Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.

Джоули из турникетов

Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.

Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.

В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.

Водоросли отапливают дома

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.

«Лежачие полицейские» освещают улицы

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.

Больше, чем просто футбол

Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.

Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.

Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.

Скрытая энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа - во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Энергия из тепла человека

Принцип термоэлектрических генераторов , работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.

Т акой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.

Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.

В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.

Шаги по «умной» тротуарной плитке

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Велосипед, заряжающий смартфоны

Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства.

Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.

Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.

Польза от сточных вод

Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод , загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.

Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.

Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала - не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.

«Бумажная» энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало - его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

Максименко Дарья

В данной работе ученица исследует возможности альтернативных источников энергии как средства решения сырьевой проблемы, анализирует перспективы использования АИЭ в Приморском крае с учетом опыта кампуса ДВФУ

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное

Учреждение «Лицей» Дальнереченского городского округа

Альтернативные источники энергии: возможности

и перспективы использования

Выполнила: ученица 7А класса

МБОУ «Лицей»

Максименко Дарья

Научный руководитель:

Дударова Светлана Ивановна

Дальнереченск

Введение

В современном мире существуют несколько глобальных проблем. Одна из них - истощение природных ресурсов. С каждой минутой в мире используется огромное количество нефти и газа для нужд человека. Поэтому возникает вопрос: на долго ли нам хватит этих ресурсов, если продолжать их использовать в таком же огромном объеме?

Альтернативные источники энергии: возможности и перспективы их использования - одна из важных и актуальных тем на сегодняшний день. Сегодня энергетика мира базируется на невозобновляемых источниках энергии. В качестве главных энергоносителей выступают нефть, газ и уголь. Ближайшие перспективы развития энергетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоносителей и, прежде всего с тем, чтобы попытаться уменьшить долю жидкого топлива. Но можно сказать, что человечество уже сегодня вступило в переходный период - от энергетики, базирующейся на органических природных ресурсах, которые ограничены к энергетике на практически неисчерпаемой основе.

Большие надежды в мире возлагаются на так называемые альтернативные источники энергии, преимущество которых заключается в их возобновимости, и в том, что это экологически чистые источники энергии.

Истощение ресурсов заставляет вырабатывать ресурсосберегающую политику, широко использовать вторичное сырье. Во многих странах прилагаются огромные усилия для экономии энергии и сырья. В ряде стран приняты государственные программы экономии энергии.

Цель работы – изучить альтернативные источники энергии, возможности и перспективы их использования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить понятие альтернативных источников энергии.
2. Изучить опыт использования возобновляемых источников энергии в разных странах.
3. Проанализировать перспективы массового использования альтернативных источников энергии в РФ и Приморском крае.

1. Альтернативные источники энергии, основные причины их развития, источники

Альтернативные источники энергии - это способы, устройства или сооружения, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле. Цель поиска альтернативных источников энергии - потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.

Также их еще называют возобновляемыми источниками энергии в связи с некоторыми особенностями этого вида энергии - возможностью неограниченно восполняться, в отличие от газа, угля, торфа и нефти, которые являются исчерпаемыми источниками энергии .

Классификация альтернативных источников энергии:

• ветряные - преобразуют в энергию движение воздушных масс;
• геотермальные - преобразуют в энергию тепло планеты;
• солнечные - электромагнитное излучение солнца;
• гидроэнергетические - движение воды в реках или морях;
• биотопливные - теплоту сгорания возобновляемого топлива (например, спирта, торфа).
• приливные - энергия морских и океанских приливов, на которой работают приливные электростанции

Ученые предупреждают о возможном исчерпании известных и доступных для использования запасов нефти и газа. Конечно, о полном исчерпании ресурсов говорить еще рано.

Сегодня энергетика мира базируется на невозобновляемых источниках энергии. В качестве главных энергоносителей выступают нефть, газ и уголь. Ближайшие перспективы развития энергетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоносителей и, прежде всего с тем, чтобы попытаться уменьшить долю жидкого топлива. Но можно сказать, что человечество уже сегодня вступило в переходный период - от энергетики, базирующейся на органических природных ресурсах, которые ограничены к энергетике на практически неисчерпаемой основе .

2. Зарубежный опыт использования альтернативных источников энергии

Истощение ресурсов заставляет вырабатывать ресурсосберегающую политику, широко использовать вторичное сырье. Во многих странах прилагаются огромные усилия для экономии энергии и сырья. Сегодня уже около 1/3 всей массы используемых в мире металлов - добывается из отходов и вторичного сырья. В ряде стран приняты государственные программы экономии энергии.

Наиболее распространенные возобновляемые источники энергии и в России, и в мире - это гидроэнергетика. Около 20% мировой выработки электроэнергии приходится на ГЭС.

Активно развивается мировая ветроэнергетика: суммарные мощности ветрогенераторов удваиваются каждые четыре года, составляя более 150 000 МВт. Во многих странах ветроэнергетика занимает прочные позиции. Так, в Дании более 20% электроэнергии вырабатывается энергией ветра. Россия может получать 10 % энергии из ветра.

Доля солнечной энергетики относительно небольшая (около 0,1% мирового производства электроэнергии), но имеет положительную динамику роста. Солнечные электростанции работают более чем в 30 странах.

Геотермальная энергетика имеет важное местное значение. В частности, в Исландии такие электростанции вырабатывают около 25% электроэнергии.

Геотермальные электростанции, которые вырабатывают немалую часть электроэнергии в странах Центральной Америки, на Филиппинах, в Исландии; Исландия также являет собой пример страны, где термальные воды широко используются для обогрева, отопления.

Приливная энергетика пока не получила значительного развития и представлена несколькими пилотными проектами.

Приливные электростанции пока имеются лишь в нескольких странах - Франции, Великобритании, Канаде, России, Индии, Китае.

3. Перспективы развития альтернативных источников энергии в России и Приморском крае

По сравнению с США и странами ЕС использование альтернативных источников энергии в России находится на низком уровне. Сложившуюся ситуацию можно объяснить доступностью традиционных ископаемых энергоносителей. Один из основных барьеров для строительства крупных электростанций на альтернативных источниках энергии - отсутствие положения о стимулирующем тарифе, по которому государство покупало бы электроэнергию, производимую на основе альтернативных источников энергии.

Основным потребителем энергетических ресурсов на территории Приморского края является система жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Стоимость оплаты жилищно-коммунальных услуг населения г. Владивостока и Приморского края неуклонно растет. По данным органов статистики количество индивидуальных жилых зданий на территории края составляло около 143 тыс., из них 65 тыс. – в городских поселениях, 77 тыс. – в сельских поселениях. Практически во всех малоэтажных жилых зданиях для отопления используется уголь, дрова, мазут. Это приводит к значительным выбросам вредных и загрязняющих веществ в атмосферу. Таким образом, наносится значительный урон окружающей среде .

Приморский край относится к региону, где в целях энергообеспечения целесообразно использовать альтернативную энергетику на основе альтернативных источников энергии. Число солнечных дней в среднем по Приморскому краю составляет 310 при продолжительности солнечного излучения более 2000 часов. Активность солнечной энергии на территории Приморского края являются одними из самых высоких на территории РФ .

