Возобновляемые источники энергии и перспективы их использования в мире и России
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? По
расчетам, запас нефтяных ресурсов планеты исчерпается к концу нынешнего
столетия. То есть, нашим внукам и правнукам будет нечего использовать для
получения энергии? Звучит пугающе. Также использование традиционных полезных
ископаемых плохо влияет на экологическую обстановку мира. Поэтому, человечество
сейчас все больше задумывается об альтернативных источниках получения энергии.
В этом и состоит актуальность данной работы.
Объектом исследования
данной работы являются возобновляемые источники энергии. Предмет исследования -
возможности использования возобновляемых источников энергии.
Цель работы
заключается в анализе возможности использования нетрадиционных энергоресурсов в
России и мире.
Для достижения
указанной цели необходимо решить ряд задач:
.Рассмотреть
классификацию возобновляемых источников энергии
.Провести
литературный обзор;
.рассмотреть виды
ВИЭ и возможности их развития в мире и России;
В работе были
использованы следующие методы исследования:
) описательный;
) логического
анализа и синтеза;
)
библиографический;
Основными
источниками послужили работы авторов в отрасли нетрадиционной энергетики.
1. Возобновляемые
энергоресурсы
1.1 Классификация
возобновляемых источников энергии
Возобновляемые
источники энергии (ВИЭ) - это энергоресурсы постоянно существующих природных
процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов. жизнедеятельности
биоцентров растительного и животного происхождения [8] Характерной особенностью
ВИЭ является цикличность их возобновления, которая позволяет использовать эти
ресурсы без временных ограничений.
Обычно, к
возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, потоков
воды, ветра, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.
ВИЭ можно
классифицировать по видам энергии:[8]
механическая
энергия (энергия ветра и потоков воды);
тепловая и
лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);
химическая
энергия (энергия, заключенная в биомассе).
Потенциальные
возможности ВИЭ практически неограниченны, но несовершенство техники и
технологии, отсутствие необходимых конструкционных и других материалов пока не
позволяет широко вовлекать ВИЭ в энергетический баланс. Однако за последние
годы в мире особенно заметен научно-технический прогресс в сооружении установок
по использованию ВИЭ и в первую очередь: фотоэлектрических преобразований
солнечной энергии, ветроэнергетических агрегатов и биомассы.
Целесообразность и
масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются в первую
очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с
традиционными энергетическими технологиями. Это объясняется несколькими
причинами:
Неисчерпаемость
ВИЭ;
Нет
потребности в транспортировке;
ВИЭ - экологически
выгодны и не загрязняют окружающую среду;
Отсутствие
топливных затрат;
При
определенных условиях, в малых автономных энергосистемах, ВИЭ могут оказаться
экономически выгоднее, чем традиционные ресурсы;
Нет
необходимости в использовании воды в производстве.
Также, к
преимуществам перехода на «зеленую» энергетику относят устранение рисков,
связанных с атомной энергетикой (возможность аварий, проблема захоронения
радиоактивных отходов), уменьшение последствий возможного энергетического
кризиса, сокращение затрат на невозобновляемые ресурсы, прежде всего нефть и
газ, а также снижение выбросов парниковых газов. Таким образом, необходимость
использования возобновляемых источников энергии определяется такими факторами:
исчерпание
в ближайшем будущем разведанных запасов органического топлива;
загрязнением
окружающей среды окисями азота и серы, углекислым газом, пылевидными остатками
от сгорания добываемого топлива, радиоактивным загрязнением и тепловым
перегревом при использовании ядерного топлива;
быстрым
ростом потребности в электрической энергии, потребление которой может возрасти
в несколько раз в ближайшие годы.
1.2 Ветроэнергетика
Энергия ветра уже
более 6000 тысяч лет используется людьми.
Первые простейшие
ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте (около
Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа,
построенных ещё во II-I вв. до н. э. Ветряные мельницы использовались для
размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были
распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.
Начиная с XIII в.,
ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в
Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в
движение различных станков.
Ветряные мельницы,
производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890-м
году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось
уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни
24 м и четырехлопастные роторы диаметром 23 м.
Однако в начале
19-20вв. НТП затормозил развитие ветроэнергетики. Полезные ископаемые, такие
как нефть и газ, заменили ветер в качестве источника энергии. Но человечество
такими темпами истощает природные ресурсы Земли, что вновь встает вопрос о
возврате к истокам, т.е. к новому этапу развития ветровой энергетики.
Наиболее острый
вопрос ветроэнергетики - экономическая эффективность ВЭУ. Очень важно выбрать
правильное место для установки агрегатов. Для этого существуют специальные
характеристики, позволяющие правильно подобрать местоположение. Наиболее
перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные
зоны. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше) строятся
оффшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай,
забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы
подводных фундаментов, а также плавающие основания.
Не стоит забывать,
что производительность энергии зависит от 2 главных факторов: направления и
скорости ветра.
Скорость ветра -
главное препятствие развития ветровой энергетики. Ветер характеризуется не
только многолетней и сезонной изменчивостью. Он может менять скорость и
направление в течение очень коротких промежутков времени. Отчасти
кратковременные колебания скорости ветра компенсируются самим ветроагрегатом,
особенно на больших скоростях ветра, когда он начинает подтормаживать своё
вращение (обычно, после 13-15 м/с). Однако более длительные изменения или
снижение скорости ветра влияют на выработку ветроагрегата и всего ветропарка в
целом. Но в современной ветроэнергетике этот недостаток сводится к минимуму
тем, что ветромониторинг, начинающийся еще на предпроектной стадии, продолжает
вестись и в дальнейшем. Накопленная база данных ветропотенциала позволяет
прогнозировать выработку ветропарка уже на 2-м году его эксплуатации на 24 часа
вперед с достаточно высокой для электрических сетей точностью.
