Альтернативные источники энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Альтернативные источники энергии

Помимо широкого использования не возобновляемых источников энергии (уголь, нефть, газ, ядерное топливо) активно изучается и реализуется возможность получения энергии за счет альтернативных (не традиционных) ресурсов, таких, как энергия ветра, солнца, геотермальная и энергия волн, а также других источников, которые относятся к неисчерпаемым, возобновляемым и экологически чистым.

Возобновимая энергия составляет пока незначительную часть от всей энергии, которая используется на земном шаре человеческим обществом.

Для того чтобы не нарушать естественный круговорот веществ и энергии в биосфере, человечеству необходимо уменьшить потребление энергии, ограничить дальнейший рост энергетических мощностей, установить квоты на производство энергии во всех государствах мира. А это неизбежно приведет к обострению политических, экономических и экологических конфликтов.

Использование солнечной энергии

Мощность солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, оценивается в 20 млрд кВт, что эквивалентно 1,2-1014 т условного топлива в год. Для сравнения: мировые запасы органического топлива составляют по самым оптимистическим прогнозам всего 6-1012 т, т. е. в 20 раз меньше.

Поток солнечного излучения, несомненно, является самым обильным источником не добавляющей энергии. Подсчитано, что использование лишь 0,01 % общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить современные мировые потребности человечества в энергии.

Солнечная энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед традиционным органическим и ядерным горючим. Во-первых, это исключительно чистый вид энергии, который не загрязняет окружающую среду, а само ее использование не связано с опасностью для биологических систем. Во-вторых, использование солнечной энергии в больших масштабах не нарушает сложившегося в ходе эволюции энергетического баланса Земли. Подсчитано, что без вреда для биосферы можно изъять около 3% всего потока, попадающего на планету.

Солнечную энергию можно использовать напрямую (посредством улавливания техническими устройствами). Это космическая гелиоэнергетика. Возможно и опосредованное использование ее -- через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями (наземная гелиоэнергетика).

Использование солнечной энергии для теплоснабжения. Использование солнечной энергии -- относительно простой и достаточно экономический путь решения указанной проблемы.

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного вида коллекторов, в которых она преобразуется в тепловую и нагревает тот или иной теплоноситель. В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания.

В современных гелиоконденсаторных установках солнечная энергия с помощью отражателей фокусируется на тепловоспринимающую поверхность солнечного коллектора. Далее теплоноситель (например, вода) идет на отопление жилых и промышленных зданий или поступает в паровую турбину. Коллекторы помещаются в прозрачную (из стекла) камеру, которая действует по принципу парника.

Солнечные водонагреватели используются для целей тепло- и горячего водоснабжения в южных климатических зонах.

Дублирующей системой (в темное время суток, например) по отношению к солнечному водонагревателю служит традиционная топливная котельная.

В СССР еще в 1977 г. вступил в строй первый завод по массовому производству солнечных водонагревателей. В 1980 г. во Франции введена в эксплуатацию система теплоснабжения жилого дома, основанная на комбинированном использовании плоских гелиоприемников, теплонасосных установок и расположенного в грунте теплового аккумулятора. На крыше дома установлены 60 коллекторов солнечной энергии суммарной площадью 90 м2, под помещением размещены пластмассовые трубки, через которые осуществляется теплообмен с грунтом в режимах накопления и потребления энергии. Отопление обеспечивается через напольные низкотемпературные обогревательные панели. При использовании системы для отопления дома объемом 418 м3 и площадью 170 м2 была получена годовая экономия энергии в 65% по сравнению с системой электрического отопления.

О масштабах внедрения гелиоустановок, отличающихся высокой экологичностью, говорят такие данные: еще в 1982 г. гелиоустановками в США было оснащено более 300 тысяч зданий, а в Японии более 113 тысяч. Для России, где стремительно дорожает электроэнергия, это, несомненно, пример для подражания.

Наземные солнечные электростанции. В основе солнечных электростанций (СЭС) лежит технология концентрирования солнечной энергии на поверхности парогенератора с помощью специальных отражающих зеркал (гелиостатов). Сотни и тысячи таких зеркал соединяют солнечные «зайчики» в единое пятно, что обеспечивает высокотемпературный (до 4000°С) подогрев любого вещества, вплоть до плавления многих металлов.

В 1986 г. в Крыму вступила в строй первая отечественная СЭС-5 мощностью 5 тыс. кВт. Она представляет собой башню высотой 70 м, на которой установлен круговой солнечный парогенератор, высота и диаметр которого равны 7 м. Вокруг башни по концентрическим кругам размещено 1600 зеркальных гелиостатов. Общая площадь зеркальной поверхности составляет 40 тыс. м2. Автоматизированная система управления обеспечивает с помощью ЭВМ такое положение каждого гелиостата, что отраженные лучи, независимо от положения Солнца на небосводе, в каждый момент времени направляются строго на поверхности парогенератора. В отличие от обычных электростанций на СЭС-5 установлены также аккумуляторы энергии. Это теплоизолированные емкости, в которых под большим давлением хранится перегретая вода. В случае облачности или после захода Солнца пар из верхней полости аккумуляторов может быть направлен на паровую турбину. Число часов солнечного сияния в Крыму позволяет обеспечить продолжительность работы СЭС-5 в течение 1920 ч/год. За это время электростанция может выработать около 6 млн кВт ч электроэнергии и обеспечить экономию до 2 тыс. т условного топлива.

