Нетрадиционные источники электро-энергии
Докладчик: Вивдыч А.С., гр. 442 об3
Научн. рук.: Карпова Т.В.
Содержание
Введение
Солнечная энергия
Энергия ветра
Геотермальная энергия
Энергия океанов и морей
Использование вторичных энергетических ресурсов.
Влияние альтернативных источников энергии на окружающую среду
Заключение
Введение
Система топливно-энергетического комплекса(ТЭК) - это совокупность процессов добычи и преобразования первичных энергоресурсов, связанных с удовлетворением потребности в некоторых конечных продуктах. К первичным энергоресурсам принято относить традиционные: нефть, газ, уголь, атомную и гидроэнергию, а также нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы (НВЭС). Углеводородное сырье (нефть, углеводородный конденсат, природный и нефтяной газ, уголь) является основным источником энергоресурсов в мире.
Одним из перспективных путей решения, возникших в традиционной энергетике проблем является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), применение которых дает возможность комплексно решать задачи:
1. Снижения (существенного) отрицательного воздействия традиционной теплоэнергетики на окружающую среду;
2. Осуществления потребностей определенной части населения, в первую очередь проживающих в сельской местности и в районах, расположенных вдали от централизованных источников энергоснабжения;
3. Снижения, в известном масштабе, использования органического топлива в низко потенциальных процессах и сохранение его как сырья для химической промышленности.
НВИЭ следует рассматривать на достаточно продолжительный период (по крайней мере на первую четверть XXI в.) не как альтернативу традиционной энергетики, а как дополнительный источник энергии, решающий важные экологические и социально-экономические задачи. К НВИЭ в мировой практике относят: солнечную, ветровую, геотермальную, гидравлическую энергии; энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, низкотемпературного тепла Земли, воздуха; биомассу животного, растительного и бытового происхождения, водородную энергетику. Потенциальные возможности НВИЭ практически неограничены. Однако несовершенство техники и технологии, отсутствие необходимых конструкционных и других материалов пока не позволяет широко вовлекать НВИЭ в энергетический баланс. За последние годы в мире особенно заметен научно-технический прогресс в сооружении установок по использованию НВИЭ и в первую очередь: фотоэлектрических преобразований солнечной энергии, ветроэнергетических агрегатов и биомассы.
Россия является мировым лидером по использованию возобновляемых источников энергии: 19% всей выработки электроэнергетии составляют возобновляемые источники (преимущественно - гидроэнергетика). Для сравнения в Германии - 12%, США - 9%, Голландии - 6,7%, Бельгии - 0,2%.
В 2009 году в России вступил в силу федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности в Российской Федерации», целью которого является стимулирование энергосбережения и повышения энергоэффективности.
Солнечная энергия
На поверхность Земли в течение года поступает солнечная энергия (СЭ), эквивалентная энергии, заключенной в 1,2 • 1014 т у. т., что значительно превышает запасы органического топлива (6 • 1012 т у. т.).
Поступающая к нам СЭ в принципе многократно превосходит энергетические потребности человечества. Однако использование СЭ связано с определенными трудностями, что ограничивает широкомасштабную реализацию технологий. К ним относятся: малая плотность солнечного потока, непостоянство и прерывистость поступления СЭ во времени; зависимость этого потока от географического расположения приемника излучения и др.
Основное направление использования СЭ - преобразование ее в электрическую энергию и получение теплоты для отопления зданий, горячего водоснабжения, опреснения вод, сушки и других технологических целей.
Преобразование СЭ в электрическую может быть осуществлено по следующим двум принципиальным схемам:
1. Термодинамическим способом на обычных тепловых электростанциях (ТЭС); эта схема ориентирована на сооружение крупных гелиоэнергетических объектов и получение электроэнергии в больших масштабах;
2. На фото- или термодинамических элементах.
Солнечное теплоснабжение (СТС) как направление использования СЭ является наиболее освоенным. В основе таких систем лежит использование устройств, преобразующих солнечную радиацию в теплоту. Главным элементом этих устройств является плоский солнечный коллектор, поглощающий солнечные лучи с преобразованием их в тепловую энергию.
В России практическое использование солнечной энергии крайне ограничено, несмотря на широкие исследования, которые проводились и проводятся в этом направлении. В стране существует лишь несколько производств солнечных модулей, которые являются основой солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) различных типов, и очень ограниченный сегмент потребителей, готовых приобретать СФЭУ.
Энергия ветра
Потенциальные ресурсы энергии ветра характеризуются следующими показателями. Ветровая энергия зависит от скорости и силы ветра и изменяется от 16 Вт/м2 (скорость 20 м/с, сила - 10 баллов) до 15000 Вт/м2 (скорость - 30 м/с, сила - 12 баллов). Теоретически на 1 м2 территории в зависимости от скорости ветра может быть использовано около 57% ветровой энергии, практически - не более 33%.
Ветряные генераторы в процессе эксплуатации не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, приблизительно равна стоимости электричества, производимого на угольных электростанциях. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведённой из традиционных источников. Однако в России считается, что применение ветрогенераторов в быту для обеспечения электричеством малоцелесообразно из-за высокой стоимости.
Ветроэнергетика в России. Еще в 1931 г. была сооружена в Крыму самая крупная в мире ветроэлектрическая станция (ВЭС) мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 г. и давала электроэнергию в сеть Севастополь энерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии на ВЭС превышала 270 МВт-ч. Во время Великой Отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.
В настоящее время технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт•ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт•ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Геотермальная энергия
Геотермальная энергия(ГТЭ) - глубинное тепло Земли - является потенциальным источником электро- и теплоснабжения.
