Проблемы использования возобновляемых источников энергии

Размещено на http://allbest.ru

Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина

Факультет биотехнологии и ветеринарной медицины

Кафедра Биотехнологии

РЕФЕРАТ

на тему:

Проблемы использования возобновляемых источников энергии

Выполнила: студентка первого курса Метелкина З.А.

Проверил: к.с-х.н Бородин Д.Б.

Орел, 2020

Содержание

Введение

1. Главная проблема возобновляемых источников энергии

2. Солнце - самый популярный возобновляемый источник энергии

3. Проблемы ветроэнергетики

4. Проблемы гидроэнергетики

Заключение

Список литературы

Введение

Энергетические ресурсы делятся на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым источникам энергии относятся уголь, нефть, газ, торф, уран, а к возобновляемым солнечное излучение, энергия ветра, рек, водотоков, приливов и отливов, биомассы, геотермальная энергия, рассеянная тепловая энергия воздуха и воды. Запасы невозобновляемых источников ограничены и конечны. По одним прогнозам угля хватит на 1500 лет, нефти - на 250, газа - 120 лет. По другим прогнозам нефть закончится через 40 лет, газ - через 80, уголь - через 400, уран - через 80…100 лет. Поэтому все большее количество стран уделяет и начинает уделять внимание решению проблемы энергосбережения с помощью возобновляемых источников энергии.

В статье «Кризис изобилия» Алексей Михайлов - эксперт Центра экономических и политических исследований, отмечает, что «… как это ни парадоксально, но именно вопрос с энергией самый легко решаемый. Энергия универсальна, ее добывать можно почти из всего и передавать на расстояние не очень сложно и дорого. А Земля -- принципиально разомкнутая система, она получает колоссальное количество экологически чистой энергии от Солнца, а кое-что -- и от Луны. И напрямую -- в виде тепла и света, и опосредованно -- в виде ветра, текущей воды, приливов и т.д. И люди столетиями использовали эту энергию (например, ветряные и водяные мельницы). Полный отказ от ископаемых источников энергии, сегодня они дают 85% мирового энергопотребления, и переход на возобновляемые (ВИЭ) -- это вопрос не какого-то отдаленного футуристического будущего.

Есть расчеты, что уже к 2030 году можно перевести 100% мировой энергетики с ископаемого топлива на ВИЭ - ветер, вода и солнце. 50% мировой энергетики будут давать 4 млн. ветротурбин. В 2009 году в США свыше 50% новых энергетических мощностей было создано за счет возобновляемых источников. Возобновляемые источники энергии имеют существенные преимущества в области экологии. В настоящее время некоторые возобновляемые виды энергии стоят не больше энергии получаемой за счет органического топлива. Большинство регионов страны, в том числе и проблемные, имеют значительные возобновляемые энергоресурсы. Требуется более активно развивать энергетику на базе возобновляемых источников энергии. В России децентрализованное энергоснабжение охватывает более 70 % территории. На ней постоянно проживает более 10 млн. человек. В эти регионы с большими трудностями завозится топливо, на доставку которого тратятся огромные средства.

Кроме того причинами развития энергетики на базе возобновляемых источников являются: - возможность обеспечить энергией отдаленные и труднодоступные районы страны с меньшими затратами; - необходимость сокращения объемов строительства линий электропередач; - оптимизация графиков загрузки оборудования существующих электростанций; - снижение вредных выбросов в окружающую среду при производстве электроэнергии; - снижение доли невозобновляемых энергоресурсов на выработку электроэнергии и использование их как сырья в химической и других отраслях промышленности; - сохранение невозобновляемых энергоресурсов для будущих поколений; - обеспечение энергетической безопасности страны.

Поэтому ускоренное развитие энергетики на базе возобновляемых источников энергии может стать важным экономическим и социально-политическим стабилизирующим фактором. Но если бы все было так просто, люди давно бы задействовали лишь возобновляемые источники энергии. Существует ряд проблем их использования, о которых пойдет речь дальше.

1. Главная проблема возобновляемых источников энергии

Потребности в энергии не постоянны во времени. В электроэнергии потребность максимальна в утренние и вечерние часы и минимальна в ночное время. Традиционные тепловые электростанции, регулируя расход топлива, могут подстраиваться под колебания спроса на энергию. При использовании возобновляемых источников энергии колеблется не только спрос на энергию, но и мощность этих источников. Поэтому необходимо учитывать оба этих фактора. Важным показателем является качество источников энергии. Это доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. Электроэнергия имеет высокое качество, так как с помощью электродвигателя можно более 95 % этой энергии превратить в работу. Качество тепловой энергии, получаемой при сжигании органического топлива на тепловых электростанциях, довольно низкое. Только около 30 % теплоты сгорания топлива превращается в механическую работу. По этому признаку возобновляемые источники энергии можно разделить на три группы.

