Использование возобновляемых источников энергии

Перспективы ВИЭ

Примеры России и Германии в значении себестоимости производства энергии показывают причину, по которой возобновляемые источники составляют меньшую долю относительно невозобновляемых:

Исчерапемые ресурсы – наиболее освоенный источник. По экономическим показателям конкуренцию составляет только гидроэнергетика и атомная. Себестоимость от возобновляемых выше в несколько раз.

Следующая задача после обеспечения энергией – переход на возобновляемые источники. Технически перейти на возобновляемые источники возможно, но экономически они проигрывают традиционным, поэтому полный переход в ближайшие десятилетия маловероятен. Он произойдет только в отдельных регионах с развитым высокотехнологичным сектором и с отсутствующими невозобновляемыми ресурсами – страны Северной Европы.

Государственная поддержка влияет на внедрение ВИЭ, правительства разных регионов имеют специальные программы для компаний, использующих энергию, полученную из возобновляемых источников. Такие программы включают гранты, льготное налогообложение для ответственных компаний.

Какие экономические показатели показывает альтернативная энергетика

Вопрос экономической целесообразности применения возобновляемых видов электроснабжения, уже не первый год волнует специалистов. Основная проблема, она все еще достаточно дорога (особенно это касается солнечной энергетики или геотермальных станциях), при этом эффективность ее по сравнению с традиционными способами производства электричества низка. Однако методики постоянно развиваются, оборудование и системы для возобновляемой энергетики становятся лучше и дешевле. При этом тарифы обычных сетей постоянно растут, в том числе и из-за повышения цены газа, нефти и угля. Поэтому все больше стран склоняются к этой методике получения тепла и света. Частных домовладения, также стараются переходить на использование возобновляемых методик. Сейчас это становится все более выгодно благодаря новым законам, внедряемым правительствами разных стран.

По заявлениям экспертов ситуация на рынке природных ресурсов будет постепенно ухудшаться а цена на них расти. Ведь нефть и газ не бесконечны и когда-нибудь их источники будут полностью исчерпаны. Поэтому правительства наиболее развитых стран уже сейчас вкладывает больше деньги, создавая ветроэнергетические станции и поля солнечных батарей. Технологии совершенствуются, а инженеры работают над созданием новых и более качественных способов получения не дрогой и экологически чистой энергии.

Российская Федерация, пока проигрывает эту гонку. Однако, обладая бесчисленными природными богатствами, Россия сейчас может не заботиться о внедрении альтернативной энергетики. Главное чтобы в конкретный момент эта политика не оказалась полностью провальной. А значит уже сегодня нужно думать о будущем, когда ресурсы планеты окажутся на грани исчерпания.

Энергетика ВИЭ

Очевидными достоинствами ВИЭ являются безопасность, экологичность и практическая неисчерпаемость потока энергии. Однако, ВИЭ имеют и существенные недостатки. Это нестабильность, локальность и сезонность

Нестабильность это основная проблема возобновляемых источников. Выработка энергии ветра и солнца сильно зависит от погоды, которая неуправляема и в долговременном плане непредсказуема. Поток солнечной энергии зависит от времени суток. Поэтому когда доля «альтернативной энергии» достигает существенной величины в общей выработке энергии, возникает проблема её накопления во время пиковой выработки и компенсации потерь во время безветренной или пасмурной погоды и ночью. Например, Дания, которая сегодня более 40 % электроэнергии генерирует ветрогенераторами решает проблему стабильности с помощью соседей. В ветреную погоду энергия накапливается с помощью подъёма воды на специальных норвежских и шведских гидроузлах в верхние водохранилища. В тихую погоду эти гидроузлы работают как ГЭС и возвращают энергию. Германия в ветреные и солнечные дни сбрасывает избыток энергии в Польшу и Чехию. Однако пиковые нагрузки уже создают проблемы для энергосетей этих стран. Для дальнейшего увеличения доли возобновляемой энергии необходима модернизация электросетей в Европе и развитие мощной системы энергонакопителей, в качестве которых сегодня выступают в основном обычные и специализированные гидроэлектростанции. Если выработка альтернативной энергии во всей Европе станет сопоставимой с выработкой энергии традиционной энергетикой, то нестабильность станет проблемой для всей энергосистемы. Технические пути решения этой проблемы пока не ясны, но её решение, безусловно, потребует новых затрат.

Локальность ветроэнергетики связана с тем, что мощность ветрогенератора пропорциональна кубу скорости ветра. При падении скорости в два раза мощность падает в восемь. Примерно также меняется и себестоимость энергии. Поэтому при современном развитии технологий ветрогенераторы рентабельно размещать только на побережье океанов и открытых морей, где постоянно дуют сильные ветры. Локальность солнечной энергетики связана с тем, что суммарный поток солнечной энергии сильно зависит от широты размещения станции и числа солнечных дней в данной местности.

