих ВЕУ й ВЕС, за різними оцінками, становить від 10 до 20 ГВт. Зростає не тільки сумарна потужність вітряних установок, але і їхня одинична потужність, що перевищила 1 МВт. Сьогодні вітроенергетика використовується більш ніж у 30 країнах. Світовими лідерами із застосування енергії вітру є США, Німеччина, Нідерланди, Данія, Індія. У багатьох країнах виникла нова галузь - вітроенергетичне машинобудування. Очевидно, і в найближчій перспективі вітроенергетика збереже свої передові позиції.

За даними Європейської вітроенергетичної асоціації, у 2010 року потужності ВЕС у країнах Європи в середньому становлять 10% від загального енерговиробництва. Це дає змогу заощадити 13 млрд євро, які не підуть на придбання органічного палива. Але головне, у навколишнє середовище не буде викинуто 523 млн т вуглецю, що забезпечить на третину виконання вимог Кіотського протоколу.

Наступне місце за обсягами застосування займає геотермальна енергетика. Сумарна світова потужність ГеоТЕС становить не менш 6 ГВт. Вони цілком конкурентоспроможні в порівнянні із традиційними паливними електростанціями. Однак ГеоТЕС географічно прив'язані до обмеженого числа районів, і це обмежує область їхнього поширення. Поряд з ГеоТЕС широке використання одержали системи геотермального теплопостачання. Темпи росту світової геотермальної енергетики становлять від 5 до 9%.

Останнім часом значними темпами (від 17 до 33% на рік) поширюється використання сонячної енергії. Вона використовується, в основному, для виробництва низькопотенціального тепла для комунально-побутового гарячого водопостачання й теплопостачання. Переважним видом устаткування тут є так звані плоскі сонячні колектори. Їхнє загальносвітове виробництво становить не менш 2 млн м2 у рік, а виробництво низькопотенціального тепла за рахунок сонячної енергії досягло 5·106 Гкал.

Усе активніше впроваджується устаткування для перетворення сонячної енергії в електроенергію. Тут використовуються два методи - термодинамічний і фото-електричний, останній лідирує зі значним відривом. Так, сумарна світова потужність автономних фотоелектричних установок досягла 500 МВт. Тут варто згадати проект «Тисяча дахів», реалізований у Німеччині, де 2250 будинків були обладнані фотоелектричними установками. При цьому роль резервного джерела відіграє електромережа, з якої може надходить енергія в разі потреби. У випадку ж її надлишку вона передається в мережу. При реалізації цього проекту до 70% вартості установок сплачувалося з федерального й земельного бюджетів. У США прийнята ще більш масштабна програма «Мільйон сонячних дахів», яка розрахована до 2010 р. Витрати федерального бюджету на її реалізацію склали 6,3 млрд дол. Сьогодні велика кількість автономних фотоелектричних установок постачається (за рахунок міжнародної фінансової підтримки) в країни, що розвиваються.

Однак поки що головною перешкодою на шляху широкого впровадження фотоелектричних батарей є їхня ціна, яка визначається високою ціною кремнієвих пластин. Кремній – основний матеріал для виробництва фотоелектричних пристроїв. Особливість ринку полікристалічного кремнію полягає в тому, що виробництво кількох тисяч тонн на рік цього матеріалу за повним ехнологічним циклом в змозі забезпечити лише декілька країн світу. Повні технологічні “кремнієві” цикли існують сьогодні у США, Японії, Німеччині та Італії. Вважається, що тільки шість корпорацій контролюють увесь світовий ринок полікристалічного кремнію – Wacker Sitronics (Німеччина), MEMC (Італія), Shin-Etsu Semiconductors (США), Mitsubishi Materials-Silicon, Toshiba Ceramics та Komatsu Electronic Metals (Японія).

Сьогодні в світі виробляється близько 30 тис. т полікриста-лічного кремнію. З них близько 22тис.т йдуть на потреби мікроелектроніки і силової техніки (потужні тиристори та діоди) і тільки біля 8 тис. т – у фотоелектроніку. У зв’язку з бурхливим розвитком фотоелектроніки вартість кремнію на світовому ринку зросла вдвічі. Але навіть за ціною 60-70 дол. за кг сьогодні відчувається його дефіцит.

