Лекция по «Нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии»

МИНОБРНАУКИ  РОССИИ

Московский институт энергобезопасности и энергосбережения

 

Кафедра Промышленной и  коммунальной энергетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекции по  курсу

Б3.Б.11 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

 

Направление подготовки

140100 Теплоэнергетика и теплотехника

 

 

Профиль подготовки

Энергообеспечение предприятий

 

 

Квалификация (степень) выпускника

Специалист, бакалавр

 

 

Форма обучения

очная, заочная

 

 

 

 

Составил       к.т.н.   В. Барбаев

 

 

 

 

 

Москва 2012

 

Лекция№1 Состояние невозобновляемых ресурсов и перспективы развития нетрадиционных и возобновляемых источников

Цель  лекции. Оценить состояние невозобновляемых ресурсов и перспективы развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии(НВИЭ).Положительные и отрицательные свойстваНВИЭ. Классификация НВИЭ. Степень распространения различных видов возобновляемой энергии

Ветровая-наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии - ветер.до 20 ГВт

Второе место по объему применения занимает геотермальная энергетика. 6 ГВт

Далее следует солнечная энергия.5 ГВт

Затем энергия низкопотенциального тепла окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасосных установок,

Не менее интенсивно развивается использование энергии биомассы,

малых ГЭС, энергии морских приливов и волн.

В последние  годы как в научно-технической  литературе, так и в популярных изданиях появляются многочисленные публикации о нетрадиционных возобновляемых источниках энергии (НВИЭ). Оценки возможностей их широкого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических. «Зелёные» призывают вообще заменить всю традиционную топливную и атомную энергетику на использование НВИЭ. Мнения специалистов гораздо более осторожны.

Чтобы понять роль и место  этих новых источников энергии в  будущем, полезно обратить взгляд в недавнее прошлое. В 60-е годы основой энергетики многих стран, в том числе экономически наиболее развитых, являлась нефть (в значительной мере - достаточно дешевая ближневосточная). В то время исследования в области использования НВИЭ многим казались чем-то экзотическим, эдакой причудой «высоколобых» интеллектуалов. Все переменилось в 1973 г. во время ближневосточного нефтяного кризиса. Вдруг стало ясно, что ориентация на импортную нефть представляет угрозу энергетической безопасности многих государств. Большинству экономически развитых стран пришлось срочно разрабатывать новую энергетическую стратегию, направленную на диверсификацию источников энергии, всемерное энергосбережение, а также среди прочих мер - на основательное изучение возможностей применения НВИЭ.

То, что ситуация на мировом  нефтяном рынке вскоре стабилизировалась, не остановило указанные страны в  реализации новой энергетической стратегии, и на этом пути были достигнуты впечатляющие результаты. Энергосберегающие меры были предприняты практически во всех сферах жизнедеятельности. Однако главным средством энергосбережения стала структурная перестройка экономики, направленная на уменьшение доли энергоёмких производств (которые, как правило, являются к тому же экологически неблагополучными) и увеличение доли наукоёмких. Достаточно сказать, что, например, в 1970 г. энергоемкость единицы валового национального продукта в США была несколько выше, чем в бывшем СССР, а в настоящее время в России этот показатель в два с лишним раза выше, чем в Штатах. Россия в большом количестве экспортирует алюминий, являющийся высокоэнергоемким продуктом, а импортирует, например, компьютеры, то есть наукоёмкую и малоэнергоемкую продукцию.

Одним из положений новой  энергетической стратегии стало  всемерное развитие нетрадиционных направлений. Во многих странах оно превратилось в предмет государственной технической политики. Появились солидно финансируемые государственные программы в данной области. В ряде стран были приняты нормативно-законодательные акты в сфере использования НВИЭ, которые составили правовую, экономическую и организационную основу этого направления технического развития. Правовая база состоит в установлении права производителей электроэнергии на нетрадиционных источниках на подключение к сетям энергоснабжающих компаний, которые обязаны принимать эту энергию. Экономическая основа сводится к мерам по стимулированию применения НВИЭ, необходимому на этапе продвижения, становления и адаптации на энергетическом рынке. В различных странах применяются разные способы (и их сочетания) экономической поддержки: налоговые и кредитные льготы, благоприятные тарифы, дотации и т.п. Наконец, организационная основа решения проблемы состоит в определении государственного (федерального) органа (ведомства), ответственного в целом за данное направление. В функции такого органа входят: разработка государственных программ развития НВИЭ, в том числе программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), создание демонстрационных объектов, проведение маркетинга на внутреннем и внешнем рынках, пропаганда и популяризация и т.п. Особо следует сказать о развитии НИОКР. Вообще говоря, технический прогресс в любой сфере деятельности немыслим без опережающего развития научной базы. Тем более это справедливо для таких новых областей, как использование НВИЭ. Ежегодные расходы на НИОКР в сфере нетрадиционной энергетики составляют в мире не менее 1 млрд. долларов.

