Электростанции использующие возобновляемые источники энергии. Возобновляемые источники энер­гии

по дисциплине:

"Основы энергосбережения"

Тема: "Возможности использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии"

Введение

Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения

Использование возобновляемых источников энергии

Возобновляемые источники энергии в России до 2010 года

Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области

Заключение

Список литературы

Введение

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органического топлива (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии - нетрадиционных и возобновляемых.

Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников, в отличие от возобновляемых, находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.

В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков.

Основным видом "бесплатной" неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце . Оно ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг урана (U2351).

Самый простой способ использования энергии Солнца - солнечные коллекторы, в состав которых входит поглотитель (зачерненный металлический, чаще всего алюминиевый лист с трубками, по которым протекает теплоноситель). Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к горизонту, равным широте местности или монтируются в кровлю. В зависимости от условий инсоляции в коллекторах теплоноситель нагревается на 40-50° больше, чем температура окружающей среды. Такие системы применяются в индивидуальном жилье, практически полностью покрывая потребность населения в горячей воде; в районных отопительных установках, а также для получения технологической тепловой энергии в промышленности. Солнечные коллекторы производятся во многих городах России, и стоимость их вполне доступна.

Электроэнергия от светового потока может производиться двумя путями: путем прямого преобразования в фотоэлектрических установках, либо за счет нагрева теплоносителя, который производит работу в том или ином термодинамическом цикле. Прямое фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию используется на фотоэлектрических или солнечных станциях, работающих параллельно с сетью, а также в составе гибридных установок для автономных систем ("экодомов" и пр.). Возможно также комбинированное производство электрической и тепловой энергии. В перспективе предполагается, что солнечной энергии будет придаваться большое значение вследствие ее щадящего воздействия на окружающую среду по сравнению с большинством других источников энергии. Это со временем выльется в относительную экономичность, однако пока удельные капитальные вложения в фотоэлектрические установки превышают традиционные в пять и более раз.

Скорость и направление ветра меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее "надежным", чем Солнце. Таким образом, возникают две проблемы, которые необходимо решить в целях полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность "ловить" кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Может быть, одним из решений станет внедрение новой технологии по созданию и использованию искусственных вихревых потоков.

Наиболее распространенным типом ветровых установок (ВЭУ) является турбина крыльчатого типа с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3 в фиксированном положении с небольшой регулировкой угла наклона. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной мощности, а задачу кондиционирования вырабатываемой энергии выполняет электроника. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения, возможностью соединяться непосредственно с генератором электрического тока без мультипликатора и высоким коэффициентом использования энергии ветра.

Другая популярная разновидность ВЭУ - карусельные ветродвигатели. Они тихоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при сильном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов неэффективно из-за низкого КПД последних. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем, "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков.

Экономический потенциал малых и мини-ГЭС составляет примерно 10% от общего экономического потенциала. Но используется этот потенциал менее чем на 1%. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительства новых малых и мини-ГЭС. Однако малые ГЭС, построенные путем полного перегораживания русла рек плотинами, обладают всеми недостатками наших гигантов энергетики (ГЭС) и строго говоря, вряд ли могут быть отнесены к экологически чистым видам энергии.

Бесплотинные микро-ГЭС для речек, речушек и даже ручьев существуют уже давно. Бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. в комплекте с аккумулятором обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую. Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную "лыжу" и тросами закрепляется с двух берегов. Бесплотинная мини-ГЭС, успешно зарекомендовавшая себя на речках Горного Алтая, доработана до уровня опытного образца.

Волновая энергия . В структуре возобновляемых энергоресурсов весьма перспективным энергоносителем являются океанские волны. Специалисты утверждают, что уже сейчас за счет энергии океанских волн возможно получение электроэнергии производительностью до 10 млрд. кВт. Это лишь незначительная доля совокупной мощности волн морей и океанов Земли. Вместе с тем она больше мощности всех электростанций, работавших на земле в 1990 г. Наиболее совершенен проект "Кивающая утка", предложенный конструктором С. Солтером (S. Salter, Эдинбургский университет, Шотландия). Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 кВт/ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это - 2,5 пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 кВт/ч).

Энергию приливов вполне можно "приручить" на приливных ГЭС, которые демонстрируют достаточно хорошие экономические показатели, но ресурс их ограничен - требуются специфические природные условия - узкий вход в бухту и т.п. Совокупная энергия приливов оценивается в 0,09*1015 кВт*час в год.