Максимальное поступление солнечной радиации наблюдается в мае, а минимальное в декабре, причём в марте наблюдается максимальная сумма прямой радиации на нормальную к лучу поверхность и продолжительность солнечного сияния. Минимальная продолжительность солнечного сияния наблюдается в июне и июле это связано с сезоном дождей, которые наступают в этот период .

Однако, несмотря на огромный потенциал солнечной энергетики, широкое внедрение альтернативной энергетики в России сдерживается по ряду причин: это дороговизна, большая материалоемкость оборудования, недостаточный опыт использования данных технологий, плохая информированность. Привлечь внимание к альтернативной энергетике можно с помощью демонстраций успешного опыта внедрения установок альтернативной энергетики в реальном хозяйственном применении. Существующая тенденция понижения стоимости оборудования для солнечной энергетики и постоянное повышение стоимости органического топлива и тарифов на электрическую и тепловую энергию, также являются тем фактором, который повышает привлекательность и конкурентоспособность альтернативной энергетики .

Основными потребителями альтернативной энергии являются домохозяйства (отдельные частные дома или даже квартиры, коттеджные посёлки, фермы). Также активно используют небольшие энергетические установки туристы, рыбаки, охотники, армия.

В декабре 2014 года на кампусе ДВФУ была установлена всесезонная Лабораторная солнечная водонагревательная установка (СВНУ), предназначенная для получения горячего водоснабжения гостиничного корпуса рассчитанного на проживание 536 человек. Совместно с солнечной водонагревательной установкой смонтирована фотоэлектрическая солнечная установка.

Генерирующее оборудование установок включает в себя: 90 солнечных коллекторов производительностью 0,15 Гкал/час тепловой энергии и 176 фотоэлектрических солнечных панелей производительностью 22 кВт*час электрической энергии.

Рис. 1 Гостиничный корпус ДВФУ №8.1

Солнечные коллектора и фотоэлектрические солнечные панели установлены на кровле здания. Общая площадь кровли составляет 2566 м².

Рис.2 Расположение солнечных коллекторов и фотоэлектрических панелей на кровле гостиничного корпуса ДВФУ № 8.1

Рис. 3 Тепловой пункт СВНУ гостиничного корпуса ДВФУ № 8.1

С начала ввода установки в эксплуатацию проводится непрерывный мониторинг выработки электрической и тепловой энергии установкой, а также технических параметров работы установки. Данные мониторинга архивируются в онлайн режиме и доступны для удалённого анализа через сеть Интернет.

Ниже представлены суточные данные о выработке тепловой энергии установкой с января по май 2015 года.

Рис. 4 Суточные данные о выработке тепловой энергии в январе 2015г.

Рис. 5 Суточные данные о выработке тепловой энергии в феврале 2015г.

Рис. 6 Суточные данные о выработке тепловой энергии в марте 2015г.

Рис. 7 Суточные данные о выработке тепловой энергии в апреле 2015г.

Рис. 8 Суточные данные о выработке тепловой энергии в мае 2015г.

По суточному графику выработки тепловой энергии установкой можно наблюдать о количестве солнечных и пасмурных дней в течение исследуемого периода. Наблюдения за работой установки показали, что и в пасмурные дни установка способна вырабатывать тепловую энергию. Отсутствие выработки тепловой энергии наблюдалось только в дни выпадения осадков.

Рис. 9 Данные о выработке тепловой энергии с января по май 2015г.

За исследуемый период с января по май солнечной установкой было выработано 64788 кВт×ч (233236,8МДж) тепловой энергии, что показало среднюю суточную выработку тепловой энергии с 1 м² эффективной площади абсорбции коллекторов 1,977 кВт×ч/м2.

Следует отметить, что за исследуемый период установка не всё время находилась в работе. В январе и феврале месяцах продолжались пусконаладочные работы, на проектную мощность установка вышла только в марте 2015 года.

Максимальная производительность установки была зафиксирована 23 мая. В этот день установка выработала 1040 кВт×ч, что на 1 м² эффективной площади абсорбции составило 4,79 кВт×ч/м2 в день .

Заключение

Таким образом, развитие альтернативных источников энергии в мире представляется актуальным и перспективным проектом. Во-первых, развитие и использование данных источников благоприятно влияют на экологическую обстановку в мире, которая в последнее время «хромает». Во-вторых, в будущем нехватка традиционных ресурсов может сильно сказаться на рынке, возможно, будет мировой энергетический кризис, поэтому очень важно начать сейчас развивать нетрадиционные источники энергии, чтобы через несколько десятков лет, а может быть и меньше, не допустить экономического коллапса.

Все больше людей начинают использовать независимые источники энергии, учитывая особенности географического положения своей местности. У кого-то солнечных дней в году очень много - тот ставит солнечные батареи с солнечными коллекторами на крышах. У кого ветры дуют - прекрасно, используются ветряки.

В городе Дальнереченске население только начинает использовать альтернативные источники. Так как в нашем городе большое количество солнечных дней, это дает возможность использовать солнечные батареи . К сожалению, перейти полностью на альтернативное энергоснабжение очень дорого, но как дополнительный источник энергии, возможно.

Альтернативные источники энергии экологичны, возобновляемы, к тому же они распределены относительно равномерно, поэтому лидерство в их использовании завоюют регионы с квалифицированной рабочей силой, восприимчивостью к нововведениям и стратегическим предвидением.

Список использованной литературы

1. Благородов В.Н. Проблемы и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, Россия. Журнал Энергетик № 10, с. 16-18, 1999.
2. Веб сайт SolarGIS, Карта солнечного излучения. Солнечное излучение в разных частях планеты. www.solargis.info/doc/free-solar-radiation-maps-GHI
3. Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С.Матвеев. - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 294 с.
4. Гричковсая Н.В., Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Оценка потенциала солнечной энергии для разработки энергоэффективных зданий в условиях муссонного климата, Владивосток, с. 143, 170-172, 2008.
5. Ильин А.К., Ковалев О.П. Нетрадиционная энергетика в Приморском крае: ресурсы и технические возможности. Дальневосточная российская академия наук, Владивосток, с. 40, 1994. Слайд 2

   Цель работы – изучить альтернативные источники энергии, возможности и перспективы их использования Задачи Изучить понятие альтернативных источников энергии. Изучить опыт использования возобновляемых источников энергии в разных странах. Проанализировать перспективы массового использования альтернативных источников энергии в РФ и Приморском крае. Слайд № 2

   Классификация альтернативных источников энергии ветряные - преобразуют в энергию движение воздушных масс; солнечные - электромагнитное излучение солнца; гидроэнергетические - движение воды в реках или морях; биотопливные - теплоту сгорания возобновляемого топлива (например, спирта, торфа). Источники энергии геотермальные - преобразуют в энергию тепло планеты; приливные - энергия морских и океанских приливов, на которой работают приливные электростанции Слайд № 3

   Гостиничный корпус ДВФУ № 8.1 Слайд № 4

   Расположение солнечных коллекторов и фотоэлектрических панелей на кровле гостиничного корпуса ДВФУ Слайд № 5

   Тепловой пункт всесезонной лаборатории солнечной водонагревательной установки Слайд № 6

   Суточные данные о выработке тепловой энергии установкой с января по май 2015 года Слайд № 7

   Суточный график выработки тепловой энергии солнечной водонагревательной установкой (СВНУ) Слайд № 8

   Спасибо за внимание, доклад окончен!

