Ограниченность ресурсов и способы их замены

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему

"Ограниченность ресурсов и способы их замены"

Выполнил:

Самко А.Ю

Санкт-Петербург 2013

Содержание

Введение

1. Энергия ветра

1.1 Системы преобразования энергии ветра

1.2 Экологические аспекты использования энергии ветра

1.3 Экономическая эффективность использования энергии ветра

2. Энергия волн

2.1 Использование энергии волн

2.2 Экологические и экономические вопросы использования волновой энергии

3. Разница температур в океане и между океаном и атмосферным воздухом как источник энергии

3.1 Разница температур в океане

3.2 Использование разницы температур воды и воздуха

3.3 Взаимодействие с окружающей средой установок, преобразующих термальную энергию воздуха и воды

4. Энергия приливов и отливов

4.1 Происхождение и виды приливов

4.2 Энергия и мощность прилива

4.3 Приливные электростанции

5. Гидроэнергия больших и малых водотоков

6. Геотермальная энергия

7. Солнечная энергия

8. Биомасса животного, растительного и бытового происхождения

8.1 Поколения растительного биотоплива

8.2 Виды биотоплива

8.3 Твердое биотопливо

8.4 Жидкое биотопливо

8.5 Газообразное топливо

9. Критика

10. Роль возобновляемых ресурсов в энергетическом комплексе России

10.1 Биотопливо в России

10.2 Стандарты

10.3 Энергия биомассы в России

10.4 Ветровая энергетика в России

10.5 Ветряные электростанции в России

10.6 Малая гидроэнергетика в России

10.7 Солнечная энергия в России

10.8 Геотермальная энергия в России

10.9 Приливные электростанции (ПЭС) в России

Заключение

Список литературы

Введение

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органического топлива (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребления может быть удовлетворена за счет других источников энергии - нетрадиционных и возобновляемых.

Возобновляемые 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. энергия экология геотермальный гидроресурс

В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии 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.

Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников, в отличие от возобновляемых, находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека и эти ресурсы, запасы которых могут быть исчерпаны уже в ближайшее время при существующих темпах использования, поэтому в этой работе мы не будем подробно рассматривать невозобновляемые источники энергии.

В этой работе исследуются различные способы добычи полезной энергии с использованием существующей в природе разницы различных параметров, а также их экологические и экономические аспекты. Все эти потенциальные источники энергии возобновляемы. В конце работы я подробнее разберу энергоресурсы России, оценю их состояние на сегодняшний день и проанализирую возможности их реализации. Все нетрадиционные энергоресурсы перечисленные выше в различных объемах присутствуют в нашей стране, но наиболее доступными для их добычи и развития являются следующие:

геотермальные, солнечные, гидроресурсы, биоресурсы и ветровые ресурсы. Отрасль атомной энергетики (хотя атомная энергия и является неограниченной) я не рассматриваю вообще по причине отказа развитых стран от нее из-за недавних событий на атомной электростанции Фукусима в Японии, и из-за возможности необратимой экологической катастрофы.

1. Энергия ветра

Так как ветер - это поток воздуха, распространяющийся с определенной скоростью, его кинетическая энергия может рассматриваться в качестве источника энергии.

Неравномерность распределения солнечного излучения по всему земному шару, различие в течение дня и ночи и различные физические характеристики морской воды и суши приводят к неоднородности атмосферной температуры и давления, что приводит к появлению ветра. Ветер имеет непостоянную природу, что следует принимать во внимание разрабатывая планы по использованию ветра в качестве энергоисточника.

Энергия ветра наряду с энергией речных потоков на протяжении многих столетий являлась основными источниками механической энергии. Сегодня существует тенденция к оснащению современных судов парусам и в качестве дополнительного источника движения с целью экономии обычного топлива.

1.1 Системы преобразования энергии ветра

Существует два типа механизмов, подъемные и тянущие, которые способны преобразовывать мощность ветра в роторе в полезную энергию. В первом типе механизмов движущей силой является аэродинамическая подъемная сила, возникающая вследствие взаимодействия потока воздуха с аэродинамической поверхностью лопасти

Второй тип использует тянущую силу.

В настоящее время в крупномасштабных ветровых двигателях используются высокоскоростные механизмы, использующие подъемную силу и разработанные для работы с сильным ветром.

