Альтернативные источники энергии и возможность их использования в России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Геологический факультет Кафедра геологии месторождений полезных ископаемых

Курсовая работа

Альтернативные источники энергии и возможность их использования в России

Студент 1 курса Э. И. Урманшин Научный руководитель: д. каф. ГМПИ Ю. Э. Петрова Санкт-Петербург 2012

1. Классификация альтернативных источников энергии

2. Доля альтернативных источников энергии в Структуре энергетических ресурсов России и динамика их потребления

3. Альтернативные источники энергии и возможности их использования в России

3.1 Энергия ветра (ветровая энергетика)

3.2 Малая гидроэнергетика

3.3 Солнечная энергия

3.4 Энергия биомассы

3.5 Геотермальная энергия

3.6 Энергетические ресурсы морей и океанов

3.7 Использование низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами

4. Политика России в области альтернативных источников энергии Заключение Список литературы

Введение

Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к альтернативным источникам энергии (АИЭ). Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли.

По прогнозам British Petroleum, традиционные топливно-энергетические ресурсы, при существующих темпах развития нефтегазовой отрасли, иссякнут в ближайшие 100−150 лет. Мировые запасы угля составляют 30 трлн. тонн, нефти — 300 млрд. тонн, газа — 220 трлн. мі. Разведанные запасы угля составляют 1685 млрд. тонн, нефти — 137 млрд. тонн, газа — 142 трлн. мі. Несмотря на это, при том, что в последние годы было сделано много открытий месторождений нефти и газа в шельфовых зонах морей, запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти на 35−40 лет, газа на 50 лет. 14] Практически все развитые страны мира уделяют серьезное внимание проблеме использования АИЭ. В России также разработана комплексная программа проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по использованию АИЭ. Программой предусмотрен ряд организационных мероприятий по освоению промышленностью производства и широкомасштабного внедрения систем энергоснабжения, работающих на АИЭ.

Цель курсовой работы: изучить перспективы использования АИЭ на территории России. Задачи: 1. Изучить виды АИЭ; 2. Проанализировать ситуацию на мировом энергетическом рынке и выявить долю АИЭ в мировом энергетическом балансе; 3. Выявить возможность использования АИЭ на территории России.

1. Классификация альтернативных источников энергии

Альтернативные источники энергии — это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком. В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г.) к АИЭ относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков. Классификация АИЭ представлена в таблице 1.

Таблица 1. Альтернативные источники энергии

На данный момент в мире наблюдается увеличение доли АИЭ в энергетическом балансе. На рисунке 1 виден рост возобновляемых источников энергии в странах Европейского союза.

Рисунок 1. Динамика роста выработки электроэнергии в ЕС-15 1996;2008гг. Источник: Energy Information Association

Сегодня доля потребления энергии АИЭ в энергетическом балансе всего мира составляет около 7 процентов.

Рисунок 2. Структура потребления первичных энергетических ресурсов в мире в начале XXI века. Источник: [8]

Начиная с 90-х годов по инициативе ЮНЕСКО при поддержке государств-членов ООН и заинтересованных организаций, проводятся мероприятия по продвижению идеи широкого использования возобновляемых источников.

Главным образом на скорейший переход к АИЭ указывают следующие основные причины:

· Глобально-экологическая: общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI века;

· Политическая: страны, в полной мере освоившие альтернативную энергетику, будут играть существенную роль в мировой экономике энергетики;

· Экономическая: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими АИЭ, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную — постоянно растут;

· Социальная: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды.

· Эволюционно-историческая: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на АИЭ.

2. Доля альтернативных источников энергии в Структуре энергетических ресурсов России и динамика их потребления

Рисунок 3. Потенциальные возможности АИЭ в России, в млрд т.у.т. Источник:.

По данным «BP Statistical review of world energy 2011», годовой объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России составляет около 0.9 млрд т.у.т. Технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т.у.т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России. В настоящее время экономический потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы.

Несмотря на высокий потенциал АИЭ в России, их доля в общем объеме производства энергии на территории страны по-прежнему мала. Доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии составила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт· ч, а объем замещения органического топлива — около 1% от общего потребления первичной энергии или около 10 млн. т.у.т. в год.

