CC BY
45Разработка методов и средств использования возобновляемых источников энергии
00
сэ
сч
£
Б
а
2 ©
Медведева Галина Александровна
к.т.н., доцент, Казанский государственный архитектурно-строительный университет, [email protected]
Хазипова Зульфия Расиховна
магистр, Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Статья посвящена разработке методов и средств использования возобновляемых источников энергии. В статье объясняются причины, по которым дальнейшее использование только традиционных источников энергии не является целесообразным и перспективным. Рассмотрены характерные особенности и характеристики основных видов возобновляемых источников, представляющих наибольшую перспективу в масштабе всей страны. Проведено исследование о наличии на территории нашей страны запасов нетрадиционных источников, как они распределены и какое их количество в каждой зоне. Так же изучены установки, получившие наибольшее распространение с развитием нетрадиционных источников энергии и активно внедряющихся на рынок. В отдельности рассмотрен каждый вид возобновляемого источника энергии и определены характерные особенности, которые нужно учитывать при разработке агрегатов, позволяющих использовать данный вид источника энергии. Приведен анализ возможности и целесообразности использования каждого вида источника энергии с учетом климатических особенностей России, и сделан вывод о перспективе развития возобновляемых источников энергии. Так же, в статье приводится сравнение развития возобновляемых источников энергии в нашей стране и за рубежом.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии; солнечная энергия; энергия ветра; геотермальная электростанция; энергия биомассы.
Одной из глобальных проблем в современном мире является истощение природных ресурсов. Для нужд человека необходимо огромное количество газа, нефти. В связи с этим возникает вопрос: если не принимать никаких мер и продолжать использовать ресурсы в том же огромном количестве, то надолго ли их нам хватит? Существуют расчеты, согласно которым к концу этого столетия запас нефтяных ресурсов полностью исчерпается. Но использование традиционных полезных ископаемых оказывает отрицательное влияние и на экологию. Исходя из этого, человечество все чаще задумывается об использовании альтернативных источников для получения энергии.
Объектом исследования данной работы является проведение анализа возможности использования нетрадиционных энергоресурсов.
Основная часть
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) ? это энергетические ресурсы процессов, которые постоянно существуют на планете. Основной особенностью ВИЭ является цикличность их возобновления, благодаря чему предоставляется возможным использовать эти ресурсы без ограничений во времени.
К возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, биомассы, потоков воды, ветра, тепловую энергию океана и верхних слоев земной коры.
Из-за технической несовершенности, отсутствия специальных материалов, использование ВИЭ сильно ограничивается. Но научный прогресс не стоит на месте, и, уже появляются оборудования, позволяющие использовать возобновляемые энергоресурсы.
Уделение должного внимания возобновляемым энергоресурсам объясняется их экономической выгодой и способностью конкурировать с традиционными источниками. Это связно с такими факторами как: неисчерпаемость ВИЭ; отсутствует необходимость транспортирования; ВИЭ не наносит вреда экологической обстановке; не требует затрат на топливо; в некоторых случаях, по сравнению с традиционными источниками энергии, являются более экономными; отсутствует риск атомной энергетики и необходимость захоронения радиоактивных отходов [1].
Земная кора содержит 2 % тепла от всего количества тепловой энергии на планете. В переводе в количество энергии, это значение оценивается как 840 млрд Вт энергии. Остальная часть содержится в мантии и ядре.
Экономический потенциал ВИЭ на территории России, выраженный в тоннах условного топлива (т.у.т.), составлен по видам источников:
■ 1) энергия Солнца ? 12,5 млн.; 2) энергия ветра ?10 млн.; 3) тепло Земли ? 115 млн.; 4) энергия биомассы ? 35 млн.; 5) энергия малых рек ? 65 млн.; 6) энергия низкопотенциальных источников тепла ? 31.5,млн.; 7) всего ? 270 млн. т.у.т.
Эти источники по объему составляют примерно 30 % от объема потребления топливно-энергетических ресурсов в России, составляющего 916 млн. т.у.т. в год. Согласно очередному исследованию по экономике энергетики в ноябре 2017 года были предоставлены данные [2], представленные на диаграмме (рис. 1):
Можно заметить, что стоимость возобновляемых источников энергии значительно ниже стоимости традиционных. Этим и объясняется стремление развитых стран постепенно переходить на ВИЭ, в связи с чем разрабатываются государственные программы по их поддержке.
Примерно 100 стран обладают государственными программами для изучения ВИЭ и, уже утвержденные, показали их развитие в перспективе на несколько десятков лет. Основной целью большинства стран является достижение вклада ВИЭ в энергетический баланс страны на уровне 15-20 % к 2020 году (рис. 2). А страны Европейского Союза стремятся к 40 % к 2040 г. Такие темпы роста осуществляются благодаря государственной, финансовой и политической поддержке.