Геотермальная энергия , строго говоря, не является возобновляемой, поскольку речь идет не об использовании постоянного потока тепла, поступающего из недр к поверхности (в среднем 0,03 Вт/м2), а об использовании тепла, запасенного жидкими или твердыми средами, находящимися на определенных глубинах. Мировые запасы геотермальной энергии составляют: для получения электроэнергии - 22400 ТВт*ч/год, для прямого использования - более 140 ТДж/год тепла. Существующие геотермальные электростанции (геоТЭС) представляют собой одноконтурные системы, в которых геотермальный пар непосредственно работает в паровой турбине, или двухконтурные с низкокипящим рабочим телом во втором контуре.

Биомасса представляет собой весьма широкий класс энергоресурсов. Ее энергетическое использование возможно через сжигание, газификацию (термохимические газогенераторы, перерабатывающие твердые органические отходы в газообразное топливо), пиролиз и биохимическую переработку анаэробного сбраживания жидких отходов с получением спиртов или биогаза. Каждый из этих процессов имеет свою область применения и назначение.

Некоммерческое использование биомассы (проще говоря, сжигание дров) наносит большой ущерб окружающей среде. Хорошо известны проблемы обезлесевания и опустынивания в Африке, сведения тропических лесов в Южной Америке. С другой стороны, использование древесины от энергетических плантаций является примером получения энергии от органического сырья с суммарными нулевыми выбросами диоксида углерода.

Под выражением «возобновляемая энергия» либо регенеративная, то есть «зеленая энергия», подразумевается энергия источников, неисчерпаемая по человеческим меркам. В окружающей среде она представлена в широком спектре – солнечная, ветровая, водная, включая морские волны и течения, силы приливов и отливов океана, биомассы, геотермального тепла.

Возобновляемые природные ресурсы в жизни человека

В последние годы широкое развитие получила альтернативная энергетика. Она представлена самыми разнообразными видами ВИЭ, которые постоянно возобновляются.

Под формулировкой «возобновляемые источники энергии» подразумеваются определенные формы энергии, вырабатываемые в естественных условиях, за счет происходящих на поверхности Земли природных процессов.

Условно они делятся на классы – возобновляемые и невозобновляемые:

• к первому классу относятся источники, которые имеют неисчерпаемые источники энергии по человеческим меркам. Они постоянно пополняются естественным путем в ходе прохождения планетой определенного цикла;
• второй класс представлен невозобновимыми природными ресурсами, в число которых входит газ, нефть, уголь, уран. Они относятся к энергоресурсам, сокращающимся с истечением времени без возобновления до прежних размеров.

Возобновляемый источник энергии предоставляют ресурсы, в число которых входит солнечный свет, водный поток, приливы и геотермальная теплота. Их возобновлению способствует круговорот воды в природе, цикличность его определяется временем года. Явление способствует постоянному восполнению энергии естественным путем.

ВИЭ подразделяется на группы – традиционные и нетрадиционные источники

В первую группу входит:

• гидравлическая энергия воды, которая преобразуется в электрическую энергию. Каждая энергетическая станция вырабатывает ее посредством действия гидросилового оборудования, устанавливаемого на ней;
• энергия биомассы, получаемая в ходе сжигания древесного угля, дров, торфа. Она применяется в основном для выработки тепла, подаваемого в отопительную систему жилых и нежилых зданий;
• геотермальная энергия, являющаяся результатом естественного гниения и поглощения минералами, находящимися в недрах земли, солнечной энергии. В сущности, солнце есть неисчерпаемый источник энергии. Его тепловое излучение преобразовывается в электрическую энергию с применением фотоэлементов, тепловых машин.

Вторая группа состоит из энергии, которая существует в природе, окружающей человека:

• солнечной;
• ветровой;
• морских волн и течений;
• приливов и отливов океана;
• биотоплива;
• низкопотенциальной тепловой.

Принцип использования возобновимой энергии заключается в ее извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде геологических процессов. Она предоставляется потребителю, который использует ее для решения технических задач и удовлетворения своих нужд.

Характеристики отдельных ВИЭ

Многие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии без затруднений устанавливаются в жилых зданиях. Отдельные его виды можно применять в тяжелой и легкой промышленности, установив в производственных зданиях. В их число входят возобновляемые ресурсы, предоставляемые человеку самой природой.

