ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра геоэкологии Реферат По дисциплине: Экология (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану) Тема: Альтернативные источники энергии («зелёная» энергетика). Автор: студент гр. МЦ-19 / Кудрин И.А. / (подпись) ОЦЕНКА: _________ Дата: _________ ПРОВЕРИЛ: доцент _____________ (подпись) Санкт-Петербург 2022 год (Ф.И.О.) / Исаков А.Е. / (Ф.И.О.) Оглавление Введение ................................................................................................................... 3 Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к ВИЭ 4 Солнечная энергия .................................................................................................. 6 Энергия ветра......................................................................................................... 10 Геотермальная энергия ......................................................................................... 14 Энергия приливов и отливов................................................................................ 19 Биотопливо............................................................................................................. 25 Вывод ...................................................................................................................... 30 Список использованной литературы ................................................................... 31 2 Введение Биосфера представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой основной источник энергии – излучение солнца. Под действием солнечной энергии в результате биосинтеза из углекислого газа СО2, содержащегося в атмосфере, зеленой растительностью планеты образованы соединения углерода, или органическое топливо – торф, каменный уголь, нефть, природный газ. Хозяйственная деятельность человека, в результате которой биосфера переходит в новое состояние – ноосферу, в начале ХХI века сопряжена с расходованием громадного количества органического топлива, накопленного природой за миллионы лет эволюции. В течение всего периода развития цивилизации происходила борьба за обретение новых, более эффективных форм энергии. За тысячи лет был пройден путь от овладения огня до применения управляемой ядерной реакции в атомных электростанциях. Поэтому в истории человечества принято выделять несколько энергетических революций, которые заключались в переходе от одного доминирующего первичного источника энергии к другому. Результаты этих изменений затрагивали не только сферу энергетики и экономики, но и меняли социальный и культурный облик цивилизации. В настоящее время Мировая энергетика находится на перепутье. С увеличением народонаселения Земли экономика требует все больше энергии, а запасы ископаемого топлива, на котором основана традиционная энергетика, не безграничны. Рост стоимости ископаемого топлива усугубляется и тем, что достигшее колоссальных размеров использование углеводородов наносит ощутимый вред окружающей среде, что отражается на качестве жизни населения. А это означает, что в будущем потребности в энергии, а значит и в новых способах её получения, будут только увеличиваться. В связи с сокращением природных запасов традиционных энергоносителей (главным образом нефти и природного газа), ростом цен на них, озабоченностью экологическими проблемами мировая экономика все 3 больше уделяет внимания поиску и освоению нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ). К ним относятся энергия ветра, солнечная энергия, биоэнергетика, энергия приливов и волн. Целью данного реферата является рассмотрение возможности использования альтернативных источников энергии в больших масштабах и оценка перспективы замены традиционных энергоносителей. Таким образом, нас интересуют экологические последствия использования энергии Солнца, ветра, тепла Земли и т.п. не в условиях испытания единичных установок и опытно-промышленных разработок, а последствия применения таких энергоносителей, когда их доля в энергетическом балансе крупных государств достигнет десятков процентов. Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к ВИЭ Все источники энергии на Земле делятся на возобновляемые и невозобновляемые. Существующая энергетика в Мире в основном базируется на использовании невозобновляемых ресурсов. К невозобновляемым энергетическим ресурсам с позиций экологоэкономического подхода относятся углеводородные ресурсы, являющиеся продуктами трансформации за миллионы лет органических организмов (флоры и фауны). Естественно, что такие энергетические источники (нефть, газ, уголь) считаются ограниченными и невозобновляемыми (за обозримые периоды времени). Важной положительной особенностью невозобновляемых энергетических аккумулировать ресурсов (нефти, энергию. Так, газа, угля) является аккумулированная в их нефти свойство энергия превращается в транспортную энергию в автомобилях, судах, самолетах; нефть составляет больше трети потребления всей мировой энергии. «Зелёная» использующая энергетика – часть возобновляемые распространенными видами энергопроизводящей источники «зеленой» 4 энергии. энергетики системы, Самыми являются фотоэлектрические преобразования солнечной энергии и использование энергии ветра. Сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке. Также очень важен и социальный фактор. Численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, – всё это увеличивает социальную напряженность. Нельзя оставить в стороне и экономическую часть вопроса. переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных альтернативных источников, да электростанций и сроки окупаемости существенно короче. строительства Цены на альтернативную энергию снижаются, а на традиционную – постоянно растут. В связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии. Именно с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) связывают будущее энергетики. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, большинство из них уже 5 используется более или менее широко. В настоящее время общий вклад ВИЭ в мировой энергобаланс пока невелик, около 20 % конечного потребления энергии. При этом на долю биотоплива и гидроэнергии, используемых традиционными способами, приходится основная часть – около 17 %, на долю нетрадиционных ВИЭ всего около 3 %. Солнечная энергия Для мировой солнечной энергетики XXI в. может стать золотым. Так складываются обстоятельства, что, с одной стороны, научно-технический прогресс обусловил снижение стоимости оборудования фотоэлектрических систем до уровня их экономической жизнеспособности, с другой – активные действия мировой общественности в защиту окружающей среды делают солнечную энергетику, обладающую целым набором «дружелюбных» по отношению к потребителю и окружающей среде качеств, весьма привлекательным источником электроэнергии. Начавшееся в 1975 г. практическое использование фотоэлектрических преобразователей для производства электроэнергии стремительно возрастает. Производство фотоэлектрических систем, используемых для электрификации отдаленных сельских потребителей, в целом по миру к 2001 г. увеличилось на 36% в сравнении с предыдущим годом и составило более 390 МВт. Таблица 1. Мировое производство поликристаллических модульных ячеек, МВт. 1 Снижению способствовало себестоимости увеличение поликристаллических эффективности ячеек также фотоэлектрических Велькин В.И. Возобновляемая энергетика и энергосбережение: учебник / В. И. Велькин, Я.М. Щелоков, С.Е. Щеклеин; под общ. ред. проф., д-ра техн. наук В. И. Велькина; Мин-во науки и высш. образования РФ. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2020 – 312 с. – (Учебник УрФУ). 1 6 преобразователей солнечной энергии. Над этой проблемой работают ведущие ученые стран Европы в рамках международных проектов. Таблица 2. КПД солнечных модулей, %.2 В основе фотоэлектрических преобразователей лежит принцип выбивания электронов из полупроводниковых материалов световыми квантами. Лучистая энергия преобразуется в электрическую. В современной солнечной энергетике широко применяются полупроводниковые преобразователи из химически чистого кристаллического кремния. Солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок. Свет, падающий на верхнюю пластинку, выбивает из нее электроны, посылая их на нижнюю пластинку. Так создается ЭДС элемента. Последовательно соединенные элементы являются источником постоянного тока. Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей представляют собой солнечную батарею. Эффективность преобразования лучистой энергии в электрическую в современных установках достигает 13-17%, в лабораторных условиях на некоторых полупроводниках достигнута эффективность 40%. В наше время модули фотоэлектрических преобразователей производятся в ряде стран для нужд большой энергетики. Мощности одиночных солнечных установок этого типа в США достигли 10 МВт. С начала 1990-х гг., когда правительства экономически развитых государств стали принимать программы, стимулирующие установку фотоэлектрических систем, связанных с системами централизованного Велькин В.И. Возобновляемая энергетика и энергосбережение: учебник / В. И. Велькин, Я.М. Щелоков, С.Е. Щеклеин; под общ. ред. проф., д-ра техн. наук В. И. Велькина; Мин-во науки и высш. образования РФ. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2020 – 312 с. – (Учебник УрФУ). 2 7 энергоснабжения на частных и общественных зданиях, установки, подключенные к сети, стали самым динамичным сектором рынка этого вида электроэнергетики. Яркими примерами успешного вмешательства государства в рыночную экономику могут служить реализованные в Германии, Японии, США и Индии программы развития солнечной фотоэнергетики. Причем первые программы были исключительно демонстрационными и практически в полном объеме субсидировались за счет бюджетных средств. Несмотря на относительно низкую плотность лучистой энергии, солнечная энергетика интенсивно развивается в последние годы. В США введены 8 крупных солнечных электростанций (СЭС) модульного типа общей мощностью около 450 МВт, энергия поступает в энергосистемы штатов. Выпуск солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире достиг 300 МВт в год, из них 40% приходится на долю США. В настоящее время в мире работают более 2 млн гелиоустановок теплоснабжения. Площадь солнечных теплофикационных коллекторов в США составляет 10 млн м2, в Японии 8 млн м2. Солнечная энергия находит применение в зерносушилках, опреснительных установках, в установках энергоснабжения космических станций и т.