Ветроэнергетика. Ветровая энергия использовалась еще и до нашей эры, но в 1920 вв. его развитие заметно уменьшилось под влиянием НТП и, в качестве энергетического источника, начали использовать такие природные ископаемые как нефть или газ.
Рисунок 1. Стоимость производства электроэнергии (составлено авторами на основе данных [2])
1990 2010 2030
Рисунок 2. Структура мирового энергопотребления (составлено авторами на основе данных [2])
Но снижение запасов природных ресурсов Земли неизбежно, а это снова заставляет задуматься о том, чтобы вновь развить ветровую энергетику. Одним из важнейших вопросов в производстве энергии из ветра является экономическая эффективность. Установить агрегаты необходимо в правильно выбранном месте, обычно это прибрежные районы [13].
Ветровая энергия ? возобновляемый источник, который является вторичным по отношению к энергии солнца. Ветер возникает вследствие разности температур, образующихся под воздействием солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение разных давлений. Ветер возникает в результате рассеивания энергии, накопившейся из-за наличия разности давлений.
Даже с помощью идеального устройства не может быть использована вся энергия воздушного потока. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии потока может равняться 59,3 %. На практике это значение достигает 50%.
В России средняя цена за электроэнергию составляет от 3,5 до 4,5 руб. за киловатт-час, но цена постоянно увеличивается. При потреблении 200 КВт-ч в месяц, годовые выплаты составят от 8400 руб до 10 800 руб. Стоимость комплекта рабочего оборудования простого ветро-генератора обойдется в 70 000 руб. Стоимость ветрогенератора мощностью 10 КВт составляет в среднем 800-900 тыс. рублей и вырабатывает 4000 КВт-ч в месяц при средней скорости ветра 5 м/с. Стоимость электроэнергии за 5 лет со-
ставит порядка 840 тыс. руб. Можно сделать вывод, что срок окупаемости составит 5 лет.
Гидроэнергетика. Еще в древние века энергия воды использовалась людьми и, с развитием технологий, в 19 веке появилась водная турбина. На сегодняшний день гидроэнергетика превышает 60 % от всех видов возобновляемых источников энергии, кроме того, КПД новых ГЭС находится в пределах 85-95 %.
Гидроэнергетика ? экологически безопасный процесс. Но на данный момент удается использовать лишь небольшую часть гидроэнергетического запаса Земли. Если удастся задержать потоки воды, которые образуются от дождей и таяния снегов, то получим огромное число дополнительной энергии. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию [4].
На значение мощности оказывают влияние КПД генератора и напор воды. Вода, вращающая гидравлические турбины, обычно берется из искусственных водохранилищ, созданных путем перекрытия реки плотиной [5]. Плотина способствует повышению напора воды, поступающей на турбины, и соответственно увеличивает мощность электростанции. Расход воды из водохранилища через турбины можно регулировать. Помимо этого, водохранилище служит отстойником для песка, ила и мусора, приносимых естественными водотоками. Построив плотину с водохранилищем, можно предотвратить паводковые затопления, а также создать надежный запас воды для водоснабжения населения и промышленности.
На сегодняшний день лидирующие позиции по получению гидроэнергии считаются Норвегия, Китай, Канада, Россия.
Гелиоэнергетика. Ощутимое развитие гелиоэнергетики объясняется огромным количеством солнечной энергии, количество которой в разы больше всех остальных, вместе взятых, Возобновляемых источников энергии. Поступление радиации на землю зависит от географической широты, климатических условий, состояния атмосферы, высоты над уровнем моря, высоты солнца над горизонтом [6]. Необходимо правильно разместить ге-лиостанции. Для этого необходимо знать суммарный радиационный баланс Земли, который в свою очередь зависит от вида излучения (прямое излучение, которое дошло до Земли; рассеянная радиация; противоизлучение атмосферы).
О £
ю
5
V
2 е
8
00
сэ
сч
£
Б
а
2 ©
Швейцария стоит на первом месте по использованию энергии солнца. Россия обладает огромным запасом солнечной энергии, особенно южные части России, Дальний Восток, Забайкалье [7]. Эти регионы можно сравнить с южными районами Европы, в которых энергию солнца активно используют в качестве источника энергии.
Гелиосистемы подразделяют на одноконтурные и двухконтурные [8]. В качестве теплоносителя в одноконтурной является вода, из-за чего данная система может быть использована только в теплое время. Более оптимальной является двухконтурная, в которой роль теплоносителя выполняет антифриз, который характеризуется способностью выдерживать очень низкие температуры. Благодаря этому, двухконтурная система может применяться в течение всего года. Гелиосистемы можно разделить и на термосифонные, в основе которой лежит естественное течение жидкости (теплая - поднимается, холодная опускается), и циркуляционные, которые работают под действием насоса. Циркуляционная гелиосистема является более удобной в плане эксплуатации, так как насос позволяет располагать накопительный бак где угодно. А в термосифонной системе бак должен быть над коллектором, что не всегда возможно реализовать, так как не все перекрытия способны выдержать дополнительную нагрузку от накопительного бака.