Сезонность ВИЭ связана с тем, что поток солнечной энергии, а иногда и средняя скорость ветра зависят от времени года.

Зачем нужны промежуточные источники

Эти промежуточные формы используются потому, что они являются гибкими и транспортабельными, которые позволяют перемещать энергоснабжение практически в любое место при наличии построенных систем.

Хотя приятно наслаждаться солнечным светом, но он не заряжает батарею в сотовом телефоне. Для того чтобы придать ей определенную форму, требуется  технология преобразования энергии.  Затем она перемещается с помощью технологии распределения, например, с помощью трубопроводов или электрической сети.   При создании вторичной энергии всегда есть потери из-за второго закона термодинамики (закон роста энтропии замкнутой системы).

Понятия и виды

Возобновляемая энергия поступает из природных источников, ресурс которых является практически неисчерпаемым. Они способны постоянно восстанавливаться и пополняться естественным путём. Особенность использования возобновляемой энергии заключается в её получении из естественных природных процессов и передаче потребителю для применения.

Оба типа являются частью природных ресурсов планеты. Невосполняемые источники энергии представлены ископаемыми органическими запасами различных видов топлива: газ, нефть, уголь, торф. Темпы потребления этих ресурсов намного опережают темпы восстановления их объемов, поэтому запасы данного типа энергетических ресурсов либо заканчиваются, либо завершатся в не таком уж далеком будущем. Особняком стоит ядерная, но её использование содержит в себе много рисков для жизни и деятельности людей. Пользование нефтью и углем ведет к загрязнению атмосферы, нарушению природной экосистемы.

Теплоэлектростанция

Энергия указанных источников добывается путем целенаправленных действий человека и ведет к дополнительному нагреву окружающей среды. Последние исследования показывают, что средняя температура земной биосферы неуклонно повышается. Это вызывает негативные изменения в климате Земли.

Возобновляемые источники энергии — это естественные источники энергии, существующие в биосфере нашей планеты и постоянно пополняющиеся за счет энергии солнца и естественных процессов. Они не являются плодом прямой человеческой деятельности, что отличает их от невозобновляемых источников.

Использование возобновляемых источников энергии не добавляет дополнительной энергетической нагрузки, не ведет к повышению температуры на Земле. Экологически они безотходны, не загрязняют среду обитания.

Главное достоинство возобновляемых источников энергии — неисчерпаемость и экологическая чистота.

Рассмотрим, какие есть возобновляемые источники энергии. Согласно определению, данному ООН, к возобновляемым источникам энергии относятся:

• солнце;
• ветер;
• морские и океанские приливы и волны;
• подземные горячие ключи,
• гидроэнергетические ресурсы больших и малых рек.
• продукты биомассы.

Традиционные и нетрадиционные возобновляемые источники

Выделяют два типа возобновляемых источников энергии: традиционные и нетрадиционные.

Перечислим, какие возобновляемые источники энергии относятся к традиционным. Это источники, уже давно известные и активно используемые человечеством:

• гидроэлектростанции;
• традиционные способы сжигания продуктов биомассы (дров, торфа) для получения тепловой энергии;
• геотермальные ключи.

А теперь перечислим, какие возобновляемые источники энергии относятся к нетрадиционным. В данную группу включены ставшие применяться сравнительно недавно ресурсы:

• солнечные станции электрической и тепловой энергии;
• ветрогенераторы;
• электростанции, работающие на основе энергии морских волн, течений, приливов и океана и другие новейшие генераторы возобновляемой энергии.

Россия, как страна альтернативных источников энергии

Поскольку Россия входит в число одних из самых технически развитых стран мира, большое внимание уделяется добыче и использованию альтернативных источников энергии. На просторах больших территорий, к сожалению в настоящее время нет централизованных источников энергии

К том уже мы еще не втянуты в общемировую тенденциею, связанную с борьбой за экологию планеты и экономией традиционных видов топлива.

Россия

В каждом, отдельно взятом регионе нашей страны, применяются подходящие этому региону виды альтернативной энергетики. Это связано с географическим положением. А так же возможностью использования того или иного первоисточника получения энергии.

Солнечная энергетика

Солнечные электростанции в настоящее время, получают все большее распространение среди различных слоев населения, как альтернативный или резервный источник электрической и тепловой энергии.

Данный вид энергетики так же применяется в промышленности в нашей стране.