Перспективно преобразование солнечной энергии в электрическую посредством использования фотоэлементов, в которых солнечная энергия преобразуется в электрическую без всяких дополнительных устройств. КПД фотоэлементов пока невелик, но они отличаются медленной изнашиваемостью из-за отсутствия каких-либо подвижных частей. Трудности широкомасштабного применения фотоэлементов обусловлены их дороговизной и необходимостью отведения больших территорий для их размещения. Частично последняя проблема решается тем, что для размещения батарей можно использовать крыши и стены домов. Недавно в США введена в эксплуатацию СЭС с батареями, состоящими из 108 ориентированных в пространстве панелей с кремниевыми элементами мощностью 1 МВт.

Фотоэлектростанции используются в Калифорнии для превращения солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пиковыми нагрузками, возникающими в летние месяцы, когда интенсивно работают установки кондиционирования воздуха. СЭС есть в Испании, Италии, Израиле, Японии.

По мнению специалистов, гелиоконденсаторные установки могут сыграть очень важную роль в решении локальных проблем некоторых пустынных районов мира и, возможно, даже некоторых южных стран в целом. Однако для этого необходимо снизить площади и расход конструкционных материалов фокусирующих отражателей. Такие отражатели могут занимать более 10% всей площади СЭС, что приводит к изменению коэффициента отражения земной поверхности и даже к нарушению теплового баланса региона. В настоящее время суммарная площадь отражателей, используемых в мировой практике, превышает 6 млрд м2 (6 тыс. км2), из них 1,8 млрд м2 в США и 1,3 млрд м2 в Японии (Н.И. Иванова, И.М. Фадин, 2002 г.). Между тем, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно: это калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи и т. п.

Космические солнечные электростанции. Как известно, интенсивность солнечной радиации не только сравнительно невелика (с I м2 поверхности можно получить лишь несколько сотен Вт тепла), но и существенно отличается на различных широтах, колеблется в течение года и суток, зависит от погодных условий. Однако в космосе Солнце излучает энергию с неизменной интенсивностью. Идеи строительства электростанций в ближнем космосе высказывал еще К.Э. Циолковский, однако патент был получен американским ученым П.Э. Глезером в 1973 г., он же предложил для их размещения геостационарную орбиту.

Искусственный спутник Земли, находящийся на расстоянии примерно 36000 км, на так называемой геостационарной орбите (ГСО), вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой поверхности. Земная ось наклонена примерно на 23,5° относительно плоскости эклиптики -- большого круга небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Если поместить спутник на ГСО с таким же углом наклона, то более 90% времени он будет освещаться солнечными лучами, плотность потока энергии которых составляет здесь 1,4 кВт/м2, или в 7,5--15 раз больше, чем в среднем на поверхности Земли. Только в дни, примыкающие к весеннему и осеннему равноденствию (кратковременно, не более чем на 72 мин/сут), спутник окажется в земной тени. Очевидно, геостационарная орбита наилучшим образом подходит для размещения солнечной космической электростанции (СКЭС).

Солнечная энергия может быть преобразована непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи. В качестве элементов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяют, например, фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия. Ныне КПД ФЭП на основе кремния составляет 13-- 15%.

На спутниках и космических кораблях фотоэлектрические батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую, питающую бортовую аппаратуру и вспомогательные двигатели, но мощность таких батарей, как правило, не превосходит 20--25 кВт. Проблема в том, чтобы повысить мощность до промышленных масштабов (а это значит -- в сотни тысяч раз) и в передаче производимой энергии на Землю. Как показывают расчеты, эксперименты и инженерные проработки, все это осуществимо. Однако на пути широкомасштабного применения космических электростанций (КСЭС) стоит пока не решенная проблема о способе передачи энергии на поверхность Земли.

Передавать выработанную в космосе электроэнергию предложено, в частности, с помощью СВЧ-излучения, которому не мешают ни толща атмосферы, ни тучи. Достигнутые успехи в развитии полупроводниковой электроники позволят в перспективе использовать приборы, непосредственно преобразующие солнечное излучение в СВЧ-мощность. По одному из проектов СВЧ-мощность поступает на передающую антенну диаметром около 1 км, которая и посылает мощный сфокусированный луч на Землю. Отметим, что вопрос о том, быть или не быть на орбите Земли космическим электростанциям, остается пока открытым. Задача сложная, прежде всего в экологическом отношении, комплексная, охватывающая научные, инженерные, экономические, социально-политические аспекты. Ее вряд ли можно решить без широкого международного сотрудничества.

Энергия океанов и морей

Экологически чистая энергия морей и океанов может быть использована в волновых электростанциях (ВолнЭС), электростанциях морских течений (ЭСМТ) и приливных электростанциях (ПЭС), где происходит преобразование механической формы энергии воды в электрическую. Кроме того, имеются энергоустановки, которые используют наличие температурного перепада (градиента) между верхними и нижними слоями Мирового океана, -- так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС), а также разности солености в различных слоях морской воды.