Механизмы, основанные на силе тяги, чаще всего меньших размеров с многополярными роторами, их применяют при низкой скорости ветра.

Главная часть ветроэнергетической установки - ротор. У крупных машин обычно бывает две или три лопасти, которые крепятся к втулке. Остальные узлы ветродвигателя размещены в гондоле, которая расположена на вершине высокой башни. Высота башни обычно примерно равна диаметру ротора.

Большие установки в пределах сотен киловатт подключаются к общей энергосистеме. В местах с благоприятными характеристиками ветра целесообразно устанавливать сразу несколько ветровых установок, образуя при этом ветровую электростанцию, что позволяет снизить эксплуатационные расходы. Подобные электростанции обычно высоко автоматизированы и обслуживаются небольшим персоналом.

1.2 Экологические аспекты использования энергии ветра

Как большинство неисчерпаемых источников энергии, энергия ветра предоставляется более предпочтительной в сравнении с обычными электростанциями, так как здесь отсутствует сжигание топлива и вредные выбросы в окружающую среду.

1.3 Экономическая эффективность использования энергии ветра

Последнее десятилетие XX в. было отмечено бурным ростом числа ветровых установок во многих странах. Ветроэлектростанции применяются в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Мировым лидером в использовании ветряных электростанций является Германия, в которой за небольшой промежуток времени построено ~9000 МВт мощности.

Единичная мощность ветроэлектрических станций увеличилась до 3 МВт. В Германии продолжается интенсивное строительство ветряных электростанций. Производство ветряных электростанций стало значительной частью экспорта Дании и Германии.

Производство ветряных электростанций обеспечило работой в Европе 60000 человек. За рубежом приняты постановления на государственном уровне, содействующие внедрению возобновляемых источников энергии.

Стоимость электричества, произведенного ветровой турбиной или ветровой электростанцией, зависит от стоимости самой установки, коэффициента работоспособности и эксплуатационных расходов. С ростом производительности стоимость одного установленного киловатта ветровой установки постоянно снижается. Десять лет назад стоимость установки одного киловатта мощности равнялась примерно 5000 долл. А сейчас она снизилась до 1000 долл., и некоторые производители утверждают, что она даже ниже.

Существует также четкая тенденция к увеличению производственной мощности установок. В начале 1980-х гг., большинство ветродвигателей обладало мощностью 100 кВт. Следующим шагом было увеличение производственной мощности до 300 кВт, затем до 500 кВт, а устанавливаемые в последнее время системы имеют мощность 700-750 кВт. Ведущие производители изготавливают установки в несколько мегаватт, главным образом для использования в море, достигая при этом экономического эффекта от повышения масштаба, принимая во внимание стоимость возведения башни. Тенденция к росту производственных мощностей установок сохраняется.

Эксплуатационные расходы также снижаются с повышением мощностей, и обслуживание целой электростанции обходится дешевле, чем содержание отдельной ветровой установки.

Без сомнения, в скором будущем установки, преобразующие энергию ветра, будут способны конкурировать с электростанциями, работающими на ископаемом топливе, особенно в регионах с благоприятным ветровым режимом. Стоимость энергии, полученной от преобразования энергии ветра и стоимость установки одного киловатта, зависят от объемов производства энергии за год, а также от расходов по хозяйственно-техническому обслуживанию. Все эти три показателя постепенно улучшаются, тем самым, снижая стоимость энергии, производимой ветровыми турбинами до уровня, сравнимого со стоимостью электрической энергии, произведенной обычным способом.

2. Энергия волн

Существует несколько видов волн в зависимости от их происхождения и характеристик. Обычно когда речь идет об энергии волн, то что мы имеем ввиду, это ветровые волны, которые образуются из-за ветра, дующего через обширные океанские пространства. Эти волны могут рассматриваться в качестве важного источника энергии сами по себе.

Есть и другой тип волн - прибой, который можно наблюдать в прибрежных зонах. Их энергия так же может рассматриваться в качестве источника энергии, преимущественно местного значения.

Кроме ветровых волн, есть и приливные волны. Их энергия так же велика, но они рассматриваются отдельно от ветровых волн. Энергию одиночных волн, известных как цунами практически невозможно обуздать.

Самыми привлекательными волнами с точки зрения извлечения энергии, являются высокие волны, высотой около 2 м и длинной до 100-150 м. такие волны, возникающие в открытом океане вдали от берега, могут выработать от 50 до 70 кВт энергии на каждый метр фронта волны.