Наибольшую популярность обрела энергия биомассы, являющаяся одним из видов «зеленой энергии». Она позволяет рационально использовать природные ресурсы планеты. Ресурсами являются отходы деревообрабатывающей и бумажной промышленности, отраслей сельского хозяйства, включая бытовой и строительный мусор, из которого вырабатывается естественным путем метан.

Воздушные массы атмосферы есть своего рода вечный неиссякаемый источник, потому что обладают огромной кинетической энергией. Они перемещаются под воздействием геологической деятельности ветра. Его сила преобразуется в электрическую энергию с помощью ветровых установок. Несмотря на довольно высокую стоимость, они успешно используются в районах со спокойным ландшафтом.

Еще один вечный источник энергии – Солнце. Солнечная энергетика является одним из направлений НВИЭ, основанной на непосредственном применении солнечного излучения для получения энергии. Она является бесплатным источником, который возобновляется. Помимо того, ее относят к категории «чистая энергетика», не производящей вредных отходов. Но солнечные установки применимы только в тех широтах планеты, где достаточно солнечного света для выработки электрической энергии.

Водный поток есть неиссякаемый источник, обладающий потенциальной и кинетической энергией. Она в ходе работы преобразуется в электрический ток. Ярким примером использования гидравлической энергии рек, воды является строительство малых и микро ГЭС, а также крупных ГЭС с большими мощностями.

Малые и микро ГЭС обрели популярность во многих странах, использующих энергию возобновляемых источников малых водотоков с целью выработки электрического тока. Нужно заметить, что в последние годы строительство крупных гидроэлектростанций сократилось до минимума.

«Зеленая энергетика» представлена энергией приливов и отливов океанов, морских волн и течений. Для их использования на берегу морей и океанов строятся приливные станции. Они преобразуют кинетическую энергию вращения Земли, возникающую за счет гравитационных сил Луны и Солнца, которые два раза в сутки изменяют уровень воды.

Достоинства и недостатки ВИЭ

Основное преимущество заключается в том, что возобновляемые ресурсы являются дешевым источником энергии. Это неиссякаемый источник энергии, который предоставлен в неограниченном количестве в окружающей среде, не являясь следствием целенаправленной деятельности человека.

Нужно заметить, что возобновляемые источники энергии имеют один недостаток. Он заключается в низкой степени концентрации, поэтому нельзя получаемую энергию передать на большие расстояния. Как правило, ВИЭ подлежит использованию вблизи потребителя.

Возобновляемая энергетика будущего

Учеными планеты ведутся дальнейшие разработки технологии водородного топлива, которая выделяет энергию при помощи синтеза атомов водорода в атом гелия. В будущем они намерены получать возобновляемые ресурсы не только с применением наземных конструкций, но и спутников Земли, чтобы использовать находящуюся в черных дырах космическую энергию.

Основные предпосылки для развития ВИЭ в Российской Федерации:

• обеспечение энергетической безопасности страны;
• сохранение окружающей среды, что позволит обеспечить экологическую безопасность;
• достижение нового уровня на мировом рынке возобновляемой энергии, что обозначено в общем стратегическом плане развития государства;
• претворение в жизнь мер, способствующих сохранить собственные возобновляемые ресурсы для будущих поколений;
• увеличение размеров потребления сырья, которое используется в качестве топлива.

В перспективе использование возобновляемых источников энергии позволит человечеству восполнить топливный дефицит, удешевить добычу топлива, тепла и моторного масла. Кроме того, их использование очищает атмосферу, что, несомненно, поможет улучшить экологическую обстановку планеты.

И в заключение необходимо отметить, что возобновляемые источники электроэнергии обладают несомненным преимуществом. Оно заключается в их неисчерпаемости и экологической чистоте. Человек может использовать их без каких-либо опасений, потому что они не нарушают энергетический баланс планеты. К тому же возобновляемые ресурсы находятся вокруг него всюду.

Возобновляемые или так называемые альтернативные источники – большой шаг вперёд в энергообеспечении человечества. Единственный недостаток – дороговизна внедрения. Окупаемость для инвестора покрывается за несколько лет. Данные технологии за последний век набрали больших оборотов, и сейчас покрывают около 20% потребляемого.

Итак, возобновляемые источники – это природные ресурсы, способны к быстрому восстановлению естественным путём.