1. Источники механической энергии. Например, гидравлические, ветровые, волновые и приливные. Они имеют высокое качество и используются для производства электроэнергии. Качество ветровой энергии - 30 %, гидроэнергии - 60 %, волновой и приливной - 75 %. 2. Тепловые возобновляемые источники энергии. Например, биотопливо и тепловая солнечная энергия. Для таких источников доля тепла, которая может быть превращена в механическую работу, определяется вторым законом термодинамики. На практике превратить в работу удается меньшее количество тепла. Для современных паровых турбин качество тепловой энергии не превышает 35 %. 3. Источники энергии на основе фотонных процессов. К ним относятся источники использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления. Солнечное излучение определенной частоты с помощью фотоэлектрических преобразователей можно превратить с высокой эффективностью в механическую работу. Но добиться высокой эффективности преобразования энергии во всем спектре солнечного излучения очень сложно. КПД фотопреобразователей равный 15 % считается довольно хорошим. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии очень сильно отличаются начальной плотностью потоков энергии. Возобновляемые источники имеют начальную плотность порядка 1 кВт/м², а невозобновляемые - на несколько порядков выше.

Так, тепловая нагрузка в трубах паровых котлов - порядка 100 кВт/м², а в теплообменниках ядерных реакторов - несколько МВт/м². Поэтому невозобновлямые источники энергии эффективны при большой единичной мощности установки, но распределение энергии среди потребителей связано с большими затратами. Возобновляемые источники энергии эффективнее при небольшой единичной мощности, но большие затраты требуются для повышения мощности за счет объединения этих установок в единую энергосистему. Ни один из возобновляемых источников энергии не является универсальным и не может быть использован в любой ситуации. Использование конкретного возобновляемого источника зависит от природных условий и потребностей в энергии.

Поэтому для эффективного планирования энергетики на возобновляемых ресурсах необходимы: систематическое исследование окружающей среды; изучение потребностей конкретного района в энергии для промышленного и сельскохозяйственного производства, а также для бытовых нужд. Чтобы выбрать наиболее экономичный источник энергии, нужно знать структуру потребителей энергии. Следовательно, невозможно предложить простой и универсальный метод планирования энергетики на возобновляемых источниках ни в международном масштабе, ни в рамках одной страны.

2. Солнце - самый популярный возобновляемый источник энергии

В последнее время все шире используется солнечная энергия. Солнечные энергетические установки могут быть тепловыми, в которых используется традиционный паротурбинный цикл, и фотоэлектрическими, в которых солнечное излучение с помощью специальных батарей преобразуется в электроэнергию и теплоэнергию. Солнечные электростанции являются перспективными, так как они экологически чистые, а стоимость произведенной на них электроэнергии будет неуклонно снижаться по мере совершенствования технологических процессов, оборудования и используемых материалов. Солнечная энергия, поступающая за неделю, превышает энергию всех ресурсов нефти, газа, угля и урана. Поэтому использование солнечной энергии может стать энергетической основой и первичным источником энергии будущего устойчивого развития экономики.

Поступление солнечного излучения на Землю определяется вращением Земли вокруг собственной оси (суточная нестабильность), движением Земли по орбите вокруг Солнца (годовая нестабильность), а также происходящими на Солнце процессами - периодическими и непереодическими циклами солнечной активности. Непериодические возмущения на Солнце сопровождаются резким изменением интенсивности какого-либо вида излучения.

Энергетика, основанная на использовании солнечного излучения, имеет высокие потенциальные возможности. Использование 0,0125 % солнечной энергии падающей на Землю может обеспечить все потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % - покрыть эти потребности с учетом перспективы. Но использовать солнечную энергию в больших масштабах практически невозможно. Это, прежде всего, связано с низкой плотностью солнечного излучения, а также нерегулярностью поступления энергии и зависимости ее у поверхности Земли от закономерных и случайных факторов. Установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство с достаточной поверхностью. Следовательно, преобразование солнечной энергии в больших количествах потребует огромные поверхности приемников солнечного излучения. Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии связано с гигантским увеличением потребности в материалах, что требует увеличения трудовых ресурсов. Пока получение электроэнергии на основе солнечной энергии очень дорого. Но исследования, проводимые на опытных установках и солнечных электростанциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя способами:

1) использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии (например, с помощью турбогенераторов);

2) непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах (фотоэлектрическое преобразование).