Все ветровые
установки можно разделить на 2 больших типа: с вертикальной осью вращения
ротора и с горизонтальной.
Рисунок 1.1
Вертикально-осевая ветроэнергетическая установка Савониуса
Рисунок 1.2.
Традиционная горизонтально-осевая ветряная установка
ВЭС с вертикальной
осью вращения (на вертикальную ось «насажено» колесо, на котором закреплены
«приемные поверхности» для ветра), в отличие от крыльчатых, могут работать при
любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Ветродвигатели этой
группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются
многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет
применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве
ветра. Главными недостатками таких агрегатов является их малый период вращения
и малый КПД по сравнению с горизонтальными ВЭС. К побочным действиям работы
таких установок следует отнести наличие низкочастотных вибраций, возникающих за
счет дисбаланса ротора.
Агрегаты с
горизонтальной осью вращения являются традиционной компоновкой ветряков. В них
используются лопасти, которые вращаются под действием ветрового потока. Система
устанавливается в самое выгодное положение в потоке ветра с помощью крыла-стабилизатора.
На мощных станциях, работающих на сеть, для этого используется электронная
система управления рысканием. Недостатками такой системы являются высокий
уровень шума, потеря в механической передаче энергии, снижение
продолжительности эксплуатации оборудования. Также при сильных порывах ветра
лопасти агрегаты могут получить значительные повреждения или, вовсе, сломаться.
Ветроэнергетический
рынок - один из самых динамично развивающихся в мире. Его рост за 2009 год -
31%.[6]До сих пор ветроэнергетика наиболее динамично развивалась в странах ЕС,
но сегодня эта тенденция начинает меняться. Всплеск активности наблюдается в
США и Канаде, в то время как в Азии и Южной Америке возникают новые рынки. В
Азии, как в Индии, так и в Китае, в 2005 году зарегистрирован рекордный уровень
роста.
В настоящее время
промышленным производством ВУЭ занимается более 300 фирм. Наиболее развитую
промышленность имеют Дания, Германия, США. Серийное производство ветроустановок
развито в Нидерландах, Великобритании, Италии и других странах.
1.3 Гидроэнергетика
ветроэнергетика
солнечный возобновляемый
Человек с давних
пор использовал энергию воды и ее течения в своих нуждах. Поэтому история
гидроэнергетики берет свое начало с древних времен: еще древние греки
использовали водяные колеса для помола зерна. С течением времени технологии
совершенствовались, и в 19 веке была изобретена первая водная турбина. Ее
создали отдельно друг от друга 2 ученых: русский исследователь И. Сафонов в
1837 и французский ученый Фурнейрон в 1834 году. Однако изобретателем
гидротурбины, можно даже сказать первой ГЭС, считается М. Доливо-Добровольский.
Свое изобретение он продемонстрировал на выставке во Франкфурте. Оно состояло
из генератора трехфазного тока, который вращала водяная турбина, а электричество,
вырабатываемое ею, передавалось по 170 километровым проводам на всю территорию
выставки. В настоящее время энергия воды составляет более 60 процентов от всех
ВИЭ и является самой производительной из всех (КПД современных ГЭС составляет
около 85-95%). После этого в мире начинается «гидроэнергетический бум».
Основными причинами
столь бурного развития гидроэнергетики являются постоянное возобновление
ресурсов круговоротом воды в природе и относительно простыми механизмами добычи
самой энергии. Однако, зачастую, постройка и установка ГЭС очень трудоемкий и
капиталоемкий процесс. Особенно это относится к сооружению плотин и накоплению
огромных масс воды за ними. Также стоит отметить, что добыча гидроэнергии
экологически чистый процесс. Но пока людям служит лишь небольшая часть
гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды,
образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными.
Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы
дополнительно колоссальное количество энергии.
Если описывать
работу ГЭС, то ее принцип заключается в выработке энергии турбиной, вращаемой с
помощью падающей с неопределенной высоты воды. Гидравлическая турбина
преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения
вала. Существуют разные конструкции гидротурбин, соответствующие разным
скоростям течения и разным напорам воды, но все они имеют только два лопастных
венца. Ось вращения турбины, рассчитанной на большой расход и малый напор,
обычно располагают горизонтально. Такие турбины называют осевыми или
пропеллерными. Во всех крупных осевых турбинах лопасти рабочего колеса могут
поворачиваться в соответствии с изменениями напора, что особенно ценно в случае
приливных ГЭС, всегда работающих в условиях переменного напора. Турбины
устанавливаются в зависимости от напора водяного потока на ГЭС.
Гидравлическая
энергия рек обусловлена проекцией силы тяжести на направление движения потока
воды, которая определяется разностью уровней воды в начале и в конце рассматриваемого
участка реки. При разности уровней Н [м] на длине участка / [м] и среднем
расходе воды Q [м3/с], мощность водотока/* [Вт] составит:[8]
P= сgQH= 9810QH (1)
где р - плотность
воды, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Гидроэлектрические
станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:
Мощные -
вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;
Средние -
до 25 МВт;
Малые
гидроэлектростанции - до 5 МВт.
Мощность ГЭС
напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за
того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости
от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности
гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру,
различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы
гидроэлектростанции.
Существуют также
гидроаккумулирующие электростанции. Они способны аккумулировать вырабатываемую
электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы
таких электростанций следующий: в определенные моменты (времена не пиковой
нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают воду в специально
оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них
поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие
дополнительные турбины.
В
гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить
дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие
навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для
ирригации и многое другое.
В настоящее время
лидерами по выработке гидроэнергии являются Норвегия, Китай, Канада, Россия.
Лидером по количеству энергии воды на душу населения является Исландия.