Резервуар для производства биогаза, фотоэлектрические панели и ветрогенератор

К ним относят:

• солнечный свет
• приливы и отливы (косвенное использование силы притяжения луны)
• энергия волн
• ветер
• водные потоки
• геотермальная теплота

Солнечный свет

Пожалуй, самый известный, нашумевший в СМИ источник альтернативной энергии. Самое громкое его потребление было в 1958 году, тогда американцы впервые пустили в ход солнечные батареи на своих спутниках. Сегодня же мы часто видим их, они стали для нас привычным легко узнаваемым явлением.

Принцип извлечения прост. Батарея состоит из панели которая имеет две сложенные вместе пластинки из кремния. первую пластину покрывают бором, а вторую фосфором. Слой покрытый фосфором, имеет свободные электроны, в то время когда в слое покрытым бором – электроны отсутствуют. Под воздействием лучей, электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Затем с помощью мелких медных проводников, ток накапливают в батареях.

Также существуют термальные электростанции, в которых сконцентрированными лучами нагревали воду до кипения, а затем потребляли. Но у этого метода слишком мал коэффициент полезного действия, вследствие чего он не используется.

Самая большая солнечная электростанция в Мохаве

Позитивной цепью является:

• легко доступности почти на всех континентах и уголках земного шара
• дешевизна обслуживания
• бесшумность
• простота монтажа
• легкость в использовании

Негативная сторона:

• малый коэффициент эффективности, сейчас это не превышает 30-40%
• высокая стоимость батарей
• большая площадь для установки

Полный процесс изготовления панели своими руками

Приливы и отливы воды

Это очень мощный, неисчерпаемый источник. В своё время ещё Жюль Верн интересовался применением этого природного явления, а изобретательные англичане строили мельницы на берегах движущихся вод, в далеком 11 веке нашей эры. Переработка с помощью силы притяжения Солнца и спутника земли Луны непростая задача и имеет много трудностей. Несмотря на постоянность силы притяжения космических тел, выбор места для постройки приливной электростанции – сложный. В нём учитывается и кратность приливов/отливов за сутки, высота подъёма (колеблется от 30см. до 15м.), почва, на которой будет сооружена постройка.

Ещё одной интересной особенностью есть несовпадения лунных суток с солнечными. Лунные сутки на 50 минут меньше, а люди живут по ним 24 часа. В результате получаются несовпадения по времени с самым максимальным и минимальным вырабатыванием и её потребление, во время самой активной деятельности человека.

Сама приливная электростанция устроена довольно просто. Наперекор устьям большой реки впадающей в море/океан, возводится дамба. Сооружение полностью перекрывает движение в обе стороны. В отверстиях дамбы устанавливают огромные лопасти, которые под током пропускают её и крутятся, а генераторы выдают электричество.

Несмотря на большие сложности с установкой системы, она довольно успешно используется по всему миру. В связи с высокой эффективностью и малым влиянием на экологию, человечество продолжает наращивать их количество по всему земному шару.

ПЭС

Приливная электростанция (ПЭС) - особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров. Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.

Взято из Википедии, подробнее https://ru.wikipedia.org/wiki/Приливная_электростанция

Энергия волн

За своей природой схожа с приливами и отливами. Для извлечения из волн существуют –волновые электростанции, работа основана на превращении кинетической энергии волн в электрическую.

Морской змей – такое название имеет рабочее приспособление. Состоит оно из секций, между которыми закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть электрогенераторы и гидравлические двигатели.

Волнообразные движение колеблет все эти соединений и приводит в работу гидравлические поршни, те, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло пропускается через гидравлические двигатели. Эти моторы приводят в движение электрические генераторы что и даёт конечный результат, производит электроэнергию. Большой недостаток – нестойкость механизма к штормовым волнам.

Ветер

Ветер – старый, проверенный и надёжный источник возобновляемой энергии. Люди его использовали задолго до введения термина в парусных кораблях и ветряных мельницах.

Сейчас, в силу развития технологий, ветрогенераторы стали достаточно сильной фигурой на рынке и занимают крепкую позицию в своей нише. Конкурентность между производителями заставила их хорошо вложиться в исследования наиболее оптимального ветрогенератора.

