2020-09-24
118
ЛЕКЦИЯ 4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. ДРУГИЕ ВИДЫ НЕТРАДИЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Главным фактором роста энергопроизводства является рост численности населения и прогресс качества жизни общества, который тесно связан с потреблением энергии на душу населения. Сейчас на каждого жителя Земли приходится 2 кВт, а признанная норма качества – 10 кВт (в развитых странах). Если все население Земли рано или поздно должно иметь душевое потребление
10 кВт, то с учетом теплового барьера численность населения не должна превышать 10 млрд. чел. Таким образом, развитие энергетики на невозобновляемых ресурсах ставит жесткий предел численности населения планеты. Однако уже через 75 лет население Земли может достигнуть 20 млрд. чел. Отсюда видно: уже сейчас надо думать о сокращении темпов прироста населения примерно вдвое, к чему цивилизация совсем не готова. Очевиден надвигающийся энергодемографический кризис. Это еще один веский аргумент в пользу развития нетрадиционной энергетики.
|
|
|
Многие специалисты энергетики считают, что единственный способ преодоления кризиса – это масштабное использование возобновляемых источников энергии: солнечной, ветровой, океанической, или как их еще называют нетрадиционных. Правда, ветряные и водяные мельницы известны с незапамятных времен, и в этом смысле они – самые, что и есть традиционные.
В наши дни поворот к использованию энергии ветра, солнца, воды происходит на новом более высоком уровне развития науки и техники.
Использование традиционных энергоресурсов, кроме поглощения кислорода, приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Ограниченность энергоресурсов, влияние их использования на состав атмосферного воздуха и другие негативные воздействия на окружающую среду (образование отходов, нарушение пластов земной коры, изменение климата) вызывают повышенный интерес во всем мире к нетрадиционным источникам энергии, к которым относятся: солнечная энергия; энергия ветра; геотермальная энергия; энергия океанов и морей в виде аккумулированной теплоты, морских течений, морских волн, приливов и отливов, использование водорослей, сельскохозяйственных и городских отходов, биомассы.
Экономическое сравнение электростанций разного типа (на1991год) представлено в таблице 4.1.
Таблица 4.1
Экономическое сравнение электростанций разного типа
| Тип электростанции | Затраты на строительство, USD/кВт | Стоимость произведенной энергии, цент/кВт·ч |
| ТЭС на угле | 1000 – 1400 | 5,2 – 6,3 |
| АЭС | 2000 – 3500 | 3,6 – 4,5 |
| ГЭС | 1000 – 2500 | 2,1 – 6 |
| ВЭС | 300 – 1000 | 4,7 – 7,2 |
| Приливные (ПЭС) | 1000 – 3500 | 5 – 9 |
| Волновые | От 13000 | от 15 |
| Солнечные (СЭС) | От 14000 | от 20 |
|
|
|
Экономически целесообразным считается строительство электростанций с удельными капитальными затратами до 2000 USD/кВт.
К 2010 году страны Европейского союза (ЕС) планируют увеличить использование нетрадиционных источников энергии до 8% в общем объеме энергопотребления.
Удельные мощности нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для сопоставления и сравнения с традиционными источниками представлены в таблице 4.2.
Таблица 4.2
Удельные мощности нетрадиционных возобновляемых
источников энергии
| Источник | Мощность, Вт/м2 | Примечание |
| Солнце | 100 – 250 | |
| Ветер | 1500 - 5000 | При скорости 8-12 м/с, может быть и больше в зависимости от скорости ветра |
| Геотермальное тепло | 0.06 | |
| Ветровые океанические волны | 3000 Вт/пог.м | Может достигать 10000 Вт/пог.м |
| Для сравнения: Двигатель внутреннего сгорания Турбореактивный двигатель Ядерный реактор | Около 100 кВт/л До 1 МВт/л До 1 МВт/л |
Говоря о НВИЭ, необходимо также отметить, что многие из них на единицу произведенной электроэнергии и обеспечение функционирования требуют расхода природных источников энергии (табл. 4.3).
Таблица 4.3
Энергетические потребности для производства электроэнергии при использовании возобновляемых источников
| Тип энергетической установки | Расход энергии природного источника на единицу произведенной электроэнергии, отн.ед. |
| Установка на биомассе | 0,82 – 1,13 |
| ГеоТЭС | 0,08 – 0,37 |
| ГЭС малой мощности большой мощности | 0,03 – 0,12 0,09 – 0,39 |
| Солнечная фотоэлектрическая установка: наземная спутниковая | 0,47 0,11 – 0,48 |
| Солнечная теплоустановка (зеркала) | 0,15 – 0,24 |
| Приливная станция | 0,07 |
| Ветроэнергетическая установка | 0,06 – 1,92 |
| Волновая станция | 0,3 – 0,58 |
Ветроэнергетика. Ветровая энергетика – это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием ее в электрическую. Имеются ветровые двигатели с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Энергию ветра можно успешно использовать при скорости ветра 5 и более м/с. Недостатком является шум.