1.4 Гелиоэнергетика
Солнце - один из
самых источников излучения в нашей Вселенной. И поэтому не случайно энергия
звезды все больше используется человеком для переработки в электричество.
Действительно, излучение Солнца, доходящее до всей поверхности Земли, имеет
колоссальную мощность 1,2*1014 кВт. И иногда очень обидно, что
огромная часть этой энергии пропадает зря, особенно если она по своему
количеству в разы превосходит ресурсы всех остальных ВИЭ вместе взятых. Поэтому
в последние годы все активнее развивается гелиоэнергетика, в которой
используется солнечная радиация для получения электричества.
Первые зачатки
гелиоэнергетики появились в середине 19 века. Первооткрывателями стали ученые
Адамс и Дей, которые впервые провели эксперимент с твердотельными
фотоэлектрическими элементами на основе селена. Однако прошло более 50-ти лет,
чтобы их открытие переросло во что-то большее. Основой для создания первых
солнечных батарей послужила разработка теории полупроводниковых материалов с p-n переходом. В этой методике
используются атомы кремния. Суть всей технологии заключается в том, что при
повышении температуры молекулы кремния за счет нагревания солнечной энергией,
тепловые колебания кристаллической решетки приводят к разрыву некоторых
валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в
образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами
проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и
образуют электрический ток.
В целом,
поступление радиации на земную поверхность зависит от:[10]
Географической
широты;
Состояния
атмосферы;
Климатических
особенностей территории;
Высоты
места приема над уровнем моря;
Высоты
солнца над горизонтом и др.
Общее излучение,
доходящее до Земли подразделяется на:
Прямое
излучение, дошедшее до Земли;
Рассеянная
радиация;
Противоизлучение
атмосферы.
На основе этих
величин составляется суммарный радиационный баланс земли, по которому
определяются наиболее удачные места для расположения гелиостанций.
Классифицировать их
можно по: [6]
) Виду
преобразования солнечной энергии в другие ее виды - тепло или электричество
) Концентрированию
энергии - с концентраторами или без них
3) Технической сложности - простые и сложные
К простым
установкам относят опреснители, нагреватели воды, сушилки, печные нагреватели
ит.д.
К сложным относятся
установки, которые преобразуют поступившую солнечную энергию в электрическую
путем фотоэлектрических приборов.
Тепловые
гелиостанции в основном используются для нагрева воды и воздуха. Также
солнечное тепло используется для различных печей и зерносушек, а также в
солнечных дистилляторах, которые могут вырабатывать чистейшую пресную воду.
В
термоэлектрических преобразователях солнечная энергия используется для
возникновения эффекта Зеебека. Он заключается в том, что если два различных
проводника, соединенных последовательно, содержать в разных температурных
средах, то в них появляется электродвижущая сила. Следовательно, вырабатывается
ток. Солнечная радиация применяется для того, чтоб создать разность температур.
Обычно, ею нагревается «горячий» проводник. Обычно, такие установки применяются
как автономные источники питания.
Концентраторами
солнечной энергии являются параболовидные агрегаты, сделанные обычно из стекла
или полированного металла. Их значение заключается в том, чтобы «ловить»
солнечные лучи и отражать их в солнечный коллектор.
Одним из лидеров
использования солнечной энергии является Швейцария. В данный момент в стране
эффективно развивается программа по строительству гелиостанций. Также идет
тенденция на производство солнечных батарей, устанавливающихся на крыши зданий
или как фасады. Такие установки могут компенсировать 50…70% энергии,
затрачиваемой на производство
1.5 Энергия биомассы
К биомассе относятся все вещества
органического происхождения.
Что же можно применить в качестве
источника энергии?
1. Древесина. Уже многие тысячи
лет человек использует дрова для получения тепла, приготовления пищи, освещения
жилья. Да и до сих пор в мелких поселениях традиционно используется этот вид
получения энергии. К сожалению это все приводит к одной из важнейших проблем
мира - вырубки лесов. Однако эта задача решается с помощью использования
энергии быстрорастущих деревьев, таких как тополь, ива и др.
2. Отстой сточных вод. Если
вдуматься, то в использованных человеком водах таятся огромные запасы энергии.
При отстаивании жидкости образуется огромное количество твердого вещества,
которое при переработке анаэробными бактериями может содержать около 50%
органического вещества. Однако существуют значительные трудности при
переработке сточных вод. Главное из них - высушивание этих вод, так как на это
тратится много тепла, которое по своим количественным характеристикам может
превосходить теоретические значение энергии при полном сгорании отстоянного
вещества. Также этот процесс не рентабелен с точки зрения экологии. Ведь при
сгорании выделяется большое количество углекислого газа. Самым правильным
вариантом в этом случае считается получение метана при помощи анаэробных
бактерий. Но установки для этого весьма несовершенны, поэтому этот способ в
современное время не получает большого размаха.
. Отходы животноводства.
Экскременты животных содержат высокое количество органического вещества,
которые может использоваться для получения энергии. Однако так же, как и в
случае со сточными водами, в навозе содержится большое количество влаги,
поэтому его высушивание не выгодно. Тогда существует другой вариант - это
анаэробное перегнивание. С помощью него получают метан, а оставшиеся вещества
могут пойти на удобрения для почв. Но стоит помнить, что количество
перерабатываемого вещества гораздо больше в более свежем навозе, поэтому, чтобы
его переработка была экономически выгодна, нужны специальные постройки, позволяющие
собирать все экскременты в одно место, не теряя его свежести.
. Растительные остатки. После
сбора урожая всегда остаются неиспользуемые части растений. Они представляют
еще один источник энергии. В них содержится целлюлоза - углеродсодержащий углевод.