Технології виробництва “сонячного” кремнію та фотоелектричних батарей постійно вдосконалюються, а разом з цим зростають і обсяги виробництва фотоелектричних модулів. Аналітики прогнозують зростання їхньої встановленої потужності з 896 МВт у 2004 р. до 3062 МВт у 2011 р. Наприкінці 2005 р. середня вартість за 1 Вт складала в Європі 5,76 євро і 5,23 дол. в США.

Значний розвиток одержав напрямок, пов'язаний з використанням низькопотенціального тепла навколишнього середовища (води, ґрунту, повітря) за допомогою теплонасосних установок (ТНУ). Економічна доцільність використання ТНУ підтверджується світовим досвідом. У ТНУ при витраті одиниці електричної енергії виробляються 3-4 еквівалентні одиниці теплової енергії, отже, їхнє застосування в кілька разів вигідніше, ніж пряме електричне нагрівання. Вони успішно конкурують і з паливними установками. В розвинених країнах сьогодні ТНУ є найбільш поширеною системою опалення та кондиціювання. Поштовхом до їх розвитку були світові енергетичні кризи 1973 та 1978 рр. На початку свого впровадження ТНУ встановлювались в будинках вищої цінової групи та підвищеної комфортності, але за рахунок застосування сучасних технологій та масового виробництва зараз ТНУ доступні середньому класу. Вони встановлюються в нових будівлях або замінюють застаріле обладнання зі збереженням або незначною модифікацією попередньої опалювальної системи. Найбільше розповсюдження ТНУ набули в США (їхня встановлена потужність становить 4800 МВт), Швейцарії (500 МВт), Канаді (380 МВт), Швеції (377 МВт), Німеччині (344 МВт), Австрії (228 МВт) та ін.

У США щорічно виробляється біля 1 млн. теплових насосів, в Японії - біля 3 млн. У Швеції 50% всього опалення забезпечують теплові насоси, у тому числі 12% всього опалення Стокгольма забезпечують ТНУ загальною потужністю 320 МВт, що використовують тепло Балтійського моря. В 2001 році у Швейцарії в кожному третьому новозбудованому будинку встановлювався ТНУ. У будинку Президента США Джорджа Буша в Техасі у 2001 р. встановлено геотермальний тепловий насос, що дозволило зменшити витрати на опалення та кондиціювання на 75%.

В останні роки спостерігається відродження інтересу до створення й використання малих ГЕС. Вони одержують у багатьох країнах все більше поширення на новій, більш високій технічній основі, пов'язаній, зокрема, з повною автоматизацією їхньої роботи при дистанційному керуванні.

Набагато меншим є практичне застосування приливної енергії. У світі існує тільки одна велика приливна електростанція (ПЕС) потужністю 240 МВт (Ранс, Франція). Ще менше використовується енергія морських хвиль. Цей спосіб використання ВЕД перебуває в стадії початкового експериментування.

Загальною рисою розвитку ВДЕ є постійне зниження собівартості енергії, що виробляється, завдяки удосконаленню технологій. Так, собівартість 1 кВтг електроенергії, що виробляється ВЕУ, з 1980-х років до теперішнього часу знизилася з 0,38 дол. до 0,03-0,035 дол. У той же час, для електроенергії, що виробляється за рахунок природного газу, відповідний показник зріс з 0,015 дол. до 0,055 дол.

Інвестиції в альтернативну енергетику з кожним роком зростають і сьогодні вони становлять чверть усіх світових інвестицій в енергетичну галузь. У 2004 р. приблизно 9,5 млрд дол. було інвестовано у вітрову енергетику (31,6% від загального обсягу інвестицій в альтернативну енергетику), 7 млрд дол. – у сонячні сітьові енергогенератори (23,3%), 4,5 млрд дол. – в малу гідроенергетику (15%), 4 млрд дол. – у сонячні установки для нагрівання води і обігріву житла (13,3%), 5 млрд дол. – у геотермальні установки і виробництво біопалива.