Созданная во многих странах  нормативно-законодательная база по использованию НВИЭ является мощным инструментом государственной технической политики в этой области. Особенно развито это законодательство в США, где в последние 25 лет принято более дюжины законов в указанной сфере.

Каковы же эти нетрадиционные и возобновляемые источники энергии? К ним обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн,  биомассы (растения, различные виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды. К НВИЭ также принято относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые отличаются от традиционных - более крупных - ГЭС только масштабом.

Поле  зеркал-гелиостатов Крымской солнечной  электростанции

Указанные источники  энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространённость большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

На  спине у верблюда - фотоэлектрическая  установка

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени  большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади  энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приёмные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяжённые плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоёмкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счёт низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Приливная электростанция Ранс во Франции

Больше неприятностей  доставляет изменчивость во времени  таких источников энергии, как солнечное  излучение, ветер, приливы, сток малых  рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Ещё более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».

Говоря о производстве электроэнергии, следует заметить, что она представляет собой весьма специфический вид продукции, который  должен быть потреблён в тот же момент, что и произведён. Ее нельзя отправить «на склад», как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку фундаментальная научно-техническая проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена, и нет оснований полагать, что она будет решена в обозримом будущем.

Для малых автономных ветровых и солнечных энергоустановок  возможно и целесообразно применение электрохимических аккумуляторов, но при производстве электроэнергии за счёт этих нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с графиком нагрузки). Достаточно мощная энергосистема, включающая также ветроэлектрические установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), может компенсировать изменения мощности этих станций. Однако при этом, во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, по предварительной оценке, 10-15% (по мощности).

Что же касается «бесплатности» большинства видов НВИЭ, то этот фактор нивелируется значительными  расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает  некоторый парадокс, состоящий в  том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путём применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования. Богатые же страны энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.

Мы намеренно столь  подробно останавливаемся на технических  и экономических трудностях при  использовании НВИЭ, чтобы показать, насколько сложно организовать их крупномасштабное применение. Эта проблема требует системного подхода, который и проявляется во многих странах, и в значительной мере - через уже упомянутую законодательную базу.

В целом использование НВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. В некоторых странах доля нетрадиционных источников в энергобалансе составляет единицы процентов. По различным прогнозным оценкам, в которых в настоящее время нет недостатка, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет или превзойдёт 10%. Здесь можно дискутировать только о темпах роста данного показателя, но сам факт роста не подвергается сомнению.

Различные виды НВИЭ находятся  на разных стадиях освоения. Как  это ни парадоксально, наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии - ветер. Суммарная мировая установленная мощность крупных ВЭУ и ВЭС, по разным оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт. Кажущийся парадокс объясняется тем, что удельные капиталовложения в ВЭУ ниже, чем при использовании большинства других видов НВИЭ. Растёт не только суммарная мощность ветряных установок, но и их единичная мощность, превысившая 1 МВт.

Во многих странах  возникла новая отрасль - ветроэнергетическое  машиностроение. По-видимому, и в ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия.

Второе место по объёму применения занимает геотермальная энергетика. Суммарная мировая мощность ГеоТЭС составляет не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако ГеоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, которые распространены отнюдь не повсеместно, что ограничивает область применения геотермальных установок. Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение получили системы геотермального теплоснабжения.

Далее следует солнечная  энергия. Она используется в основном для производства низкопотенциального тепла для коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Преобладающим видом оборудования здесь являются так называемые плоские солнечные коллекторы. Их общемировое производство составляет, по нашим оценкам, не менее 2 млн. м² в год, а выработка низкопотенциального тепла за счёт солнечной энергии достигает 5 10⁶ Гкал.

Все активнее идёт преобразование солнечной энергии в электроэнергию. Здесь используются два метода - термодинамический и фотоэлектрический, причём последний лидирует с большим отрывом. Так, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Здесь следует упомянуть проект «Тысяча крыш», реализованный в Германии, где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного источника играет электросеть, из которой возмещается нехватка энергии. В случае же избытка энергии она, в свою очередь, передаётся в сеть. Любопытно, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята ещё более масштабная программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 г. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд. долларов. Однако пока основное количество автономных фотоэлектрических установок поступает за счёт международной финансовой поддержки в развивающиеся страны, где они наиболее необходимы.