Наиболее крупными солнечными электростануциями, мощностью в 400,0 МВт являются:

• Орская им. А. А. Влазнева, установленной мощностью 40,0 МВт в Оренбургской области;
• Бурибаевская, мощностью 20,0 МВт и Бугульчанская, мощностью 15,0 МВт, в Республике Башкортостан;
• На полуострове Крым функционирует более десяти солнечных электростанций мощностью 20,0 МВт каждая.

Еще на стадии разработки можно насчитать более 50 объектов солнечной генерации на различных этапах строительства. Их место расположения от Дальнего Востока и Сибири, до центральных и южных областей нашей страны.

Общая мощность проектируемых и строящихся объектов составляет более 850,0 МВт.

Ветровая энергетика

Ветряки, работающие для получения электрической энергии в промышленных масштабах, в нашей стране не достигают таких больших масштабов, как солнечные электростанции.

Общая установленная мощность ветровых генераторов составляет чуть больше чем 100,0 МВт. Самые мощные из них это:

• Зеленоградская ветровая установка, мощностью 5,1 МВт, расположенная в Калининградской области;
• Останинская (25,0 МВт), Тарханкутская (22,0 МВт) и Сакская (20,0 МВт) – на полуострове Крым.

Также на стадии проектирования и строительства у нас есть 22 ветровые энергетические установки. Их общая мощность более 2500,0 МВт.

Гидроэнергетика

Как раз самый распространенный вид альтернативной энергетики на территории России. На настоящее время доля вырабатываемой электрической энергии ГЭС в разных регионах страны на реках, превышает 20,0 %. Отчет идет от общей генерации всей энергосистемы РФ.

Геотермальная энергетика

Это энергия тепла недр всей планеты, широко используется в ряде стран, где присутствует вулканическая деятельность. У нас данный вид энергетики расположен на Дальнем Востоке, в меру особенностей этого региона.

Их мощность 80,1 МВт. В настоящее время успешно работает 5 геотермальных электрических станций. Из них три расположены на Камчатке (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мунтовская), остальные две — на островах Кунашир (Менделеевская) и Итуруп (Океанская).

Использование биотоплива

Использование биотоплива

Наша страна числится в лидерах по экспорту биотоплива на европейский рынок

У нас же это не самый распространенный вид энергоресурсов, как традиционные виды топлива.Однако, в связи с развитием лесной и деревообрабатывающей промышленности, большие территории заняты под сельскохозяйственные культуры, что сподвигло обратить внимание на этот вид энергетики

Последние годы было построено большое количество заводов по переработке отходов древесины. Из них изготавливаются такие материалы, как топливные брикеты и гранулы (пеллеты).

Брикеты и пеллеты, в свою очередь, используются в качестве топлива для различного типа котлов в результате сжигания которых, вырабатывается тепловая и электрическая энергии.

А из отходов сельскохозяйственных культур производится биогаз и жидкое топливо. Оно подходит для применения в двигателях и дизельных установках, там их сжигают, в результате чего производится тепловая и электрическая энергия.

Хоть биотопливо пока не имеет широкого распространения в нашей стране, тем не менее перспективы его развития, достаточно обширны и успешны.

Виды альтернативной энергетики

В зависимости от источника энергии, который в результате преобразования позволяет получать человеку электрическую и тепловую энергии, используемые в повседневной жизни, альтернативная энергетика классифицируется на несколько видов, определяющих способы ее генерации и типы установок служащих для этого.

Энергия солнца

Солнечная энергетика основана на преобразовании энергии солнца, в результате которого получается электрическая и тепловая энергии.

Получение электрической энергии основано на физических процессах, происходящих в полупроводниках под воздействием солнечных лучей, получение тепловой – на свойствах жидкостей и газов.

Для генерации электрической энергии комплектуются солнечные электростанции, основой которой служат солнечные батареи (панели), изготавливаемые на основе кристаллов кремния.

Основой тепловых установок — служат солнечные коллекторы, в которых энергия солнца преобразуется в тепловую энергию теплоносителя.

Мощность подобных установок зависит от количества и мощности отдельных устройств, входящих в состав тепловых и солнечных станций.

Энергия ветра

Ветровая энергетика основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию, используемую потребителями.

Основой ветровых установок служит ветровой генератор.Ветровые генераторы различаются по техническим параметрам, габаритным размерам и конструкции: с горизонтальной и вертикальной осью вращения, различным типом и количеством лопастей, а также по месту их расположения (наземное, морское и т.д.).

Сила воды

Гидроэнергетика основана на преобразовании кинетической энергии водных масс в электрическую энергию, которая также используемую человеком в своих целях.