Благодаря относительно небольшому количеству влаги в останках, при сжигании они
выделяют много энергии. Ограничивающим фактором развития этого источника
энергии является сезонность произрастания культур. Чтобы обеспечить
круглогодичное использование останков растений, нужны специальные сооружения
для их роста. Также немаловажными факторами являются потребность в перевозки к
месту переработки и легкость сбора культур.
. Пищевые отходы. Они тоже
могут служить источником получения энергии. Особенно учитывая, что, например, в
отходах фруктов содержится большее количество углеродсодержащих сахаров, чем в
остатках зерновых культур, а в остатках мясных продуктов значительное
количество протеина. Но наличие влаги затрудняет возможность получения энергии
путем сгорания отходов. Поэтому целесообразней из них получать метан с помощью
бактерий. Но тут появляется другая трудность: пищевые отходы с успехом
используются в животноводстве. Поэтому этот источник практически не развивается
в наше время. Исключение только составляют отходы в виде семян и шелухи, а
также остатки от сахарного тростника. Например, в странах, где произрастает
много тростника, его отходы идут на производство этанола, который при сжигании
выделяет большое количество энергии. Самым ярким примером могут послужить
Гавайские острова. [1]
2. Состояние и
перспективы возобновляемых природных источников энергии в мире и в России
2.1 Ветроэнергетика в
мире и России
Установленная
мощность ВУ в Европе в 1990 г. составляла 324 МВт, наибольшая часть в Дании. По
оценкам экспертов мощность ВЭС к 2008 г. в Европе составит 4860 МВт.[10]
Главными производителями ВУ в Европе являются Дания, Великобритания, Германия и
Бельгия. Дания является ведущей страной в мире по производству и экспорту ВУ, в
том числе и в США. По неофициальным данным к 2010 г. в Дании за счет ВЭУ будет
произведено до 10% вырабатываемой в стране электроэнергии.
В Германии к 2010г.
общая мощность ВЭС по оценкам составит 500 МВт с выработкой 0,2%
электропотребления страны. Лидером ветроэнергетики в Германии в последние годы
является фирма «Enercon», выпустившая в 2000 году 27% всего объема продукции
ветроэнергетики страны.
В Нидерландах
освоение ВУ начато с 1976 г. Ветроэнергетической программой предусматривается
увеличение действующих мощностей ВУ с 100... 150 МВт (1990 г.) до 1000 МВт
(2008 г.), что позволит получить 4...7% от общего энергопотребления. Не стоят
на месте голландские производители. Фирма «Enron Wind» установила в Швеции
несколько ВЭУ собственного производства.
В Великобритании энергия
ветра признана одним из перспективных источников. Правительственной программой
по ветроэнергетике предусмотрено увеличить мощность ВЭУ к 2008 г. до 600 МВт,
получить в 2008 г. за счет энергии ветра 10% потребляемой в стране
электроэнергии, далее довести этот показатель до 20%.
Не отстают от
Европы и азиатские страны. Например, в Индии было создано Министерство
нетрадиционных источников энергии, которое осуществляет разработку отрасли в
целом, планирование инвестиций и меры экономического развития. В настоящее
время несколько крупных индийских компаний, таких как «Micon», «Vestas», «Zond» и другие заняты
сборкой и производством ВЭУ.
Основу мировой
ветровой энергетики составляют ВЭУ, работающие на сети энергосистем. Их доля
составляет 99% от суммарной мощности действующего ветроэнергетического парка.
Это объясняется тем, что для работы таких установок не требуются дополнительные
источники питания.
Доля ВЭУ,
применяемых в качестве автономных источников едва превышает 1%. Это объясняется
тем, что автономные ВЭУ имеют малую мощность при большое цене. Также, на
отдельные ВЭУ не распространяются налоговые льготы государств, поэтому это
делает их нерентабельными.
В России допущено
наибольшее отставание от передовых достижений зарубежных стран в области
освоения ВИЭ именно в ветровой энергетике. В дореволюционной России действовало
более 20 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн.кВт.
В настоящее время в
РФ выпускаются серийно только агрегаты типа АВЭЦ-6-4М мощностью 2...4 кВт.
Кроме того, освоено мелкосерийное производство зарядных ВЭА мощностью 100...250
Вт и водоподъемные ВА с механическим приводом производительностью 1 м3/ч
(воды). За последние годы (8 лет) введено в эксплуатацию около 10 тысяч ВУ
такого типа. Оценка ресурсов ветроэнергетики показывает, что для
энергетического использования пригодны около 8 млн.км2 территории, где
среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с. Если использовать только 1%
территории для размещения ВЭУ, то их установленная мощность может превысить 300
млн. кВт.[6]
Тормозом развития,
внедрения и широкомасштабного использования ветроэнергетики в России является
целый ряд причин.
Основные из них -
отсутствие государственной позиции и, как следствие, неопределенность
государственных целей и приоритетов. До сих пор в стране не приняты
общегосударственные и региональные программы развития ветроэнергетики и не
созданы государственные органы управления на федеральном и региональном
уровнях.
Законодательные
барьеры обусловлены отсутствием законов и механизмов, регулирующих развитие и внедрение
ВИЗ, а также нормативов, обеспечивающих свободный доступ независимых
производителей к электросетям энергосистем.
Экономические
барьеры связаны с отсутствием госфинансирования, низкой платежеспособностью
населения и организаций, с отсутствием экономических стимулов для вложения
инвестиций (налоговых льгот, льготных кредитов) и гарантий возврата вложенных
средств.
Научно-технические
и профессиональные барьеры обусловлены отсутствием по большинству видов ВИЭ
готовых систем энергоснабжения и системы сертификации оборудования,
неразвитостью инфраструктуры и ремонтно-эксплуатационной базы, отсутствием
квалифицированных кадров, низким уровнем технологических разработок и
научно-информационного сопровождения проектов.