Реализации этих способов представляет определенную техническую сложность. Гораздо проще преобразовать солнечную энергию в тепловую и использовать ее для отопления и горячего водоснабжения, а также в различных технологических процессах. Серьёзных претензий к солнечным водонагревательным и отопительным установкам у экологов нет, к тому же они маломасштабные. Могут быть проблемы при вытекании антифризов из 2-х, 3-х контурных систем. Касательно солнечных электростанций (СЭС), солнечных электроцентралей (СЭЦ) и солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС), то условно экологически чистой можно назвать лишь их эксплуатацию. Кремний является стабильным материалом и по существу не представляет опасности для окружающей среды. В производстве кремниевых солнечных элементов вредные вещества выделяются также как и в электронной промышленности, в целом и в этих случаях мониторинг и контроль, как на заводах, так и в окружающей среде осуществляется постоянно. При производстве солнечных элементов на основе диселенида меди и индия, а также теллурида кадмия потенциальный вред может иметь место из-за использования селенида и кадмия. Солнце является самым мощным источником энергии на нашей планете, поэтому используется для получения электроэнергии.

Таким образом, мы можем выделить типичные проблемы, которые могут возникнуть в солнечной энергетике, при использовании ее возобновляемого ресурса.

1. Стоимость солнечных панелей остается довольно высокой

2. Возникает необходимость использования дополнительного источника энергии, когда солнечного света недостаточно.

3. Солнечные панели занимают большие площади

3. Проблемы ветроэнергетики

Ветер - неограниченный ресурс для производства электроэнергии. Он есть везде, бесконечен, экологически чист. Использование энергии ветра началось на самом раннем этапе человеческой истории. Древние персы использовали силу ветра для размола зерна. В средневековой Голландии ветряные мельницы служили не только для размола зерна, но и для откачки воды с польдеров.

В середине XIX в. в США был изобретён многолопастный ветряк, использовавшийся для подъёма воды из колодцев. Если в прошлом энергию ветра использовали, как правило, для повышения эффективности физического труда, то в настоящее время энергию ветра применяют в основном для выработки электроэнергии. При использовании ветроэлектрических установок вредных выбросов в атмосферу не происходит, однако реально работающие ВЭУ позволили обнаружить ряд отрицательных явлений:

? Вред, наносимый птицам и животным;

? Создание механического и аэродинамического шумов и мощных инфразвуковых колебаний;

? Помехи для воздушного сообщения и для радио- и телевещания. При близком расположении к населенным пунктам у людей возникает болезни сердца, звон в ушах, головокружение, мигрень. Создаваемый ветротурбинами инфразвук вызывает вибрацию костей.

Из возможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом. Так как в зимнее время наблюдается дефицит солнечного сияния, ВЭУ были бы замечательным выбором теплоснабжения и электроснабжения в особенности в районах где наблюдаются дефицит органического топлива. Такие установки сегодня уже конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозном топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе.

В мире в среднем 1,5 % потребляемой электрической энергии вырабатывается с использованием ветроэнергетических установок. Лидирующими государствами к середине 2014 г.в мировой ветроэнергетике являются: Китай (98 588 МВт), США (61 108 МВт), Германия (36 488 МВт), Испания (22 970 МВт), Индия (21 262 МВт), Великобритания (11 180 МВт). Ветроэнергетические установки (ВЭУ) используются для автономного и резервного электроснабжения. Широкое применение получили горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветроустановки. И тот и другой класс имеет свои преимущества и недостатки. Горизонтально-осевые ветроэнергетические установки (ГО ВЭУ) ГО ВЭУ являются наиболее простыми устройствами среди всех видов ветрогенераторов. Они представляют собой несложную конструкцию, легки в использовании и ремонте. Однако у ГО ВЭУ имеется один существенный минус -- сильная зависимость от направления ветра, вследствие чего для работы этих установок требуются механизмы и системы ориентации на ветер. Для поддержания стабильной выработки энергии необходимо обеспечить постоянную параллельность оси ветроколеса и направления ветра. Системы ориентации на ветер позволяют непрерывно отслеживать ветровую обстановку, эффективно использовать ветровой потенциал, а также удерживают ветроколесо в необходимом направлении. В России ветроэнергетика развита незначительно. Данная ситуация связана с наличием многих факторов, которые препятствуют развитию ветроэнергетики в нашем государстве.