Энергия волн. Так называемая волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет треть потребляемой в мире энергии. Средняя волна высотой 3 м несет примерно 90 кВт энергии на 1 м2 побережья. При определении целесообразности размещения ВолнЭС в том или ином месте исходят из плотности приходящей энергии, т. е. ее значения на единицу длины волнового фронта. Например, на ряде прибрежных участков Японии этот показатель составляет до 40 кВт/ч волнового фронта, в районе Гебридских островов (Великобритания) -- 80 кВт/ч.

Принцип работы ВолнЭС состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и пульсаций далее в однонаправленное усилие, которое в последствие приводит во вращение вал электродвигателя. Представлены схемы волновых преобразователей (Н.И. Иванов, И.М. Фадин, 2002 г.).

Волновые электростанции могут быть сооружены непосредственно на берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега.

Главным преимуществом ВолнЭС является высокий уровень эко- логичности. Тем не менее волновой энергетике присущ ряд недостатков: сравнительно низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени. Энергия течений. Создание гидроэлектростанций, использующих энергию океанических течений (особенно таких, как Гольфстрим и Куросио), признается одним из перспективных направлений развития океанской (морской) энергетики. Основным элементом таких гидроэлектростанций являются преобразователи, которые подразделяют на водяные и объемные насосы. К водяным насосам относят обычное лопастное колесо и различные его модификации (например, ленточное колесо с жесткими лопастями или устройства типа парашютов, автоматически раскрывающиеся при движении по потоку)'. Объемные насосы -- это преобразователи типа сопла Вентури, у которого критическое сечение и срез расширяющейся части сопла соединены с атмосферой трубками. Жидкость в критическом сечении сопла движется со скоростью, большей скорости входящего потока. В результате создается пониженное давление, и воздух засасывается из атмосферы. После выхода из расширяющейся части сопла сжатый воздух поступает в напорную трубу, в которой расположена пневмотурбина. Энергия приливов и отливов. Известно, что уровень Мирового океана периодически колеблется: происходят прилив и отлив. Чередование приливов и отливов происходит ежесуточно через 6 ч 12 мин. Причиной указанного колебания является так называемая приливообразующая сила, которая возникает при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. При этом приливообразующая сила Луны в конкретной точке земной поверхности определяется как разность местной силы притяжения Луны и центробежной силы от вращения системы Земля-Луна вокруг общего для этих небесных тел центра тяжести.

Приливы и отливы -- источник экологически чистой энергии, огромный и практически неисчерпаемый, не зависящий ни от сырьевых запасов, ни от капризов погоды. Только часть мощности приливов, которая рассеивается на трение и вихревое движение масс воды, составляет около 1 млрд кВт, что соответствует энергетическому потенциалу почти всех рек мира.

Впервые идея использования энергии приливов и отливов была реализована во Франции: в 1967 г. там дала ток первая в мире ПЭС. Годом позже в СССР была пущена Кислогубская ПЭС, несколько отличающаяся от французской. Она была построена в устье реки Ура в 60 км западнее Мурманска, где высота прилива составляет 1,1-3,9 м.

Корпус Кислогубской ПЭС вместе с оборудованием был смонтирован как наплавная конструкция. Далее корпус был отбуксирован к створу губы и установлен на заранее подготовленное место. Установлено, что наплавные конструкции обходятся гораздо дешевле стационарных перемычек (французский вариант).

В России продолжаются работы по созданию более мощных ПЭС. В частности, конструкторы работают над так называемой капсульной машиной с диаметром рабочего колеса 10 м. Имеются и грандиозные проекты освоения энергии приливов в различных частях страны. Так, в Мезенском заливе можно отсечь от моря огромный бассейн плотиной протяженностью 90 км и разместить в ней 800 капсульных гидроагрегатов общей мощностью 15 млн кВт. Энергию ПЭС (50 млрд кВт-ч в год) можно будет направлять в объединенные энергосистемы центра и северо-запада страны. В Охотском море, изолировав 36-километровой плотиной Тугурский залив, можно построить ПЭС мощностью 6,7 млн кВт и получить 16 млрд кВт-ч электроэнергии в год, что эквивалентно мощности очень крупной тепловой или атомной электростанции.

Использование разности температур различных слоев морской воды. Установлено, что средняя разность температур в Мировом океане на поверхности и на глубине 400 м составляет 12°С.

С целью преобразования энергии, обусловленной перепадом температур, используют системы, построенные: 1) по открытому принципу и одноконтурной схеме, когда в качестве рабочего тела применяется морская вода; 2) по закрытому принципу и двухконтурной схеме, когда применяется промежуточное рабочее тело (фреоны, аммиак, пропан и т. п.).