2.1 Использование энергии волн

В большинстве случаев волновая энергетическая установка вырабатывает электричество, которое затем передается на берег по проводам. В некоторых проектах энергия волн используется для накачивания воды. Эти перекачивающие системы могут, например, быть объединены с установками, использующими разницу температур воды в океане, так как им необходимо поднимать большие очень объемы холодной воды из глубин океана на поверхность. Одна установка, использующая энергию волн, которую можно назвать широко распространенной, - более 700 экземпляров было установлено по всему миру - обеспечивает энергией навигационный буй.

Сооружение больших волновых энергетических установок упирается в ряд препятствий, и главное из них - непостоянство волн. Также есть проблемы общие для всех морских установок. Это проблема крепления, коррозия и эрозия оборудования в агрессивной среде морской воды, обрастание ракушками и водорослями, проблема транспортировки произведенного электричества и устойчивость к штормам.

2.2 Экологические и экономические вопросы использования волновой энергии

До сегодняшнего дня волновые энергетические установки создавались только как небольшие пробные объекты, поэтому у нас недостаточно материалов, чтобы утверждать или опровергать их негативное воздействие на окружающую среду. Тем не менее, можно сделать несколько замечаний.

Любая установка, соединенная для извлечения энергии волн, влияет на гидродинамический режим в месте её работы. Это приводит к перераспределению океанских донных отложений с живущими там организмами и растениями. Они так же могут изменить прозрачность и мутность воды.

Однако кроме всех этих недостатков возведение волновой энергетической установки вблизи побережья может иметь и положительный характер. Сильные волны, бьющиеся о берег могут повредить портовые постройки, пляжи, имущество и т.д. Поэтому для защиты в прибрежной части сооружают дорогостоящие волнорезные конструкции. Волновая энергетическая установка будет поглощать часть энергии волн, снимая их разрушительное воздействие.

До настоящего времени волновые установки в основном рассматривались как малые сооружения для обеспечения энергией удаленных населенных пунктов и размещались в прибрежной части, преимущественно на островах. Обычное энергоснабжение в таких случаях в основном основано на дизельных генераторах, работающих на привозном, а значит дорогом топливе.

Существующие прогнозы и проектные расчеты дают некоторую информацию о возможной стоимости электричества, вырабатываемого волновыми установками. Согласно этим оценкам стоимость 1 кВт/часа превысит 0,16 долл., что дороже, чем электричество, произведенное любым другим неисчерпаемым источником энергии. Более оптимистические прогнозы были сделаны в 1994-1999 гг.: стоимость электроэнергии вырабатываемой серийными электростанциями, будет предположительно ниже, порядка 0,10-0,14 долл. За 1 кВт/час.

Поскольку удельная мощность волнения на 1-2 порядка превышает удельную мощность ветра, волновая энергетика может оказаться более выгодной, чем ветровая.

3. Разница температур в океане и между океаном и атмосферным воздухом как источник энергии

3.1 Разница температур в океане

Неравномерное распределение солнечного излучения, глобальная циркуляция между низкими и высокими широтами, свойства поверхности, принимающей солнечные лучи, создают и поддерживают разницу температур между различными частями окружающей среды. Эти различия в температуре могут быть использованы для выполнения механической работы или производства электричества при помощи термодинамических (тепловых) циклов.

Существует множество примеров разницы температуры в природе. Можно говорить о разных температурных местах, расположенных в высоких и низких широтах, между верхними и нижними слоями атмосферы. Для получения энергии технически осуществимо, если оба объекта (теплый и холодный) располагаются недалеко друг от друга так, чтобы их можно было использовать в одной установке.

Такие условия существуют в двух случаях. Первый наблюдается в океанской воде, где температура верхних слоев в тропических широтах может достигать 25-28 градусов Цельсия. В том же самом месте температура на глубине составляет около 3-4 градусов.

В низких широтах, где поток солнечной энергии велик, верхний слой воды нагревается. Температура на глубине 50-100 метров почти всегда постоянна, благодаря температурной конвенции и перемешиванию в поверхностном слое. Ниже этого слоя температура воды резко падает и на глубине 1000 м температура уже составляет всего 4 градуса.