Ветроэнергетика

Для оптимальной работы ветряка учитываются такие факторы:

1. высота над уровнем моря или земли. Как известно зона до двух километров турбулентна, воздушные потоки, располагаемые выше сильно тормозят нижние. Но эффект заметно снижается уже на высоте 100 метров. Плюс, расположения ветряка выше 100 метров позволит увеличить длину лопасти и освободить пространство под устройством для деятельности людей и других коммуникаций
2. расположение. Оптимальный вариант – побережье или море. Интересный факт! Сейчас появилась офшорная ветроэнергетика. Некие группы людей строят в морях и океанах ветряные электростанции, а на побережья проводят провода подачи тока, тем самым укрываясь от налогов
3. скорость ветра. Характеристика высчитывается по среднему показателю по региону. Ветряк начинает работать при скорости ветра 3 м/с, а при скорости свыше 25 м/с идет аварийное его отключение, дабы не повредить устройство. Оптимальная скорость – 15 м/с
4. количество лопастей. В процессе исследований было определено, что три лопасти – самый эффективный вариант.
5. Ось вращения

Водные потоки

Употребление водных потоков как возобновляемых источников очень широко распространено по всему миру. Гидроэнергетика это часть хозяйственно-экономических коммуникаций основана на расходе энергии падающей воды и превращения её в электрическую.

Для осуществления задачи используют плотинную схему или деривационную схему. Основа её заключается в создании огромной плотины для напора больших водных масс. Деривационная схема использует меньшее количество воды, и основана на искусственном отводе русла от реки в деривацию, а напор создаётся за счет разности наклонов этих двух элементов.

Преимущества:

Недостатки:

• смена климата в месте водохранилища
• затопления огромных участков земли пригодных для жизни и земледелия
• уничтожение огромных участков налаженной экосистемы
• уничтожения мест гнездования перелетных птиц
• изменение характеристик (в следствии замедления тока, на дне водоёма накапливаются вредные вещества)

Геотермальная теплота

Это ответвление, основанное на производстве тепла, за счёт содержащейся в недрах земли энергии, на геотермальных станциях. Относительно молодой вид добычи. Для производства с помощью геотермальной теплоты используют сейсмически нестойкие регионы, в которых циркулирующие подземные воды нагреваются выше температуры кипения за счёт лавы. Пар и вода поднимается по трещинам к поверхности земли и проявляется в виде гейзеров. Также для доступа используют глубокое бурение скважин.

Такая вода и пар пригодны как для переработки, так и для прямой подачи горячего снабжения для нужд населения. Большой плюс в использовании геотермальных источников – это неиссякаемость и независимость от погодных условий и времени года. Минусом же есть сильная загрязнённость токсическими веществами(такими как, фенол, мышьяк, кадмий, цинк, свинец, бор, аммиак).

Геотермальная энергетика

Схожий вид добычи – петротермальная энергетика. С каждым углублением в недра земли на 100 метров температура поднимается в среднем на 2.5 °С, и при достижении 5 км. Достигает отметки в 125 °С. Для реализации вопроса добычи тепла с помощью этого факта, сверлятся две глубокие скважины. В одну из них закачивается вода, которая нагревается и через смежный проток поднимается по другой. Сейчас представленный вид экспериментальный, решается вопрос в его рентабельности.

Природа нам дала огромный запас ресурсов, нам лишь осталось правильно ими распоряжаться. Их преимущество над классическими – это экологичность.

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ, потоки энергии, постоянно существующие или периодически возникающие в окружающей среде. К основным возобновляемым источникам энергии относятся: солнечное излучение, гидроэнергия, энергия ветра, биомассы, морских и океанических течений, энергия приливов и отливов, тепловая энергия недр Земли (геотермальная энергия). Потенциальные запасы возобновляемых источников энергии намного превышают все перспективные потребности человечества в энергии, а также потенциал невозобновляемых источников энергии (органических и ядерное топливо). Использование возобновляемых источников энергии (нетрадиционная энергетика) позволит решить проблемы сокращения запасов невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов, обеспечения энергоресурсами децентрализованных потребителей и регионов с дальним завозом топлива, снижения расходов на его доставку. Технический потенциал возобновляемых источников энергии России составляет примерно 4,6 миллиарда тонн условного топлива (т.у.т.) в год (в Российской Федерации принят топливный тонно-эквивалент по углю, равный 29,3·10 9 Дж; в Европе и США принят топливный тонно-эквивалент по нефти, равный 41,8·10 9 Дж), что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 миллиарда т.у.т. в год.