Альтернативная энергетика в наше время является одним из самых популярных направлений для активной деятельности инновационных компаний и их разработок. В этой сфере ведётся огромное количество исследований, здесь заняты тысячи учёных, работающих в разных странах мира. А как же обстоят дела с альтернативной энергетикой в России? Если вы хотите знать ответ на данный вопрос, тогда эта статья может быть вам интересна.

Прежде чем понять, что представляет собой альтернативная энергетика в России, необходимо разобраться с тем, что называется альтернативной энергетикой. Если говорить кратко, то альтернативная энергетика – это комплекс мер и способов, позволяющих получать энергию, используя для этого возобновляемые ресурсы.

К возобновляемым источникам энергии относится:

• Солнечная;
• Энергия вод;
• Ветровая;
• Приливная;
• Геотермальная энергия и многие другие источники энергии.

Ускоренные темпы развития являются характерной чертой для современной альтернативной энергетики во многих странах мира. Причина заключается в попытке снизить зависимость человечества от невозобновляемых источников энергии. Хорошей демонстрацией текущей зависимости человечества от нефти, газа и других подобных ресурсов стало такое известное событие, как нефтяной кризис 1973 года, который во многом способствовал поиску новых решений в сфере альтернативной энергетики.

Что касается положения России, то долгое время она не торопилась вести активные исследования в этой сфере, так как обладает большим количеством невозобновляемых источников энергии. На данный момент Россия обладает опытом в создании электростанций, которые используют в своей работе альтернативные источники энергии. Главной проблемой в этом направлении является отсутствие необходимой поддержки со стороны государства.

Виды альтернативной энергетики

На данный момент существует большое количество видов альтернативной энергетики.

Био

Биомасса (энергоносители растительного происхождения) может быть успешно использована для получения энергии. Важно отметить, что некоторая часть биомассы относится к традиционным источникам энергии (древесина, опилки, стружка и т. д.). Что же касается альтернативных источников энергии, то к понятию «биомасса» относятся растения, сельскохозяйственные отходы. Для сжигания биомассы используются два основных подхода:

• Использование котлов высокого давления (КПД такого процесса составляет 40–50%);
• Использование газовых турбин (КПД такого процесса составляет 93%);

Чтобы сжигание биомассы было экономически выгодным, необходимо выполнять её переработку вблизи источников сырья. По той причине, что источником сырья чаще всего выступают фермы и сельскохозяйственные предприятия, большая часть объектов, занимающихся переработкой биомассы, располагается вблизи них. Такой подход позволяет получить довольно большое количество энергии по небольшой цене.

Что касается России, то наиболее подходящими регионами для переработки биомассы являются Черноземье, Краснодарский край, Центральная часть России, Юг Сибири.

Ветровая

Ветер успешно используется для получения энергии. По целому ряду причин, наиболее выгодным местом для размещения ветряков является береговая линия (не меньше чем в 10 км от моря). В случае с Россией, наиболее подходящими местами для размещения ветряных электростанций является прибрежная линия Крайнего Севера, а также Дальний Восток.

Водородная

Альтернативная энергия из водорода может быть получена несколькими методами:

• Из природного газа;
• Из лёгкой нефти;
• Методом разложения воды на составляющие элементы (водород и кислород);
• Из микроорганизмов;
• Из ферментов;

Следует отметить, что водородный двигатель по эффективности превосходит стандартный двигатель внутреннего сгорания примерно в 2–3 раза, что делает альтернативную энергию, полученную из водорода, очень перспективным направлением как во всём мире, так и в РФ.

Геотермальная

Геотермальный способ получения альтернативной энергии позволяет использовать тепло земной коры. Использование геотермальной энергетики актуально лишь в определённых местах планеты, где это будет экономически целесообразно. На данный момент больше всего геотермальных электростанций находится на территории Италии, США, Ирландии и Новой Зеландии.

Мировое производство энергии с использованием геотермальных источников составляет 19,3 тыс. МВт. Россия производит порядка 10% все геотермальной энергии мира. Однако геотермальная энергетика в России должна развиваться и дальше, так как её потенциал очень велик. По оценке некоторых экспертов, только Камчатка способна производить порядка 5 тыс. МВт энергии, используя геотермальные источники.

Солнечная

Солнечная энергетика является одним из самых перспективных направлений, так как Солнце – это мощнейший источник энергии, который способен полностью решить все энергетические проблемы нашей планеты. Кроме того, солнечная энергетика является полностью «зелёной», она не причиняет никакого вреда экологии.

На данный момент солнечная энергия производится во многих страна с использованием специальных фотоэлементов. Они устанавливаются на крышах зданий, солнечные батареи установлены на космических объектах. Специальные гелиостанции устанавливаются в местах с большим количеством солнечных дней.

Одной из основных проблем солнечной энергетики является низкий КПД используемых фотоэлементов, который в лучшем случае достигает 23%. Это не касается солнечных батарей, развернутых в космосе: от них КПД очень высок. Среди других недостатков также следует отметить непостоянный объём производства энергии, а также необходимость большого количества свободной территории для установки фотоэлементов.

В Российской Федерации лучшими местами для строительства гелиостанций являются Краснодарский край, Кубань, Приморье и Восточная Сибирь.

Термоядерная

Одним из самых многообещающих направлений в альтернативной энергетике является контролируемый термоядерный синтез, при помощи которого может быть полностью решена энергетическая проблема не только конкретных стран, но и всего человечества.

Среди главных преимуществ термоядерной энергетики нельзя не отметить:

• Неиссякаемые источники;
• Экологическую безопасность;
• Экономическую эффективность.

На данный момент ещё не удалось создать станций термоядерного синтеза, которые были бы экономически выгодными. Однако в этом направлении ведутся активные работы.

У истоков контролируемого термоядерного синтеза стоят известные учёные Илья Тамм, Игорь Курчатов и Андрей Сахаров. Первые исследования в этом направлении начали вестись ещё в 1950-е годы в СССР.

Одним из самых перспективных проектов в этом направлении является международный проект ITER, который должен дать первые серьёзные результаты, по прогнозам, в 2040–2050-е годы. Россия, как и многие другие страны, является участником этой программы.

Состояние альтернативной энергетики в России

В 90-е годы, в связи с определёнными событиями (распад СССР), многие программы по исследованиям в сфере альтернативной энергетики были частично или полностью прекращены. Затем были попытки вновь начать исследования в этом направлении, и даже определились регионы Российской Федерации, в которых развитие данной сферы особенно перспективно. Но несмотря на это в 2000-е годы исследования в этой сфере были практически прекращены.

Одной из причин прекращения работы в данной сфере стала высокая цена на нефть, что, в свою очередь, отбило желание у государства вкладывать средства в поиски новых способов получения энергии.

Достижения России в альтернативной энергетике

На данный момент исследования в направлении «зеленой» энергетики в России практически не ведутся, однако государство имеет определённые достижения в этой сфере.