Второй случай, при котором использование разницы температур осуществимо, можно наблюдать в высоких широтах. Здесь температура воды в зимние месяцы близка к 0, в то время как температура воздуха до минус 40 градусов. Это разница температур поддерживается благодаря высокой теплоёмкости океанской и речной воды.

Проблема получения полезной энергии, в упомянутых различиях температур, является технической в такой степени, как и экономической. Общей чертой является то, что разница температур, которая может быть использована, очень мала и составляет всего 30 градусов Цельсия. Это значит, что КПД термического цикла составляет всего лишь несколько процентов, в то время как КПД электростанции составляет 55% и выше.

Существует два способа использования разницы температур воды в поверхностных и глубинных слоях в низких широтах.

3.2 Использование разницы температур воды и воздуха

В высоких широтах зимой можно зарегистрировать достаточно большие температурные различия между океанской или речной водой, температура которой близка к 0 градусов Цельсия и холодным воздухом температурой до -30 градусов и даже ниже. Такие условия чаще всего встречаются на арктическом побережье Сибири, в отдельных местах Канады и в Антарктике. Эти температурные различия могут быть использованы в тепловых электростанциях для выработки электричества для отдельных районов, лишенных других источников энергии. Эта идея известна как преобразование термальной энергии воздуха и воды.

Идея использования термальной энергии воздуха и воды в чем-то схожа с идеей использования термальной энергии океана, рассмотренной выше. Однако есть и значительные отличия, делающие эту идею менее привлекательной, а значит менее развитой. Во-первых, вряд ли при преобразовании термальной энергии воздуха и воды будет использован открытый цикл, так как температуры, а соответственно и давление насыщения воды значительно ниже, чем при открытом цикле в системе преобразования термальной энергии океана, а поэтому требуется чрезвычайно большое по размерам оборудование. Во-вторых, в установке по преобразованию термальной энергии воздуха и воды в качестве теплоотвода будет использоваться воздух, тогда как в установках по преобразованию термальной энергии воздуха и воды в качестве теплоотвода будет использоваться воздух, тогда как в установках по преобразованию термальной энергии океана эту функцию выполняет холодная глубинная вода. А эта разница весьма существенна, так как теплообмен между холодильником и воздухом потребует больших объемов теплоотведенного вещества, что приведет к возрастанию площадей соприкосновения, равно как и росту энергозатрат на прокачку воздуха через холодильник. В-третьих, благоприятные температурные условия для преобразования термальной энергии воздуха и воды сохраняются только в течение определенного времени года, в то время разница температур в океане в низких широтах остается приблизительно одинаковой круглый год.

3.3 Взаимодействие с окружающей средой установок, преобразующих термальную энергию воздуха и воды

Электростанция, использующая преобразование термальной энергии океана, даже средней мощности перемещает большие объемы поверхностной и глубинных вод. Например, станции на 10 МВт требуется тепловой поток поверхности воды равный 40 м 3/с и приблизительно 20 м 3/с холодной глубинной океанской воды. После использования в установке оба потока выбрасываются на глубине залегания - 60-70 метров, в этом случае не следует ожидать никаких серьезных экологических последствий. Однако при смешении большого количества холодной, богатой питательными веществами и лишенной бактерий воды из нижних слоев океана с поверхностной водой могут возникнуть температурные аномалии, что может привести к усиленному росту числа живых организмов и растений в верхнем слое океанской воды, где достаточно солнечного света для фотосинтеза. Чтобы избежать этого следует сбрасывать использованную воду на глубинах с такой же плавучестью и обеспечивать её полное перемешивание с окружающей теплой водой.

4. Энергия приливов и отливов

4.1 Происхождение и виды приливов

В отличие от источников энергии, обсуждаемых выше, приливы вызываются гравитационным взаимодействием между Луной, Землёй и Солнцем, причем наибольшее значение имеет взаимодействие между Луной и Землей. Гравитационное притяжение проявляет себя в поднятии земной поверхности вдоль прямой, соединяющие эти два небесных тела. На суше этот подъем едва заметен, в то время в океане он может достигать в высоту несколько метров. Сила гравитационного притяжения накладывается на центробежную силу, возникающая вследствие вращения системы Земля-Луна вокруг их общего центра притяжения. Он находится внутри земной сфер на расстоянии 4670 км от центра планеты.

Солнце вызывает такие же приливы, но так как расстояние между Землёй и Солнцем огромно, следовательно, приливы слабей.