Гелиоустановка является основной частью гелиосистемы. Принцип работы коллектора подобен баку, который устанавливался на крыше душевой кабины почти на каждой даче. Его выкрашивали черной краской. В жаркие летние дни вода в нем нагревается [9]. В мировом рынке постепенно уменьшается цена на солнечные батареи. Характеристика роста ге-лиоэнергетики представлена на рис. 3.
Сравним наиболее часто устанавливаемый вакуумный солнечный коллектор для системы обеспечения горячего водоснабжения с традиционными видами систем и сделаем вывод о его окупаемости. Данные представим в виде таблицы и рис. 4.
Из таблицы и графика видно, что гелиосистема на базе солнечных коллекторов окупается уже на 3-й год по отношению к электробойлеру и на 6 год по отношению к системе на сжиженном газе (табл. 1).
Энергия биомассы. Какие вещества органического происхождения можно применить для получения энергии?
1. Древесина. Дрова уже довольно давно служат источником энергии. Одна-
Рисунок 3. Развитие солнечной энергии (составлено авторами на основе данных [9]) Таблица 1
Система обеспечения ГВС расходом 300 л в сутки
Тип системы Начальные инвестиции, тыс. руб 1 год 2 год 3 гад 4 гац 5 год 6 год 7 год К гад 9 год 10 год
Гелиосистема 95,1 95,1 95,1 95,1 97,1 99,1 99,1 101,1 101,1 101,1 103,2
Котел на сжиженном газе 40,5 50,5 60,5 70,5 80,5 90,5 100,5 110,5 120,5 130,5 141,2
Электробойлер 200 л. 50,5 67,0 83,5 100,1 116.5 133,0 149,? 166,0 182,5 199,0 215 5
Пеллетный котел 90,5 97,1 103,7 110,3 116,9 123,5 130,1 136,7 143,3 149,9 156,5
12
-Гелиосистема - Электройойлер
-Котел па сж1Б«енном гаче - Пелл етный котел
Года
Рисунок 4. Срок окупаемости систем ГВС (составлено авторами на основе таблицы)
ко, это влечет за собой проблему вырубки лесов и, для решения этой проблемы, используется энергия быстрорастущих деревьев, таких как тополь, ива и др.
2. Отстой сточных вод. Большие запасы энергии имеются в использованных водах. Имеются проблемы при обработке сточных вод, одна из которых ? высушивание этих вод, так как на это необходимо большое количество тепла, которое может превосходить теоретические значение энергии при полном сгорании отстоянного вещества. Кроме того, про-
цесс наносит вред экологии, так как при сгорании выделяется углекислый газ в значительном количестве.
3. Отходы животноводства. В экскрементах животных имеется большое количество органического вещества, которое можно использовать для получения энергии. Но в них имеется значительное количество влаги, а его высушивание невыгодно. Для решения этого вопроса применяют анаэробное перегнивание, с помощью которого получают метан, а оставшиеся вещества идут на удобрение.
Рисунок 5. Объем инвестиций на развитие геотермальных источников энергии [11]
■ Солнечные тепловые лк кг про) к пи то дая / 3% ^^ 14%
■ Ветроуанановкн ■ Гидроэнергетические устаноаа! 19% 61% А
Геотерхинные установка
■ Солнечные бо донагр <' спи «»л ь нь п> установки
Рисунок 6. Средние годовые темпы роста мощности энергоустановок на ВИЭ в 2015 г. [3]
Рисунок 7. Увеличение себестоимости под влиянием природоохранных затрат [13]
4. Растительные остатки. Источник энергии представляют оставшиеся после сбора неиспользуемые части растений. Они содержат целлюлозу - углеродсо-держащий углевод. Останки содержат малое количество влаги и при их сжигании они выделяют большое количество энергии. Но культуры произрастают се-
зонно, что ограничивает использование данного источника энергии.
5. Пищевые отходы. В отходах фруктов содержится большее количество уг-леродсодержащих сахаров, а в остатках мясных продуктов большое количество протеина. Однако процесс получения энергии из пищевых отходов затрудняет
наличие в них воды. Более выгодно получать из них метан с помощью бактерий. Но пищевые отходы с успехом используются в животноводстве, поэтому данный источник не развивается.
Геотермальные источники. Из-за близости магмы и очагов вулканов подземные воды разогреваются до температуры 2000С и превращаются в смесь пара и кипятка. Иногда эта смесь прорывается на поверхность, и мы наблюдаем гейзеры и горячие источники. Было бы глупо не использовать энергию недр. В зависимости от напора воды и пара, гейзеры отличаются величиной. Самый большой, с говорящим названием Великан, находится в России, на Камчатке. А самый маленький ? гейзер Флай ? в американском штате Невада [10].