К объектам данного вида относятся гидроэлектростанции различной мощности, устанавливаемых на реках и иных водных объектах. В таких установках, под воздействием естественного течения воды, или путем создания плотины, вода воздействует на лопасти турбины вырабатывающей электрический ток. Гидротурбина, является основой гидроэлектростанций.

Еще один способ получения электрической энергии путем преобразования энергии воды – это использование энергии приливов, посредством строительства приливных станций. Работа таких установок основана на использовании кинетической энергии морской воды в период приливов и отливов, происходящих в морях и океанах под воздействием объектов солнечной системы.

Тепло земли

Геотермальная энергетика, основана на преобразовании тепла, излучаемого поверхностью земли, как в местах выброса геотермальных вод (сейсмически опасные территории), так и в иных регионах нашей планеты.

Для использования геотермальных вод используются специальные установки, посредством которых внутреннее тепло земли преобразуется в тепловую и электрическую энергии.

Использования теплового насоса позволяет получать тепло из поверхности земли, вне зависимости от места его расположения. Его работа основана на свойствах жидкостей и газов, а также законах термодинамики.

Биотопливо

Виды биотоплива различаются по способам его получения, его агрегатному состоянию (жидкое, твердое, газообразное) и видам использования. Объединяющим все виды биотоплива показателем, служит то, что основой для их производства служат органические продукты, посредством переработки которых получается электрическая и тепловая энергии.

Твердые виды биотоплива — это дрова, топливные брикеты или пеллеты, газообразные – это биогаз и биоводород, а жидкие – биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир и биодизель.

Гидроэнергетика

К возобновляемым источникам энергии относятся широко распространенные гидроэлектростанции. На этих объектах используется потенциальная энергия водных потоков.

Традиционные гидроэлектростанции

Возводят гидроэлектростанции, как правило, на реках. Для создания необходимого давления воды создают мощные плотины и объемные хранилища воды. Как разновидность, используют бесплотинные ГЭС.

Данным объектам (ГЭС) гидроэнергетики присущи следующие особенности.

Положительные:

1. высокий КПД при сравнительно малых экономических затратах на строительство и дальнейшую эксплуатацию станции, отсюда низкая себестоимость электроэнергии;
2. отсутствуют вредные выбросы в атмосферу;
3. водохранилище как фактор, улучшающий микроклимат в районе ГЭС;
4. возможность разведения рыб;
5. предотвращает появление паводков, используется для орошения сельхозугодий, технического применения на заводах;
6. обладают механизмом регулирования потребления энергии.

Отрицательные:

1. водохранилища затопляют обширные территории, занимают земли, пригодные для сельского хозяйства;
2. перекрытие рек существенно меняет условия для обитания ценных видов проходных рыб, многие из которых исчезают из облюбованных ранее водоемов.

Гидроэлектростанции, как возобновляемые источники энергии, эффективны для поставки электроэнергии в горные участки. Они имеются в Швейцарии, на территории России. В мировом объеме поставляемой энергии доля гидроресурсов составляет около трех процентов. В Канаде, Исландии и Китае основную часть электроэнергии вырабатывают именно гидростанции.

Красноярская гидроэлектростанция

В России строительство гидроэлектростанций всегда считалось выгодным направлением. В наши дни гидростанции вырабатывают 6 процентов электроэнергии страны. Площади крупнейших водохранилищ ГЭС составляют тысячи квадратных километров. В пример можно привести размеры Самарского водохранилища, площадь которого превышает 6400 км2.

Приливные электростанции

Особой разновидностью гидроэнергетики являются приливные электростанции, работающие на основе использования энергии приливов и отливов. Они возводятся на побережьях, где под воздействием гравитационных сил Солнца и Луны ежедневно меняется уровень воды морских и речных водоемов. Залив или устье реки перегораживают дамбой. Встроенный в неё гидроагрегат с огромными лопастями и преобразует силу прибоя в электроэнергию.

Так устроена приливная гидроэлектростанция

Такая форма получения энергии из неисчерпаемого источника очень экологична, имеет малую себестоимость. Однако само строительство требует больших вложений. Кроме того, перепады в мощности не позволяют поставлять электроэнергию в постоянном режиме. Тем не менее, станции ПЭС ценят за высокую эффективность и малое влияние на экологию. Их строительство продолжается во многих странах.

Волновые электростанции

Энергия волн представляет собой огромный потенциал. Удельную мощность морских и океанских волновых колебаний оценивают гораздо выше солнечной и ветровой. Специалисты подсчитали, что мощность волн мирового океана равна примерно 30 процентам всей потребляемой электроэнергии на Земле.