Среди таких достижений можно отметить наличие целого ряда ветряных электростанций, а также наличие геотермальных станций.

Развитие солнечной энергетики в России также даёт свои определённые плоды, на территории страны работает несколько солнечных станций. Определённое развитие получила и приливная энергетика.

Проблемы

Одной из главных проблем для всех занимающихся альтернативной энергетикой в России является отсутствие господдержки, а также отсутствие нормативно-правовой базы для этого рода деятельности.

Среди других проблем следует отметить отсутствие выгоды от вложений в эту сферу, а также неконкурентоспособность электростанций, использующих альтернативные источники энергии, по сравнению с использующими традиционные.

Следует отметить, что в период с 2000 до 2010 год процент использования возобновляемых источников в российском энергетическом балансе увеличился. Однако причиной этого стало большее использование традиционно возобновляемых источников – таких, как отходы деревообрабатывающей промышленности.

Ещё одним серьёзным недостатком является отсутствие необходимой инфраструктуры для развития альтернативной энергетики, а также недостаток кадров, способных работать в этом направлении, особенно высококвалифицированных. Причины этого заключаются в том, что инвестиции в эту сферу пока что невыгодны, поэтому их практически нет. Даже несмотря на то, что альтернативные источники энергии в России имеются в большом достатке. Данную проблему способна решить господдержка, хотя бы на ранних стадиях проектов, пока они не достигнут окупаемости.

Руслан Шамуков/ТАСС, архив

В большинстве развитых стран мира реализуются программы в области альтернативной энергетики. По некоторым оценкам, в РФ все еще не выработана система развития зеленой энергетики

Одной из тем ХХ Петербургского международного экономического форума является альтернативная энергетика и перспективы ее развития. Свое видение этой проблемы представил ТАСС эксперт РАНХиГС Иван Капитонов.

Мейнстримом последнего десятилетия является экологизация энергетики во всем мире, в том числе и в России. Пессимистическая гипотеза 80-90-х гг. ХХ в. о критическом сокращении запасов углеводородного сырья и глобальном дефиците нефтепродуктов, резкий скачок цен на энергоносители в начале XXI в., общий рост техногенной и антропогенной экологической нагрузки, изменение климата отразились в изменении приоритетов развития мировой энергетики в сторону повышения важности возобновляемых источников энергии (ВИЭ), добычи альтернативных видов топлива и ускорения темпов роста энергоэффективности.

Еще в 2011 г. возобновляемая энергетика была определена экспертами Евростата как сектор, находящийся на стадии внедрения и обладающий средним уровнем конкурентоспособности. В то же время глобальный спрос на ВИЭ демонстрирует устойчивый рост. Ожидается, что к 2050 г. их удельный вес в мировом энергетическом балансе достигнет 35%, что является, пожалуй, самым оптимистичным прогнозом по ВИЭ из имеющихся.

За бортом "зеленой революции"?

Ни для кого не секрет, что в большинстве развитых стран мира разрабатываются и реализуются программы, связанные с альтернативной энергетикой. Ключевые преимущества ВИЭ – неисчерпаемость и экологичность – служат основанием для динамичного развития зеленой энергетики.

По мнению американского ученого-эколога Вудроу Кларка, с распространением возобновляемых источников энергии зеленую трансформацию энергетических рынков можно увидеть в странах ЕС, Азии и Китае. При этом если США находится на начальном этапе жизненного цикла развития ВИЭ, то Россия более активно движется вперед, в сторону зеленой промышленной переработки возобновляемых источников энергии.

В то же время другой эксперт – член форума энергетического права Анатоль Бут из Абердинского университета – отметил, что по состоянию на 2014 г. в России все еще не была выработана эффективная система стимулирования развития экологически чистой энергии.

По его мнению, это может привести к тому, что Россия окажется за бортом "зеленой революции" и значительно отстанет от развитых стран и других государств БРИК в сфере разработки экологически чистых технологий.

В актуальной на сегодняшний день Энергетической стратегии России на период до 2030 г. (ЭС-2030), принятой в 2009 г., отмечено, что на момент разработки стратегии РФ была "практически не представлена на мировом рынке энергетики, основанной на возобновляемых источниках энергии".

В то же время дальнейший прогноз развития был построен на гипотезе смягчения диспропорций, связанных с доминированием в структуре потребления топливно-энергетических ресурсов углеводородного топлива и малым удельным весом нетопливных энергоресурсов (энергия атомных электростанций, возобновляемых источников энергии).

В развитие положений ЭС-2030 и еще не утвержденной ЭС-2035 Институтом энергетической стратегии подготовлен проект Концепции Энергетической стратегии России, в которой уже взят более поздний период - 2036-2050 гг. Он обозначен как "этап инновационного развития российской энергетики с переходом к принципиально иным технологическим возможностям высокоэффективного использования традиционных энергоресурсов и неуглеводородных источников энергии".

Таким образом, сроки конца углеводородной эпохи по документам в РФ постепенно отодвигаются все дальше.

Что происходит сегодня?

По данным на начало 2016 г., совокупная установленная мощность в России по всем видам генерации составляла 225 ГВт, из них лишь 1% приходится на долю ВИЭ, в том числе 0,6% – биомасса, 0,3% – малые ГЭС, 0,1% – ветряная, солнечная электроэнергетика и геотермальные источники.

В то же время распоряжением Правительства РФ от 28 мая 2013 г. №861-р предусмотрено, что доля зеленой энергетики на оптовом рынке к 2020 году должна составить 2,5%, или около 6 ГВт.

Для достижения этих значений с 2013 г. создана система поддержки ВИЭ на российском оптовом энергетическом рынке: ежегодно проходит отбор ветровых электростанций, солнечных электростанций и малых ГЭС, которые могут заключить договоры на поставку мощности, гарантирующие возврат инвестиций за счет повышенных платежей потребителей.

В начале 2015 г. правительством также были приняты меры по поддержке ВИЭ на розничном рынке. Так, сетевые организации обязали закупать их электроэнергию, но не более 5% от объема потерь в сетях. Механизм поддержки распространяется на объекты зеленой энергетики, использующие биогаз, биомассу, свалочный газ, энергию солнца, ветра, и на малую гидроэнергетику.

Проекты в России

Анализируя уровень эффективности уже реализованных проектов по использованию возобновляемых источников энергии в России, в свое время одобренных Министерством экономического развития по предложению Сбербанка (приказ №709 от 30 декабря 2010 г.) и получивших инвестиции в рамках Киотского протокола, на данный момент можно отметить 2 знаковых мегапроекта.

• Выработка энергии с использованием древесных отходов вместо угля, г. Онега (Архангельская область).

В рамках проекта компанией KPA Unicon были поставлены в Россию две котельные Biograte мощностью 17 МВт тепла с резервным дизельным котлом мощностью 9 МВт тепла. Общая мощность котельной установки составляет 43 МВт тепла. Котлы Biograte 17 сжигают древесные отходы, в основном влажную кору, получаемую с лесопильного предприятия ОАО "Онежский ЛДК".

Целью данного проекта является модернизация имеющихся отопительных котлов и введение в действие теплоэлектроцентралей, использующих древесные отходы.