Солнечное излучение (самый мощный источник энергии на Земле) существенно меняется в зависимости от времени суток, состояния атмосферы, времени года. Годовой поток солнечной радиации на Земле находится в пределах 3000-8000 МДж/м 2 в год (800-2200 кВт·ч/м 2). Ежегодное количество солнечной энергии у поверхности Земли в 25 раз превышает энергию всех мировых разведанных запасов угля и в 3-5 тысяч раз больше ежегодно расходуемой человечеством энергии. В России экономический потенциал использования солнечной энергии эквивалентен 2300 миллионам т.у.т., освоено 12,5 миллионов т.у.т.

Солнечную энергию можно использовать для производства электроэнергии непосредственным преобразованием в электрическую энергию при помощи солнечных батарей (смотри также Гелиотехника, Гелиоэлектрическая станция).

Гидроэнергетические источники оценивают количеством энергии, которая может быть получена, если перегородить все крупные реки планеты, что соответствует 9802 миллиардам кВт·ч, в том числе 852 миллиарда кВт·ч (около 8,7% мировых запасов) составляет экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов России. Наибольшими гидроэнергетическими запасами обладают Китай, Россия, США и Бразилия. В России основные гидроэнергетические ресурсы (около 80%) расположены в малообжитых районах Сибири и Дальнего Востока (освоено около 10%). Поэтому создание в этих районах крупных ГЭС представляется неоправданным как с экономической, так и с экологической точек зрения (приведёт к затоплению обширных пространств тайги). Производство современных гидроагрегатов мощностью 10-5860 кВт позволяет возобновить в России строительство малых ГЭС. Экономический потенциал использования малой гидроэнергетики эквивалентен 125 миллионам т.у.т., освоено 65 миллионов т.у.т. (на 2003 действуют около 50 микро-ГЭС мощностью от 1,5 до 50 кВт) (смотри Гидроэнергетика).

Использование энергии ветра в различных районах Земли неодинаково. В России экономический потенциал энергии ветра эквивалентен 2000 миллионов т.у.т., освоено 10 миллионов т.у.т. (смотри Ветроэлектрическая станция, Ветроэнергетика).

Биомасса, получаемая из продуктов сельского хозяйства, лесоводства, аквакультуры, промышленных и бытовых органических отходов, служит для производства энергии и биотоплива (энергетическая ферма). Основной целью переработки сырья могло бы быть исключительно производство энергии, но более выгодно использовать биомассу для получения и биотоплива (например, метилового спирта). В России экономический потенциал энергии биомассы эквивалентен 53 миллионам т.у.т., освоено 35 миллионов т.у.т. (2005). Имеются технические разработки по использованию биогаза в качестве автомобильного топлива (смотри Биогаз, Биомасса).

Океанические источники включают энергию течений на всей акватории Мирового океана, приливов, волн, смешивания пресные и солёные морские воды, разности (градиентов) температур, существующей между поверхностными и глубинными слоями воды в тропических районах океанов. Для технической реализации целесообразно освоение только наиболее крупных течений, приливов с большой амплитудой, участков океана со значительной разницей солёности между речным стоком и морской водой и с температурным перепадом в 20°С, при котором может быть эффективно осуществлён Карно цикл. На преобразовании энергии приливов основано действие приливных электростанций (ПЭС). Наиболее известны: ПЭС мощностью 240 МВт, расположенная в Бретани (Франция), и небольшая опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой губе на побережье Баренцева море (Россия). К перспективным проектам развития приливной энергетики в России относятся Мезенская ПЭС на Белом море (19 200 МВт), Тугурская ПЭС на Охотском море (7980 МВт). В Мировом океане разность температур между тёплыми поверхностными водами и более холодными (придонными) достигает 20°С. Это обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая может быть преобразована в другие виды (механическую, электрическую).