Информационные
барьеры связаны со слабой осведомленностью населения, руководства и
общественности о возможностях, преимуществе и эффективности использования ВЭС и
с отсутствием системы пропаганды в СМИ.
Существенным
барьером для широкомасштабного внедрения ВЭС является необоснованное мнение об
их экономической неэффективности, по крайней мере, в РФ с ее запасами
органических, ядерных и водных энергоресурсов.
Но если посмотреть
с другой стороны, то в нашей стране есть существенные предпосылки для развития
этого вида энергетики, которые обусловлены:
· острой
необходимостью обновления устаревших и выработавших ресурс энергетических
мощностей страны (до 5% в год от суммарных генерирующих мощностей страны,
составлявших к 2005 году около 217 ГВт);
· высокой технической
и экономической конкурентоспособностью современных ВЭС с традиционными
технологиями энергопроизводства на основе невозобновляемых видов топлива
· высоким уровнем
развития ветроэнергетических технологий в мире и возможностями быстрого и
эффективного их трансферта и использования в России
· богатейшим
сухопутным и морским ветроэнергетическим потенциалом во многих регионах России,
высоким уровнем его изученности, а также наличием эффективных отечественных
методик быстрого и экономичного проведения технико-экономического обоснования
ветроэнергетических проектов.
2.2 Состояние и
перспективы мировой гидроэнергетики
Объем генерирующих
мощностей ГЭС по всему миру неуклонно рос в среднем на 3 процента ежегодно в
течение последних четырех десятилетий. Согласно последним данным специалистов
Института политики Земли, в 2011 году ГЭС вырабатывали 3.5 трлн. киловатт-часов
электричества. На гидроэнергетику пришлось около 16 процентов мирового
производства электроэнергии. Почти все генерирующие мощности сконцентрированы
на 45 000 с лишним крупных плотинах. Сегодня гидроэнергетика развита и широко
используется в более чем 160 странах мира.
Сейчас крупнейшими
производителями гидроэнергии в абсолютных значениях являются Китай, Канада,
Бразилия, США и Россия. Однако абсолютный лидер по выработке гидроэнергии на
душу населения - Исландия. Кроме нее, этот показатель наиболее высок в Норвегии
(доля ГЭС в суммарной выработке - 98 процентов), Канаде и Швеции.
Стоит отметить, что
в развитых странах Европы и Америки практически исчерпаны возможности для
строительства новых ГЭС. Так что смело можно прогнозировать, что новые большие
ГЭС будут строить в основном в Африке, Азии и Южной Америке, так как на других
континентах, везде, где только можно построить большую ГЭС, они уже стоят.
Эти выводы
подтверждаются тем, что крупнейшие ГЭС мира находятся именно в этих регионах.
Так, именно в Азии, в Китае, располагается крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на
реке Янцзы. Мощность этой станции составляет 22,4 ГВт. Кроме того, в Китае
ведется строительство крупнейшего по мощности каскада ГЭС. Вторая по величине
гидроэлектростанция в мире называется «Итайпу» и стоит на реке Парана, на
границе Бразилии и Парагвая. Ее мощность - 14 ГВт. Наконец, «тройку призеров»
замыкает гидроэлектростанция имени Симона Боливара, или «Гури», в Венесуэле, на
реке Карони. Ее мощность - 10,3 ГВт.
Однако все эти
достижения инженерной мысли меркнут перед ГЭС «Гранд Инга». Эта
гидроэлектростанция, мощность которой составит 39 ГВт, планируется к сооружению
международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго
(бывший Заир). У «Гранд Инга» будут пятьдесят две гидротурбины по 750 МВт
каждая, плотина высотой 150 метров, будет использоваться часть потока скоростью
26 400 кубометров в
секунду. В случае успеха проекта «Гранд Инга» вдвое превзойдет «Три ущелья».
Но все это касается
крупных станций. Не стоит забывать и о развитии малых ГЭС, которые по темпу
своего развития могут поспорить с их «старшими собратьями». Хотя их удельная
мощность не столь велика, все же они играют неоценимую роль в локальном
обеспечении человека электричеством.
Строительство микро
ГЭС имеет широкие перспективы развития в различных регионах мира с
трансграничными речными бассейнами. Малая гидроэнергетика свободна от многих
недостатков крупных ГЭС и признана одним из наиболее экономичных и экологически
безопасных способов получения электроэнергии, особенно при использовании
небольших водотоков.
Преимущества малых
ГЭС над крупными:
эффективные
технологии;
минимальные площади
затопления и застройки;
местное и региональное
развитие;
помощь в
обслуживании речного бассейна;
электрификация
сельских территорий;
небольшой срок
окупаемости.
При строительстве и
эксплуатации МГЭС сохраняется природный ландшафт, практически отсутствует
нагрузка на экосистему. К преимуществам малой гидроэнергетики - по сравнению с
электростанциями на ископаемом топливе - можно также отнести: низкую
себестоимость электроэнергии и эксплуатационные затраты, относительно недорогую
замену оборудования, более длительный срок службы ГЭС (40-50 лет), комплексное
использование водных ресурсов (электроэнергетика, водоснабжение, мелиорация,
охрана вод, рыбное хозяйство).
В настоящее время
нет общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции. Однако во
многих странах в качестве основной характеристики такой ГЭС принята ее
установленная мощность. К малым, как правило, относятся ГЭС мощностью до 10 МВт
(в некоторых странах до 50 МВт).
Традиционная
гидроэнергетика будет продолжать расти по мере ввода в эксплуатацию объектов в
Китае, Бразилии и других странах, в том числе в Эфиопии, Малайзии и Турции.
Одновременно с этим существует огромный потенциал для развития нетрадиционной
гидроэнергетики: приливных и волновых проектов, а также небольшого числа
проектов, которые не потребуют строительства новых плотин.