д. Отдельного внимания заслуживают «солнечные башни». Башня солнечной энергии представляет собой тип солнечная печь использование башни для получения сфокусированного солнечного света. Она использует массив плоских подвижных зеркал, каждое из которых управляется центральным компьютером, который ориентирует его поворот и наклон таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи были всегда были направлены на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 °C. 8 Рис. 1. Башня солнечной энергии. Самую большую солнечную электростанцию в виде башни запустила компания Abengoa Solar. Ее мощность составляет 20 МВт. Солнечная башня PS20 расположена недалеко от Севильи, в Испании, и построена она рядом с ранее действовавшей башней PS10 меньшей мощности. По мнению академика Ж.И. Алфёрова, прямое преобразование солнечной энергии в электрическую – наше будущее. Солнце – неиссякаемый источник энергии, наш термоядерный реактор, устойчиво работающий уже миллиарды лет. «Проблемы с солнечными батареями сегодня чисто экономические. Один киловатт электрической мощности, получаемой от них, должен быть сравним по цене с киловаттом, получаемом на тепловых электростанциях».3 Резюмируя, к преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии. С другой стороны, для строительства солнечных станций потребуется отчуждение огромных площадей, не менее чем на 3 порядка больших, нежели для тепловых электростанций той же мощности. Но проблема заключается Лебедев, Ю.В. Зелёная энергетика: состояние и ожидания // Зелёная экономика, зелёная энергетика, зелёные инвестиции. – 2018. – С. 367-374. 3 9 еще и в том, что любой способ преобразования солнечной энергии отличается высокой материалоемкостью, причем для изготовления оборудования требуется либо экологически опасный в производстве алюминий (башни, баки, конструкции отражателей), либо еще более опасный кремний (материал для солнечных батарей). Технология производства высокочистого кремния включает стадии его восстановления магнием из кремнезема и дальнейший синтез через трихлорсилан. Этот и иные способы получения кремния «солнечной» чистоты при крупнотоннажном производстве серьезно загрязнят окружающую среду, прежде всего – атмосферу. Энергия ветра Ветры – это течения атмосферного воздуха, порождаемые неравномерным нагревом поверхности Земли солнечным излучением. Ветровая энергия использовалась человеком с незапамятных времен в парусном флоте и ветряных мельницах. В 1890 г. впервые в Дании ветроэнергетические установки (ВЭУ) использованы для выработки электроэнергии. В 20-30-е годы для энергоснабжения удаленных от энергосетей потребителей в СССР получили распространение ВЭУ, разработанные Центральным аэрогидродинамическим институтом (ЦАГИ). Они использовались для зарядки аккумуляторных батарей, которые затем применялись для освещения и питания радиоаппаратуры. В наше время в Западной Европе происходит бум в развитии ветроэнергетики. В Дании выработка электроэнергии на ВЭС достигает 12% от общей выработки, в Голландии, северных землях Германии 10%. За два последних десятилетия здесь сменились 7 поколений ВЭУ, единичная мощность ветроагрегатов достигла 4,5 МВт, диаметр ветроколеса самой мощной ВЭС составляет 112 м. В 2002 г. рост инвестиций в ветроэнергетику составил 37%, обгоняя остальные виды энергетических установок. В США тысячи ВЭУ с суммарной мощностью порядка 1 ГВт установлены в Калифорнии к востоку от Сан-Франциско. 10 Себестоимость энергии, вырабатываемой на ВЭУ, вплотную приблизилась к себестоимости на традиционных электростанциях. Ветровая энергетика получает государственную поддержку в виде льготных кредитов, налогов, тарифов. В разработку ВЭУ включаются высокотехнологичные наукоемкие транснациональные корпорации – Дженерал Электрик, Боинг, Вестингауз.4 Европейские ВЭС расположены в основном на побережье Балтийского, Северного морей и Атлантического океана. Популярны морские (прибрежные) ВЭУ-при установке поодаль от берега снимаются проблемы отчуждения земель под строительство, снижаются шумовые нагрузки. В проливе Эрезунд между Данией и Швецией сооружаются 20 установок с единичной мощностью по 2 МВт. Себестоимость производимой на европейских ВЭС электроэнергии за 20 лет снизилась с 38 центов до 5-6 центов за киловатт-час (средняя себестоимость на ТЭС и АЭС США в начале ХХІ века – около 4,5 центов). Таблица 3. Динамика установленной мощности ВЭУ в 2007-2012 гг, Мвт.5 В.Г. Лабейш. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие. – СПб.: СЗТУ, 2003. – 79 с. 5 Безруких П.П., Безруких П.П. (мл.), Грибков С.В. Ветроэнергетика: Справочно¬ методическое издание / Под общей редакцией П.П. Безруких. – М.: «Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014 – 304 с. 4 11 Ветровую энергию, прежде всего, следует использовать в таких производственных процессах, которые допускают перерывы в подаче энергии, или в тех случаях, когда продукт переработки может быть заготовлен впрок (подъём воды, орошение, дренаж, помол зерна, зарядка электрохимических аккумуляторов и т. п.). Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников и может быть утилизирован в народном хозяйстве в значительно больших масштабах, чем в настоящее время. К главным факторам, определяющим возможность использования энергии ветра, относятся: метеорологические условия, выбор оптимального расположения ветроэнергетической установки (ВЭУ), метод преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, её использование в общей системе энергоснабжения и, кроме того, экономическая эффективность. Ветровая возобновляемая энергия в России развивается гораздо медленней, нежели в странах Европы, однако в последнее время ветроэнергетическая отрасль в России получила необходимый импульс для активного роста: летом 2016 г. были объявлены результаты первого конкурсного отбора 700 МВт ветроэнергетических проектов на оптовом рынке электроэнергии, которые планируется реализовать в течение следующих трёх лет. Всего до 2024 года, согласно постановлению Правительства № 449, заявлено 3,35 ГВт установленных мощностей, до 2030 года – 4,5 ГВт. При этом общая установленная мощность электростанций ЕЭС России составляет 236,3 ГВт.6 На сегодняшний день энергия ветра не участвует в энергобалансе страны, и российский рынок не входит в список ведущих ветроэнергетических рынков. В России построено лишь несколько ветровых электростанций (ВЭС) с установленной мощностью более 1 МВт: согласно отчету, установленная мощность ВЭС на территории России на середину 2016 г. составила 11 МВт 6, 8 Штефан Гзенгер, Роман Денисов, Перспективы ветроэнергетического рынка в России: исследование в сотрудничестве с СПбПУ и «Российской ассоциацией ветроиндустрии», 2017. – 29 с. 12 (мощность ветропарков в Крыму, построенных под административным управлением Украины, составляет 87,8 МВт). Проекты ВЭС, построенные за последние 20 лет на территории (до 2013 г.) и под административным руководством России, перечислены в таблице 4. Таблица 4. Список ВЭС РФ.7 В настоящее время Россия практически не имеет опыта работы с ветроэнергетическими установками мегаваттного класса. Кроме того, для большинства из немногих установленных установок требуется капитальный ремонт. Установленная мощность ветроэнергетических установок в мире в начале 2017 года составила около 478 ГВт. На сегодняшний день в отрасли создано более 1 млн рабочих мест, а ветроэнергетика по-прежнему показывает динамичный рост во все большем числе стран мира, и в том числе в Латинской Америке и Африке.8 Однако нельзя не отметить и минусы ветроэнергетики. Это создаваемые при работе лопастей шум, инфразвуковые колебания и вибрации, Штефан Гзенгер, Роман Денисов, Перспективы ветроэнергетического рынка в России: исследование в сотрудничестве с СПбПУ и «Российской ассоциацией ветроиндустрии», 2017. – 29 с. 8 13 отрицательно действующие на людей, технику и животных. Ветряки не просто нарушают привычные, милые глазу пейзажи, огромные вращающиеся лопасти воздействуют на психику человека. В районе ветропарков перестают селиться животные и птицы. Есть риски, связанные с отрывом лопастей и другими авариями на крупных ветроэлектростанциях. Кроме того, при работе множества ветрогенераторов на больших площадях возможно локальное снижение силы и изменение конфигурации ветров. Дополнительную проблему создаёт необходимость утилизации лопастей, исчерпавших свой ресурс. Геотермальная энергия Температура Земли увеличивается с глубиной, в среднем на 30-35°C при погружении на каждую тысячу метров. В отдельных регионах планеты с «молодыми» горными породами, с вулканической деятельностью и землетрясениями, градиент повышения температуры гораздо больше, высоко температурные слои залегают на малой глубине. Расплавленная лава иногда вытекает на поверхность при извержении вулканов. Если через пористые породы и трещины земной коры в высокотемпературные слои затекает вода, на поверхность вырываются струи пара и горячей воды гейзеры. Суммарная геотермальная энергия, поступающая из недр Земли к ее поверхности, оценивается в 32 тысячи ГВт.9 Геотермальные ресурсы подразделяются на гидрогеотермальные и петрогеотермальные. Гидрогеотермальные ресурсы являются частью ресурсов геотермальной энергии, которая заключена в естественных коллекторах и представлена природными динамическими носителями тепловой энергии недр – геотермальными водами (вода, пар, пароводяные смеси). Петрогеотермальные ресурсы представляют собой часть тепловой энергии, которая заключена в скелете водовмещающих пород и в практически водонепроницаемых сухих горных породах. 9 Алхасов А. Б. Возобновляемая энергетика. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 256 с. 14 Из всех пригодных для использования геотермальных ресурсов на долю термальных вод приходится чуть более 1% и соответственно около 99% – на петрогеотермальные ресурсы. Практическое использование колоссальных запасов тепла петрогеотермальных ресурсов связано с необходимостью решения ряда весьма сложных научнотехнических проблем проектирования и создания в промышленных масштабах эффективных подземных искусственных систем извлечения тепла – циркуляционных систем, тепловых котлов повышенной проницаемости. Поэтому на современном этапе развития техники и технологий освоения геотермальной энергии масштабы ее практического использования определяются размерами эксплуатационных запасов и теплоэнергетическим потенциалом термальных вод, т. е. величиной гидрогеотермальных ресурсов. В настоящее время применяются традиционная технология, базирующая на преимущественном использовании пластовой энергии недр, и технология геоциркуляционных систем (ГЦС), базирующая на обратной закачке отработанного теплоносителя в эксплуатируемый водоносный горизонт. При геоциркуляционной технологии достигается восполнение ресурсов теплоносителя в недрах, поддержание пластового давления и, соответственно, интенсификация процесса извлечения тепловой энергии недр, а также решение проблемы экологически безопасного сброса использованных вод. Традиционная технология реализуется при фонтанном или насосном способах эксплуатации скважин. При фонтанной эксплуатации производительность скважины ограничивается величиной избыточного устьевого давления, и при малых его значениях эксплуатация скважины, как правило, становится экономически не эффективной. Интересен опыт геотермальной теплофикации в Рейкьявике (Исландия). Геотермальная вода подается в город по двухтрубному трубопроводу (трубы диаметром 350 мм), расстояние 21 км, годовой расход воды около 8 млн м 3, температура 87°С. Вода подается в баки-аккумуляторы суммарной емкости 8400 м3 установленные на возвышенном месте. Баки выравнивают суточный 15 график потребления горячей воды. От баков вода течет по магистральному двухтрубному трубопроводу диаметром 400 мм. Уличные однотрубные теплотрассы имеют суммарную длину 72 км, домовые вводы диаметром до 70 мм – более 100 км. Для страны, импортирующей топливо, использование геотермальных ресурсов – благоприятный выход из энергетических затруднений.10 Огромный интерес представляет и технология выработки электроэнергии с помощью источников геотермальной энергии. Принцип действия гидротермальной электростанции будет зависеть от свойств источника энергии. Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет выглядеть следующим образом: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Рис. 2. ГеоТЭС прямого цикла. Если из скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед В.Г. Лабейш. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие. – СПб.: СЗТУ, 2003. – 79 с. 10 16 турбиной сепаратор будет отделять пар от воды – пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины. Если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, – а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения. Рис. 3. ГеоТЭС бинарного цикла. 17 Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин. Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света – нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер – вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных – 840 кг, газовых – 469 кг. На некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Следует отметить и недостатки геотермальной энергетики. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон. 18 Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на высоком уровне.11 ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов. По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении – и вовсе 51%. Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС. В России неторопливыми развитие темпами, геотермальной так как в энергетики строительстве идет очень дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.12 Энергия приливов и отливов. Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан – результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающей приливы, и поступления теплоты из глубины планеты. 11 Habr: URL: https://habr.com/ru/ Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс URL: https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/442632/ 12 19 Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока люди умеют утилизировать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений. В числе основных установок, использующих энергию океана, в настоящее время рассматриваются приливные электростанции (ПЭС), волновые электростанции (ВолЭС) и электростанции морских течений (ЭСМТ). Здесь происходит преобразование механической формы энергии океана в электрическую.13 Приливные электростанции – новое направление энергопроизводства, находящееся еще в стадии опытно-экспериментального исследования. Потенциально энергия приливов – это значительные по ресурсам запасы. Предполагают, что только часть мощности приливов, которая рассеивается на трение и вихревое движение масс воды, составляет около 1 млрд. кВт, что соответствует энергетическому потенциалу почти всех рек мира. Под приливной электростанцией (ПЭС) понимается электростанция, которая использует обе фазы этого уникального явления – прилив и отлив. Чередование приливов и отливов происходит ежесуточно через 6 ч 12 мин, что отличает характер поступления энергии приливов от солнечной энергии и энергии ветра в особенности, приход которых носит ярко выраженный вероятностный характер. Однако вплоть до настоящего времени энергия приливов еще не служит человеку. Широкая рассредоточенность приливной энергии по территории планеты, строгая цикличность поступления и, что особенно важно, полное отсутствие в процессе работы загрязнения окружающей среды ставят этот вид возобновляемого источника энергии в число потенциально перспективных к освоению. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: энергия воды океанов, морей и рек [Текст]: Методическая разработка для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 140104.65 Промышленная теплоэнергетика и 270109.65 Теплогазоснабжение и вентиляция. Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет: сост. Г.М. Климов. – Н.Новгород: ННГАСУ, 2013. – 43 с.: ил. 13 20 Существует три основных метода получения электроэнергии из приливов и отливов. Каждый метод имеет свои преимущества, в зависимости от географического положения. Приливные потоки, создаваемые приливами, могут использоваться для производства электроэнергии. Для этого турбины с приливным потоком используются для преобразования потока прилива в электричество. Эти турбины помещаются под воду и крепятся к морскому дну для их поддержки. Приливной поток заставляет лопасти турбины вращаться, подобно ветру, но вода плотнее воздуха, что делает ее поток более мощным. Кроме того, лопастям приливной турбины разрешено вращаться намного медленнее, чем ветряной турбине, что помогает морским существам избежать попадания в ее лопасти. Размещение приливных турбин на мелководье вблизи берега оказывается более эффективным. Кроме того, это позволяет кораблям обходить их. В результате снижается опасность их поломки. Первая электростанция, использующая приливный поток, находится в Северной Ирландии. Рис. 4. Производство электроэнергии приливным потоком. В методе приливного шквала строится сооружение, похожее на плотину, известное как приливное заграждение. Приливные заграждения используются для хранения и выпуска воды во время приливов и отливов. Вода 21 накапливается и высвобождается через лопасти турбин, которые вращаются для выработки электроэнергии. Эти турбины работают так же, как турбины в плотине. Но их скорость вращения намного выше, чем у турбин приливного потока (обсуждалось ранее). Рабочим примером приливного заграждения является приливная электростанция, расположенная в устье реки Ранс во Франции. Основным недостатком приливного заграждения является то, что оно значительно влияет на окружающую среду. Кроме того, это нарушает жизнь морских существ, и многие морские существа могут быть пойманы быстро вращающимися лопатками турбины. Рис. 5. Производство электроэнергии приливным шквалом. Практическое использование энергии поверхностных волн воз можно во многих районах Мирового океана. Для нашей страны наибольший интерес представляют районы северо-западной части Тихого океана, где значительные погодные возмущения обусловливают постоянное поверхностное волнение. Ниже представлена таблица с электростанциями, используемыми в промышленных целях (таблица 5). Следует также отметить и недостатки применения ПЭС. Использование энергии морских приливов может вызвать неблагоприятные экологические последствия: крупная приливная гидроэлектростанция представляет собой гигантскую плотину, затрудняющую водообмен между морем и морским 22 заливом или устьем реки. Плотина препятствует естественной миграции гидробионтов, нарушает установившиеся за миллионы лет связи. Не стоит забывать и об экономической стороне вопроса. Приливные электростанции дороже в эксплуатации, чем обычные ГЭС. К этому прибавляется то, что ПЭС строятся в труднодоступных и удаленных местах, что еще сильнее влияет на экономический фактор. Всё это указывает на то, что хоть энергия океана и является привлекательной нишей в области энергетики, использование её в промышленных масштабах на данный момент невозможно. Таблица 5. Промышленные ПЭС.14 Львов А.Н. Оценка потенциала использования альтернативных источников энергии в прибрежной зоне: выпускная квалификационная работа (магистерская диссертация). – СПб.: РГГУ, 2019. – 78 с. 14 23 Говоря об энергии океанов, не стоит забывать о способе получения электроэнергии за счёт разности температур между тёплыми поверхностными (27°С) и глубинными (600 м) холодными океаническими водами (2-3,5°С). Идея использования тепловой энергии, накопленной тропическими и субтропическими водами океана, была предложена еще в конце ХIХ в. Первые попытки ее реализации были сделаны в 30-х гг. нашего века и показали перспективность этой идеи. В 70-е гг. ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанских тепловых электростанций (ОТЭС), представляющих собой сложные крупногабаритные сооружения. ОТЭС могут размещаться на берегу или находиться в океане. Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32°) направляют в теплообменник, где жидкий аммиак или фреон превращаются в пар, который вращает турбину, а затем поступает в следующий теплообменник для охлаждения и конденсации водой с температурой 5-6°С, поступающей с глубины 200-500 метров. Получаемую электроэнергию передают на берег по подводному кабелю, но ее можно использовать и на месте (для обеспечения добычи минерального сырья со дна или его выделения из морской воды). Достоинство подобных установок – возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же, разность температур различных слоев океанической воды – более стабильный источник энергии, чем, скажем, ветер, Солнце, морские волны или прибой. Первая такая установка была пущена в 1981 году на острове Науру. Единственный недостаток таких станций – их географическая привязанность к тропическим широтам. Для практического использования температурного градиента наиболее пригодны те районы Мирового океана, которые расположены между 20° с.ш. и 29° ю.ш., где температура воды у поверхности океана достигает, как правило, 27-28°С, а на глубине 1 километр имеет всего 4-5°С. 24 Рис. 6. Принцип работы ОТЭС. Биотопливо Биотопливо – топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом. Приставка отсутствие «био» указывает отрицательного на воздействия биологическое на происхождение, климат и экологические преимущества. Сырьем для производства биотоплива служат: - отходы животноводства, - масличные растения, - зерновые культуры, - сахарная свекла или тростник, - древесина и ее отходы, - энергетические растения. По агрегатному состоянию энергоносители бывают твердыми, жидкими, газообразными. К основным видам сырья для получения твердого биотоплива относятся дрова, опилки, щепа, навоз. Реже перерабатываются скорлупа грецкого ореха, оливковые косточки, подсолнечная шелуха, кукурузная мезга. Перед использованием в печах и котлах сырье сушат, измельчают, 25 просеивают, прессуют в гранулы (пеллеты) или брикеты, гомогенизируют. Конечные потребители продукта – теплоэлектростанции и частные дома. Среди перспективных видов жидкого биотоплива растительные масла, биодизель, биоэтанол, биобутанол и биометанол. Биобутанол добавляют в топливо для карбюраторных двигателей, а nбутанол даже подмешивают к дизелю или применяют в чистом виде. Биодизель представляет собой метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК), получаемые из растительных масел. Служит экологически чистой альтернативой дизельному топливу и имеет сходные с ним физикохимические характеристики. Биоэтанол заменяет бензин, производится путем ферментации биогенного сырья и последующей перегонки. Сырьем для изготовления биоэтанола преимущественно служат: - зерновые культуры (пшеница, рожь); - сахарная свекла; - кукуруза. К газообразным видам топлива, получаемым из биологической массы, относятся биогаз, биометан и биоводород. Это будущая альтернатива природному газу, бензину, керосину. Процесс переработки биомассы в биогаз заключается в том, чтобы поместить биологические отходы (навоз, стоки очистных сооружений, пивную барду и т.п.) в ёмкости, которые называются ферментерами. Такая емкость должна быть плотно закрыта, чтобы обеспечить безкислородное брожение отходов, которые время от времени необходимо перемешивать. Температура процесса должна быть 35-55°С. Спустя несколько недель из ферментеров начнет выделяться горючий газ – смесь метана и углекислого газа с небольшими примесями сероводорода. Этот газ называется биогаз. Концентрация метана в нем 50-60%. Если биогаз очистить от примесей и CO2 – получим биометан. Полный аналог природного газа. 26 Не все сырье сразу можно использовать для переработки. Куриный помет и свиные стоки очень токсичны, поэтому требуется добавления буферных веществ, таких как силос, свежая трава или коровий навоз. Сырье не должно содержать существенных примесей тяжелых металлов, химических веществ, ПАВов. На реальных производствах активно используют антибиотики, которые явно не афишируются, но они применяются в огромном количестве. Моющие и дезинфицирующие вещества тоже способны сорвать процесс синтеза биогаза. Самое слабое место в биогазовом процессе — низкая скорость переработки биомассы и качество получаемого биогаза. Процесс на самом деле неустойчивый и капризный. Из-за низкой скорости переработки требуются огромные ферментеры. Это приводит к существенным капитальным затратам на строительство станций по переработке отходов и, как следствие, такие проекты долго окупаются и требуют государственных дотаций. По пути господдержки производителей биогаза пошли все ведущие страны этой отрасли, такие, как Германия и большинство европейских стран. Форма такой поддержки реализована в «зеленом» тарифе – т.е. покупке электрической и тепловой энергии по завышенным ценам. В России существуют ряд исследовательских групп, работающих в направлении улучшения биогазовых технологий и адаптации их к российским условиям. Такую деятельность ведут, в частности, специалисты Белгородского института альтернативной энергетики. Это, пожалуй, наиболее удачный пример подхода к работе по решению проблем в области возобновляемой энергетики (ВИЭ). Биогазовая установка Основными компонентами полноценной биогазовой системы являются: - реактор; - система подачи перегноя; - мешалки; 27 - автоматизированная система подогрева биомассы; - газгольдер; - сепаратор; - защитная часть. Рис. 7. Конструкция типичной биогазовой установки. Реактор установки обычно собирается из нержавейки либо бетона. Внешне реактор похож на большую герметичную емкость, сверху которой установлен купол, обычно имеющий шаровидную форму. Ради предотвращения загрязнения окружающей среды и исключения неприятного запаха реакторы биогазовых установок для дома и больших производств имеют конструкцию с фиксированным куполом. Биореакторы с фиксированным куполом снабжаются патрубками для добавления новых порций биомассы и отбора отработанного субстрата. Рис. 8. Биореактор с фиксированным куполом. 