Геотермальные источники аккумулируют неисчерпаемое количество энергии в недрах земли. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, разделяют на гидрогеотермальные и петрогеотермальные (смотри в статье Геотермальные ресурсы). Гидрогеотермальные источники (в том числе системы с горячей водой) распространены гораздо шире, чем системы, вырабатывающие перегретый пар (около 240°С) под давлением до 3,5 МПа, с небольшим содержанием других газов, отсутствием (или малым содержанием) воды (известные также как системы сухого пара). Пар, обычно высокого качества (содержит незначительное количество твёрдых частиц), можно направлять сразу же после извлечения из недр в обычную паровую турбину для производства электроэнергии. Первая в России Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведённая впоследствии до мощности 11 МВт, создана в 1967 году на южной оконечности полуострова Камчатка. На Верхнемутновской ГеоТЭС мощностью 12 МВт и Мутновской ГеоТЭС мощностью 80 МВт (Камчатка) в качестве теплоносителя используется пар местного месторождения (давление 0,8 МПа). В 1989 году на Северном Кавказе создана опытная Ставропольская ГеоТЭС, где в качестве теплоносителя применяется термальная вода с температурой 165°С, добываемая с глубины 4,2 км. Функционирует океанская ГеоТЭС на острове Итуруп (Сахалинская область) суммарной мощностью 30 МВт. Находится в эксплуатации Курильская ГеоТЭС мощностью 0,5 МВт. Месторождения парогидротермальных источников имеются в России только на Камчатке и Курилах, поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны, однако для указанных районов, энергоснабжение которых целиком зависит от привозного топлива, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения (смотри также Геотермальная электростанция).

Экологический аспект. Существует мнение, что выработка электроэнергии за счёт возобновляемых источников представляет собой абсолютно экологически «чистый» вариант. Это не совсем верно, так как эти источники энергии обладают принципиально иным спектром воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционными энергоустановками на органическом топливе. Использование возобновляемых источников энергии может привести к изменению теплового баланса, затемнению больших территорий солнечными концентраторами (солнечная энергия); шумовым воздействиям, локальным климатическим изменениям, опасности для мигрирующих птиц и насекомых (ветроэнергетика); выбросу твёрдых частиц, канцерогенных и токсичных веществ, диоксида углерода, биогаза (биоэнергетика); появлению биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений, периодическому затоплению прибрежных территорий, эрозии побережья, смене движения прибрежных песков (гидротермальная энергетика, энергия приливов, волн); изменению уровня грунтовых вод, оседанию почвы, заболачиванию (геотермальная энергетика) и др.

Лит.: Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. М., 1987; Васильев Л. Л., Гракович Л. П., Хрусталев Д. К. Тепловые трубы в системах с возобновляемыми источниками энергии. Минск, 1988; Андреев В. М., Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л., 1989; Сичкарев В. И., Акуличев В. А. Волновые энергетические станции в океане. М., 1989; Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. М., 2000.

Человечество давно научилось добывать возобновляемую (регенеративную) энергию, используя мощь рек. Но к концу ХХ века из-за энергетического кризиса, стремительного уменьшения запасов , газа, ухудшения экологии стал вопрос об использовании других источников, находящихся в окружающей среде. Благодаря разработкам ученых, стало возможно добывать энергию солнца, ветра, приливов, геотермальных вод.

Интересно! В мире из возобновляемых источников получают 18% энергии, из которых на долю древесины приходится 13%.

По данным, предоставленным журналу Forbes Международным агентством по возобновляемой энергетике IRENA, к 2015 году в мире доля добываемой таким способом энергии составила около 60%. В перспективе к 2030 году ВИЭ выйдет в лидеры по производству электричества, оттеснив на второе место использование угля.

Гидроэнергия добывается на протяжении очень длительного времени, а вот новые виды возобновляемых источников энергии, такие как ветер, геотермальные воды, солнце, приливы, стали использовать совсем недавно – около 30-40 лет. В 2014 году доля гидроэнергетики составила 16,4%, энергия солнца и ветра – 6,3%, а в перспективе до 2030 года эти доли могут сравняться.

В европейских странах и США ежегодный прирост добычи энергии при помощи ветра составляет примерно 30% (196600 МВт). В Германии, Испании и США широко используется фотоэлектрический способ. Калифорнийская гейзерная геотермальная установка вырабатывает 750 МВт ежегодно.

Интересно! Датские ветряные электростанции в 2015 году обеспечили 42% энергии, а в перспективе до 2050 года планируется выйти на проектные 100% выработки «зеленой энергии» и полностью отказаться от ископаемых ресурсов.

Примеры возобновляемых источников энергии

Применение ВИЭ позволит решить проблемы энергетики районов с плохой экологической обстановкой. Провести электричество в отдаленные и труднодоступные области без использования ЛЭП. Такие установки позволят децентрализовать энергоснабжение в районах, куда доставка топлива экономически невыгодна. Большинство разрабатываемых проектов относится к автономным источникам энергии, работающим на таком сырье, как нетрадиционные возобновляемые источники энергии, получаемые из биомассы, торфа, продуктов жизнедеятельности животных, человека, бытовых отходов.

Активное развитие АИЭ получили в США, Канаде, Новой Зеландии, Южной Африке. Такие энергетические источники используются китайскими, индийскими, немецкими, итальянскими и скандинавскими потребителями. В России пока эта индустрия не вышла на промышленный уровень, поэтому применение регенеративной энергии очень невысоко.

На планете можно использовать не только такие, какие есть возобновляемые источники энергии, предоставляемые природными ресурсами. Сейчас ведется разработка технологий по добыче термоядерной, водородной энергии. Согласно последним исследованиям, лунные запасы изотопа гелий-3 огромны, поэтому сейчас ведется подготовка к работам по доставке этого топлива в сжиженном виде. По расчетам российского академика Э. Алимова (РАН) двух «Шаттлов» вполне хватит, чтобы обеспечить электроэнергией всю планету на целый год.

Возобновляемые источники энергии в России

В отличие от мирового сообщества, где «зеленую энергию» давно и успешно используют, в России этим вопросом занялись совсем недавно. И, если гидроэнергетика давно снабжает электричеством города и поселки, то регенеративные источники считались неперспективными. Однако после 2000 года из-за ухудшения экологической обстановки, уменьшения природных ресурсов и других не менее важных факторов, стало очевидно, что необходимо развивать альтернативные источники, вырабатывающие энергию.

Наиболее перспективным направлением является разработка установок, напрямую преобразующих излучение солнца в электроэнергию. В них используются фотобатареи на основе монокристаллов, поликристаллов и аморфного кремния. Электроэнергия добывается даже при рассеянном солнечном свете. Мощность можно регулировать, снимая или добавляя модули. Они практически не расходуют энергию на себя, автоматизированы, надежны, безопасны, их можно ремонтировать.

Для развития возобновляемых источников энергии в Дагестане, Ростовской области, Ставропольском и Краснодарском крае установлены и работают солнечные коллекторы, обеспечивающие автономной энергией потребителей.

Интересно! 1 м 2 солнечного коллектора экономит до 150 кг условного топлива в год.

В России электроэнергетика, основанная на силе ветра, дает до 20000 МВт. Использование таких установок при средней скорости ветра 6 м/с и мощности 1 МВт экономит 1000 тонн условного топлива в год. Основываясь на научных данных, сейчас ведутся разработки, и вводятся в эксплуатацию энергетические комплексы. Однако использование таких возобновляемых источников энергии, как ветер, в России затруднено. Согласно закону, принятому в 2008 году, для ветряков должен использоваться очень мощный фундамент, а дороги, ведущие к строительству, должны быть отлично асфальтированы. Для примера, в европейских странах и США используется грунтовка.

Интересно! если в Тюменской области, Магадане, на Камчатке и Сахалине использовать установки, то с 1 квадратного километра можно собрать 2,5-3,5 млн. кВт/ч. Это в 200 раз выше потребления энергии на данный момент.

На сегодняшний день построены и работают ГеоТЭС на Камчатке, Курильских островах. Три модуля Верхне-Мутновская ГеоТЭС (Камчатка) вырабатывают 12 МВт, завершается строительство Мутновской ГеоТЭС на 4 блока, которые будут выдавать 100 МВт. В перспективе в этом районе возможно использование геотермальных вод для выработки 1000 МВт, плюс отсепарированная вода и конденсат могут отапливать здания.

На территории страны существует 56 уже разведанных месторождений, в которых скважины могут выдавать более 300 тысяч кубометров геотермальных вод в сутки.

Перспективы развития приливной электроэнергетики

1968 года на Кольском п-ове работает первая в мире экспериментальная приливная электростанция, вырабатывающая 450 кВт/ч. На основе работ этого проекта, было решено продолжить развитие приливных электростанций в России, как перспективных возобновляемых источников энергии на побережье Тихого и Северного Ледовитого океанов. Начато строительство в Хабаровском крае Тугурской ПЭС, проектная мощность которой составит 6,8 млн. кВт. Возводится Мезенская ПЭС в Белом море с проектной мощностью 18,2 млн. кВт. Такие установки сейчас разрабатываются и устанавливаются для китайских, корейских, индийских потребителей. Оборудование альтернативной приливной энергетики также изображено на первой картинке этой статьи.