В целом по программе замещения привозного топлива на древесное топливо в Архангельской области переведены 43 котельные, построены 10 новых биотопливных котельных. Зеленая энергия уже вырабатывается в городах Онега, Североонежск, на биологическое топливо переведена отопительная инфраструктура Виноградовского района, завершается строительство котельной на древесных отходах в поселке Октябрьский на юге Архангельской области.

Архангельская область в настоящее время динамично переходит на использование альтернативных видов топлива. Удельный вес альтернативной энергетики в топливном балансе вырос в период с 2007 по 2015 г. с 18% до 37%, ожидается, что в 2020 г. данный показатель достигнет уровня в 44%.

В общей сложности в Поморье уже реализованы проекты по производству альтернативного топлива на 250 тыс. тонн в год; на стадии планирования находятся проекты, которые увеличат производство древесных гранул на 150 тыс. тонн в год. По данным прогноза Правительства Архангельской области, к 2020 г. годовой объем производства биологического топлива в регионе может достичь 400 тыс. тонн.

Ожидается, что за ближайшие пять лет Архангельская область почти на 50% заменит привозное топливо на энергоносители из древесных отходов. Это даст региону возможность примерно на 1/3 уменьшить затраты на энергетику, нарастить экспортную составляющую и обеспечить рабочими местами в сфере зеленой энергетики предприятия малого бизнеса.

• Проект по выработке энергии из биоотходов, г. Братск (Иркутская область ), реализованный на базе промышленной площадки филиала группы "Илим".

Цель проекта заключается в повышении эффективности выработки тепловой и электрической энергии на основе использования пищевых отходов. Ожидалось, что модернизация местного производства электрической и тепловой энергии и улучшение использования пищевых отходов позволят сократить выбросы парниковых газов приблизительно на 1,4 трлн тонн в пересчете на CO 2 за пять лет.

С точки зрения энергоэффективности и экологии данный проект представляет собой настоящий прорыв в лесопромышленной отрасли, позволяющий при серьезном увеличении производства использовать гораздо меньше энергии. Для сравнения: в предшествующем варианте это оборудование покрывало не более 18% от потребляемой филиалом энергии, с запуском СРК предприятие планирует довести этот показатель до 50%.

Также реализуются не менее интересные и уникальные проекты возобновляемой энергетики в Российской Федерации.

• "Умный вокзал" в г. Анапе: создание комбинированной фотоэлектрической системы мощностью 70 кВт .

На кровле здания вокзала размещены 560 солнечных модулей суммарной мощностью 70 кВт. Для преобразования солнечной энергии использованы четыре солнечных инвертора "Данфосс" серии TLX Pro каждый мощностью 15 кВт. Система инверторов имеет удаленное управление, позволяющее контролировать работу солнечной станции через Интернет.

Совокупный расчетный экономический эффект составляет примерно 1,5 млн руб. Важно, что он сохранится даже при условии возникновения дополнительных затрат, связанных с увеличением потребления электроэнергии и дизельного топлива в пиковые холодные периоды.

Как показал мониторинг электроэнергии, потребляемой на нужды освещения вокзала, отмечается положительная динамика роста экономического эффекта: в августе 2014 г. он составил 122 тыс. руб., в ноябре – 171 тыс. руб., а в январе 2015 г. – 192 тыс. руб.

• Одна из первых в мире гибридных дизель-солнечных энергоустановок мощностью 100 кВт (с. Яйлю, Республика Алтай).

Гибридная установка мощностью 100 кВт расположена в поселке Яйлю взамен устаревшего дизельного генератора и предназначена для автономного бесперебойного снабжения населенного пункта электроэнергией. Ее эксплуатация дает возможность сократить на 50% ежегодное потребление дизельного топлива.

Указанная установка отечественной разработки комбинирует преимущества солнечной и дизельной генерации, а также использует новейшие научные достижения в сфере накопителей электроэнергии и интеллектуальных систем управления, которые позволяют максимально эффективно распределять нагрузку между фотоэлектрической системой, накопителями и дизельными генераторами.

Как отметил заместитель председателя Правительства Республики Алтай Р. Пальталлер, "дизель-солнечная электростанция, по типу и масштабам первая в России, послужит эффективной базой для научных исследований и образовательных программ в области солнечной энергетики, развитие которой имеет огромное значение в изолированной энергосистеме и труднодоступных районах".

• Проект Пенжинской ПЭС, основанный на использовании энергии морских приливов, на Камчатке.

Согласно оценкам специалистов института "Гидропроект", на Пенжинской губе (расположена в северо-восточной части залива Шелихова Охотского моря) могут быть построены две крупные приливные электростанции, максимальная мощность которых способна составить до 135 ГВт.

Стоимость строительства Пенжинской ПЭС-1 (Северный створ) оценивается в $60 млрд, ПЭС-2 (Южный створ) – в $200 млрд. Срок реализации первого проекта – 2020-2035 гг. Возврат инвестиций планируется за счет реализации энергоемкого продукта, например водорода; кроме того, не исключено строительство линий электропередач в Хабаровский и Приморский край, в Японию и Китай.

Фактор господдержки

По данным исследований ученых Института энергетики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики", государственная поддержка развития ВИЭ в Российской Федерации является важнейшим фактором роста рынка возобновляемой энергетики в стране.

Отметим, что учеными разработан проект "Дорожной карты развития ВИЭ на территории России до 2035 года", который ориентирован на ликвидацию регуляторных и институциональных барьеров для развития ВИЭ, формирование благоприятного климата для расширения сферы применения ВИЭ, развитие НТП и производство компонентов ВИЭ.

В целом следует сделать вывод, что, несмотря на введение российским правительством в действие серии различных регулятивных инструментов, которые позволяют реализовать отдельные элементы стратегии в сфере возобновляемой энергетики, пока еще рано говорить о конце эпохи углеводородов.

Доля ВИЭ низка как в РФ, так и за рубежом, и будет таковой вплоть до 2035 г. Чтобы и дальше развиваться в этом направлении темпами, соответствующими определению "зеленой революции", и выйти на плановые показатели "заката эпохи углеводородов", необходимо как можно скорее устранить существующие барьеры и привлечь инвесторов для реализации существующих и перспективных проектов использования ВИЭ, что при самых лучших обстоятельствах даст значимый перевес в пользу ВИЭ в энергобалансе страны, но уже за пределами 2035-2040 гг.

Иван Капитонов, доцент кафедры международной коммерции Высшей школы корпоративного управления (ВШКУ) РАНХиГС, эксперт по ТЭК

Геотермальная энергия и ее использование. Применение гидроэнергетических ресурсов. Перспективные технологии солнечной энергетики. Принцип работы ветроустановок. Энергия волн и течений. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России.

Пермский Государственный Университет

Философско-социологический факультет

Альтернативные источники энергии

и возможности их применения в России

Кафедра социологии и

политологии

Студент: Уваров П.А.

Группа: СЦГ-2 курс

Пермь, 2009

Введение

1 Понятие и основные виды альтернативной энергии

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)

1.2 Энергия солнца

1.3 Энергия ветра

1.4 Энергия воды

1.5 Энергия волн

1.6 Энергия течений

2. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России

Заключение

Список используемых источников

Введение

Не зря говорят: «Энергетика – хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие – «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря – о богатстве любого государства.

