Генерация энергии и ее превращение в электричество
Альтернативная энергетика: геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия ветра, энергия океана. Перспективные проекты. характеристика влияния на окружающую природную среду
Исчерпание полезных ископаемых и высокий уровень воздействия на окружающую среду традиционной энергетики вызвал во всем мире поиск и использование нетрадиционных альтернативных источников энергии. За последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны. По мере того как поставки топлива становятся менее надежными и более дорогостоящими, эти источники становятся все более привлекательными и более экономичными. К альтернативным источникам энергии относятся возобновляемые источники – энергия солнца, ветра, геотермальная, океаническая, энергия биомассы, термоядерная энергия и другие источники.
Уже построены гелиостанции в США (Калифорнии). Они имеют экономические показатели, не уступающие станциям других типов. В ряде стран созданы геотермальные станции — в США (станция Гейзерс в США имеет мощность 1млн. кВт), России, на Филиппинах и в Италии; приливные — во Франции, Канаде, России и КНР; ветровые — в США и Дании.
Солнечная энергия – доступная альтернатива, которая успешно может заменить традиционные источники энергии, которые загрязняют воздух и воду. Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. Интересный факт: почти двадцать солнечных дней равняются всем запасам нефти, угля и прочего топлива.
Генерация энергии и ее превращение в электричество
Выделяют несколько способов получения электричества и тепла из солнечного излучения:
получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;
преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах);
термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);
солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием); преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.
Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1м2 освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км2.
Однако даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130000 км2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2, требует примерно 10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170 000 000 тонн.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.
Из выше изложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят, и они работают. Солнечные панели, например, располагаются практически во всех штатах Америки. Например, самые солнечные зоны – это Лос-Анджелес или Феникс, – производят столько энергии, сколько хватит целому домохозяйству ориентировочно на год. Активное развитие солнечной энергетики доказывается установкой в 2015 году почти миллиона панелей на домах и прочих зданиях США. Крупные системы фотоэлектрических панелей используются для преобразования солнечного света в электричество и дают масштабные результаты.
Десятки солнечных установок и систем осуществляют горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха жилых и общественных зданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции, термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной воды и так далее.
С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Она невелика – мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без использования органического топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт электроэнергии.
Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых возможностей использования солнечной энергии. Возникают новые идеи, новые проекты.
К основным достоинствам солнечной энергетики относят: 1) Солнечное излучение является общедоступным неисчерпаемым источником энергии; 2) Полная безопасность для окружающей среды; 3) Процесс преобразования солнечного излучения в электрическую энергию происходит без участия человека. К главным недостаткам солнечной энергетики относят: 1) Необходимость в обслуживании, то есть нужно периодически очищать поверхности конструкции от загрязнений; 2) Высокая себестоимость изготовления солнечной панели; 3) Необходимость аккумуляции энергии; 4) Токсичное производство фотоэлектрических модулей. 5) Большая территория занимаемая солнечными батареями.
Энергия ветра
В поисках альтернативных источников энергии во многих странах немалое влияние уделяют ветроэнергетике.
Впервые энергия ветра была использована, по-видимому, дляпередвижения парусных судов, а позднее — для подъема воды и размола зерна. Считается,что в Китае, Японии и Тибете первые ветряные двигатели были построены более 2тысяч лет назад. Древние вавилоняне использовали их для осушения болот. ВЕгипте и на Ближнем Востоке строили ветряные водоподъемники и мельницы.
Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. За рубежом наиболее широкое применение ветроустановки нашли в Австралии, Новой Зеландии, Латинской Америке, Греции и др.
Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%.
Особенность ветра как энергетического источника заключается в его непостоянстве, большой изменчивости скорости, а отсюда и энергии (в силу ряда метеорологических факторов (возмущение атмосферы, изменение солнечной активности и количество тепловой энергии, поступающей на землю), а также из-за влияния рельефных условий в данной местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону).
Несмотря на несколько большие капитальные вложения ветроустановки экономичнее тепловых установок вследствие низкой эксплуатации расходов (затраты на них меньше в 6 раз). Отсюда затраты окупаются за 1-1,5 года. Кроме того, срок службы ветроагрегатов (относительно тихоходных машин) значительно больше, чем у тепловых двигателей. Поэтому удельные затраты метала на единицу выработки за весь срок службы, а также амортизационные отчисления у них меньше.
Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.
К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности. Более экономичными являются комплексы из небольших ветровых установок, объединенных в одну систему.
Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.
Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.
По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.
Основные факторы воздействия на окружающую среду – высокая металлоемкость ветроустановок, отчуждение больших земельных территорий, вибрационное и шумовое воздействие, гибель перелетных птиц под ударами лопастей. Особенно высокое шумовое воздействие возникает при эксплуатации мощных установок.
С учетом экологических факторов солнечные и ветровые электростанции уже сегодня более экономичны, чем тепловые и атомные.
К главным преимуществам ветровой энергетики относят: 1) Основные затраты определяются расходами на постройку ветрового генератора; 2) Возможность использования потоков, расположенных над густо населенными территориями; 3) Запасы ветровой энергии во много раз превосходят запасы энергии всех рек нашей планеты. К основным недостаткам ветровой энергетики относят: 1) Полная зависимость выработки энергии от погодных условий; 2) Необходимость аккумуляции энергии; 3) Высокая стоимость возведения конструкции; 4) Необходимость в обслуживании, то есть нужно периодически очищать поверхности конструкции от загрязнений; 5) Влияние на экоклимат планеты; 6) Ухудшение естественной вентиляции близлежащих городов.
Геотермальная энергия основана на использовании глубинного тепла Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014 млрд. кВт/ч. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.
Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин.
Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.
Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местах образования своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30-40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования.
В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с температурой до 130 – 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования. Можно утверждать, что геотермальная энергия имеет четыре выгодных отличительных черты.
Во-первых, её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.
Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка и Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50 подземных бассейнов горячей воды и пара.
В-третьих, использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.
Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.
Первая в Украине система теплоснабжения, основанная на использовании геотермальной энергии (энергии глубинного тепла Земли) создана в начале 1980-х гг. в Крыму. В пределах Симферопольского и Красногвардейского районов поисковыми работами на глубине 1000...1200 м и более были вскрыты водоносные горизонты с температурой +80°С.
Геотермальные станции устроены относительно просто, здесь не требуется топливо, золоуловители. Пар, откачиваемый из скважин, поступает в турбины и приводит в действие электрогенераторы.
Основные экологические проблемы геотермальных станций связаны с отработанными минерализованными водами. При отсутствии обратной закачки отработанных вод возникает опасность засоления водных объектов, почв; также происходит тепловое загрязнение окружающей среды, просадка земной поверхности над разрабатываемым геотермальным пластом.
В Украине перспективными зонами для использования геотермальной энергии являются Карпаты, Закарпатье, однако это направление развивается слабо.
К основным достоинствам ГеоТЭС относят: 1) Неисчерпаемый источник энергии; 2) Абсолютная независимость от условий окружающей среды; 3) Высокотемпературное тепло около вулканических пород можно использовать для электро – и теплоснабжения. К главным недостаткам ГеоТЭС относят: 1) Необходимость обратной закачки отработавшей воды в подземный бассейн; 2) Аварийность станций.
Энергия приливов и отливов: Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2, Атлантического – 93 млн. км2, Индийского – 75 млн. км2. Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.
Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Приливные волны таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт.
Приливная энергия постоянна. Благодаря этому, количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии всегда может быть заранее известно, в отличие от обычных ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного не только с климатическими особенностями территории, по которой она протекает, но и с погодными условиями.
Тем не менее ученые считают, что технически возможно и экономически выгодно использовать лишь очень небольшую часть приливного потенциала Мирового океана – по некоторым оценкам только 2%. При определении технических возможностей большую роль играют такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, глубина воды, морские течения и ветер. Опыт показывает, что для эффективной работы ПЭС высота приливной волны должна быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Но подобных мест на всём земном шаре не так уж много: по разным источникам 25, 30 или 40.
При оценке экономических выгод строительства ПЭС также нужно учитывать, что наибольшие амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного пояса. Нужно учитывать также и то, что рентабельность ПЭС резко возрастает по мере увеличения их мощности до 3-5 и тем более 10-15 млн. кВт. Но сооружение таких станций-гигантов, к тому же в отдаленных районах, требует особенно больших затрат, не говоря уже и о сложнейших технических проблемах.
Считается, что наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан. В его северо-западной части, на границе США и Канады, находится залив Фанди, представляющий собой внутреннюю суженную часть более открытого залива Мен. Длина его 300 км при ширине 90 км, глубина у входа более 200 м. Этот залив знаменит самыми высокими в мире приливами, достигающими 18 м. Очень высоки приливы и у берегов Канадского арктического архипелага. Например, у побережья Баффиновой земли они поднимаются на 15,6 м. В северо-восточной части Атлантики примерно такие же приливы наблюдаются в проливе Ла-Манш у берегов Франции, в Бристольском заливе и Ирландском море у берегов Англии и Ирландии.