Принцип действия энергоустановок, использующих второй принцип (закрытый), состоит в следующем. Низкокипящее рабочее тело (например, широко применяемые в холодильной технике теплоносители группы фреонов или аммиак) испаряется в теплообменнике -- испарителе за счет подвода теплоты от верхних теплых слоев океана. Пары низкокипящего рабочего тела при повышенных температуре и давлении поступают в турбину, где тепловая энергия теплоносителя преобразуется в механическую энергию вращения турбины. На одном валу с турбиной находится электрогенератор. Из турбины пары рабочего тела поступают в конденсатор, где они переводятся в жидкое состояние в процессе охлаждения водой, подаваемой из нижних холодных слоев океана. Далее рабочее тело подается в насос, откуда после повышения давления оно снова поступает в теплообменник -- испаритель. Тем самым замыкается термодинамический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую. энергия альтернативный электричество отход

Большой интерес представляют установки с открытым контуром, не требующие использования низкокипящих жидкостей. К таковым относятся, например, такие, которые способны одновременно с электроэнергией давать пресную воду. В качестве энергоисточника для привода установки используется разность температур вод океана. Вместо аммиака в схеме с открытым контуром используется морская вода. Вода закипает при пониженных температурах и уменьшении атмосферного давления. При частичном вакууме (давление снижается в 15 раз по сравнению с давлением на уровне моря) вода при температуре 27°С закипает, образуя пар для вращения турбины. Затем, когда пар конденсируется с помощью охлаждения морской водой с глубины, на Установке получают пресную воду. Показана схема энергоустановки-опреснителя.

Открытый цикл устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. п. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции.

К основным недостаткам указанных установок относится нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны отрицательные последствия для теплолюбивой фауны при изменении абсолютной температуры. Кроме того, содержание диоксида углерода в глубинных водах океана больше, чем в поверхностных, в результате чего он может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в данном регионе.

Использование градиента солености вод. Проведены теоретические исследования и выполнен цикл опытно-конструкторских работ, подтверждающих возможность создания энергетики, которая основана на перепадах солености вод. В настоящее время оцениваются перспективы масштабного использования указанной технологии и его экологические последствия.

Геотермальная энергетика

Подсчитано, что на глубине до 5 км количество сосредоточенной теплоты многократно превышает энергию, заключенную во всех видах ископаемых энергоресурсов. В отдельных регионах, например, на Камчатке, в Исландии горячие воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Ныне признается, что геотермальная энергия, получаемая за счет использования природного тепла земных недр, является наиболее перспективной и экологически безопасной среди возобновляемых энергетических источников.

В настоящее время во многих странах мира (США, Россия, Исландия и др.) для выработки электроэнергии и отопления зданий, подогрева теплиц и парников используется тепло горячих источников. Теплоснабжение столицы Исландии Рейкьявика начиная с 1930 г. в основном осуществляется на основе геотермального тепла. Важно подчеркнуть при этом, что геотермальные электростанции (ГеоТЭС) по компоновке, оборудованию, эксплуатации мало отличаются от традиционных теплоэлектростанций.

Весьма перспективна геотермальная энергетика для нашей страны. Прогнозные запасы термальных вод составляют 20--22 млн м3/сут с температурой от 50 до 250°С. Если эксплуатировать месторождения с поддержанием пластового давления (посредством обратной закачки отработанной воды), то они могут обеспечить годовую экономию 140-- 150 млн т условного топлива (Д.П. Никитин, Ю.В. Новиков, 1986 г.). Температура месторождений термальных вод Камчатки доходит до 257°С, глубина залегания -- 1200 м. Выявленные в этом районе тепловые ресурсы могли бы обеспечить работу геотермальных электростанций общей мощностью 350--500 МВт. В 1981 г. кончилось строительство второй очереди Паужетской ГеоТЭС на Камчатке.

Различают геотермальные источники с естественными и искусственными теплоносителями. В первом случае в качестве рабочего тела в энергетических установках (ЗЛО, по Н.И. Иванову, И.М. Фалину, 2002 г.) используют термальные воды или пароводяные смеси естественного происхождения. На Камчатке, у реки Паужетки, на базе горячих подземных источников построена и эксплуатируется геотермальная электростанция (геоТЭС) мощностью 5 МВт. Аналогичные геоТЭС эксплуатируются в Италии и Японии, Исландии и Мексике, США и Новой Зеландии. На начало XXI в. суммарная мощность всех ГеоТЭС мира составила 17,6 млн кВт.

В основном используют термальные воды неглубокого залегания с температурой 50--100°С. Так, скважина с суточным дебетом 1500 м3 термальной воды (60°С) обеспечивает нужды в горячей воде поселка с населением 14 тыс. жителей. В северных широтах подземные термальные воды используются для отопления жилищ, для лечебных целей, для выращивания овощей и даже фруктов в специальных оранжереях.

В искусственных геотермальных источниках в качестве рабочего тела применяют жидкость или газ, которые по пробуренным скважинам циркулируют в толще горных пород, имеющих высокие температуры.

Весьма перспективными представляются районы проявления вулканической деятельности. Вулканы, как известно, являются крупнейшими источниками горячей воды и пара не только в период извержения, но и во время спокойной деятельности. Так, в Японии разработан проект строительства на острове Иводзима ГеоТЭС, которая использует тепло действующего вулкана.

Новым шагом в эффективном использовании глубинного тепла Земли станет в обозримом будущем создание сети сверхглубоких скважин с помещенными в них так называемыми «термобатареями». Подобная сеть способна обеспечить практически неограниченное количество экологически чистой энергии, порожденной только внутренним теплом Земли и не поставляющей загрязнения на ее поверхность.