Во-первых, наличие больших запасов традиционных источников энергии (нефть, уголь, газ) предоставляет возможность отложить развитие не только ветроэнергетики, а альтернативной энергетики в целом, и также формирует у власти, людей, общественности взгляд на развитие энергетики на основе нетрадиционных источников энергии как на крайне долгосрочную перспективу.

Во-вторых, ветроэнергетические установки не причиняют вред окружающей среде и климату. Зона децентрализованного электроснабжения практически совпадает с зоной потенциальных ветроресурсов в крупных промышленных городах, где годовая скорость ветра не превышает 3-5 м/с. Там есть возможность применения ветроустановок малой мощности с вертикальной осью вращения, что значительно улучшит экологию городов; строительство ВЭУ не требует больших капитальных вложений и осуществляется за короткий срок. Несмотря на медленное развитие ветроэнергетики в нашей стране, мероприятия для стимулирования этой отрасли все же проводятся. Правительство России поставило цель: к 2020 году привести объем производства и использования энергии, вырабатываемой альтернативными источниками энергии, до 4,5 % от общего объема. В скором времени планируется построить еще 7 ВЭУ, вследствие чего мощность объекта достигнет около 3 МВт Таким образом, развитие ветроэнергетики в России, несомненно, принесет большой вклад в экономику государства, а также улучшит экологию нашей страны. Для этого необходимо проводить различные мероприятия по стимулированию данного вида отрасли: финансовая поддержка государства; инвестиционные субсидии (гранты, налоговые льготы, ссуды); установка ускоренной амортизации на оборудование, необходимое для ветроэнергетики и др.

4. Проблемы гидроэнергетики

Вода с давних пор используется человечеством в качестве источника энергии. ГЭС остаются перспективными и экологически чистыми энергетическими установками при условии, если при их строительстве не происходит затопления пойменных земель и лесных угодий. К новым источникам энергии относится энергия морских приливов и отливов. Энергию океана можно использовать, сооружая волновые электростанции, установки, использующие энергию морских течений, разницу температур поверхностных теплых и глубинных холодных вод или подледных слоев воды и воздуха.

Гидроэлектростанции (ГЭС) используют возобновляемую энергию падающего потока воды, которая потом преобразуется в электрическую. Основные экологические проблемы ГЭС связаны с созданием водохранилищ и затоплением значительных площадей плодородных земель. В результате повышения уровня воды происходит подтопление прилегающих к водохранилищам территорий, заболачивание, дополнительное выведение из сельскохозяйственного оборота земель. Особенно эти проблемы характерны для равнинных рек. В горных районах воздействия на окружающую среду ГЭС значительно меньше, где водохранилища обычно занимают небольшие территории. В некоторых странах с горным рельефом значительную часть энергии получают за счет гидроэнергетики. Безопасность гидротехнических сооружений определяется не только наведенной сейсмичностью, но и просчетами в проектировании, а также воздействием стихии. Сегодня развитие этой отрасли является обязательной составляющей развития базовых отраслей промышленности, их прогресса. Отмечается настоящий «бум» строительства гидроэлектростанций.

Первенство по количеству новых ГЭС занимают Китай, Пакистан, Индия, Эфиопия. В Поднебесной сегодня открыта одна из крупнейших электростанций, источником энергии для которой служат потоки воды. Мощность станции «Три ущелья», строительство которой было окончено в 2003 году, составляет 22,5 ГВт. В Китае сегодня построено более 30 электростанций, мощность каждой - 1 ГВт. Несмотря на стремительное развитие гидроэнергетики, эта отрасль сталкивается с рядом проблем. Во многих развитых странах подобный вид энергетики практически исчерпал себя. Как показывают данные исследований, сегодня в странах Западной Европы потенциал гидроэнергетики исчерпан на 70 процентов. По расчетам специалистов потенциал гидроэнергетики в России составляет более 1600 млрд. киловатт-час, что в 1,5 раз превышает потребляемые объемы электроэнергии. электроснабжение солнечный возобновляемый энергетика

Многие реки в зимний период покрываются льдом, промерзая до самого дна. Поэтому строительство и эксплуатация ГЭС в таких регионах не имеет перспектив. Еще одной проблемой гидроэнергетики является то, что ГЭС часто возводятся в отдаленных регионах. Чтобы обеспечить доставку, потребителям электроэнергии необходимо возводить линии электропередач, что связано с высокими финансовыми затратами. Содержание проводов, поддержание их в рабочем состоянии, замена при физическом износе также требуют средств. Одной из проблем энергетики является ее негативное влияние на окружающую среду и человека. Работа ГЭС связана с большим количеством выбросов газов в атмосферу, большие объемы потребления воды, создание водохранилищ. Негативно работа электростанций отражается на состоянии литосферы: изменяется природный ландшафт, увеличивается загрязненность токсическими веществами.