В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.

За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.

К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня – гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.

Потом люди придумали мельницы – технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и – уже в середине ХХ столетия – атомные реакторы.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.

Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют природе гидроэлектростанции! Выбросов в воздух от ГЭС нет никаких, но зато вред водной среде наносит довольно большой. В первую очередь страдают рыбы, которые не могут преодолеть плотины ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько – так называемые каскады ГЭС, – резко меняется количество воды до и после плотин. На равнинных реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все находящиеся ниже плотины ГЭС. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.

Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и трудно добываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые – малые, или «нетрадиционные», – виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.

1. О сновные виды Альтернативной энергии

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)

Геотермальная энергия – в дословном переводе значит: земли тепловая энергия. Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру.

Если учесть ещё и теплоемкость пород Земли, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой, несомненно, самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы.

В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы (островное государство на севере Атлантического океана -Исландия; и наши Камчатка и Курилы).

Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено.

Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. «Стоимость топлива» такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых (то есть, с температурой гораздо выше 100 o С) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара.

Валовой мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 трлн. т усл. топлива, что в 1700 раз больше мировых геологических запасов органического топлива. В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 трлн. т усл. топлива. Использование только около 0,2 % этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос только в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Именно из-за того, что эти условия до сих пор не соблюдались при попытках создания в стране опытных установок по использованию геотермальной энергии, мы сегодня не можем индустриально освоить такие несметные запасы энергии.

Геотермальная энергия по времени использования — наиболее старый источник альтернативной энергии. В 1994 г. в мире работало 330 блоков таких станций и здесь доминировали США (168 блоков на «месторождениях» Гейзере в долине гейзеров, Империал Вэлли и др.). Второе место занимала. Италия, но в последние годы ее обогнали КНР и Мексика. Самая большая доля используемой геотермальной энергии приходится на страны Латинской Америки, но и она составляет немного более 1%.

В России перспективными в этом смысле районами являются Камчатка и Курильские острова. С 60-х годов на Камчатке успешно работает полностью автоматизированная Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт, на Курилах — станция на о. Кунашир. Такие станции могут быть конкурентоспособны лишь в районах с высокой отпускной ценой на электроэнергию, а на Камчатке и Курилах она очень высока в силу дальности перевозок топлива и отсутствия железных дорог.

1.2 Энергия солнца

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Использование только 0,5 % этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия. На Сев. Технический потенциал солнечной энергии в России (2,3 млрд. т усл. топлива в год) приблизительно в 2 раза выше сегодняшнего потребления топлива.

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И в России наибольший теоретический потенциал, более 2000 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.), имеет солнечная энергия. Несмотря на такой большой потенциал в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии на 2005 г определен в очень малом объеме – 17-21 млн.т у.т. Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование-дело отдаленного будущего (после 2020г). В данной работе я покажу, что это не так и что солнечная энергия является серьезной альтернативой традиционной энергетике уже в настоящее время.

Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн.лет. Гигантские темпы потребления не возобновляемых энергоресурсов по относительно низкой цене, которые не отражают реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь в займы, кредиты у будущих поколений, которым не будет доступна энергия по такой низкой цене. Энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60%. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект «2000 солнечных крыш» в Германии. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов.

При КПД солнечной электростанции (СЭС) 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 кв.м, что составляет 0.024% территории.

Наиболее практическое применение в мире получили гибридные солнечно-топливные электростанции с параметрами: КПД 13,9%, температура пара 371 гр.С, давление пара 100 бар, стоимость вырабатываемой электроэнергии 0,08-0,12 долл/кВт.ч, суммарная мощность в США 400 МВт при стоимости 3 долл/Вт. СЭС работает в пиковом режиме при отпускной цене за 1 кВт.ч электроэнергии в энергосистеме: с 8 до 12 час.-0,066 долл. и с 12 до 18 час.- 0,353 долл.. КПД СЭС может быть увеличен до 23% – среднего КПД системных электростанций, а стоимость электроэнергии снижена за счет комбинированной выработки электрической энергии и тепла.

Основным технологическим достижением этого проекта является создание Германской фирмой Flachglass Solartechnik GMBH технологии производства стеклянного параболоцилиндрического концентратора длиной 100 м с апертурой 5,76 м, оптическим КПД 81% и ресурсом работы 30 лет. При наличии такой технологии зеркал в России целесообразно массовое производство СЭС в южных районах, где имеются газопроводы или небольшие месторождения газа и прямая солнечная радиация превышает 50% от суммарной.

Принципиально новые типы солнечных концентратов, использующие технологию голографии, предложены ВИЭСХом.

Его главные характеристики – сочетание положительных качеств солнечных электростанций с центральным приемником модульного типа и возможность использования в качестве приемника как традиционных паронагревателей, так и солнечных элементов на основе кремния.

Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%. Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5-3 долл/Вт при стоимости электроэнергии 0,25-0,56 долл/кВт.ч. Солнечные энергосистемы заменяют керосиновые лампы, свечи, сухие элементы и аккумуляторы, а при значительном удалении от энергосистемы и малой мощности нагрузки – дизельные электрогенераторы и линии электропередач.

1.3 Энергия ветра

Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.

Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.

1.4 Энергия воды

Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние греки объясняли колебание уровня воды волей повелителя морей Посейдона. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.

Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

В 1968 г. на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строительства – Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ в области использования энергии приливов.

Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м.

Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м

С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной трубы Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

1.5. Энергия волн

Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит из него, то входит. Но движение воздуха возможно только лишь через верхнее отверстие (такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. Другой тип установки – что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, морекультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.

Волновая энергетическая установка «Каймей» (»Морской свет») – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км. В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт. ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.

Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт.·ч электроэнергии.

А в Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа «моллюск», в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры. В них находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.

Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.

В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.

Проект, известный под названием «утка Солтера», представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок (»утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков. В 1978 г. была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.

1.6 Энергия течений

Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м 2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

Программа «Кориолис» предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система «Кориолис» общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

После того как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной – 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше – передача тока по подводному кабелю на берег.

Материал турбины- алюминий. Срок службы – 80 лет. Ее постоянное место – под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.

Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

2 Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России

Доля традиционной топливной энергетики в мировом энергобалансе будет непрерывно сокращаться, а на смену придет нетрадиционная — альтернативная энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии. И от того, с какими темпами это произойдет в конкретной стране, зависит не только ее экономическое благополучие, но и ее независимость, ее национальная безопасность.