Источники подразделяются на три вида:
1. Термальные воды, пароводяные смеси, сухой пар, содержащиеся в подземных трещинно-жильных коллекторах и пористых пластовых системах (парогидротермы);
2. Тепло, аккумулированное в горных породах;
3. Тепло магматических очагов вулканов и лакколитов (внедренной в осадочные породы магмы).
Источники ГТЭ используются, в основном, в качестве термального теплоносителя (ГеоТТ) и на геотермальных электростанциях (ГеоТЭС).
На 2006 в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. мм/сутки.
Энергия океанов и морей
Мировой океан представляет собой огромный резервуар возобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР). В настоящее время развитие океанской энергетики связано с использованием:
1. Энергии морских волн (приливные, ветровые, зыбь) и течений;
2. Градиентов температур и солености морской воды.
В соответствии с практическим интересом использование волновой энергии океана связано с созданием волновых ЭС (ВолЭС), приливных ЭС (ПЭС), электростанций морских течений (ЭСМТ).
В нашей стране разработки в области приливной энергетики велись давно. В 50-х годах созданы теоретические основы приливной энергетики. В 1960 г. Гидропроектом подготовлен проект Кислогубской опытно-промышленной ПЭС (г. Мурманск) мощностью 1,2 МВт (три турбины по 400 кВт), годовая выработка электроэнергии 3,9 млн кВт-ч. Далее он был значительно переделан. Разрабатывались проекты и других крупных ПЭС для районов: Мезенский залив (Белое море) - мощность 15,2 МВт (41 млрд кВтч), Тургутской и Пенжинской створы (Охотское море) (8...31 МВт).
Использование вторичных энергетических ресурсов.
Под понятием вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) подразумевается энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных отходов, образующихся в технологических установках (агрегатах), который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других установок.
По виду энергии ВЭР разделяются на три группы:
a) Топливные (горючие). Под горючими ВЭР Подразумеваются непосредственно сами горючие отходы, не пригодные для дальнейшей технологической переработки: доменный газ, отходящий газ сажевых печей, абсорбционный газ при производстве мономеров для синтетических каучуков и т. д.;
b) Тепловые - физическая теплота отходящих газов технологических установок, физическая теплота продукции и отходов основного производства, отработанной в технологическом процессе воды, пара, теплота конденсата. К тепловым ВЭР относятся также: низко потенциальная теплота вентвыбросов, сбросных жидкостей и газов от теплотехнологических установок;
c) Избыточное давление - потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением, которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих жидкостей или газов при выбросе в атмосферу.
Основой эффективности использования ВЭР является достигаемая при этом экономия первичного топлива и обеспечиваемая за этот счет экономия затрат по добыче и транспорту топлива. Важнейшим условием для определения экономической эффективности использования ВЭР является определение вида и количества топлива, которое экономится при утилизации ВЭР. Величина экономии топлива зависит от направления использования ВЭР и схемы энергоснабжения предприятия, на котором они используются.
Влияние альтернативных источников энергии на окружающую среду
По сравнению с другими видами энергетики солнечная энергетика в целом является одним из наиболее чистых в экологическом отношении видов энергии. Однако избежать полностью вредного воздействия солнечной энергетики на человека и окружающую среду практически не удается, если учесть всю технологическую цепочку от получения требующихся материалов до производства электроэнергии. Производство полупроводниковых материалов является весьма экологически и социально опасным. Наибольшую опасность представляет кадмий (Cd), а также Ga, As и Te. Таким образом для СФЭУ наиболее вредным для человека и окружающей среды является технологический процесс получения СЭ, их хранения и утилизации. Подобное производство, очевидно, должно быть полностью автоматизированным и размещаться на значительном удалении от населенных пунктов. Должны быть приняты и специальные меры защиты самого производства. Что же касается эксплуатации солнечной фотоэлектрической установки, то она практически безопасна.
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота. Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на климатические условия местности. Снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным. Описанное ранее снижение скорости ветра из-за массового использования ВЭУ может снижать и вентилируемость городов. Особенно неприятные последствия -- это может вызвать в крупных мегаполисах: смог, повышение концентрации вредных веществ в воздухе и, как следствие, повышенная заболеваемость населения.
Также ВЭУ при работе создает шум и низкочастотные вибрации. В непосредственной близости от ветрогенератора уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ. (Что близко к болевому порогу человеческого слуха - 120 дБ). Ветрогенераторы причиняют вред птицам при непосредственном столкновении с лопастями ветряков и летучим мышам, живущим рядом с ВЭС.
Экологическую опасность геотермальной энергетики представляют термальные воды, в которых содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.
В целом вред, наносимый альтернативными источниками энергии окружающей среде гораздо ниже, чем традиционной теплоэнергетикой. Обзор различных альтернативных источников энергии показывает, что на пороге широкомасштабного промышленного внедрения находятся ветротурбины и солнечные батареи.
Заключение
Рост потребления энергии в современном мире привел к ускоренному загрязнению окружающей среды. Это послужило толчком к началу поиска альтернативных источников энергии. Человечество научилось использовать энергию солнца, ветра, земли, океанов, но, к сожалению, ни один из этих источников энергии не обладает свойством экологической «чистоты». Плюс к этому, все нетрадиционные источники энергии обладают географической специфичностью. Энергию приливов мы можем получать в основном на океанских побережьях, энергия ветра может быть использована только в регионах с повышенной ветровой нагрузкой, солнечную - только в тропической и субтропической зонах Земли. Кроме того, использование нетрадиционных источников энергии сдерживается невысоким КПД установок. На мой взгляд, прорыв в области нетрадиционных источников энергии возможен только при одновременном сочетании двух действующих факторов: сохранение высоких темпов мировой экономики и сохранение высоких цен на первичные источники энергии и как следствие исчерпание традиционных источников энергии.
