Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное
Скачать 0.73 Mb.
|
1.3 Виды альтернативных источников энергии и потенциал их использования1.3.1 Оценка потенциала использования ветровой энергииВетроэнергетика – «отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию».13 Ветер образуется из-за неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверхности и нижних слоёв атмосферы — воздушные массы начинают перемещаться близ поверхности земли и выше, до 7—12 км над землёй. Таким образом, энергия ветра является следствием деятельности солнца. Наиболее выгодными участками для расположения ветряков — сооружений для преобразования энергии ветра — являются береговые линии (не менее 10—12 км от берега), здесь сильнее перепад температур и более сильный и устойчивый ветер (не менее 5 м/с). Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветряных установок с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. Кроме того, были предприняты попытки построить ветрогенераторы с вертикальным расположением оси вращения, поскольку считается, что они имеют преимущество в виде того, что для начала работы им требуется очень малая скорости ветра. Однако из-за проблем с механизмом торможения подобные ветряные генераторы не получили практического распространения в ветроэнергетике. Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:
Однако ветровая энергетика имеет и ряд недостатков:
Cовокупный ветровой потенциал России оценивается в 26000 млн. т.у.т., технический потенциал 2000 млн. т.у.т. и экономический 10 млн. т.у.т.14 Потенциал ветроэнергетики распределен по территории России неравномерно. Карта ветровых ресурсов РФ, представленная в Приложении 2, показывает расположение ветроэнергетические ресурсы на высоте 50 метров над уровнем земли. Согласно данной карте, наивысшие средние скорости ветра сосредоточены вдоль берегов Баренцева, Карского, Берингова и Охотского морей. Районы с относительно высокой скоростью ветра (5-6 м/с) включают в себя побережья Восточно-Сибирского, Чукотского морей и моря Лаптевых на севере и Японского моря на востоке. Значительные ресурсы находятся также в районах Среднего и Нижнего Поволжья, на Урале, в степных районах Западной Сибири, на Байкале. Над большей частью территории России скорость ветра в дневное время выше, чем ночью, причем эти различия менее выражены зимой. Годовой ход средней скорости ветра в большинстве районов России незначителен и варьируется в пределах от 1 до 4 м/с, составляя в среднем 2-3 м/с. Более высокие амплитуды наблюдаются в центре Европейской части России, в Восточной и Западной Сибири, а также на Дальнем Востоке, где они достигают 4 м/с. Годовые амплитуды менее 2 м/с наблюдаются над юго-востоком и юго-западом Европейской части России и над Центральной Сибирью.15 1.3.2 Оценка потенциала использования геотермальной энергииГеотермальная энергетика - это «преобразование энергии геотермальных вод в другие виды энергии».16 Геотермальные источники фактически неисчерпаемы и обладают высокой степенью предсказуемости в отношении количества получаемой энергии. Согласно классификации Международного энергетического агентства, источники геотермальной энергии делятся на 5 типов17:
В зависимости от температуры воды, пара или их смеси, геотермальные источники делятся на низкотемпературные и среднетемпературные (до 130–150С) и высокотемпературные (свыше 150). Температура геотермального источника во многом определяет характер его использования. Использование геотермальной энергии имеет ряд очевидных преимуществ:
Однако вместе с тем геотермальная энергетика имеет и два значительных недостатка:
В России геотермальная энергия занимает первое место по потенциальным возможностям ее использования. Общие запасы этого вида энергии в России оцениваются в 2000 МВт. Экономический потенциал геотермальной энергии составляет 115 млн. т.у.т. в год.18 Карта геотермальных ресурсов РФ, представленная в Приложении 3, позволяет нам сформировать список регионов, обладающих потенциалом использования данного альтернативного источника. К числу подобных регионов можно отнести Сахалин, Камчатку и Курильские острова, Краснодарский и Ставропольский край, республики Дагестан и Ингушетию. В качестве регионов, перспективных для использования геотермального теплоснабжения, могут также быть рассмотрены Омская, Тюменская Новосибирская и Томская области. Кроме того, большой интерес представляют геотермальные ресурсы Калининградской области, где имеются запасы горячей воды с температурой до 110°С. Следует отметить, что в России основные геотермальные источники экономически расположены невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности. Однако на данный момент уже разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения этого региона, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900 тыс.