Рисунок 4. Доля возобновляемых источников энергии в общем объеме ее производства в разных странах. Источник: агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике.

В связи с этим в мировой структуре потребления АИЭ Россия просто теряется на фоне таких стран, как США, Германия, Испания.

Рисунок 5. Мировая структура потребления альтернативной энергии. Источник: INFOLine

Основная проблема использования АИЭ в России — высокая стоимость производимой ими энергии. На рисунке 6 видно, насколько дороже выходит энергия от АИЭ в России по сравнению с развитыми странами мира.

Рисунок 6. Стоимость производимой энергии в России и развитых странах мира (в цент/кВт*ч). Источники: МЭА, ЗАО «АПБЭ», ОАО «РусГидро» .

Несмотря на это, в последние годы в России прослеживается бурный рост инвестиций в АИЭ. Так с 2004 года объем инвестиций в возобновляемую энергетику увеличился примерно в пять раз.

Рисунок 7. Динамика инвестиций в возобновляемую энергетику в 2004;2009 годах, млрд. долл. Источники: МЭА, ЗАО «АПБЭ», ОАО «РусГидро» .

Но в тоже время рост потребления возобновляемой энергии в России в 2011 году остался неизменным.

Рисунок 8. Рост потребления возобновляемой энергии в 2011 году. Источник: INFOLine.

Однако, на сегодняшний день в России уже построено немало объектов по использованию АИЭ. Из рисунка 9 видно, что среди них есть и довольно крупные.

Рисунок 9. Самые крупные объекты альтернативной энергетики в РФ. [15]

В области геотермальной энергетики еще в 1966 г. на Камчатке была построена экспериментальная Паужетская геотермальная электростанция мощностью 11 МВт, а в 2003 г. была пущена в эксплуатацию Мутновская ГеоЭС, мощность которой в настоящее время составляет 60 МВт. В сфере ветряной генерации стоит отметить Куликовскую ВЭС, крупнейшую ветряную электростанцию в России, которая была введена в эксплуатацию в 2002 г. с мощностью 5,1 МВт. [15]

3. Альтернативные источники энергии и возможности их использования в России

3.1 Энергия ветра (ветровая энергетика)

Различные виды АИЭ находятся на разных стадиях освоения. Наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии — ветер. Но ветер — это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала «месторождения» ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда «размазана» по огромным территориям. Основные параметры ветра — скорость и направление — меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее «надежным», чем Солнце.

Суммарная мощность крупных ветровых энергетических установок и ветровых энергетических станций в мире, по разным оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт. Помимо роста суммарной мощности ветряных установок, растет и их единичная мощность, превысившая 1 МВт. По прогнозам аналитиков, энергетика ветра в ближайшее время по-прежнему будет занимать первое место среди АИЭ. На данный момент США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия — мировые лидеры по применению энергии ветра. По экспертным оценкам валовой потенциал ветроэнергетики в России составляет 26*10⁶ т.у.т./год, а экономический — 12,5*10⁶ т.у.т./год. Сейчас в России рядом производителей выпускаются в основном малые ветроустановки мощностью 500 Вт — 16 кВт как для водоподъема, так и производства электроэнергии. Разработаны ВЭУ мощностью 100 и 250 кВт, несколько таких установок эксплуатируется в северных регионах страны. 9]

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата. Карта ветроэнергетических ресурсов России представлена на рисунке 10. [12]

Считается, что сооружение ветровой установки мощностью до 5−6 кВт экономически оправдано при скорости ветра, превышающей 3,5−4,0 м/с. Для больших установок требуется скорость ветра 5,5−6,0 м/с. [2]

По зарубежным данным для сооружения ветровой энергетической установки мощностью в несколько мегаватт предпочтительны районы со среднегодовой скоростью ветра 8 м/с на высоте размещения ветроколеса. Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал. [1]

Рисунок 10. Карта ветроэнергетических ресурсов России. [12]

Цифрами обозначены зоны со среднегодовыми скоростями ветра:

1 — выше 6 м/сек; 2 — от 3,5 до 6 м/сек; 3 — до 3,5 м/сек.

Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, некоторых областей европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики — до 3,5 м/с, и широкое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендуется.

В отдельных районах России скорости ветра достигают 8 м/с и более. В то же время в районах восточнее реки Енисея до побережья Охотского моря преобладают ветры слабой интенсивности — от 1,5 до 3,5 м/с; только на самом побережье она повышается.

Отсюда можно выявить определенную закономерность — высокие скорости ветра характерны для морских побережий и горных перевалов. Западногерманские специалисты, изучавшие возможность создания системы мощных ветровых электростанций в Германии, сообщают о том, что скорости ветра на Балтийском побережье Германии находятся в интервале 6−7,5 м/с, во внутренних же районах эти значения меньше. Одновременно они приводят данные о периоде затишья. Оказалось, что периоды затишья (штиля) наблюдаются, как правило, летом, на морском побережье Германии продолжительностью 7−10 ч, во внутренних районах страны — 16−30 ч максимально до 130 ч. [2]

Необходимо иметь в виду, что даже к одному работающему ветряку близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, «отнимая ветер» один от другого. А на занимаемой ветроагрегатами площади уже ничего другого делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо — генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке — могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Отсюда следует, что при строительстве ветряных электростанций, нужно брать во внимание не только скорость ветра в данном районе, но и наличие населенных пунктов и лесов поблизости.

Использование ветряных электростанций в России имеет массу преимуществ при установке их в районах, не обеспеченных централизованным энергоснабжением и использующих дорогое привозное топливо. В этих случаях использование энергии ветра имеет также большое социальное значение, увеличивая надежность энергоснабжения. [9]

3.2 Малая гидроэнергетика

гидроэнергетика геотермальный биогаз теплонасос К малым ГЭС условно относят гидроэнергетические агрегаты мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Меньшие агрегаты относятся к категории микро-ГЭС. Суммарная мощность в 2008 году малых ГЭС в мире превышала 85 ГВт.

В последние годы малая гидроэнергетика занимает одно из ведущих мест в электроэнергетике многих стран мира. В некоторых странах суммарная мощность микро-ГЭС превышает 1 млн. кВт (Италия, Франция, Испания, Швеция, Канада, США). Их используют как локальные экологически чистые источники энергии, за счет которых экономятся традиционные виды топлива, уменьшая выброс углекислого газа в атмосферу. Лидирующие позиции в развитии малой гидроэнергетики занимает Китай, если в 2000 году в этой стране совокупная мощность малых ГЭС составляла около 25 ГВт, то к началу 2010 года работало 45 тыс. малых ГЭС общей мощностью более 55 ГВт, обеспечивающих значительную часть потребностей в электроэнергии сельского населения страны. 1]

В России работает несколько десятков малых гидроэлектростанций общей мощностью порядка 250 МВт. Многие из них были введены в строй более 50 лет назад и нуждаются в реконструкции. А в 50-е годы прошлого столетия, в России функционировало более 6 тысяч микро-ГЭС, но, в итоге более устойчивое положение в энергетике страны заняло крупное гидроэнергостроительство, а малые гидроэлектростанции со временем отошли на второй план. В наши дни интерес к малым ГЭС возрос. Независимо от того, что крупные ГЭС являются экономически более выгодными, у малых гидроэлектростанций есть свои плюсы. Во-первых, строительство малых ГЭС менее затратно и может быть организовано за счет частных предприятий и фермерских хозяйств. Немаловажным фактом является то, что малые ГЭС зачастую не требуют сложных технических элементов, таких как большие водохранилища, являющиеся причиной затопления больших площадей на равнинных реках. Современные малые гидроэлектростанции полностью автоматизированы. А их высокая надежность и полный ресурс не менее 40 лет только доказывают необходимость их использования. [1]

Рисунок 11. Потенциал и интенсивность использования гидроэнергетики в России. Источник:.