Однак, незважаючи на наявність значних переваг, внесок ВДЕ в заміщення органічного палива поки досить обмежений. Їхня частка в загальносвітовому енергоспоживанні становить зараз близько 11% (без врахування гідроенергетики), з яких 95% доводиться на біомасу, яка у своїй більшості спалюється.

Прогнози МЕА свідчать про те, що ВДЕ будуть у перспективі найбільш динамічно розвинутою кладовою світового паливно-енергетичного господарства. Використання ВДЕ до 2030 року збільшиться майже в 5 разів, виробництво на них електроенергії зросте більш ніж на порядок. Однак їхня частка в загальному енергобалансі залишиться невеликою.

Причину такого становища експерти бачать в низькій конкурентоспроможності ВДЕ на ринку енергогенеруючих технологій. Поки ж питомі капітальні витрати й собівартість виробництва електроенергії на станціях на органічному паливі істотно нижчі, ніж на станціях на базі ВДЕ. До того ж нижня цінова границя питомої вартості ВДЕ характерна в основному для дослідних, а не промислових зразків установок ВДЕ, а також для практично ідеальних природних умов, які є далеко не скрізь.

Водночас технології на ВДЕ (за виключенням тих, що використовують біомасу) є безпаливними. При цьому експлуатаційні витрати для технологій на ВДЕ за різними оцінками нижче експлуатаційних витрат для технологій на органічному паливі. Це означає, що собівартість виробництва електроенергії на ВДЕ визначається в основному інвестиційною складовою.

У додатку 5 наведено прогноз щодо собівартості виробництва електроенергії та питомих капітальних витрат з використанням ВДЕ та традиційної енергетики на період до 2050 р. Наведені в таблиці дані свідчать, що перспективи зниження питомих капітальних витрат у створення установок на ВДЕ для більшості відновлюваних джерел (за винятком сонячної фотоелектрики) не дуже гарні: нижня границя вартості одиниці потужності за 45 років знизиться в середньому на 10—20%. Втім, загальновідомим є той факт, що зі зростанням випуску будь-якої продукції собівартість її знижується.

За даними МЕА, при подвоєнні потужностей ВДЕ їхня питома вартість знижується на 5% (для сонячної фотоелектрики – на 18%). Слід зазначити, що вартісні характеристики окремих ВДЕ за останні роки значно покращилися, однак стартова площадка була настільки низькою, що досягнуті результати не дозволяють забезпечити їхню бажану конкурентоспроможність. І поки що інвестори не поспішають вкладати кошти в технології, більш дорогі в порівнянні із традиційними.

Існує також ряд інших бар'єрів, які не є ні економічними, ні технічними, проте можуть відкласти або обмежити розробку й розгортання на ринку нових енергетичних технологій. Такі бар'єри можуть приймати різні форми, включаючи правила планування й ліцензування, недолік інформації й освіти, регулювання охорони здоров'я й безпеки та недолік координації в різних секторах. Реалізація на практиці існуючого потенціалу перспективних технологій вимагає уваги й подолання цих бар'єрів. Для цього необхідно зробити технологічний прорив у зниженні вартості праці й матеріалів при створенні обладнання для ВДЕ й всебічна підтримка їхнього широкого ринкового впровадження (перш за все, підтримка держави).

За висновками експертів МЕА, нові нетрадиційні енергетичні технології, що існують вже сьогодні або перебувають на стадії технологічного доопрацювання, здатні направити світ до стійкого енергетичного забезпечення. Втім, для подолання перешкод на шляху їх розвитку потрібні чітко сплановані програми наукових досліджень і розробок. Це принципово важливо для розвитку багатьох нових енергетичних технологій та зниження їх собівартості. Існує нагальна потреба у стабілізації фінансування енергетичних наукових досліджень і розробок та практичної їх підтримки, у тому числі і на урядовому рівні. Урядам необхідно створити стабільне й прогнозоване правове, нормативне й політичне середовище, що створюватиме стимули для розвитку низьковуглецевих технологій.

Таким чином, нетрадиційна енергетика є сьогодні одним з основних напрямів світового енергетичного розвитку, тому що вона є екологічно чистою (за винятком прямого спалювання біомаси), безпечною і використовує невичерпні ресурси, суттєвий потенціал котрих існує в кожній країні.