Высота приливной волны в открытом океане обычно составляет менее 1 м. Совершенно очевидно, что этого недостаточно для выработки энергии, но при вхождении приливной волны в залив или устье реки её высота при благоприятных условиях увеличивается до размеров, превосходящих в некоторых местах 10 м.

4.2 Энергия и мощность прилива

Силы, вызывающие прилив - это силы притяжения между Землёй и Луной и центробежная сила, возникающая вследствие их вращения вокруг их общего центра притяжения. Работа, выполняемая этими силами, преобразуется в механическую энергию приливной волны, которая складывается из кинетической и потенциальной энергии. Первая возникает вследствие движения воды в приливной волне, а вторая представляет собой потенциальную энергию водных масс, поднятых в приливной волне над средним уровнем моря. Этот мировой приток, или мощность прилива, по некоторым оценкам достигает приблизительно 5 млрд. кВт. В природе около половины приходящей энергии прилива передается твердому массиву земли, а остаток рассевается, главным образом при преодолении силы трения, когда приливная волна приближается к мелкому прибрежному шельфу.

Самыми привлекательными местами с точки зрения использования приливной энергии являются заливы и бухты. Поведение приливной волны, входящей в бухту, достаточно сложно и представляет собой наложение входящей волны на волну, отраженную от берега.

4.3 Приливные электростанции

Согласно документам, люди начали использовать энергию приливов ещё в XI в. для получения энергии маленькие заливы отгораживались от моря дамбами, в которых были проделаны шлюзовые ворота. Ворота открывались приливным потоком, в то время как прибывающая вода заполняла бассейн, и закрывались во время отлива. Вода, оставшаяся в бассейне, использовалась во время отлива для приведения в движение различных механизмов. В XIX в. подобные установки использовались в Гамбурге для перекачки сточных вод, а в 1824 г. Лондонский Сити снабжался питьевой водой при помощи огромных водяных колес, установленных ещё в 1580 г. Под арками Лондонского моста, где они продолжали работать в течение 250 лет. И в наши дни в штате Новая Англия, США, существуют установки, использующие энергию приливов для приведения в движение лесопильной рамы.

Середина XIX века была отмечена большим количеством предлагаемых проектов и предложений по применению энергии приливов. С развитием электричества приливная энергия стала рассматриваться в качестве ресурса для получения электроэнергии. Основные принципы использования энергии приливов остались прежними, но вырос масштаб установок, произошло существенное усовершенствование оборудования и были разработаны новые идеи и объединения приливных электростанций в единую энергосистему.

Что касается извлечения энергии, современные приливные электростанции схожи с гидроэлектростанциями. В некоторых случаях турбины приливной электростанции - в отличии от гидроэлектростанции - работают в двухстороннем режиме: при потоке воды, направленном в одну сторону, когда прилив заполняет бассейн, и когда вода движется в другую сторону при опустошении бассейна. Такой режим работы называется двойным действием, или двойным эффектом.

Приливные электростанции по сравнению с гидроэлектростанциями имеют один серьезный недостаток, а именно - пульсирующий характер приливов, известный как непостоянство приливов. Энергетический потенциал прилива меняется не только с суточным чередованиями прилива и отлива, но также в связи с изменениями его высоты в течении лунного месяца.

Например, в соответствии с проектными расчетами производительная мощность приливной электростанции в Кводди, США, будет возрастать с 30 до 70 МВт, затем снова снижаться до 30 МВт. Ещё более значительные изменения мощности будут происходить в ходе сигизийных приливов. Совершенно ясно, что такое положение вещей не устраивает потребителей электроэнергии, которые нуждаются в постоянном и не перебойном электроснабжении.

Было множество предложений относительно способов решения этой проблемы. Наиболее простым способом приведения объемов выработки энергии станцией в соответствие с потреблением является разделение бассейна на две или более секции (многоотсековая схема бассейна), накапливать некоторый объем воды, а затем использовать её по мере надобности, таким образом, сглаживая колебания уровня прилива. Это преимущество достигается за счет максимальной мощности станции, которая сокращается прямо пропорционально количеству секций.