Энергия волн также
привлекает внимание инженеров и инвесторов. Компании во Франции, Шотландии,
Швеции и других странах активно работают для захвата этого рынка. По оценкам
Всемирного энергетического совета, во всем мире волновая энергия имеет потенциал
для генерации 10000 ГВт - более чем вдвое выше генерирующих мощностей от всех
видов современных источников во всем мире.
Гидроэнергетический
потенциал рек России оценивается величиной 852 млрд. кВт/ ч. в год. Это так
называемый экономический потенциал, пригодный для промышленного использования.
По величине гидроэнергопотенциала Россия занимает 2-е место в мире, уступая
только Китаю.
Распределение
гидроэнергоресурсов по территории страны крайне неравномерно. На Европейскую
часть России приходится 25%, на Сибирь 40% и 35% на Дальний Восток. В наиболее
промышленно развитой части страны - Центре Европейской части,
гидроэнергопотенциал использован практически полностью. Возможности развития
гидроэнергетики в Европейской части имеются на Северо-западе и Северном
Кавказе. В целом по Европейской части России использование
гидроэнергопотенциала составляет около половины возможного.
Необходимо
отметить, что в наиболее развитых странах мира процент использования гидроэнергетических
ресурсов, как правило, существенно выше. Если же такие страны располагают
существенным гидропотенциалом, то они практически полностью обеспечивают себя
электроэнергией за счет ГЭС - Норвегия, Швейцария, Австрия и др. Пожалуй, нам
нужно брать пример с Норвегии. Она является абсолютным мировым лидером по
производству электроэнергии на душу населения - 24 000 кВт час в год, 99,6% из
которых производится на ГЭС.
В России наиболее
богатым гидроэнергоресурсами регионом является Сибирь. Здесь протекают
крупнейшие реки России - Енисей, Ангара Лена и др. На сегодня
гидроэнергоресурсы Сибири использованы на 20%. Здесь построены крупнейшие ГЭС
России - Красноярская, Братская, Усть-Илимская, Саяно-Шушенская. На базе этих
ГЭС возник мощный промышленно развитый регион, основу которого составили
предприятия с энергоемкими производствами: металлургические, химические,
лесоперерабатывающие и др.
Наименее освоены
гидроэнергоресурсы Дальневосточного региона. Из крупных ГЭС здесь действуют
только Зейская и Колымская ГЭС, заканчивается строительство Бурейской.
Потенциал региона освоен только примерно на 4%.
Однако чтобы
заполнить эти «недостатки», в умеренных темпах развивается строительство новых
станций на всех пригодных территориях нашей страны. В ближайшие 5 лет
планируется ввести наибольший объем мощностей ГЭС с помощью ряда строящихся
установок: Бурейской ГЭС, Богучанской ГЭС, Усть-Среднеканской ГЭС, Светлинской
ГЭС, Ирганайской ГЭС и др.
Смело можно
сказать, что большинство станций находятся на стадии завершения строительства,
а некоторые даже в настоящее время эксплуатируются.
Следующим этапом
планирования должна стать среднесрочная перспектива, ориентированная на 2020 -
2030 годы. Здесь уже на первый план должны выйти соображения
общегосударственного значения. Именно государство должно принять
основополагающее решение - необходимо ли в данном регионе развитие энергетики
или нет? Решение это должно приниматься с учетом всестороннего анализа условий
существования региона - экономических, социально-политических, экологических и
др. Если принято положительное решение, то есть развитие энергетики является
безальтернативным, то далее в действие вступают механизмы выбора оптимальной
структуры энергообеспечения. Это могут быть разные типы генерирующих мощностей,
конфигурация линий электропередач и пр. Здесь уже могут быть задействованы
рыночные методики сравнительной эффективности, позволяющие выделить наиболее
экономически эффективные объекты из числа рассмотренных. Но формальные
показатели абсолютной эффективности даже самого оптимального из них могут
оказаться отрицательными. В этом случае надо говорить об общественной
эффективности, которая будет получена не за счет продажи электроэнергии. Она
определится развитием региона, повышением уровня жизни, созданием благоприятных
условий жизни для населения и обеспечит прочие условия.
В России можно
выделить определенные зоны предпочтительного развития гидроэнергетики. Это
районы с наличием гидропотенциала, то есть рек с большими перепадами высот. В
России так сложилось, что именно в таких местах экономика развита слабее, чем в
равнинных районах центра европейской части, где неиспользованного
гидропотенциала практически уже нет. Поэтому в ряде случаев возникает вопрос о
целесообразности передачи энергии ГЭС, расположенных в малообитаемых и
труднодоступных районах в экономически более развитые районы.
К числу таких
проектов относится Эвенкийская ГЭС. Эта ГЭС мощностью 12 млн. кВт может быть
построена в самом малонаселенном районе России, в Эвенкии, на реке Подкаменная
Тунгуска. Энергию этой ГЭС в объеме 46 млрд. кВт/ч в год предполагается
передавать в европейскую часть России и район Тюмени. В случае реализации эта
ГЭС вошла бы в тройку крупнейших ГЭС мира.
Весьма
перспективным для строительства ГЭС является район бассейна реки Амур. Если в
основном русле реки строительство ГЭС проблематично из-за равнинной местности,
то на ее притоках - реках Зея, Бурея, Шилка и др. могут быть построены ряд
достаточно эффективных ГЭС.
В целом, можно
сказать, что для России перспективы развития ГЭС огромны. Не стоит забывать,
что мы обладаем одних из самых богатых водных ресурсов в мире. И не смотря на
все трудности развития этой отрасли, нужно создавать определенные программы
совершенствования столь важной отрасли, и заниматься этим должно государство,
которое, все-таки, не столь пристально уделяет внимание своим прямым
обязанностям.