Вполне очевидны и экономические достоинства использования глубинного тепла Земли. ГеоТЭС может функционировать десятки и даже сотни лет, используя практически неисчерпаемые (с позиции человеческого срока жизни) энергетические ресурсы.

Ветроэнергетика

Энергия ветра в конечном итоге есть результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Причина активных процессов перемещения воздушных масс заключается в различии плотностей нагретого и холодного воздуха. Таким образом, первоначальным источником энергии ветра является энергия солнечного излучения, которая переходит в одну из своих форм -- энергию воздушных потоков.

Запасы энергии ветра на Земле чрезвычайно велики: по некоторым оценкам они превышают 80 трлн кВт-ч, что существенно больше современного потребления энергии человечеством. При этом над территорией России сосредоточена значительная часть мировых ветровых ресурсов. Наиболее перспективные регионы для внедрения ветроэнергетики находятся на Севере, в Поволжье, Ростовской и Волгоградской областях.

Ветряные мельницы когда-то были привычным элементом пейзажа в любой стране. Так, в России в XIX веке функционировало почти 250 тыс. мельниц с суммарной мощностью около 1,5 млн кВт. Однако в дальнейшем ветряные мельницы были вытеснены энергетическими установками, работающими на ископаемом топливе.

Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. Было установлено, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Первая в мире ветровая электростанция (ВЭС) с диаметром рабочего колеса 30 м и мощностью 100 кВт была построена в СССР в 1931 г. Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом, особенно в США. Еще в 1941 г. там была построена ВЭС мощностью 1250 кВт, ныне общая мощность всех ВЭС в этой стране превышает 1,3 млн кВт, причем среди них есть и весьма крупные -- с мощностью до 4 тыс. кВт.

Современная ветроэнергетика -- преобразование энергии ветра во вращательное движение лопастного колеса, в колебания, которые воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, или в поступательное движение объекта с помощью ветродвигателей (парусов, роторов). КПД ветроустановок достигает относительно больших значений: 0,2--0,5.электроэлектростанции представляет собой систему связанных между собой вертикальных лопастей, движущихся по замкнутой трассе большого диаметра. Эта ВЭС практически не имеет ограничений по мощности.

Поскольку скорость ветра есть случайная функция времени, разработаны мероприятия по повышению устойчивости ВЭС, в частности путем ее сочетания с дизель-генератором. В Целиноградской области была построена ВЭС рабочей мощностью 400 кВт, состоящая из 12 агрегатов по 42 кВт. На случай безветрия в систему входил также резервный блок из двух дизель-генераторов мощностью по 200 кВт. За время эксплуатации такая комплексная электростанция выработала 12 млн кВт-ч, при этом на долю ВЭС пришлось 55%, а на дизель-генераторы -- 45%. Средняя скорость ветра в этом районе составляла 5 м/с.

По генерируемой мощности ВЭС подразделяют на три класса: 1) до 5 кВт, их применяют в качестве автономных источников питания насосов, для отопления помещений и т. п.; 2) от 5 до 100 кВт, их размещают в районах с децентрализованной системой электроснабжения, и они предназначены для привода различных устройств, в том числе и электрогенераторов; 3) свыше 100 кВт, предназначены для параллельной работы с неветровыми электростанциями равной или большей мощности. Хотя ВЭС принято считать экологически безопасными, это не так, их эксплуатация выявила ряд отрицательных факторов. Во-первых, при работе они генерируют инфразвук с частотой ниже 16 Гц, который вызывает у людей угнетенное состояние, чувство беспокойства и дискомфорта, оказывает негативное воздействие на наземных животных и птиц. Следовательно, территория, где размещены ВЭС, становится опасной в качестве среды обитания.

Во-вторых, в случае широкомасштабного применения ВЭС отчасти нарушается тепловой баланс в районах их размещения из-за изменения условий переноса тепла вдоль земной поверхности. В конечном итоге может произойти изменение розы ветров в расположенных рядом промышленных районах, что усилит загрязнение воздушного бассейна.

В третьих, вследствие отражения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазона от движущихся лопастей ВЭС нарушается нормальная работа навигационной аппаратуры авиалайнеров и ухудшается прием телевизионных передач.

Для устранения указанных недостатков были предложены два выхода: 1) прямое преобразование (без ветряка) энергии ветра в электрическую и 2) вынос ВЭС в море, открытый океан.

Исследования показали, что скорости ветра увеличиваются по мере удаления от береговой линии. Так, на расстоянии 40 км от берегов скорость возрастает на 20--25%, что позволяет получить от нее в 2 раза больше энергии при тех же параметрах ВЭС. Кроме того, размещение ВЭС в морских акваториях позволяет обеспечить энергией добывающие платформы и использовать земельные участки для выращивания сельскохозяйственной продукции. В Швеции на расстоянии 250 м от берега строится ВЭС мощностью 200 кВт, которая будет передавать энергию по подводному кабелю. В этой стране разработан проект, предусматривающий установку 300 ветряков в течение 20 лет, что в перспективе должно обеспечить производство 2 % электроэнергии от уровня современного потребления. Размеры ветроустановок поражают: на их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. В то же время экологичность проекта вызывает определенные сомнения: возможны помехи рыболовству, судоходству, отрицательные последствия на развитие гидробионтов.