Строительство гидроэлектростанций имеет ряд недостатков:

1. Строительство искусственных водохранилищ приводит к затоплению большого количества плодородных земель, которые могли бы использоваться для развития сельского хозяйства. Целые города становятся заложниками строительства ГЭС. Их население вынуждено менять место жительства, миграция создает ряд экономических проблем.

2. Авария плотины, ее разрушение неминуемо вызовет наводнение.

3. Строительство гидроэлектростанций неэффективно на равнине.

4. Засуха может негативно отразиться на эффективности работы ГЭС, снижая количество вырабатываемой энергии.

5. Работа ГЭС существенно снижает количество кислорода в воде, что приводит к экологической катастрофе, гибели представителей животного и растительного мира не только в водохранилище, но и вокруг него.

Заключение

Возобновляемые источники энергии- это весьма и весьма прогрессивная область хозяйства, науки и техники, которая при широком её использовании и освоении поможет решить миру серьёзные социально-экономические проблемы.

Потенциальные возможности новых и возобновляемых источников энергии составляют в год:

· энергии Солнца - 2300 млрд. т.у.т.;

· энергии ветра - 26,7 млрд. т.у.т.;

· энергии биомассы - 10 млрд. т.у.т.;

· тепла Земли - 40000 млрд. т.у.т.;

· энергии малых рек - 360 млрд. т.у.т.;

· энергии морей и океанов - 30 млрд. т.у.т.;

· энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла - 530 млрд. т.у.т.

Таким образом, развитие ВИЭ в мире представляется актуальным и перспективным проектом. Развитие и использование ВИЭ благоприятно влияют на экологическую обстановку в мире, которая в последнее время «хромает» и в будущем нехватка традиционных ресурсов может сильно сказаться на рынке, возможно, будет мировой энергетический кризис, поэтому очень важно начать сейчас развивать нетрадиционные источники энергии, даже несмотря на все возникающие проблемы. Это жизненно необходимо для того, чтобы через несколько десятков лет, а может быть и меньше, не допустить экономического коллапса.

Список литературы

1. Живухина Е.А., Загоскина Н.А., Калашникова Е.А. Основы Биотехнологии ч. 2: уч-к и практикум для СПО 2-е изд.. Москва: Изд-во Юрайт, 2019. 219 с.

2. Безруких П.П. Ветроэнергетика. Вымыслы и факты. Ответы на 100 вопросов. Москва: Изд-во: Центр экологической политики России, 2011, 20с.

3. Родионова И.А. Экономическая и социальная география мира часть 1 3-е издание: учебник для СПО. Москва: Изд-во Юрайт, 2019, 385 с.

4. Якупов Т.Р., Фаизов Т.Х. Молекулярная биология: учебник. Москва: Изд-во Лань, 2019, 160 с.

5. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Томск: Изд-во: Томского политехнического университета, 2009, 294 с.

6. Самыгин С.И . Концепции современного естествознания (для бакалавров). Москва: Изд-во Кно.Рус, 2018. 464 с

7. Экологически чистые источники энергии / nsportal.ru / В.А Стрижова // Электрон.дан. Режим доступа. URL: https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2014/09/26/ekologicheskie-chistye-istochniki-energii .(дата обращения 01.06.2020)

8. Сколько энергии дает солнечная батарея. Как получить энергию ветра / altenergiya.ru // Электрон.дан. Режим доступа. URL: https://altenergiya.ru/sun/ skolko-energii-daet-solnechnaya-batareya.html (дата обращения 01.06.2020)

9. Использование гидроэнергетики/ yandex.ru /Яна // Электрон.дан. Режим доступа. URL: https://yandex.ru/ turbo? text=https%3A%2F%2 Feco-energetics.com%2 Fhydroenergetika%2Fispolzovanie-gidroenergetiki-problemy-i-perspektivy ( дата обращения 01.06.2020)

10. Стребков Д.С. Теплоэнергетика. Москва: 1994, 60 с.

Размещено на Allbest.ru