2.4 Солнечная энергетика
в мире и России
Каждый день на
Землю поступает огромное количество энергии, которое может покрыть все
потребности современного мира. Если бы человек научился получать хотя бы 0,5%
этой энергии, то можно было покрыть все затраты мира в электричестве и тепле.
Но из-за природных барьеров мы не можем этого сделать. Однако в некоторых
странах гелиоэнергетика занимает одно из ведущих мест. Один из примеров -
Швейцария. Созданная в стране программа «Солар-91» помогает расширять ареал
действия гелиоэнергетики. В стране построено около 2500 солнечных
фотоустановок, которые помогают решить энергетические и экологические проблемы
государства.
Несмотря на
относительное непостоянство солнечной энергии, ее «добыча» активно развивается
в последние годы. В США построены 8 крупных электростанций модульного типа,
мощностью около 470 МВт. Энергия от них идет на обеспечение штатов. Мощность
произведенных фотоэлектрических преобразователей в мире достигает около 300 МВт
в год. В настоящее время в мире работает более 1,5 млн. гелиоустановок
теплового типа.
Разрабатывают и
необычные проекты гелиостанций. Например, в Австралии принят план строительства
солнечной башни, высотой 1 км. У подножия будет располагаться огромная
семикилометровая в диаметре теплица. Воздух, нагретый в теплице, будет идти по
трубам, вращая ветродвигатели. Мощность такой станции оценивается в 200 МВт, а
стоимость в 300 млрд. $.
Таким образом,
гелиоэнергетика постепенно получает одно из приоритетных мест в энергетическом
развитии многих стран. Государства, в свою очередь, принимают законы, которые
оказывают существенную поддержку развитию данной отрасли. Без принятия таких
законов развитие солнечной энергетики гасло бы на начальных стадиях развития.
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.
Осведомленность о существовании и возможностях солнечной энергетики находится
на низком уровне, отсутствуют законодательные нормы, поддерживающие
производство и использование СФЭУ.
Сегодня возникает
одновременно целый ряд проектов по созданию и развитию производства СФЭУ в
России. Проект строительства завода по производству солнечных модулей на базе
передовой тонкопленочной технологии в Чувашской Республике (г. Новочебоксарск),
реализуемый компанией «Хевел».
Российская
Федерация обладает огромным потенциалом использования солнечной энергии.
Регионы юга России, Дальнего Востока и Забайкалья отличаются высоким уровнем
солнечной радиации, сравнимым с южными регионами Европы, где солнечная
энергетика уже получила интенсивное развитие.
К факторам, которые
в различной степени влияют на развитие отрасли в РФ можно отнести:
Климатические
условия. Не стоит забывать, что значительная часть нашей страны располагается в
северных широтах, где значение инсоляции очень мало.
Государственная
поддержка. Наличие законодательно установленных экономических стимулов к
развитию солнечной энергетики оказывает решающее значение на ее развитие. Среди
видов государственной поддержки, успешно применяющихся в ряде стран Европы и
США, можно выделить: льготный тариф для СЭС, субсидии на строительство СЭС,
различные варианты налоговых льгот, компенсация части расходов по обслуживанию
кредитов на приобретение СФЭУ.
Стоимость
СФЭУ. Сегодня солнечные электростанции являются одними из наиболее дорогих
используемых технологий производства электроэнергии. Однако по мере снижения
стоимости 1 кВт/ч выработанной электроэнергии солнечная энергетика становится
конкурентоспособной. От снижения стоимости 1Вт зависит спрос на установки.
Снижение стоимости достигается за счет повышения КПД, снижения технологических
затрат и снижения рентабельности производства.
Экологические
нормы. На рынок солнечной энергетики положительно может повлиять ужесточение
экологических ограничений и штрафов. Совершенствование этих механизмов может
дать новый экономический стимул для рынка СФЭУ.
Важным фактором
развития СЭ является сравнение себестоимости электроэнергии, полученной от
СФЭУ, со стоимостью электроэнергии, полученной из традиционных источников.
Показателем перспективности СЭ, а соответственно и экономической
целесообразности применения СФЭУ, в регионе является достижение равенства этих
стоимостей.
В итоге можно
сказать, что нам есть, куда расти. Гелиоэнергетический потенциал нашего
государства велик, нужно только с умом подойти к развитию данной отрасли
энергетики.
2.5 Развитие
биоэнергетики в мире и России
Один из наиболее
перспективных видов возобновляемого энергетического сырья в России и мире
является биомасса. Пока же её ресурс задействован в очень небольшой степени.
Однако, по факту, около 10% всего топлива в мире приходится на древесину.[1] С
одной стороны, это успех в развитии ВИЭ. Но с другой стороны, количество
потребляемой древесины превосходит ее ежегодный прирост. Также древесные
ресурсы используются крайне не продуктивно. Ведь около 50% сырья идет на
отходы. Это одна из главных проблем, над которыми следует призадуматься.
В США действуют
правительственные программы поддержки роста интенсивности лесного хозяйства.
Лесничие штатов помогают частным владельцам в вопросах многостороннего
использования леса, используются прямые субсидии на развитие биоэнергетики.
Уровень субсидий на переработку неделовой древесины в США таков, что
фактическая себестоимость производства топливных гранул составляет всего 3
доллара против 40-50 долларов в России.
Среди разных видов
биотоплива в последние годы большим вниманием пользуется древесный уголь.
Возможно многофункциональное использование этого продукта - в качестве топлива,
сорбента, исходного сырья для производства кристаллического кремния и
материала, повышающего плодородие почв.
Об эффективности
внесения древесного угля в почву заговорили несколько лет назад. Этот уголь
получил наименование «биочар», применение которого уже называют новой «зеленой
революцией», которая может спасти человечество от вновь надвигающегося голода.
В России эксперименты с биочаром проводили ещё в середине XX века, и они
доказали его эффективность, но пока наша страна остаётся в стороне от развития
производства этого продукта.