Биоэнергетика

Биоэнергетика основана на получении биомассы, которая используется в качестве топлива непосредственно или после соответствуюшей переработки. При этом выделяют три направления получения тепловой энергии: 1) непосредственное сжигание биомассы; 2) брожение биомассы, при котором выделяется теплота; 3) использование таких энергоносителей, как биогаз или спирты, которые извлекаются в процессе образования биомассы.

Первое направление (сжигание растений) используется человеком более ста тысяч лет. И ныне во многих странах с населением около 2,5 млрд человек ежедневно пользуются дровами для отопления, освещения и приготовления пищи. Даже в столь развитой стране, как США, сейчас сжигается больше древесины, нежели ее идет на строительство и на производство бумаги.

Особенностью в настоящее время является то, что источником древесного топлива служит не только дикорастущий лес, но и специальные плантации быстрорастущих видов деревьев, например, тополя, ивы, ольхи, осины. Так, в Швеции, которая постепенно отказывается от атомной энергетики, в ближайшие годы планируется ежегодно засаживать не менее 10 тыс. га так называемого энергетического леса. Во избежание недостатков, присущих древесному топливу (относительно большой объем, большой процент влаги), проводят обработку, например, брикетирование.

Второе направление состоит в использовании теплоты, которая выделяется при брожении органических отходов (навоза, помета, опилок и т. п.); ее можно применить для обогрева парников, теплиц и других объектов.

Третье направление -- извлечение из биомассы (отходов растениеводства и животноводства) таких энергоносителей, как биогаз или спирты.

Считалось еще недавно, что горючее из навоза и других отходов не может конкурировать с природным газом и нефтепродуктами. Но в последние годы эту точку зрения начали пересматривать, причем не столько с энерго-экономических, сколько с экологических позиций.

Тысячи крупных животноводческих комплексов и птицефабрик построены по всему миру, сотни их размещены и в нашей стране. Их функционирование сопровождается образованием огромных количеств навоза и растительных остатков. Так, на свиноводческом комплексе, где содержится 108 тыс. свиней, ежегодно образуется более 1 млн м3 жижи, что соответствует объему стоков города с населением 250 тыс. человек. Поскольку комплексы размещали подчас недалеко от городов, это усугубляло их отрицательное воздействие.

Для переработки стоков животноводческих комплексов часто применяют так называемое анаэробное сбраживание, в результате которого резко ускоряется природный процесс выделения метана СН4 (биогаза). Из 1 т органического сухого вещества навоза и помета получают 450--660 м3 биогаза, который по своей теплотворной способности соответствует 320--430 кг условного топлива (Д.П. Никитин, Ю.В. Новиков, 1986 г.). Кроме того, в России ежегодно остаются неиспользованными миллионы тонн соломы, каждая тонна которой при метановом брожении дает 350--500 м3 биогаза, а 1 м3 последнего эквивалентен почти 1 л жидкого топлива. Между тем солому и другие растительные остатки до сих пор предпочитают сжигать, не заботясь об экологических последствиях. Подсчитано, что отходы сельскохозяйственного производства во всем мире составляют более 4 млрд т. Их переработка в метан может удовлетворить не менее 10% современных мировых энергетических потребностей.

Биологическая переработка органических отходов (биоконверсия) промышленности, сельского и жилищно-коммунального хозяйства -- сложный микробиологический процесс. В нем принимают участие несколько взаимодействующих групп бактерий: 1) бактерии I группы (гидролитические) гидролизуют углеводы, белки, липиды и другие компоненты биомассы с образованием Н2, С02, жирных кислот, спиртов и других продуктов брожения; 2) бактерии II группы (ацетогенные) разлагают определенные жирные кислоты и нейтральные продукты до ацетата, Н2, С02 в условиях полного отсутствия кислорода; 3) бактерии III группы (гомоацетатные) синтезируют ацетат из смеси Н2+С02, метанола и других соединений, в том числе углеводов; 4) бактерии IV группы (метанообразующие) используют Н2+С02, ацетат или одноуглеродные соединения для синтеза метана.

Наиболее важный момент преобразования сложного сырья -- разложение целлюлозы. Бактерии, вызывающие это разложение, делятся на два класса в зависимости от температуры протекания процесса: мезофильные и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40°С, для термофильных от 50 до 60°С.

Деятельность бактерий и, соответственно, объем метана зависят от многих факторов: температуры, кислотности среды, соотношения между углеродом и азотом (C/N), наличия летучих кислот, питательных веществ и токсичности материалов. Процесс биоконверсии может происходить при низких (до 30°С), средних (35--40°С) и высоких (свыше 50°С) температурах. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс ферментации, больше выделяется газа, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Наиболее производительный (в смысле получения биогаза) термофильный процесс требует дополнительной энергии.