Технически возможный потенциал малой гидроэнергетики в России составляет примерно 41 ГВт мощности и 372 млрд. кВтч ежегодной выработки. Экономически эффективный к использованию потенциал точно не определен, ориентировочно он составляет порядка 55% от технического. А по другим данным сегодняшними доступными средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд. кВт*ч электроэнергии в год. [10]

По сравнению с огромным потенциалом малой гидроэнергетики в России, использование малых ГЭС пока что слишком мало. Часть регионов с высоким потенциалом не задействованы в получении энергии с помощью малой гидроэнергетики вовсе.

Большая часть гидроэнергетического потенциала малых рек сосредоточена в Сибири и на Дальнем Востоке. В Европейской части России большие возможности для создания малых ГЭС существуют на Северном Кавказе, Урале, в Карелии и Мурманской области.

В 2006;2007 годах в Дагестане были введены в эксплуатацию пять малых ГЭС мощностью 0,6−1,4 МВт. В 2008;2009 годах полностью на средства частного инвестора была построена Фаснальская ГЭС мощностью 6,4 МВт в Северной Осетии, являющаяся частью планируемого каскада из 17 малых ГЭС общей мощностью 240 МВт в бассейне реки Урух.

В 2006;2009 годах две малых ГЭС мощностью 1,2 и 0,5 МВт были сооружены на выпускных коллекторах очистных сооружений Ульяновска. Реализуются и проекты по восстановлению малых ГЭС (в Карелии и Ленинградской области). В 2009 году ОАО «РусГидро» ввело в эксплуатацию Эшкаконскую малую ГЭС в Карачаево-Черкесии мощностью 0,6 МВт. В настоящий момент «РусГидро» реализует пилотную программу малых ГЭС, ведется исследование новых створов под строительство, воплощаются проекты строительства: Фиагдонской МГЭС в Северной Осетии, Зарагижской и Верхнебалкарской — в Кабардино-Балкарии, «Чибит» — в Республике Алтай, «Большой Зеленчук» — в Карачаево-Черкесии. [10]

Перспективна установка малых ГЭС на плотинах большого количества водохранилищ, созданных в интересах водоснабжения, ирригации, водного транспорта, рекреации, на ирригационных каналах, системах водоснабжения и канализации. Сегодня их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях существующие малые водохранилища, которых в России более 1000. Кроме того, возможно восстановление сотен малых ГЭС, ранее выведенных из эксплуатации, но сохранивших полностью или частично основные сооружения. Из всех ВИЭ малые ГЭС наиболее конкурентоспособны (за исключением обычных ГЭС). Тем не менее, в сложившихся в России условиях в большинстве случаев они экономически менее привлекательны по сравнению с традиционными электростанциями. С помощью малых ГЭС можно провести электроэнергию в отдаленные населенные пункты России при сравнительно низкой стоимости установленного киловатта и коротком инвестиционном. [10]

Для успешного развития малой гидроэнергетики необходимы меры по ее государственной поддержке, декларированные законом «Об электроэнергетике» и другими документами, но не реализованные на уровне подзаконных актов. Также требуется упростить административные процедуры получения разрешений на строительство малых ГЭС, отвода под них земель, подключения их к энергосистеме.

3.3 Солнечная энергия

Солнце — неисчерпаемый источник энергии — ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Нужно только уметь пользоваться им.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации — слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 мІ освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 кмІ. Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации. 3]

Доказано, что в высоких широтах плотность солнечной энергии составляет 80−130 Вт/мІ, в умеренном поясе — 130−210, а в пустынях тропического пояса — 210−250 Вт /мІ. Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности. [2]

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от нескольких факторов:

· Широта;

· местный климат;

· сезон года;

· угол наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Отсюда следует, что количество солнечной энергии сильно отличается в зависимости от географического положения и времени года (рисунок 12). Это необходимо учитывать при использовании энергии Солнца.

Рисунок 12. Распределение плотности солнечного излучения на Земле. 8]

Сегодня преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя путями:

· Использование солнечной энергии как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов)

· преобразовывание солнечной энергии в электрический ток в солнечных элементах.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал — для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Проще всего использовать энергию Солнца для нагрева воды. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) получили широкое распространение в жарких странах. Например, власти Израиля требуют установок СВУ в каждом доме. В Соединенных Штатах Америки СВУ используют для прогрева бассейнов. В США ежегодно вырабатывается около 2 млн. т.у.т. Приблизительная площадь СВУ в мире, установленных сейчас, равна около 50−60 млн мІ, что обеспечивает получение 5−7 млн т.у.т. в год. В Европе к концу 2000 г. было построено около 11,7 млн мІ коллекторов. На данный момент эти цифры существенно выросли. [8]

В России электростанции, использующие энергию Солнца, на сегодня практически не распространены. Это связано с довольно низкой стоимостью нефтегазовой энергии.