Ситуация с возобновимыми источниками энергии в России, как и почти со всем у нас в стране, может быть названа уникальной. Запасы этих источников, поддающихся использованию уже на сегодняшнем техническом уровне, огромны. Вот одна из оценок: солнечной лучистой энергии — 2300млрдТУТ (тонн условного топлива); ветра — 26,7млрдТУТ, биомассы — 10млрдТУТ; тепла Земли — 40000млрдТУТ; малых рек — 360млрдТУТ; морей и океанов — 30млрдТУТ. Эти источники намного превышают современный уровень энергопотребления России (1,2млрдТУТ в год). Однако используются из всего этого немыслимого изобилия даже не сказать что крохи — микроскопические количества. Как и в мире в целом, в России наиболее развита среди возобновляемых видов энергетики ветроэнергетика. Еще в 1930-хгг. в нашей стране серийно выпускалось несколько видов ветроустановок мощностью 3-4кВт, однако в 1960-егг. их выпуск был прекращен. В последние годы СССР правительство вновь обратило внимание на эту область, однако не успело реализовать своих планов. Тем не менее, с 1980 по 2006гг. Россией наработан большой научно-технический задел (но отставание в вопросах практического использования возобновимых источников энергии у России серьезное). Сегодня общая мощность действующих, сооружаемых и планируемых к вводу в России ВЭУ и ВЭС составляет 200 МВт. Мощность отдельных ветроагрегатов, изготавливаемых российскими предприятиями, лежит в диапазоне от 0,04 до 1000,0 кВт . В качестве примера приведем нескольких разработчиков и производителей ВЭУ и ВЭС. В Москве ООО «СКТБ «Искра» производит ветроэлектрические станции М-250 мощностью 250Вт. В Дубне Московской области предприятие Гос.МКБ «Радуга» производит легко устанавливаемые ВЭС в 750Вт, 1кВт и 8кВт; Санкт-Петербургский НИИ «Электроприбор» выпускает ВЭУ до 500 Вт.

В Киеве с 1999г. научно-производственная группа WindElectric производит ветроэлектростанции бытового назначения WE-1000 мощностью 1 кВт. Специалистами группы разработана уникальная многолопастная, универсально-скоростная и абсолютно бесшумная турбина небольших размеров, эффективно использующая любой воздушный поток.

Хабаровская «Компания ЛМВ Ветроэнергетика» производит ВЭС мощностью от 0,25 до 10кВт, последние могут объединяться в системы мощностью до 100кВт. С 1993г. этим предприятием разработано и произведено 640 ВЭС. Большинство установлено в Сибири, на Дальнем Востоке, Камчатке, Чукотке. Срок эксплуатации ВЭС достигает 20 лет в любых климатических зонах. Компания поставляет также солнечные батареи, которые работают совместно с ВЭС (мощность таких ветросолнечных установок составляет от 50Вт до 100 кВт).

В отношении ресурсов ветровой энергии в России наиболее перспективны такие районы, как Побережье Северного Ледовитого океана, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Якутия, а также побережье Финского залива, Черного и Каспийского морей. Высокие среднегодовые скорости ветра, малая обеспеченность централизованными электросетями и обилие неиспользуемых в хозяйстве площадей делает эти местности практически идеальными для развития ветровой энергетики. Похожая ситуация с солнечной энергетикой. Солнечная энергия, поступающая за неделю на территорию нашей страны, превышает энергию всех российских ресурсов нефти, угля, газа и урана. Имеются интересные отечественные разработки в этой области, но нет никакой поддержки их со стороны государства и, следовательно, нет рынка фотоэнергетики. Однако объем выпуска солнечных батарей исчисляется мегаваттами. В 2006г. было произведено около 400 МВт. Имеется тенденция к некоторому росту. Впрочем, больший интерес к продукции различных научно-производственных объединений, выпускающих фотоэлементы, проявляют покупатели из-за рубежа, для россиян они все еще дороги; в частности, потому что сырье для производства кристаллических пленочных элементов приходится ввозить из-за рубежа (в советское время заводы по производству кремния находились в Киргизии и Украине) Наиболее благоприятные районы для использования солнечной энергии в России — это Северный Кавказ, Ставропольский и Краснодарский края, Астраханская область, Калмыкия, Тува, Бурятия, Читинская область, Дальний Восток.

Наибольшие достижения по использованию солнечной энергии отмечены в области создания систем теплоснабжения с применением плоских солнечных коллекторов. Первое место в России во внедрении таких систем занимает Краснодарский край, где за последние годы в соответствии с действующей краевой программой энергосбережения сооружено около сотни крупных солнечных систем горячего водоснабжения и множество мелких установок индивидуального пользования. Наибольшее развитие солнечные установки для обогрева помещений получили в Краснодарском крае и Республике Бурятия. В Бурятии солнечными коллекторами производительностью от 500 до 3000 литров горячей воды (90-100 градусов по Цельсию) в сутки оснащены различные промышленные и социальные объекты – больницы, школы, завод «Электромашина» и т.д., а также частные жилые здания. Сравнительно повышенное внимание уделяется развитию геотермальных электростанций, более, видимо, привычных нашим энергетическим распорядителям и достигающих больших мощностей, а потому лучше укладывающихся в привычную концепцию энергетического гигантизма. Специалисты считают, что запасы геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах могут обеспечить электростанции мощностью до 1000МВт.

Ещё в 1967г. на Камчатке была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 11,5МВт. Она была пятой ГеоТЭС в мире. В 1967г. была введена в действие Паратунская ГеоТЭС — первая в мире с бинарным циклом Ренкина. В настоящее время строится Мутновская ГеоТЭС мощностью 200МВт с использованием отечественного оборудования, изготовленного Калужским турбинным заводом. Этот завод приступил также к серийному выпуску модульных блоков для геотермального электро – и теплоснабжения. С использованием таких блоков Камчатка и Сахалин могут быть практически полностью обеспечены электроэнергией и теплом от геотермальных источников. Геотермальные источники с достаточно большим энергетическим потенциалом имеются в Ставропольском и Краснодарском краях. Сегодня там вклад систем геотермального теплоснабжения составляет 3млн.Гкал/год.

По мнению специалистов, при несметных запасах этого вида энергии не решен вопрос о рациональном, рентабельном и экологически безвредном использовании геотермальных ресурсов, что мешает наладить их индустриальное освоение. Например, добываемые геотермальные воды используются варварскими методами: неочищенную отработанную воду, содержащую ряд опасных веществ (ртуть, мышьяк, фенолы, серу и т.п.) сбрасывают в окружающие водоемы, нанося непоправимый вред природе. К тому же, все трубопроводы геотермальных систем отопления быстро выходят из строя из-за высокой минерализации геотермальных вод. Поэтому требуется коренной пересмотр технологии использования геотермальной энергии.

Сейчас ведущим предприятием по изготовлению геотермальных электрических станций в России является Калужский турбинный завод и АО «Наука», которые разработали и производят модульные геотермальные электростанции мощностью от 0,5 до 25 МВт. Разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения Камчатки, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900тыс. ТУТ. На Кубани эксплуатируется 10 месторождений геотермальных вод. За 1999-2000гг. уровень добычи теплоэнергетических вод в крае составил около 9млнм3, что позволило сэкономить до 65тыс.ТУТ. Предприятием «Турбокон», созданным при Калужском турбинном заводе, разработана чрезвычайно перспективная технология, позволяющая получать электроэнергию из горячей воды, испаряющейся под давлением и вращающей турбину, оснащенную вместо привычных лопастей специальными воронками — так называемыми соплами Лаваля. Польза от таких установок, получивших название гидропаровых турбин, как минимум двойная. Во-первых, они позволяют полнее использовать геотермальную энергию. Обычно для получения энергии используется только геотермальный пар или растворенные в геотермальной воде горючие газы, тогда как с помощью гидропаровой турбины для получения энергии можно использовать и непосредственно горячую воду. Другой возможный вариант применения новой турбины — получение электроэнергии в городских теплосетях, из воды, возвращающейся от потребителей тепла. Сейчас тепло этой воды пропадает впустую, тогда, как оно могло бы обеспечивать котельные независимым источником электричества.