Существует ещё один способ рационального использования приливной электростанции, когда она входит в крупномасштабную энергосистему, объединяющую электростанции различного типа: тепловые, гидроэлектростанции, атомные. В этом случае используется одинарный бассейн, и приливная электростанция производит максимальное количество энергии в соответствии с циклом прилива. Если в системе наблюдается избыток мощности, то в этом случае тепловая электростанция может снизить выработку электричества, экономя тем самым запасы ископаемого топлива; в случае аналогичного снижения объемов выработки энергии гидроэлектростанцией используется специальный верхний резервуар, в котором хранится воды.

Дальнейшее усовершенствование этой системы может быть достигнуто при использовании приливной электростанции в качестве запасника воды в перерыве между приливами. В такой схеме излишек производимой энергии тратится на перекачивание воды из моря в бассейн станции. В это время генераторы электростанции используются в качестве электромоторов, а её турбины работают в режиме насосов. Когда системе потребуется достижение пиковой нагрузки, накопленная вода будет выпущена через турбины электростанции, что позволит выработать необходимую дополнительную энергию. Достижение оптимального контроля над работой такой схемы - достаточно сложная задача, требующая учета реальных характеристик системы и особенностей приливной электростанции.

Сегодня по всему миру уже действует несколько приливных электростанций. Первой коммерческой проливной электростанцией является 240 МВт в Рансе (Франция), которая была ведена в эксплуатацию в 1967 году и до сих пор функционирует. За ней последовала пробная станция "Кислая Губа" в России, построенная в 1965-1968 гг. приливная электростанция в Анаполисе мощность 20 МВт была сооружена в Канаде в 984 году в качестве пробного проекта для будущей мощной электростанции. В течение 1960-х гг. в Китае был установлен ряд более мощных установок. Сейчас действуют 7 приливных электростанций суммарной мощностью в 10 МВт. Электростанция Цзянся мощность 3,2 МВт была сделана в Китае в 1986 г. Кроме этих действующих электростанций существуют ещё ряд проектов, для которых ведется поиск мест установки с подходящими условиями. Однако их сооружение обычно откладывается, главным образом по причине высоких капитальных расходов, которые делают цены на электричество, производимое приливными электростанциями, не конкурентно способными по сравнению с ценами на энергию, произведенную другими типами станций, особенно если принять во внимание низкие в последнее время цены на нефть.

Тем не менее конструкторские работы в этом направлении продолжаются, проявляются новые проекты, предлагающие новые более дешевые способы возведения приливных электростанций, и с развитием оборудования наблюдается тенденция к снижению затрат на их строительство и эксплуатацию. Они оказываются ещё более привлекательными, если принять во внимание то, что они являются экологически безопасными источниками энергии. Многие исследования также подтверждают, что сооружение приливных электростанций может оказаться выгодно с социальной точки зрения. Всё это говорит о том, что в ближайшем будущем мы станем свидетелями строительства новых мощных приливных электростанций во многих странах мира.

Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками - высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

5. Гидроэнергия больших и малых водотоков

На этих электростанциях, в качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободно поточных (бесплотинных) ГЭС.

Особенности:

· Себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций

· Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии

· Возобновляемый источник энергии

· Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций

· Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое

· Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей

· Водохранилища часто занимают значительные территории

· Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

Типы ГЭС:

· Плотинные

· Бесплотинные

· Малые

· Гидроаккумулирующие

· Приливные

· На океанских течениях

· Волновые

· Осмотические

На 2012 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 76 % возобновимой и до 16 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 1015 ГВт. Лидерами по выработке гидроэнергии на гражданина являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира.

Экономический потенциал малых и мини-ГЭС составляет примерно 10% от общего экономического потенциала. Но используется этот потенциал менее чем на 1%. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительства новых малых и мини-ГЭС. Однако малые ГЭС, построенные путем полного перегораживания русла рек плотинами, обладают всеми недостатками наших гигантов энергетики (ГЭС) и строго говоря, вряд ли могут быть отнесены к экологически чистым видам энергии.

Бесплотинные микро-ГЭС для речек, речушек и даже ручьев существуют уже давно. Бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. в комплекте с аккумулятором обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую. Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную "лыжу" и тросами закрепляется с двух берегов. Бесплотинная мини-ГЭС, успешно зарекомендовавшая себя на речках Горного Алтая, доработана до уровня опытного образца.

6. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия, строго говоря, не является возобновляемой, поскольку речь идет не об использовании постоянного потока тепла, поступающего из недр к поверхности (в среднем 0,03 Вт/м²), а об использовании тепла, запасенного жидкими или твердыми средами, находящимися на определенных глубинах. Мировые запасы геотермальной энергии составляют: для получения электроэнергии - 22400 ТВт*ч/год, для прямого использования - более 140 ТДж/год тепла. Существующие геотермальные электростанции (геоТЭС) представляют собой одноконтурные системы, в которых геотермальный пар непосредственно работает в паровой турбине, или двухконтурные с низкокипящим рабочим телом во втором контуре.

Под геотермальной энергией понимают физическое тепло 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/м². 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. Однако 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 100оС и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.

Принято считать, что если температура в геотермальном месторождении превышает 100оС, 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).

В настоящее время в мире суммарная мощность действующих ГеоЭС составляет около 10 ГВт (э). Суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт (т).

Особенно велики и практически повсеместно распространены запасы термальных вод со сравнительно невысокой температурой, недостаточной для непосредственного теплоиспользования. Интерес представляет и использование тепла поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год практически постоянна и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низкопотенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.

7. Солнечная энергия

Основным видом "бесплатной" неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. Оно ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг урана (U2351).

Самый простой способ использования энергии Солнца - солнечные коллекторы, в состав которых входит поглотитель (зачерненный металлический, чаще всего алюминиевый лист с трубками, по которым протекает теплоноситель). Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к горизонту, равным широте местности или монтируются в кровлю. В зависимости от условий инсоляции в коллекторах теплоноситель нагревается на 40-50° больше, чем температура окружающей среды. Такие системы применяются в индивидуальном жилье, практически полностью покрывая потребность населения в горячей воде; в районных отопительных установках, а также для получения технологической тепловой энергии в промышленности. Солнечные коллекторы производятся во многих городах России, и стоимость их вполне доступна.

Солнечные электростанции используют энергию Солнца как напрямую (фотоэлектрические СЭС работающие на явлении внутреннего фотоэффекта), так и косвенно - используя кинетическую энергию пара.

К СЭС косвенного действия относятся:

· Башенные - концентрирующие солнечный свет гелиостатами на центральной башне наполненной солевым раствором.

· Модульные - на этих СЭС теплоноситель, как правило масло, подводится к приемнику в фокусе каждого параболо-цилиндрического зеркального концентратора и затем передает тепло воде испаряя её.

· Солнечные пруды - представляют собой небольшой бассейн глубиной в несколько метров имеющий многослойную структуру. Верхний - конвективный слой - пресная вода; ниже расположен градиентный слой с увеличивающейся книзу концентрацией рассола; в самом низу слой крутого рассола. Дно и стенки покрыты чёрным материалом для поглощения тепла. Нагрев происходит в нижнем слое, так как рассол имеет более высокую по сравнению с водой плотность увеличивающуюся при нагреве из-за лучшей растворимости соли в горячей воде, конвективного перемешивания слоёв не происходит и рассол может нагреваться до 100°C и более. В рассольную среду помещён трубчатый теплообменник по которому циркулирует легкокипящая жидкость (аммиак, фреон и др.) и испаряется при нагреве передавая кинетическую энергию паровой турбине.

Крупнейшая электростанция подобного типа находится в Израиле, её мощность 5 Мвт, площадь пруда 250 000 м 2, глубина 3 м.

8. Биомасса животного, растительного и бытового происхождения

Биомасса представляет собой весьма широкий класс энергоресурсов. Ее энергетическое использование возможно через сжигание, газификацию (термохимические газогенераторы, перерабатывающие твердые органические отходы в газообразное топливо), пиролиз и биохимическую переработку анаэробного сбраживания жидких отходов с получением спиртов или биогаза. Каждый из этих процессов имеет свою область применения и назначение.

Некоммерческое использование биомассы (проще говоря, сжигание дров) наносит большой ущерб окружающей среде. Хорошо известны проблемы обезлесевания и опустынивания в Африке, сведения тропических лесов в Южной Америке. С другой стороны, использование древесины от энергетических плантаций является примером получения энергии от органического сырья с суммарными нулевыми выбросами диоксида углерода.

Биотомпливо - топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

8.1 Поколения растительного биотоплива

Растительное сырье разделяют на поколения. Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Такое сырье относят к первому поколению.

Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратное, чем у культур первого поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья - занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

Третье поколение сырья - водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.

8.2 Виды биотоплива

Биотопливо разделяют на твердое, жидкое и газообразное.