Однако в ходе тщательных исследований было выявлено, что использование СВУ 3−6 месяцев в год (в зависимости от региона) экономически выгодно. [8]

На данный момент используется несколько методов преобразования энергии Солнца в электроэнергию. Среди них широкое распространение получили термодинамические методы и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Рисунок 13. Схема преобразования солнечной энергии в электричество с помощью ФЭП. Источник:.

Фотоэлектрические преобразователи находят все большее применение в самых разных регионах. Одно из преимуществ ФЭП в том, что они, помимо прямого излучения, используют также и рассеянное. Это позволяет отказаться от дорогостоящих устройств для слежения за Солнцем.

Рынок ФЭП с каждым годом все быстрее набирает обороты. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Сильным толчком для развития ФЭП в мире является принятие национальных программ в разных странах («100 тысяч солнечных крыш» в Германии, «100 тысяч солнечных крыш» в Японии, «1 млн. солнечных крыш» в США). По прогнозам аналитиков Япония и Германия в ближайшее время выйдут на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15−20 цент/кВтч. Особенное значение рынок ФЭП имеет в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации.

Рисунок 14. Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей. Источник: INFOLine.

На данный момент в мире работают тысячи фирм, производящих различные установки с ФЭП, но только десятки из них, в том числе в России, умеют делать солнечные элементы. Начиная с середины 90х годов, в России ведутся работы по усовершенствованию ФЭП и развертыванию их промышленного производства. Так, например, ООО «Солнечный Ветер» сотрудничает более чем с 10 странами. За 1996;2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.

Однако, существует один существенный фактор сдерживающий распространение ФЭП. Это высокая стоимость электроэнергии, производимой ФЭП. Дороговизна обусловлена высокой стоимостью технологического процесса и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты). Поэтому по всему миру ведутся исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП. Сейчас самым перспективным направлением является внедрение в ФЭП концентраторов солнечного излучения. Россия и США — те страны, в которых исследования в этой области проводятся наиболее интенсивно. [3]

3.4 Энергия биомассы

По данным Associated Press энергия, вырабатываемая за счет биомассы, составляет около 12% в мировом энергетическом балансе, однако официальной статистикой не учитывается биомасса, не являющаяся коммерческим продуктом, но используемая для энергетических нужд. В европейских странах, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, однако в таких странах, как Австрия, Швеция, Финляндия использование энергии биомассы доходит до 23%.

В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Примерная схема получения энергии из биомассы представлена на рисунке 15.

Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта. [2]

Рисунок 15. Схема получения энергии из биомассы. Источник:.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы — производство из неё биогаза, состоящего на 50−80% из метана и на 20−50% из углекислоты. Его теплотворная способность — 5−6 тыс. ккал/мі. Например, опыты показывают, фермер, имеющий посевы рапса и рапсовое масло, может быть независимым от поставок моторного топлива. [9]

Крупномасштабное увеличение объема производства биотоплива (например, этилового спирта) по этой причине может оказать существенное отрицательное влияние на мировой рынок пищевых продуктов. Второй серьезный недостаток — возможность обеднения и эрозии почв в результате интенсификации выращивания «энергетических» культур. Очевидная стратегия спасения от этих явлений — выращивание культур, пригодных и для обеспечения человека (зерно), и для энергетических нужд при одновременном сокращении части урожая, скармливаемого животным. Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т. п. Для оценки эффективности получения энергии из того или иного вида биомассы необходимо проведение энергетического анализа. [2]

Помимо первичной растительной биомассы, значительным энергетическим потенциалом обладают отходы животноводства, промышленные отходы и твердые бытовые отходы (ТБО). Мусороперерабатывающие фабрики либо сжигают ТБО, либо газифицируют их. Навоз и жидкие бытовые стоки являются основным сырьем от животноводства, которое перерабатывается в биогаз.