т.у.т. 1.3.3 Оценка потенциала использования приливной энергииПриливная и волновая гидроэнергетика – «преобразование энергии приливов, волн в другие виды энергии».19 Приливные электростанции (ПЭС) располагают на побережьях с максимальными перепадами уровней воды во время прилива и отлива. Принцип работы ПЭС таков: в заливе строится плотина, отделяющая часть его от океана. Во время прилива и отлива по разные стороны плотины образуется перепад уровней воды, вода устремляется через плотину в сторону нижнего уровня и приводит в движение реверсивные турбины, вращающиеся то в одну (во время прилива), то в другую (во время отлива) сторону. При оценке экономических выгод от строительства приливных электростанций необходимо иметь в виду, что наиболее сильные колебания уровня воды во время приливов и отливов характерны для окраинных морей. Многие из таких побережий расположены в малонаселенных районах и значительно удалены от зон экономической активности и массового потребления электроэнергии. Кроме того, необходимо учитывать тот факт, что окупаемость приливных электростанций становится значительно более привлекательной значительно по мере увеличения их мощности до 5 и тем более до 15 млн. кВт. Однако сооружение приливных станций подобного масштаба в отдаленных районах страны требует слишком больших затрат и не всегда является целесообразным. Главным недостатком приливной энергетики является ее негативное воздействие на окружающую среду. В районах строительства крупных приливных электростанций изменяется высота приливов, что нарушает водный баланс вблизи станции и крайне негативно сказывается на обитающей там флоре и фауне. Основным преимуществом использования приливной энергетики является тот факт, что поведение приливов может быть предсказано достаточно точно, с погрешностью менее 4%. Таким образом, можно сделать вывод, что приливная энергия является надежной формой возобновляемой энергии. Кроме того, приливная энергетика практически не зависит от погодных условий. Мировая энергетика располагает позитивным опытом эксплуатации приливных электростанций. Ведь принцип работы ПЭС во многом схож с гидростанциями. Однако для их работы не требуется создания водохранилищ – плотины, внутри которых устанавливаются турбины, строятся на входах в заливы морей и океанов. Выработка ПЭС не зависит также и от водности года. От гидростанций приливные отличает и низкий напор, вследствие чего турбины ПЭС имеют особую конструкцию. Самые большие приливы на территории России наблюдаются в Охотском море — в Пенжинской (17 метров) и Гижигинской губе (13 метров), а также в Мезенской губе Белого моря (10 метров). Приливы в Балтийском и Чёрном морях измеряются лишь сантиметрами, поэтому строительство ПЭС здесь нецелесообразно. По экономическим показателям ПЭС сопоставимы с речными гидроэлектростанциями (ГЭС), в 2,5—3,5 раза выгоднее солнечных электростанций, и на 10 % экономичнее атомных электростанций (АЭС).20 1.3.4 Оценка потенциала использования энергии биомассыБиоэнергетика - это «преобразование энергии биомассы, биогаза, продуктов переработки биомассы в другие виды энергии»21. Биомасса является одним из наиболее перспективных источников возобновляемой энергии на Земле. Данному факту способствуют такие отличительные черты биомассы как ее значительный энергетический потенциал и относительно простой возобновление данного источника энергии. Кроме того, производство и использование данного вида топлива не требует значительных финансовых вложений. Термин «биомасса» объединяет все пригодные для переработки органические вещества как растительного, так и животного происхождения. Биомасса подразделяется на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную (отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности людей и животных). Различают три вида биотоплива: жидкое (этанол, метанол, биодизель), твёрдое (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород). Получение энергии из биомассы является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей во многих странах мира. В зависимости от влажности, биомасса перерабатывается термохимическими или биологическими способами. Биомасса с низкой влажностью (сельскохозяйственные и городские твердые отходы) перерабатывается термохимическими процессами: прямым сжиганием, пиролизом (термическое разложение), ожижением, гидролизом. В результате получают водяной пар, электроэнергию, топливный газ, водород, жидкое топливо, древесный уголь, глюкозу. Биомасса с высокой влажностью (сточные воды, бытовые отходы, продукты гидролиза органических остатков) перерабатывается биологическими процессами: анаэробным сбраживанием и ферментацией. В результате этих процессов получают биогаз (метан и углекислый газ), органические кислоты, спирты, ацетон. Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза. Биогазовые установки и станции могут функционировать в любых регионах России круглогодично в любое время суток, практически везде, где есть органические отходы и доступная энергетическая биомасса. Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12 м3 метана. А переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. м3 метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. м3 метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений и трав. Ежегодно в России по разным отраслям народного хозяйства производится до 300 млн. тонн (по сухому веществу), из них: 230 млн. тонн в сельскохозяйственном производстве – 130 млн. тонн в животноводстве и птицеводстве и 100 млн. тонн в растениеводстве; в городах – 70 млн. тонн: 60 млн. тонн твердых бытовых отходов и 10 млн. тонн осадков сточных вод. Энергетический потенциал указанного количества отходов составляет 190 млн. т у.т., реально можно получать в год до 45 млн. т у.т.22 Этот потенциал используется пока совершенно недостаточно. Имеются единичные опытные установки по переработке ТБО, эксплуатационные характеристики которых нельзя признать удовлетворительными для широкого промышленного использования. В этом направлении предстоит еще большая работа. Для использования технологий получения энергии из биомассы необходима близость энергопроизводства к источнику сырья (для «нетрадиционной биомассы» это сельскохозяйственные предприятия, фермы), что позволяет получать приемлемое количество относительно недорогой энергии. В России получение энергии из биомассы целесообразно организовывать в Черноземье, Краснодарском крае, центральной России и на юге Сибири.23 1.3.5 Оценка потенциала использования малой гидроэнергетикиМалая гидроэнергетика - это «составная часть гидроэнергетики, связанная с использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем при помощи гидроэнергетических установок малой мощности».24 Примерно 1/5 часть энергии, потребляемой во всём мире, вырабатывают на ГЭС. Её получают, преобразуя энергию падающей воды в энергию вращения турбин, которая в свою очередь вращает генератор, вырабатывающий электричество. Сегодня интерес к малым ГЭС достаточно велик. Несмотря на то, что их экономические характеристики уступают крупным ГЭС, в их пользу работают следующие аргументы. Малая ГЭС может быть сооружена даже при нынешнем дефиците капиталовложений за счет средств частного сектора экономики, фермерских хозяйств и небольших предприятий. Малая ГЭС, как правило, не требует сложных гидротехнических сооружений, в частности, больших водохранилищ, которые на равнинных реках приводят к большим площадям затоплений. Сегодняшние разработки малых ГЭС характеризуются полной автоматизацией, высокой надежностью и полным ресурсом не менее 40 лет. Малые ГЭС позволяют лучше использовать солнечную и ветровую энергию, так как водохранилища ГЭС способны компенсировать их непостоянство. Помимо использования малых рек, одним из интересных новых применений микро- и малых ГЭС стала их установка в питьевых водопроводах и технологических водотоках предприятий, водосбросах ТЭЦ, а также на промышленных и канализационных стоках. Такая возможность может быть реализована в тех водотоках (продуктопроводах), где требуется применение гасителей давления. Вместо гасителей целесообразно установка микро-ГЭС, вырабатывающих электроэнергию для собственных нужд производства или в сеть за счет избытка давления в водотоке. Основными показателями, позволяющими оценить гидроэнергетический потенциал регионов, являются водность рек и наличие значительных перепадов высот рельефа. Совокупность данных по объему стока местных водотоков, крупных транзитных рек и амплитуде рельефа является достаточной для адекватной оценки потенциальной энергетической мощности работы воды на каждой территории, если при этом не ставить задачи расчета мегаватт потенциальной мощности ГЭС (см. Приложение 4). Наиболее значительными потенциальными гидроэнергоресурсaми располагают регионы средней и восточной Сибири, имеющие горный рельеф, множество малых и средних рек, a также такие речные гиганты, как Енисей, Ангара, Лена, Амур. На остальной территории страны по гидроэнергетическому потенциалу выделяются горные республики Северного Кавказа, западный мaкросклон Уральского хребта и Кольский полуостров. Минимальным потенциалом