Тепло недр Земли способно не только выбрасывать в воздух фонтаны гейзеров, но и согревать жилища и вырабатывать электроэнергию. Большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка, Чукотка, Курилы, Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область. Высокопотенциальное термальное тепло (пароводная смесь свыше 100 градусов по Цельсию) позволяет производить электроэнергию напрямую.

Обычно пароводяная термальная смесь извлекается из скважин, пробуренных на глубину 2-5 км. Каждая из скважин способна обеспечить электрическую мощность 4-8 МВт с площади геотермального месторождения около 1 км 2 . При этом по экологическим соображениям необходимо иметь и скважины для закачки в пласт отработанных геотермальных вод.

В настоящее время на Камчатке действуют 3 геотермальных электростанции: Паужетская ГеоЭС, Верхне-Мутновская ГеоЭС и Мутновская ГеоЭС. Суммарная мощность этих геотермальных электростанций составляет более 70 МВт. Это позволяет на 25% обеспечить потребности региона в электроэнергии и ослабить зависимость от поставок дорогостоящего привозного мазута.

В Сахалинской области на о. Кунашир введены первый агрегат мощностью 1,8 МВт Менделеевской ГеоТЭС и геотермальная тепловая станция ГТС-700 мощностью 17 Гкал/ч. Большая часть низкопотенциальной геотермальной энергии применяется в виде тепла в жилищно-коммунальном и сельском хозяйствах. Так, на Кавказе общая площадь обогреваемых геотермальными водами теплиц составляет свыше 70 га. В Москве построен и успешно эксплуатируется экспериментальный многоэтажный дом, в котором горячая вода для бытовых нужд нагревается за счет низкопотенциального тепла Земли.

Наконец, следует также упомянуть малые гидроэлектростанции. С ними дело обстоит относительно благополучно в плане конструкторских разработок: оборудование для малых ГЭС выпускается или готово к выпуску на многих предприятиях энергомашиностроительной промышленности, с гидротурбинами различной конструкции — осевыми, радиально-осевыми, пропеллерными, диагональными, ковшовыми. При этом стоимость оборудования, изготовленного на отечественных предприятиях, остается значительно ниже мирового уровня цен. На Кубани ведется строительство двух малых ГЭС (МГЭС) на р. Бешенка в районе п.Красная Поляна г.Сочи и сбросе циркуляционной системы технического водоснабжения Краснодарской ТЭЦ. Запланировано строительство МГЭС на сбросе Краснодарского водохранилища мощностью 50 МВт. Начата работа по восстановлению системы малых ГЭС в Ленинградской области. В 1970-е гг. там, в результате проведения кампании по укрупнению электроснабжения области, прекратили работу более 40 таких станций. Плоды недальновидной гигантомании приходится исправлять сейчас, когда необходимость в малых источниках энергии стала очевидной.

Заключение

Нужно отметить, что в России ещё нет таких законов, которые бы регулировали альтернативную энергетику и стимулировали ее развитие. Равно как и нет структуры, которая бы защищала интересы альтернативной энергетики. Как, например, атомной энергетикой отдельно занимается Минатом. Запланирован доклад правительству об обосновании необходимости и разработке концепции проекта федерального закона «О развитии возобновляемых источников энергии». За подготовку этого доклада отвечают целых четыре министерства: Минэнерго, Минэкономразвития, Минпромнауки и Минюст. Когда они договорятся, неведомо.

Чтобы отрасль развивалась быстро и полноценно, закон должен предусматривать налоговые льготы предприятиям, производящим оборудование для получения энергии возобновляемых источников (например, снижение ставки НДС хотя бы до 10%). Важны также вопросы сертификации и лицензирования (прежде всего в том, что касается оборудования), потому что приоритет возобновляемой энергии также должен соответствовать требованиям качества.

Развитие альтернативных способов получения энергии тормозят производители и добытчики традиционных источников энергии: у них сильные позиции во власти и есть возможность отстаивать свои интересы. Альтернативная энергия до сих пор довольно дорога по сравнению с традиционной, потому что практически у всех предприятий-производителей установки выходят опытными партиями в очень небольших количествах и соответственно являются очень дорогими. Организация серийного производства и проведение сертификации установок требуют значительных инвестиций, которые полностью отсутствуют. Удешевлению стоимости могла бы способствовать господдержка. Однако же это противоречит интересам тех, чей бизнес основан на добыче традиционного углеводородного топлива. Лишняя конкуренция никому не нужна.

В результате преимущественному использованию возобновляемых источников и развитию альтернативной энергетики отдается предпочтение в основном в тех регионах, где это является наиболее очевидным решением сложившихся энергетических проблем. Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, в том числе в тех регионах, где отсутствует централизованное электроснабжение – побережье Северного Ледовитого океана, Якутия, Камчатка, Чукотка, Сахалин, но даже в этих районах энергетические проблемы таким образом решать почти не пытаются.

О дальнейшем развитии альтернативной энергетики говорится в «Энергетической стратегии России на период до 2020 года». Цифры, которых должна достичь наша альтернативная энергетика, очень низки, задачи минимальны, поэтому перелома в российской энергетике ждать не приходится. За счет альтернативной энергетики к 2020 году планируется экономить меньше 1% всех топливных ресурсов. Приоритетом своей «энергетической стратегии» Россия выбирает атомную промышленность как «важнейшую часть энергетики страны».

В последнее время были предприняты некоторые шаги в сторону развития альтернативной возобновляемой энергетики. Минэнерго начало переговоры с французами о перспективах сотрудничества в области альтернативной энергетики. В целом же можно отметить, что состояние и перспективы развития альтернативной энергетики на ближайшие 10-15 лет в целом представляются плачевными.

Список используемых источников

1. Копылов В.А. География промышленности России и стран СНГ. Учебное пособие. – М.: Маркетинг, 2001 – 184 с.

2. Видяпин М.В., Степанов М.В. Экономическая география России. – М.: Инфра – М., 2002 – 533 с.

3. Морозова Т.Г. Экономическая география России – 2 -е изд., ред.- М.: ЮНИТИ, 2002 – 471 с.

4. Арустамов Э.А. Левакова И.В.Баркалова Н.В. Экологические основы природопользования. М. Изд. «Дашков и К». 2002.

5. В. Володин, П. Хазановский Энергия, век двадцать первый.-М 1998

6. А. Голдин «Океаны энергии». М: ЮНИТИ 2000

7. Попов В. Биосфера и проблемы ее охраны. Казань. 1981.

8. Рахилин В. общество и живая природа. М. Наука. 1989.

9. Лаврус В.С. Источники энергии К: НиТ, 1997

10. Э.Берман. Геотермальная энергия – Москва: Мир,1978г.

11. Л. С. Юдасин. Энергетика: проблемы и надежды. М: ЮНИТИ. 1999.