Рисунок 16. Схема устройства биогазовой установки. Источник:.

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10−12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8−9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений, трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

Широкое распространение энергия биомассы получила в развивающихся странах. Так большинство из них расположено на территории Азии, Африки и Южной Америки.

Рисунок 17. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире. Источник:.

В России образуется около 60 млн. т ТБО, примерно 130 млн. т отходов животноводства и птицеводства, около 10 млн. т сточных вод ежегодно. Энергетический потенциал этих отходов составляет 190 млн. т.у.т. Но используется лишь малая часть его. В этом направлении надо вести большую работу. Потому что, помимо пополнения запасов энергии, решается еще одна серьезная проблема России — экология. Ведь при переработке отходов мы сокращаем количество мусорных свалок и долин. [8]

Определенных успехов достигли отечественные ученые в области переработки жидких городских стоков. Уже с 50-х годов прошлого века на Курьяновской и Люберецкой станциях г. Москвы производится очистка городских стоков и работали мощные биогазогенераторы — метантенки. Этот метод переработки отходов начали повсеместно внедрять во многих городах России.

В основе биохимической переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70% метана и 30% диоксида углерода.

В данный момент в России разработкой, созданием, производством опытных серий оборудования, установок в целом, реализующих высокорентабельные биогазовые технологии, занимается ЗАО Центр «ЭкоРос». С 1997 года по документации ЗАО Центр «ЭкоРос» освоено производство таких установок в Китае в г. Ухань на совместном китайско-российском предприятии. Всероссийский Институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разрабатывает биоэнергетические установки для свиноферм;. ЗАО ВНИКОМЖ (Всероссийский Институт комплексной механизации животноводства) -создает биоэнергетические установки (БЭУ) для птицеферм и фабрик. Кафедра химической энзимологии МГУ им. Ломоносова создает технологию переработки супержидких стоков. 9]

С одной стороны Россия уже достигла серьезных успехов в области получения энергии из биомассы и промышленных отходов, но в то же время, нельзя останавливаться на достигнутом, потому что энергетический потенциал биомассы колоссален.

3.5 Геотермальная энергия

Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Так, например, маленькая европейская страна Исландия — «страна льда» в дословном переводе — полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли — других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. 1]

Геотермальная энергия — это энергия, получаемая за счет физического тепла глубинных слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. Носителями этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем по земной поверхности составляет около 0,03 Вт/мІ. Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры — так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2−3К/100м. Но в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100 °C и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.

Считается, что если температура в геотермальном месторождении превышает 100 °C, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН). [1]

Рисунок 18. Схема разреза Альпийского нагорья с наличием геотермальных электростанций. Источник:.

На данный момент общая мощность всех действующих в мире ГеоЭС близится к 10 ГВт (э). Общая мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт (т).

Россия чрезвычайно богата на запасы геотермальной энергии. По данным ИНЭИ РАН, они в 10−15 раз превышают запасы органического топлива в стране. Практически на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30о до 200о С. На сегодняшний день на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые можно использовать для локального теплоснабжения при помощи высоких технологий на всей территории России. Так как скважины уже пробурены, геотермальная энергия, получаемая за счет них, будет экономически выгодной.

Рисунок 19. Технический потенциал использования геотермальной энергии в России. Источник: агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике.

В России наиболее перспективным регионом для строительства ГеоЭС является Камчатка, располагающая уникальными геотермальными месторождениями. Там действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт (э), а также Кавказ. В 1999 г. введены в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт (э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт (э). В развитие геотермальной энергетики Камчатки определяющий вклад вносит специально созданное для этой цели ОАО «ГЕОТЕРМ», Калужский турбинный завод, разработавший и освоивший в производстве современное специализированное оборудование, поставляемое не только на Камчатку, но и за рубеж. Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных комплексов и т. п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области. Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды. В этой связи представляет большой практический интерес внедрение двухконтурных систем теплоснабжения с использованием эффективного и коррозионно-стойкого современного теплообменного оборудования. 10]

В России большое количество запасов термальных вод с довольно невысокой температурой, недостаточной для непосредственного теплоиспользования. Особый интерес представляет и тепло поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год остается практически неизменной и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низкопотенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.

Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основными негативными факторами являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха попутными газами (bhS, СН, NH4); тепловое загрязнение окружающей среды; повышение влажности воздуха за счет испарения в градирнях.

Во многих странах проводятся исследовательские работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов.

Также оправдано строительство геотермальных электростанций неподалеку от мусорных полигонов. На мусорных свалках, вследствие разложения органических отходов, образуется газ с очень интенсивным запахом, состоящий главным образом из горючего метана и двуокиси углерода. Из тонны мусора образуется около 150−250 мі газа. Метан из мусора дает тепло и энергию и снижает загрязнение окружающей среды. Схема производства энергии при помощи газа мусорных полигонов представлена на рисунке 20.

Рисунок 20. Схема преобразования тепла и энергии метана в электроэнергию. Источник:.

Достоинствами геотермальной энергии можно считать практическую неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы. 11]

3.6 Энергетические ресурсы морей и океанов

Периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики. Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию морских приливов и отливов, возникающих в результате гравитационного взаимодействия вращающейся вокруг своей оси Земли с Луной и Солнцем. Лунные приливы примерно в два с половиной раза сильнее солнечных. Во многих случаях солнечные и лунные приливы могут совмещаться, взаимно усиливая или ослабляя друг друга.

Рисунок 21. Схема действия приливных электростанций. Источник:.

В открытом море приливная волна невысокая и практически не ощущается, но вблизи берегов ее высота может существенно возрастать, достигая нескольких метров, что позволяет использовать энергию перемещаемой приливом воды для выработки электроэнергии на ПЭС. [4]

Приливы, как и отливы, происходят дважды в день в заранее известное время. Их высота также известна и закономерно изменяется в течение месяца. В связи с этим ПЭС имеют четкий и неизменный график работы, выдавая электрический ток в энергосистему четыре раза в сутки.

Из всех разработанных методов использования энергии приливов и отливов наиболее эффективным является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. [3]

Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и в Китае.

Теоретический потенциал приливной энергетики в России составляет более 100 ГВт по мощности и более 250 млрд кВтч по среднегодовой выработке. Подавляющая часть этого потенциала сконцентрирована в трех створах — Мезенском (Белое море), Тугурском и Пенжинском (Охотское море).

В настоящее время экономически эффективным считается использование приливов с высотой не менее 4 м. Высота приливов сильно зависит от конфигурации побережья. Во внутренних морях, например в Черном и Балтийском, приливы невелики. Как правило, наибольшие приливы возникают в глубоко вдающихся вглубь материка заливах, в том числе в устьях рек. Наибольшая известная высота приливов (до 18 м) наблюдается в заливе Фанди в Канаде. [3]

Рисунок 22. Характеристика ПЭС России. Источник: INFOLine.

В настоящее время приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове на берегу Баренцева моря и в Приморье.

Перспективные для строительства ПЭС участки есть в России, Великобритании, Франции, Норвегии, Южной Корее, Китае, Аргентине, США. Всего не менее 80 створов. В целом экономически эффективный к использованию потенциал приливной энергии сегодня оценивается в 450 млрд кВтч в год, в дальнейшем по мере совершенствования приливных электростанций его величина может существенно возрасти. [10]

3.7 Использование низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами

Сегодня отопление и горячее водоснабжение (ГВС) городских объектов осуществляется, зачастую, от городских ТЭЦ или районных котельных, работающих на традиционных топливах. Автономные потребители (частные дома, дачные поселки), как правило, используют для отопления и горячего водоснабжения или жидкие углеводородные газы, или электроэнергию.

В то же время имеется большое количество различных источников низкопотенциального тепла, как природных, так и искусственных, которые в сочетании с тепловыми насосами (ТН) могут составить конкуренцию традиционным топливам. Естественными источниками низкопотенциального тепла могут быть атмосферный воздух, подпочвенные и грунтовые воды, озерная и речная вода, поверхностный и глубинный грунт.