располагают засушливые районы юга России и равнин Западной Сибири. Гидроэнергетический потенциал на значительной части территории страны не используется вообще. В регионах Сибири лишь Ангарский и Енисейский каскады ГЭС позволяют использовать часть потенциала наиболее крупных рек. На остальной территории Сибири использование свободной энергии движения воды имеет лишь точечный характер (Новосибирская, Усть-Хaнтaйскaя, Зейскaя, Вилюйская ГЭС и др.). На европейской территории страны максимально возможное количество электроэнергии извлекается в нижнем течении Волги, хотя потенциал гидроэнергетики здесь не столь велик из-за равнинного рельефа. В то же время больший по суммарной мощности, но дисперсно распределённый потенциал рек Кавказа и западного Урала используется слабее. Необходимо подчеркнуть, что энергодефицитное хозяйство Приморья вообще не имеет ГЭС, хотя этот регион располагает большими гидроэнергоресурсaми. По-видимому это связано с крайним непостоянством режима рек в условиях муссонного климата с регулярно проходящими тайфунами, что ведет к существенному удорожанию строительства в связи с проблемами безопасности. Плотность населения в равнинных районах обычно выше, чем в горных, поэтому зоны с высоким потенциалом гидроресурсов и территории с наибольшей численностью потенциальных потребителей энергии разнесены в пространстве. 1.3.6 Оценка потенциала использования солнечной энергииСогласно ГОСТ Р 51594-2000, под солнечной энергетикой (гелиоэнергетикой) понимают «область энергетики, связанную с преобразованием солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию»25. Солнечная энергия является одним из наиболее масштабных, но вместе с тем и наименее используемых человеком источников энергии. В последнее время интерес к солнечной энергетике достаточно сильно возрос, так как потенциальные возможности данного вида энергетики чрезвычайно велики. Мощность энергии Солнца составляет 1017 Вт, что в 100 тысяч раз больше уровня энергопотребления землян в конце ХХ века. Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. Существуют два способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. При использовании первого способа теплоноситель нагревается в коллекторе до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно - химическими. Второй способ заключается в прямом преобразовании солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. К фототермическим способам преобразования энергии относят гелиотермальную энергетику и использование тепловых машин, термовоздушных и солнечных аэростатных электростанций.26 Фотоэлектрическим способом преобразования энергии является фотовольтаика. К основным достоинствам использования солнечной энергетики можно отнести:
Основными недостатками солнечной энергетики являются:
Россия обладает значительным потенциалом в области использования солнечной энергетики. Территория РФ расположена между 41 и 82 градусами северной широты, и уровни солнечной радиации на ее территории существенно варьируются (от 810 кВт·час/м2 в год в северных регионах до 1400 кВт·час/м2 в год и более в южных районах). Совокупный потенциал солнечной энергии оценивается в 2300000 млн. т у.т., технический потенциал в 2300 млн. т у.т. и экономический - в 12,5 млн. т у.т.27 Анализируя карту солнечных ресурсов России, представленную в Приложении 1, можно выделить ряд регионов, которые являются наиболее пригодными для развития солнечной энергетики в нашей стране. Потенциалом использования солнечной энергии обладают республика Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, а также Алтайский край и республика Алтай, Приморский край, Читинская область, республика Бурятия и другие регионы на юго-востоке. В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока, например в Иркутской области и республике Якутия, годовая солнечная радиация составляет около 1300 кВт·ч/м2, что превосходит значения для южных регионов России. Именно в этих районах рекомендуется использование установок, преобразующих солнечную энергию. Проведенный анализ потенциала использования альтернативных источников энергии показал, что Российская Федерация обладает поистине впечатляющими запасами каждого из подобных источников энергии. Что касается непосредственно южных регионов нашей страны, то наиболее перспективными источниками альтернативной энергии для развития являются солнечная, ветровая и геотермальная энергия, а также энергия биомассы. Однако существуют значительные проблемы, которые не позволяют реализовать столь масштабный потенциал. В силу специфики и больших региональных различий в России существуют различные предпосылки для развития альтернативной энергетики. |