Также спросом в
мире пользуется торфяное топливо. Оно экологически чище угля и топочного
мазута. В выбросах котельных, работающих на торфяном топливе, содержится
значительно меньше диоксида серы, основной причины образования и выпадения
кислотных дождей, и более чем в 10 раз меньше других вредных выбросов. Торфяная
топливная продукции может производиться в виде фрезерной крошки, кускового торфа,
брикетов, пеллеты, формованного заводского топлива. Вид продукции, получаемой
из торфа, зависит от сырьевой базы и от требований к сжиганию топлива. Кроме
того, организация добычи и переработки торфа - легко диверсифицируемое
производство.
В последние
двадцать лет торфяная промышленность России переживала резкий спад: в 1991 году
общее производство продукции из торфа составляло 1,3 млн. тонн, но к 2005 г.
оно сократилось до 7 тыс. тонн - почти в 200 раз. Однако, в последние пять лет,
обозначилась смена тенденции, и к 2010 году общий объем продукции уже превысил
70 тыс. тонн. В развитии торфяной отрасли инициатива на данный момент
принадлежит Кировской, Ивановской, Псковской, Владимирской областям, где торф
используется, главным образом, как местный энергетический ресурс. Большой
интерес представляет также использование топливных брикетов. Это спрессованный
под высоким давлением растительный материал (опилки, торф, солома), который, в
результате прессования, приобретает улучшенные свойства.
К сожалению, у
использования биомассы в качестве топлива есть свои преграды. Как и в случае с
ископаемым топливом, сжигание вызывает образование CO2. Однако
ископаемое топливо выделяет CO2 миллионы лет, создавая его избыток в
атмосфере. В противоположность, углекислый газ, выделяемый биомассой при
сжигании, поглощается растениями. Биотопливо считается
"углеродно-нейтральным" и пока оно только позволяет сократить выбросы
вредных веществ в атмосферу.
В будущем биомассы
могут заменить нефть, газ и уголь во многих областях. Правительства различных
стран будут финансировать исследования в области развития биотоплива. Среди
вещей, которые предстоит усовершенствовать, - фабрики по очистке биомассы.
Такие фабрики будут принимать различные виды биотоплива и создавать постоянный запас
для использования в различных областях промышленности. На одной из рафинадных
фабрик в качестве основы для ферментации используются сахар в виде целлюлозы и
лигнин из растений, в результате получается этанол. В качестве биотоплива может
использоваться дерево и различные виды трав. На других рафинадных заводах для
стандартизации биомассы используется термохимический подход, превращающий массу
в более эффективные жидность или газ.
Исследователи видят
будущее биомассы в замене нефти, как источника многих химикатов, используемых в
современном мире. Вещи из пластика, краски и клеи можно производить не из
нефтепродуктов, а из биомассы.
Подводя итог, можно
сказать, что в мире активно ищут способы для получения биоэнергии. Надо
признать, что не во всех странах это происходит. Одним из главных факторов
торможения является не обеспеченность поддержкой государства развития данной
отрасли. Не во всех странах правительство поощряет инициативу в пользу
биоэнергетики. Поэтому нужно находить способы расширения отрасли на
государственном уровне.
Заключение
В данной работе
были рассмотрены виды возобновляемых источников энергии, их классификация и
возможности развития в мире и России.
Проведенная работа
включала несколько этапов:
На первом этапе был
проведен обзор литературных источников в области нетрадиционной энергетики.
На втором этапе
были рассмотрены виды и структура ВИЭ, их классификация и тенденции развития.
На третьем этапе
был проведен анализ перспектив использования ВИЭ в мире и России.
Таким образом,
развитие ВИЭ в мире представляется актуальным и перспективным проектом.
Во-первых, развитие и использование ВИЭ 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.
Список
использованной литературы
1. Биомасса
как источник энергии: Пер. с англ. / Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М.:
Мир, 1985.- 368 с.
2. Благородов
В.Н. Проблемы и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых
источников энергии / В. Благородов // Энергетик. - 1999. - №4. - С. 2.
. Бринкман,
Энди. Физические проблемы экологии / Э. Бринкман; пер. с англ. А.Д.
Калашникова; доп. В.В. Тетельмина. - Долгопрудный: Интеллект, 2012. - 287 с.
. Ветроэнергетика
/ Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ.; под ред. Я.И. Шефтера. - М.:
Энергоатомиздат, 1982. - 272 с.
. Гидроэнергетика:
Учебник для студентов высших учебных заведений / В.И. Обрезков, Н.К. Малинин,
Л.А. Кароль [и др.].; Под ред. В.И. Обрезкова. - М.: Энергоиздат, 1981. - 608
с.
. 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.
. Инновационные
технологии производства биотоплива второго поколения: научное издание / В.Ф.
Федоров и др.; М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации. - М.: Росинформагротех, 2009. -
67 с.
. Лукутин
Б.В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении / Б.В.
Лукутин, О.А. Суржикова., Е.Б. Шандрова. - М.: Энергоатомиздат, 2008. - 231 с.
. Сибибкин
М.Ю. Технология энергесбережения: учебник для студентов учреждений сред. проф.
образования, обучающихся по группе специальностей «Машиностроение» / М.Ю.
Сибибкин, Ю.Д. Сибибкин. - 2-е изд., перераб. и. доп. - М.: Форум, 2010. - 351
с.
. Сибикин
Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Ю.Д.
Сибикин, М.Ю. Сибикин. - М.: КноРус, 2010. - 227 с.
. Тарасов,
А. Стимулирование освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии:
мировые тенденции и Россия / А. Тарасов. // Экономические науки. - 2009.-№5. -
С. 176 - 178.
. Ушаков
В.Г. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие для энерг.
и технол. спец. вузов / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1994. - 120
с.