Волновая гидроэлектростанция Oyster в Шотландской прибрежной зоне мощностью 600 кВт

Работа волновых электростанций построена на превращении потенциальной энергии волн в электрическую. Выбор места строительства подобных объектов получения электричества обусловлен особенностями региона, наличием крупных водоемов и сильных ветров.

Гидроэнергетика будущего

Гидроэнергетика не стоит на месте. Постоянно придумываются новые специфические виды использования силы мирового океана. К примеру, в данный момент разрабатываются технологии использования в энергетике морских течений и разницы температур на различных глубинах.

Океанские и морские течения (Куросио, Гольфстрима и т.п.) также обладают определенной энергетической силой, потенциал которой на практике пока не оценен. Но ученые и проектировщики считают возведение гидростанций, использующих энергию водных течений, перспективном направлением в морской энергетике. Согласно технологии, применяют специальные преобразователи в виде объемных и водяных насосов.

Роторная система Seagen, расположенная у побережья Ирландии, преобразует энергию течений в электроэнергию

Электроэнергию можно получать, используя разницу температур поверхности и глубинных слоев моря или океана. Разность на глубине 400 м и верхнего слоя воды составляет 12 градусов. В данный момент уже существуют экспериментальные системы преобразования разницы температур в электричество, основанные на пьезоэффекте.

Энергия приливов и волн

Мировой океан аккумулирует энергию в разных видах: энергию биомассы, энергию приливов и отливов, энергию океанических течений, тепловую энергию и др. Проблема заключается в том, чтобы найти экономически и экологически приемлемые способы ее использования. По прогнозным оценкам доступная часть энергии Мирового океана во много раз превышает уровень потребления всех энергетических ресурсов в мире.

По оценкам Ocean Energy Systems, к 2050 г. с помощью подобных технологий можно будет вырабатывать 300 ГВт – это столько же, сколько бы производили 250 ядерных реакторов. А UK Carbon Trust прогнозирует, что к тому времени уже возникнет всемирный рынок приливной энергии стоимостью 126 млрд фунтов стерлингов.

В Японии протестировали устройство, которое генерирует электроэнергию из океанических течений. Испытание установки было проведено на юго-западе префектуры Кагошима. Течения у Кагошимы постоянны по силе и направлению. Турбина экспериментального генератора была установлена на уровне 20-50 м под поверхностью воды. Генератор развил мощность производства электроэнергии всего 30 кВт. Конечно, это немного, но главное – изобретение работает. Ученые полагают, что такой метод генерации электричества может быть более стабильным, чем солнечная энергетика. Организация по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO надеется внедрить эту технологию в промышленное использование к 2020 г.

В США извлекают энергию из волн.

Исследователи Технологического института Джорджии разработали устройство, преобразующее в электричество энергию волн океана очень широкого диапазона частот. Энергия волн океана — самая слаборазвитая отрасль чистой энергетики. Хотя океан потенциально способен обеспечить энергией весь мир, пока что не существует экономически выгодного способа ее извлечения. Основная проблема в том, что океанские волны непостоянны и колеблются с низкой частотой, тогда как большинство генерирующих устройств лучше всего работают с постоянной амплитудой и высокой частотой.

В прошлом году в проливе Пентленд-Ферт на северном побережье Шотландии началась первая фаза строительства крупнейшей в мире приливной электростанции MeyGen, итоговая мощность которой может достичь 398 МВт. Станция способна обеспечить электричеством 175 тыс. домохозяйств. Возобновляемая энергия приливов стала одним из важнейших направлений новой энергетики, развиваемой в Шотландии. Шотландские приливы, одни из самых мощных в Европе, помогут развить эту многообещающую технологию и сократить выбросы углекислого газа. Шотландия планирует полностью (на 100%) перейти на возобновляемую электроэнергию уже в 2030 г. Достигнутый в 2016 г. уровень составил около 60%.

Аналогичные технологии применяются уже и в Северной Америке – на побережье Новой Шотландии. Эта провинция на северо-востоке Канады действительно напоминает Шотландию — и не в последнюю очередь благодаря высоким приливам.

В ноябре прошлого года там, в заливе Фанди начал работу первый в Северной Америке приливной электрогенератор. Он занимает пять этажей и весит тысячу тонн, его мощность – 2 МВт, что достаточно для питания 500 домов.

В области разработки новейших решений для использования энергии приливов лидирует Великобритания. Этому способствует идеальная схема приливов и благоприятная регулятивная среда. Канада, Китай и Южная Корея также демонстрируют устойчивый прогресс. США также являются одним из основных центров инноваций в данной сфере.

Основные плюсы – высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, из-за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии.