Альтернативные источники энергии

Одним из  высокоприоритетных белорусских Национальных проектов, включенных в Мировую солнечную программу на 1996 – 2005 гг., является создание двух экспериментальных промышленных ветроэнергетических установок мощностью 1,5 МВт каждая.

Беларусь располагает  значительными ресурсами энергии  ветра. По данным Государственного комитета по гидрометеорологии  РБ и НП ГП “Ветромаш”, среднегодовая скорость ветра на территории республики составляет 4,3 м/с. При этом на четверти пригодной для внедрения ВЭУ территории среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с. Такая скорость ветра соответствует требованиям мировой практики по показателям коммерческой целесообразности внедрения ветротехники. При правильном выборе места установки ветроагрегата (на возвышенных открытых местах, на берегах водных массивов и т.п.) среднегодовая скорость ветра может достигать 6 – 7 м/с.

Максимально прогнозируемый ветроэнергетический ресурс территории республики составляет более 280 млрд. кВт·ч в год. Используя только 1% территории под ветроэнергетику уже в 2010 г. позволило бы выработать около 3 млрд. кВт·ч энергии. При условии 25% использования годового времени на  выработку  такого  количества  энергии потребуется до 8 000  ветроустановок мощностью от 100 до 500 кВт, которые позволили бы сэкономить ежегодно до 1 млн. тонн условного топлива. Окупаемость подобной ветротехники составляет около 4 лет.

Все эти  проекты свидетельствуют о том, что в Беларуси для внедрения концепции ветроэнергетики на практике есть не только бесплатный ветер и благоприятные климатические предпосылки, но и люди, которые понимают, что лучше заботиться о будущем сегодня, чем обречь своих детей на бесперспективное завтра.

2. Геоэнергетика

Геоэнергетика изучает способы получения энергии из недр земли. Всем известно, что по мере приближения к мантии температура в земной коре повышается. Но нет необходимости углубляться слишком далеко в земную кору. Для отопления дома достаточно перепада в несколько градусов. Для того, чтобы воспользоваться этим перепадом для наших нужд, необходимо использовать так называемый тепловой насос.

Тепловой насос - это устройство, позволяющее использовать энергию, накопленную в окружающей среде (грунт, водоем или воздух), на нужды  нагрева (отопление, горячее водоснабжение, подогрев бассейнов и пр.) и охлаждения (холодоснабжение, кондиционирование).

Работа теплового насоса основана на работе компрессора обычного холодильника. Так, в холодильнике, тепло отбирается от продуктов внутри камеры и выбрасывается наружу. Вот почему задний радиатор холодильника всегда горячий, а внутри холодно. Так и тут, тепло берется из земли и доставляется в дом. Затраты на электроэнергию получаются в 3-6 раз меньше от того, если бы мы решили отапливать дом обычными электрическими тенами.

1. Типы тепловых насосов 
   

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В зависимости от источника  отбора тепла тепловые насосы подразделяются:

• Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод)
• замкнутого типа
• горизонтальные

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания  грунта (обычно от 1,20 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

• вертикальные

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

• водные

Коллектор размещается извилисто  либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это  наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоеме для конкретного  региона.

• открытого типа

Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно  через систему геотермального теплового  насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещен законодательством.

• Воздушные (источником отбора тепла является воздух)
• Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.

По виду теплоносителя  во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт —  вода», «вода — вода», «воздух  — вода», «грунт — воздух», «вода  — воздух», «воздух — воздух».[2]

2. Виды отбора тепла

Почти все вновь выходящие на рынок устройства используют тепло  выпускаемого из помещения воздуха. Также фильтруют и увлажняют  при необходимости всасываемый  извне воздух.

Отбор тепла  от воздуха

Эффективность и выбор определённого  источника тепловой энергии сильно зависит от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла  является атмосферный воздух. По сути этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален именно обогрев зимой. Системы «воздух-воздух» используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до -40 градусов. Но их эффективность резко падает. При более сильных морозах нужно дополнительное отопление.[2]

Отбор тепла  от горной породы

Скальная порода требует бурения  скважины на достаточную глубину (100-200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими  контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит тепло от камня  к теплоносителю. При недостаточной  длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замёрзнуть, что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10 — 20 метров друг от друга. Даже для маленького дома в 110—120 кв.м. при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10 — 15 лет. Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом тепло (по сути солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит выполняет роль массивного радиатора, получающего тепло летом/днём и рассеивающего его обратно зимой/ночью. Также тепло постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.[2]

Отбор тепла  от грунта

Самые эффективные но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным 2006 года в Швеции полмиллиона установок, в Финляндии 50 000, в Норвегии устанавливалось в год 70 000. При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. На практике 0,7 — 1,2 метра. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора — 1,5 метра, минимум — 1,2. Здесь не требуется бурение, но требуются более обширные земельные работы на большой площади, и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе тепла из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода: в глине — 50-60 Вт, в песке — 30-40 Вт для умеренных широт, на севере значения меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350—450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 метров квадратных (20х20 м). При правильном расчёте контур мало влияет на зелёные насаждения[2].