Рисунок 23. Схема получения тепла при помощи теплового насоса. Источник:.

Вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений, отработанный воздух или вода производственных технологических процессов, тепло отработанных газов при сжигании топлива, различные теплые сбросы промышленных предприятий, вентиляционные выбросы, канализационные системы — это все то, что может выступать искусственным (вторичным) источником тепла. Их потенциал достаточно велик, но в каждом отдельном случае требует разработки оптимальных систем для его использования. [11]

США, Швеция, Канада и другие страны с климатом, как в России, уже давно отапливают административные здания и жилые помещения при помощи ТН. Практическое использование ТН в России на сегодняшний день не велико, общая тепловая мощность всех теплонасосных установок в России составляет порядка 100 МВт, а их количество не превышает 150 образцов. А в мире к настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов ошеломляют:

* В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы;

* В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности;

* В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов;

* В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов;

* В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой +8 °С. [11]

Используя ТН, мы можем преобразовывать тепло низкопотенциального источника в тепло с температурой, нужной потребителю. При этом ТН затрачивает относительно небольшое количество тепла на его привод. Отношение количества тепла, отданного потребителю, к энергии, затраченной на его привод, (коэффициент трансформации ТН) тем выше, чем выше температура источника низкопотенциального тепла. В современных системах этот коэффициент составляет 3 и более.

Наибольший интерес из природных источников низкопотенциального тепла представляют незамерзающие водоемы или источники геотермального тепла. Геотермальные флюиды, с температурой не ниже 20−30°С, имеются на умеренных глубинах во многих регионах страны. Такие флюиды могут играть роль эффективных источников низкопотенциального тепла для ТН. Использование тепла грунта также представляет интерес. Для этого создаются неглубокие скважины (до 100 м), которые служат подземными теплообменниками, по которым циркулирует теплоноситель ТН. В зависимости от типа грунта, наличия подземных вод и других факторов с 1 м длины современного теплообменника можно снять до 300 Вт энергии.

Также экономически выгодно применение комбинированных схем, в которых, например, наряду с использованием ФЭП, работают ТН, вырабатывающие тепло за счет вентиляционного воздуха помещения.

Но, кроме экономии первичной энергии, главнейшим фактором применения ТН является денежная экономия по сравнению с традиционными способами отопления и теплоснабжения городских объектов. Экономическая выгодность ТН в первую очередь зависит от его стоимости, которая на данный момент высока. С увеличением масштабов производства будет уменьшаться и стоимость ТН. На сегодняшний день в России производятся преимущественно компрессионные ТН тепловой мощностью от 10 кВт до 5 МВт. Оснащенность и производственная мощность существующей машиностроительной базы по выпуску ТН средней и большой мощности может считаться достаточной при малом масштабе производства, но она недостаточна для удовлетворения рынка ТН со средней тепловой мощностью 20 кВт. Для этого нам необходимо выпускать до 10 000 агрегатов в год. Чтобы достичь таких результатов, на надо существенно расширить производственную базу. Особенно в сфере производства компрессоров для тепловых насосов, так как на данный момент они в большинстве своем приобретаются за рубежом. [11]

4. Политика России в области альтернативных источников энергии

Положительным фактором для развития АИЭ в России является создание законодательной базы. Так, федеральным законом РФ от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на АИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Этот правовой акт устанавливает минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию АИЭ. Правительством России в 2003 г. принята «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.». (Российская Газета от 07.10.2003 г.). Одним из направлений данного документа является рассмотрение возможностей использования возобновляемых источников энергии.

Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

1. сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

2. снижение экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса;

3. обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;

4. снижение расходов на дальнепривозное топливо.

При проведении региональной энергетической политики важное значение имеет оптимальное использование возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.

Необходимость использования указанных видов энергии определяется их существенной ролью при решении следующих проблем:

1. обеспечение устойчивого теплои электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях. Объем завоза топлива в эти районы составляет около 7 млн. т нефтепродуктов и свыше 23 млн. т угля;

2. обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений;

3. снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения. 8]

Неистощаемость и экологическая чистота этих ресурсов обусловливают необходимость их интенсивного использования.