Естественно, что для функционирования бактерий их необходимо обеспечивать питательными веществами (азотом, фосфором, серой, различными микроэлементами). Биогаз, получаемый при биоконверсии отходов, содержит от 55 до 70% метана СН4, остальное -- оксид углерода (IV). Присутствие С02 снижает теплоту сгорания биогаза и увеличивает объем газа, подлежащего обработке и хранению. Биогаз рассматривают как локальное топливо, достаточно эффективно используемое на месте его производства.

Схема биоэнергетической установки. Органические отходы из источника поступают в приемный резервуар. Сюда же подаются горячая вода для разбавления отходов до оптимальной концентрации и отходы полеводства для создания нужного соотношения C/N. Из приемного резервуара нагретый субстрат поступает непосредственно в метантенк или в подогреватель , где нагревается до требуемой температуры. В метантенке образуется биогаз; остаток (шлам) извлекается из метантенка и насосом направляется в хранилище остатка. Биогаз после устройств очистки 6 сжимается компрессором и поступает в газгольдер Часть биогаза сжигается в котельной с целью выработки тепла для подогрева субстрата. Поскольку выходящий из метантенка остаток имеет температуру до 50--55°С, целесообразно использовать его остаточное тепло для предварительного подогрева субстрата и питательной среды в соответствующих теплообменниках. Другой продукт биоконверсии -- остаток (шлам) -- обеззараженное высокоэффективное удобрение, по своим свойствам приближающееся к минеральному удобрению типа нитрофоски: 1 т сухого остатка (по содержанию питательных веществ) эквивалентен 3--4 т нитрофоски. Органические удобрения, получаемые в результате анаэробной ферментации отходов, значительно лучше в агрономическом отношении, нежели полученные обычным методом компостирования.

Широкое внедрение биоконверсии органических отходов решат несколько важнейших задач -- сохранение окружающей среды, снабжение энергией, а также снижение риска распространения различных эпидемий у животных (при анаэробной ферментации уничтожаются яйца гельминтов, вредная микрофлора и семена сорняков).

Водородная энергетика

Огромный интерес к водороду как к перспективному топливу обусловлен рядом неоспоримых его преимуществ, главные из которых таковы: 1) экологическая безопасность водорода в отличие от других топлив, так как продуктом сгорания его является водяной пар; 2) очень высокое значение теплоты сгорания (вчетверо больше, чем у каменного угля); 3) высокая теплопроводность; 4) низкая вязкость, что очень важно при необходимости его транспортировки по трубопроводам, особенно на большие расстояния; 5) практически неограниченные запасы сырья, если в качестве такового рассматривать воду; 6) возможность многостороннего применения водорода: он может быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, в авиации и автотранспорте, а также в виде добавок к моторным топливам.

Вышеизложенное дало толчок к созданию так называемой водородной энергетики, в которой водород используется как носитель энергии. Водородная энергетика включает следующие стадии: получение водорода из различного сырья; хранение его в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например, гидридов (NaH); транспортирование водорода к потребителю.

Получение водорода. Для промышленного производства водорода используют в основном природный газ, жидкие и твердые горючие ископаемые, воду.

В настоящее время наибольшее количество водорода получают паровой конверсией природного газа. Указанный процесс включает следующие стадии:

1. Каталитическая конверсия метана с водяным паром:

СН4 + Н20 СО + ЗН2 - 206 кДж.

Реакция осуществляется в присутствии Ni -- катализатора при 750-870 °С.

2. Конверсия СО с водяным паром:

СО + Н20 С02 + Н2 + 41 кДж.

Процесс проводят при 370--440°С в присутствии железохромоксидного катализатора (первая ступень) и при 230--260°С в присутствии цинкхроммедного катализатора (вторая ступень).

3. Выделение водорода из газовой смеси.

Процесс проводят путем последовательной очистки газовой смеси от С02 и остатков непрореагировавших СО, СН4 и Н20.

Получение водорода из твердых горючих ископаемых (например, угля) включает переработку последних с водяным паром и воздухом или кислородом (газификацию):

С + Н20 СОТ + Н2Т - 118,9 кДж 2С + 02 --» 2СОТ + 230 кДж.

При этом образуется водяной газ, который содержит до 40% СО и 50% Н2, а также С02, СН4, N2 и примеси сернистых соединений. В дальнейшем газы очищают от нежелательных компонентов, прежде всего негорючих примесей.

Электролизом воды можно получать водород совместно с кислородом. При этом электролитом служит водный раствор КОН (350-- 400 г/л); давление в электролизерах варьируют от атмосферного до 4 МПа (40 атм), расход электроэнергии составляет 5,1--5,6 кВтЧч на 1 м3 водорода (теоретический расход при 25°С 2,94 кВтЧч).

Описанные традиционные методы получения водорода недостаточно экономичны, если речь идет о широкомасштабном его производстве, исчисляемом сотнями млн т (ныне мировое производство водорода на уровне ста млн т). Это связано, прежде всего, с чрезмерными затратами энергии. Поэтому для нужд водородной энергетики предлагается как усовершенствовать традиционные методы, так и разработать новые, причем с использованием преимущественно ядерной и солнечной энергии.

Возможное усовершенствование основного традиционного метода получения водорода -- каталитической конверсии природного газа -- заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора (газ проходит снизу вверх, взрыхляя последний), а необходимое тепло подводят с высокотемпературного ядерного реактора. При этом возможно снизить затраты на производство водорода на 20--25%.