Отбор тепла  от водоёма

При использовании в качестве источника  тепла близлежащего водоёма контур укладывается на дно. Глубина не менее 2 метров. Коэффициент преобразования энергии тепловым насосом такой  же как при отборе тепла от грунта. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза. Промышленные образцы: 70 — 80 кВт*ч/м в год. Если тепла из внешнего контура всё же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчётного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла — чаще всего небольшой электронагреватель.[2]

3. Гидроэнергетика

1. Гидроэлектростанция

(ГЭС), гидроэлектростанция, - электростанция, вырабатывающая электрическую  энергию в результате преобразования  энергии водного потока. ГЭС состоит  из гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую энергию. Основное энергетическое оборудование размещают в здании ГЭС: в машинном зале - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; на центральном посту управления - пульт оператора-диспетчера или автооператор ГЭС. Повышающие трансформаторы, как правило, располагаются у продольной стены здания ГЭС на открытом воздухе, распределительные устройства высшего напряжения - на спец. открытых площадках. По напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 60 до 25 м) и низконапорные (до 25 м). На высоконапорных ГЭС устанавливают ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами; на средненапорных - поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины с железо-бетонными и металлическими спиральными камерами; на низконапорных - поворотно-лопастные турбины в бетонных и железо-бетонных спиральных камерах, иногда горизонтальные турбины в капсулах или в открытых камерах.

 
Схема русловой гидроэлектрической станции: 1 - плотина; 2 - затворы; 3 - максимальный уровень верхнего бьефа; 4 - минимальный  уровень верхнего бьефа; 5 - гидравлический подъёмник; 6 - сороудерживающая решётка; 7 гидрогенератор; 8 - гидравлическая турбина; 9 - минимальный уровень нижнего  бьефа; 10 - максимальный паводковый уровень

Существуют основные схемы  ГЭС: плотинная (с искусственным  подпором уровня реки за счёт плотины) и деривационная (с отводом воды из русла реки по специальному выводу к месту с большой разностью  уровней). В зависимости от особенностей выполнения гидротехнических сооружений различают русловые ГЭС (здание станции  входит в состав водоподпорных сооружений), приплотинные ГЭС (здание станции располагается за плотиной), деривационные ГЭС (см. рис.). Широкое распространение получили совмещённые ГЭС, у которых здание станции одновременно выполняет функцию водосбросного сооружения.

 
Схема деривационной  гидроэлектрической станции: 1 - плотина; 2 водоподъёмник; 3 - отстойник; 4 - деривационный  канал; 5 - бассейн суточного регулирования; 6 - напорный бассейн; 7 - турбинный водовод; 8 - распределительное устройство; 9 - здание ГЭС; 10 - водосброс; 11 - подъездные пути

Особое место среди  ГЭС занимают гидроаккумулирующие  электростанции и приливные электростанции. Отд. ГЭС или каскады ГЭС, как  правило, работают в энергосистеме  совместно с конденсационными электростанциями, теплоэлектроцентралями, атомными электростанциями, газотурбинными электростанциями; в  зависимости от характера участия  в покрытии графика нагрузки ГЭС  могут быть базисными, полупиковыми и пиковыми. Наиболее крупные гидроэлектростанции  в СССР: Волжская ГЭС им. В. И. Ленина мощностью 2300 МВт, Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС - 2530 МВт, Нурекская ГЭС (на р. Вахше) - 2700 МВт, Усть-Илимская ГЭС (на р. Ангаре) - 4320 МВт. Братская ГЭС им. 50-летия Великого Октября (на р. Ангаре) - 4500 МВт, Красноярская ГЭС им. 50-летия СССР (на р. Енисее) 6000 МВт, Саяно-Шушенская ГЭС (на р. Енисее) - 6400 МВт.

Большой энциклопедический  политехнический словарь. 2004.

Преимущества

• Себестоимость электроэнергии на ГЭС очень низкая
• Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии
• Возобновляемый источник энергии
• Отсутствует загрязнение воздуха

Недостатки

• Строительство ГЭС может быть более долгим и дорогим, чем других энергоисточников
• Водохранилища могут занимать большие территории
• Плотины могут наносить ущерб рыбному хозяйству, поскольку перекрывают путь к нерестилищам[3]

2. Приливная электростанция

Приливная электростанция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а  фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки  изменяют уровень воды. Колебания  уровня воды у берега могут достигать 13 метров.