Твердое - это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки).

Жидкое топливо - это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут.

Газообразное топливо - различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

8.3 Твердое биотопливо

Дрова - древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов.

Топливные гранулы и брикеты - прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 - 23 мм и длиной 10 - 30 мм. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объемах.

Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.

Отходы биологического происхождения - необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д.

Древесная щепа - производится путем измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи мобильных рубительных машин или с помощью стационарных рубительных машин (шредеров). В Европе щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью от одного до нескольких десятков мегаватт. Часто также: топливный торф, твёрдые бытовые отходы и т. д.

8.4 Жидкое биотопливо

Биоэтанол. Сахарный тростник - сырьё для производства этанола.

Мировое производство биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд. литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % - на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы.

Этанол является менее "энергоплотным" источником энергии, чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква "Е" от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е 85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На "настоящем" этаноле могут работать только т. н. "Flex-Fuel" машины ("гибкотопливные" машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор Е20 (или Е25) под видом обычного бензина, или "acool", азеотроп этанола (96 % С₂Н₅ОН и 4 % воды; выше концентрацию этанола невозможно получить путём обычной дистилляции). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %. Переделать обычную машину в "flex-fuel" можно, но экономически нецелесообразно.

Биометанол. Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива.

В начале 80-х рядом европейских стран совместно разрабатывался проект, ориентированный на создание промышленных систем с использованием прибрежных пустынных районов. Осуществлению этого проекта помешало общемировое снижение цен на нефть.

Первичное производство биомассы осуществляется путём культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье.

Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилированиеметана с получением метанола.

Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:

· высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);

· в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;

· процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;

· энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола;

Биобутанол. Бутанол - C₄H₁₀O - бутиловый спирт. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1,39 млрд. литров бутанола приблизительно на $1,4 млрд.

Бутанол начал производиться в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. В 50-х годах из-за падения цен на нефть начал производиться из нефтепродуктов.

Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, и как сырьё для производства водорода.

Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

Диметиловый эфир. Пальмовое масло - сырьё для производства биодизеля.

Диметиловый эфир (ДМЭ) - C₂H₆O.

Может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении.

Диметиловый эфир - экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

Биодизель - топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации.

Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Биотопливо второго поколения - различное топливо, полученное различными методами пиролизабиомассы, или прочие виды топлива, помимо метанола, этанола, биодизеля произведенное из источников сырья "второго поколения".

Источниками сырья для биотоплива второго поколения являются лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части биологического сырья удаляются. Использование биомассы для производства Биотоплива второго поколения направленно на сокращение количества использованной земли, пригодной для ведения сельского хозяйства. К растениям - источникам сырья второго поколения относятся:

· Водоросли - являющиеся простыми организмами, приспособленными к росту в загрязненной или соленой воде (содержат до двухсот раз больше масла, чем источники первого поколения, таких как соевые бобы);

· Рыжик (растение) - растущий в ротации с пшеницей и другими зерновыми культурами.

· Jatropha curcas или Ятрофа - растущее в засушливых почвах, с содержанием масла от 27 до 40 % в зависимости от вида.

Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций.

По оценкам Германского Энергетического Агентства (Deutsche Energie-Agentur GmbH) (при ныне существующих технологиях) производство топлив пиролизом биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. К 2030 году, с развитием технологий, пиролиз биомассы может обеспечить 35 % германского потребления автомобильного топлива. Себестоимость производства составит менее €0,80 за литр топлива.

Весьма перспективно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. Например, смесь 70% живичного скипидара, 25% метанола и 5% ацетона, то есть фракций сухой перегонки смолистой древесины сосны, с успехом может применяться в качестве замены бензина марки А-80. Причем для перегонки применяются отходы дереводобычи: сучья, пень, кора. Выход топливных фракций - до 100 килограммов с тонны отходов.

8.5 Газообразное топливо

Биогаз - продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов.

Биоводород - водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями.

Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или древесина. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1?5 бар в присутствии катализатора. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Биотопливо третьего поколения - топлива, полученные из водорослей.

Департамент Энергетики США с 1978 года по 1996 года исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе "Aquatic Species Program". Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 мІ. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО₂. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 мІ в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилейСША. 200 тысяч гектаров - это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей. У технологии ещё остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 1990-х годов технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.

Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.

...