Ориентиром в определении технического потенциала Республики Беларусь могут служить официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в сложившейся структуре электропотребления таких стран, как Великобритания и Германия. Доля ветроэнергетики в этих странах оценена в 20%.
Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы. Последние инженерные успехи в строительстве ветровых генераторов, способных работать при низких скоростях, делают использование ветра экономически оправданным. Однако, ограничения на строительство ВЭС, особенно в густонаселенных районах, значительно снижают потенциал этого источника энергии.
Наибольшая доля (до 3%) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993 г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Строительство современных ВЭС началось здесь в конце 70-х годов. А в начале 80-х в штате Калифорния (США) наблюдался особенно интенсивный рост ВЭС. Принятие здесь закона о налоговых льготах на инвестиции в возобновляемые источники энергии в дополнение к федеральным налоговым льготам создало благоприятную обстановку. В результате Калифорния превратилась в мирового лидера по производству электроэнергии из ветра. США могут потерять это лидерство, так как в ЕС поставили цель вырабатывать в 2005 г. 8 тыс. МВт ветровой электроэнергии, что составляет 1% потребностей ЕС в электроэнергии. Дания, Германия и Нидерланды должны довести к этому времени выработку электроэнергии из ветра по крайней мере до 5000 МВт.
Стоимость ветровой энергии снижается на 15% в год и даже сегодня может конкурировать на рынке, а главное – имеет перспективы дальнейшего снижения в отличие от стоимости энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5% в год); при этом темпы роста ветроэнергетики в настоящее время превышают 25% в год. Использование энергии ветра в различных государствах набирает силу, что находит подтверждение в табл. 4.4.
|
|
|
Опыт освоения энергии ветра в развитых государствах показывает, что наиболее оптимальными являются ветроустановки мощностью более 100 кВт, особенно в диапазоне 200—500 кВт. При этом в Дании, например, стоимость 1 кВт·ч. электроэнергии, произведенной на ветроэлектростанции, дешевле, чем на теплоэлектростанции.
Гелиоэнергетика – получение энергии от Солнца. Имеется несколько технологий солнечной энергетики. Фотоэлектрогенераторы для прямого преобразования энергии излучения Солнца, собранные из большого числа последовательно и параллельно соединенных элементов, получили название солнечных батарей.
Таблица 4.4
Развитие ветроэнергетики в странах
| Государство | Мощности ветроэлектростанций, введенных в 1995 г., МВт | Суммарные действующие мощности ветроэлектростанций по состоянию на 1996 г., МВт |
| Германия | 500 | 1132 |
| Индия | 375 | 576 |
| Дания | 98 | 637 |
| Нидерланды | 95 | 219 |
| Испания | 58 | 133 |
| США | 53 | 1654 |
| Швеция | 29 | 69 |
| Китай | 14 | 44 |
| Италия | 11 | 33 |
| Другие | 57 | 370 |
| Всего | 1289 | 4897 |
Получение электроэнергии от лучей Солнца не дает вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых солнечных батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.
Солнечные батареи занимают много места. Однако в сравнении с другими источниками, например с углем, они вполне приемлемы. Более того, солнечные батареи могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, а также использоваться в богатых солнцем пустынях.
Особенности солнечных батарей позволяют располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции можно легко транспортировать и устанавливать в другом месте. Поэтому солнечные батареи, применяемые в сельской местности и в отдаленных районах, дают более дешевую электроэнергию. И, конечно, солнечных лучей по всему земному шару найдется больше, чем других источников энергии.
|
|
|
Жители отдаленных районов используют энергию солнечных батарей для освещения, радиовещания и других бытовых нужд. Практическое применение солнечной энергии следует отметить также при подъеме воды из скважин и на нужды здравоохранения.
Главной причиной, сдерживающей использование солнечных батарей, является их высокая стоимость, которая в будущем, вероятно, снизится благодаря развитию более эффективных и дешевых технологий. Нынешняя стоимость солнечной электроэнергии равняется 4,5 долларов за 1 Вт мощности и, как результат, цена 1 кВт·ч электроэнергии в 6 раз дороже энергии, полученной традиционным путем сжигания топлива. Когда же цена производства солнечной энергии сравняется с ценой энергии от сжигания топлива, оно получит еще более широкое распространение, причем с начала 90-х гг. темпы роста гелиоэнергетики составляют 6% в год, в то время как мировое потребление нефти растет на 1,5% в год.
Возможно использование солнечной энергии для получения тепловой, в частности, для отопления жилищ.