Другой вариант получения водорода -- водно-щелочной электролиз под давлением с использованием относительно дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время АЭС. При этом расход электроэнергии на получение I м3 водорода составляет 4,3--4,7 кВт-ч, т. е. на 15--20% меньше, чем по обычному способу.

Рассмотрим некоторые из недавно предложенных, т.н. нетрадиционных методов получения водорода.

Установлена возможность электролиза воды с использованием в качестве электролита расплава щелочи, твердого полимера (ТП-электролиз), керамики на основе Zr02 (высокотемпературный электролиз); процесс требует затрат электроэнергии на 30--40% меньше, нежели традиционный способ. Укажем, что в случае использования расплава щелочи концентрация воды в электролите составляет всего лишь 0,5-- 2,0% по массе. Наиболее перспективным считается высокотемпературный электролиз с использованием тепла от АЭС. Электролитом здесь служит керамика из Zr02 с добавлением некоторых оксидов металлов (CaO, Sc203); температура процесса 800 -- 1000°С, достижимый уровень расхода электроэнергии на получение 1 м3 водорода снижается до 2,5 кВт-ч.

В последние годы интенсивно разрабатываются плазмохимические технологии получения водорода, связанные с использованием низкотемпературной (103--105 К) плазмы. Из них наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию (2С02 --> 2СО + 02), осуществляемую в плазмотроне -- устройстве для создания плазмы при помощи электрической дуги; 2) конверсию СО с водяным паром (СО + Н20 -» Н2 + С02), после чего образовавшийся диоксид углерода возвращается в плазмотрон для нового цикла.

Имеют перспективу и термохимические циклы получения водорода из воды. Известно, что степень термической диссоциации воды при 2483 °С составляет 11,1%. Указанные термохимические циклы

представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья (воды), регенерируются. Ниже в качестве примера приводятся реакции, лежащие в основе сернокислотного термохимического цикла:

S02 + 2Н20 H2S04 + Н,Т

Изучается также радиолиз воды и водных растворов H2S04, НС1, HBr, H2S, AgCI и др. под действием ядерного излучения (жесткого, g- и нейтронного). Наиболее мощные источники такого излучения -- ядерные реакторы.

Среди других исследуемых в последнее время методов получения водорода из воды следует отметить фотоэлектролиз и биофотолиз.

Фотоэлектролиз -- метод получения водорода и кислорода из воды при помощи солнечной энергии. Этот процесс осуществлен с КПД пока около 3--4%; он будет представлять практический интерес, если удастся довести КПД до ~ 10--12%.

Биофотолиз воды основан на том, что определенные микроорганизмы, например, хлорелла, использующие солнечную энергию для своей жизнедеятельности, способны разлагать воду с образованием водорода. При этом КПД трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами составляет около 8%.

Хранение и транспортирование водорода. Газообразный водород хранят в специальных емкостях -- газгольдерах, а также сосудах высокого давления -- баллонах. Существуют проекты подземного хранения больших количеств водорода в выработанных месторождениях нефти и газа, горных выработках, искусственных соляных кавернах. Жидкий водород хранят и транспортируют в специальных герметических резервуарах с эффективной тепловой изоляцией. При этом емкость стационарных хранилищ достигает 3000 м3 и более, железнодорожных цистерн -- 100--125 м3, автомобильных -- 25--75 м3. Наконец, проводятся исследования в области получения и хранения водорода в твердом и шугообразном (до 50% твердой фазы) состояниях.

Для хранения и транспортировки водорода перспективно использование твердых соединений -- гидридов металлов. Среди последних представляют интерес ионные, к которым относят гидриды щелочных и щелочноземельных металлов (кроме Mg). Гидрид лития LiH, например, может быть получен взаимодействием водорода с расплавом лития под давлением:

Li + 0,5Н2 --> LiH.

1 г гидрида лития может выделить при нагревании около 1,6 л Н2, поэтому гидриды щелочных металлов рассматриваются одновременно как перспективное ракетное топливо.

Особенно интересны металлоподобные гидриды и гидриды интерметаллических соединений, многие из которых могут быть получены взаимодействием металла с водородом при обычной или относительно небольшой температуре (табл. 3.1).

Таблица 1 Свойства некоторых гидридов

Из гидридов интерметаллов наиболее перспективны соединения на основе Ti, Fe, Mg, Ni, La: TiFeH2, Mg2NiH2, LaNi5H6. Они содержат до 400 см3 Н2 на 1 г гидрида, выделяют водород при сравнительно низких температурах (150--200°С) и относительно дешевы.

Гидриды некоторых металлов, прежде всего интерметаллов, могут быть использованы и на автотранспорте. Бак с гидридным «топливом» устанавливается на автомобиле и обогревается горячими выхлопными газами. В результате гидрид разлагается с образованием водорода, который далее подается в камеру сгорания двигателя как добавка к бензину.

MgH2 + 2Н20 -» Mg(OH)2 + 2Н2Т

Выделением при этом больших объемов водорода: на I кг указанного гидрида может выделиться до 1,7 м3 водорода.

Размещено на Allbest.ru