Велики также запасы приливной энергии в Тихом океане. В его северо-западной части особенно выделяется Охотское море, где в Тугурском и Пенжинском заливах высота приливной волны составляет 9-13 м. Значительные приливы наблюдаются и у побережий Китая и Корейского полуострова. На восточном побережье Тихого океана благоприятные условия для использования приливной энергии имеются у берегов Канады, Чилийского архипелага на юге Чили, в узком и длинном Калифорнийском заливе Мексики.
В пределах Северного Ледовитого океана по запасам приливной энергии выделяются Белое море, в Мезенской губе которого приливы имеют высоту до 10 м, и Баренцево море у берегов Кольского полуострова (до 7 м). В Индийском океане запасы такой энергии значительно меньше. В качестве перспективных для строительства ПЭС здесь обычно называются залив Кач Аравийского моря (Индия) и северо-западное побережье Австралии.
Несмотря на такие, казалось бы весьма благоприятные, природные предпосылки, строительство ПЭС пока имеет довольно ограниченные масштабы. По существу реально можно говорить лишь о более или менее крупной промышленной ПЭС «Ранс» во Франции, об опытной Кислогубской ПЭС на Кольском полуострове (Россия) и канадско-американской ПЭС в заливе Фанди.
При сооружении ПЭС необходимо всесторонне оценивать их экологическое воздействие на окружающую среду. Оно довольно велико. В районах сооружения крупных ПЭС существенно изменяется высота приливов, нарушается водный баланс в акватории станции, что может серьёзно сказаться на рыбном хозяйстве, разведении устриц, мидий и пр.
К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также энергию волн и температурного градиента. Энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии – около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в Великобритании и Японии. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому центральному электроэнергетическому управлению.
Впервые идею использования энергии разности температур поверхностных и глубинных слоев воды Мирового океана предложил французский ученый д'Арсонвиль в 1881 году, но первые разработки начались лишь в 1973 году. Энергию разности температур различных слоев Мирового океана оценивают в 20-40 трлн. кВт. Из них практически могут быть использованы лишь 4 трлн. кВт.
Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32° С) 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, 270-28°С, а на глубине 1 километр имеет всего 40-5° С.
В океане, который составляет 72% поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии – энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, солей и других минералов; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; энергия температурного градиента и другие, и их можно преобразовывать в стандартные виды топлива. Такие количества энергии, многообразие её форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка.
Энергия приливов и отливов: К главным преимуществам приливных электростанций относят: 1) Отсутствие выбросов вредных веществ в окружающую среду; 2) Малая себестоимость изготовления. К основным недостаткам приливных электростанций относят: 1) Высокая стоимость строительства и монтаж установки; 2) Постоянно меняющаяся мощность установок в течение суток.
Энергия волн: К основным достоинствам волновых электростанций относят: 1) Энергия волн, в отличии от энергии ветра и энергии солнца, обладает большей удельной мощностью; 2) Энергия волн является общедоступным неисчерпаемым источником энергии. К главным недостаткам волновых электростанций относят: 1) Зависимость от погодных условий; 2) Для преобразования энергии волн в механическую или в электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения;
Возобновляемые источники энергии стремительно развиваются, практически, во всех странах. Суммарная мощность установок, во всем мире, на возобновляемых источниках энергии составляет около 600 гигаватт Много европейских стран достигли коммерческой зрелости и хорошо преуспевают на рынке энергетических услуг, включая производство электрической и тепловой энергии. Как бы не были хороши возобновляемые источники энергии, но и у них есть свои недостатки. К самым главным недостаткам ВИЭ относят то, что они характеризуются малой плотностью энергетических потоков: солнечное излучение – менее 1 кВт на 1 м2, ветер при скорости 10 м / с и поток воды при скорости 1 м / с – генерируют приблизительно 500 Вт на 1 м2. Современные энергетические устройства имеют сотни киловатт, а иногда достигают и мегаватты на 1 м2. Сбор, преобразование и управление энергетическими потоками малой плотности имеют сезонную нестабильность и зависимость от погодных условий. Поэтому ВИЭ требуют огромных затрат на создание приемников, преобразователей, аккумуляторов, регуляторов и т.п.