28 Система подачи биомассы включает в свой состав бункер для приема отходов, подводящий трубопровод для подачи воды и шнековый насос, предназначенный для отправки перегноя в реактор. В бункере происходит увлажнение смеси до полужидкого состояния. После достижения нужного уровня увлажнения шнек переводит полужидкую массу в нижний отсек реактора. Чтобы минимизировать затраты на организацию процесса, имеет смысл расположить биогазовую установку неподалеку от источника отходов – возле построек, где содержится птица или животные. Разработать конструкцию желательно так, чтобы загрузка происходила самотеком. Из коровника или свинарника можно проложить под уклоном трубопровод, по которому навоз будет самотеком поступать в бункер. Это существенно облегчает задачу по обслуживанию реактора, да и уборку навоза тоже. Биогазовые технологии очень дороги, рентабельность крайне низкая, отсутствуют специалисты и добротные технологии. Статистические данные свидетельствуют об убыточности подобных производств. Они окупаются только с помощью государственной поддержки через «зеленые тарифы». Однако главный их козырь – экологическая переработка отходов с получением биоудобрений и сжигание биогаза для выработки тепла. Биогазовые технологии позволят не только получать тепловую энергию из биоотходов, но и помогут решить проблему экологически безопасной переработки этих самых отходов. К плюсам данной технологии следует отнести и то, что исходный материал является дешевым побочным продуктом сельскохозяйственных предприятий и ферм. Массы навоза постоянно восполняются и практически неисчерпаемы. 29 Вывод Подводя итог данной работы, необходимо сделать несколько важных выводов. Современная промышленная цивилизация неминуемо влечет за собой загрязнение среды обитания. Обеспечение растущего населения Земли энергией потребует увеличение ее производства. С учетом невозможности создания полностью безотходной промышленности, интенсивного сельского хозяйства, энергетики, транспорта, быта, следует решать проблему минимизации загрязнений. Нефть конечна, стоимость её добычи постоянно растет, а на одном газе и угле экологическую обстановку не поправить. Пока человечество не подчинило себе управляемый термоядерный синтез, придется вести самые активные разработки в области «зелёной» энергии. Это очень тернистый путь, состоящий из решения сложнейших проблем: экономических, технологических и даже социальных. Лучшее, что может сделать человечество в данной ситуации – продолжать во что бы то ни стало исследования, пытаясь сделать солнечную, ветряную и геотермальную энергетику ещё эффективней и ещё доступней. Процесс идёт, прогресс не стоит на месте, и мир медленно, но уверенно отказывается от ископаемого топлива, пока его использование не стало слишком дорогим и опасным. 30 Список использованной литературы 1. Велькин В.И. Возобновляемая энергетика и энергосбережение: учебник / В. И. Велькин, Я.М. Щелоков, С.Е. Щеклеин; под общ. ред. проф., д-ра техн. наук В. И. Велькина; Мин-во науки и высш. образования РФ. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2020 – 312 с. – (Учебник УрФУ). 2. Алхасов А. Б. Возобновляемая энергетика. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 256 с. 3. В.Г. Лабейш. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие. – СПб.: СЗТУ, 2003. – 79 с. 4. Штефан Гзенгер, Роман ветроэнергетического сотрудничестве с Денисов, Перспективы рынка в России: исследование СПбПУ и «Российской в ассоциацией ветроиндустрии», 2017. – 29 с. 5. Львов, А.Н. Оценка потенциала использования альтернативных источников энергии в прибрежной зоне: выпускная квалификационная работа (магистерская диссертация). – СПб.: РГГУ, 2019. – 78 с. 6. Save On Energy: URL: https://www.saveonenergy.com/ 7. Геотермальная энергетика: как эффективный тепло Земли превратили энергоресурс в URL: https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/442632/ 8. Лебедев, Ю.В. Зелёная энергетика: состояние и ожидания // Зелёная экономика, зелёная энергетика, зелёные инвестиции. – 2018. – С. 367374. 9. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: энергия воды океанов, морей и рек [Текст]: Методическая разработка для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 140104.65 Промышленная теплоэнергетика и 270109.65 Теплогазоснабжение и 31 вентиляция. Нижегородский государственный архитектурно- строительный университет: сост. Г.М. Климов. – Н.Новгород: ННГАСУ, 2013. – 43 с.: ил. 10.Безруких П.П., Безруких П.П. (мл.), Грибков С.В. Ветроэнергетика: Справочно методическое издание / Под общей редакцией П.П. Безруких. – М.: «Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014 – 304 с. 32