Пробурив скважины к подземным котлам, можно использовать кипяток. Гидротермальная система - это сеть подземных резервуаров с водой. Вода в подземных резервуарах разогревается до температуры кипения и частично превращается в пар. Такая пароводяная смесь называется мокрым паром. Если к такому резервуару пробурить скважину, мокрый пар под давлением устремится наверх и из скважины по трубопроводу он поступает на геотермальную электростанцию. Сепаратор отделяет пар от воды и уже сухой пар приводит в движение турбины и производит электричество. При получении сухого пара из пароводяной смеси остается побочный продукт -обычная горячая вода, которая идет на обогрев жилых домов. Подарив людям тепло, она, уже остывшая, отправляется через скважины в подземные резервуары, где она снова нагревается и, уже с новым паром, идет на следующий заход. Уникальность таких станций заключается в том, что она является экологически чистой, то есть, то, что берется из недр земли, отдается обратно. На Камчатке подобные станции можно строить без ограничений, сейсмическая активность региона сулит неисчерпаемый источник энергии. А электричество, получаемое из горячих подземных вод, не только самое экологичное, но одно из самых дешевых. Электроэнергия с геотермальной электростанции примерно в 5-6 раз дешевле энергии, продаваемой на тепловых электростанциях. Такая электростанция экономичная в эксплуатации, но она крайне дорогая на стадии строительства и бурения.
Развитию отрасли может способствовать увеличение объема инвестиций, поэтому, по прогнозам, будет вложено при-
© £
Ю
5
V
2 е
8
00
сэ
сч
£
Б
а
мерно 60 млрд рублей до 2020 года для строительства новых геотермальных станций (рис. 5).
Выводы
Работа по развитию возобновляемых источников энергии является весьма перспективной и актуальной во всем мире. Применение ВИЭ оказывает положительный эффект на экологическую обстановку. Во-вторых, возможный риск энергетического кризиса требует развития нетрадиционных источников энергии. В то время, как традиционная энергетика, базирующаяся на ископаемых органических энергоресурсах, с начала XXI века, в среднем, в мире росла с темпом всего 1...1,5 % в год, новые технологии ВИЭ за это же время развивались со средними темпами в десятки процентов в год (рис. 6) [12].
Ожидается, что основную часть в структуре альтернативной энергетики составят гидроэнергетика, энергия ветра и солнечная энергетика. Геотермальная, приливная энергетика и биоэнергетика также увеличат свою долю в общей структуре производства энергии (рис. 6).
Учитывая тот факт, что экономические затраты в процессе строительства и на этапе эксплуатации играют значительную роль, по диаграмме, представленной на рис. 7, можно сделать вывод, что ВИЭ выигрывают традиционных источников энергии как экологически более чистые.
На сегодняшний день развитие возобновляемых источников энергии сдерживает нехватка инвестиций для осуществления проектов и недостатки нормативно-правовой базы.
Литература
1. Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. - Физматлит, 2010. - 256 с.
2. Чернова В.Э., Шмулевич Т.В. Актуальность энергосбережения. Государственная политика в области повышения эффективности использования энергии: учебное пособие / СПбГТУРП. СПб., 2014. - 68 с.
3. Ермоленко Г.В. Справочник по возобновляемой энергетики европейского союза. - М.: Институт энергетики НИУ ВШЭ, 2016. - 96 с.
4. Лукутин Б.В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении / Б.В. Лукутин, О.А. Суржикова., Е.Б. Шандрова. - М.: Энергоатомиз-дат, 2008. - 231 с.
5. Брызгалов В.И. Гидроэлектростанции: учеб. пособие. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. - 541 с.
6. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие. - М.: Кно-Рус, 2010. - 227 с.
7. Благородов В.Н. Проблемы и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. - М.: Энергетик, 1999. - № 4. - С. 176-178.
8. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - М.: МРСУ, 2004. - 174 с.
9. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В. Солнечная энергетика. Методы расчетов.
- М.: МЭИ, 2008. - 317 с.
10. Тарнижевский Б.В. Состояние и перспективы использования НВИЭ в России // Промышленная энергетика. - 2002.
- № 1. - С. 52-56.
11. Попов М.С. Геотермальная энергетика в России. - М.: «Энергоатомиздат», 1988. - 294 с.
12. Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. -Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. - 168 с.
13. Renewables 2015. Global status report. Renewable Energy Policy Network for the 21st Centure. www.ren21.net.
Development of methods and means of the
usage of renewable energy sources Medvedeva G.A., Khazipova Z.R.
Kazan State University of Architecture and Engineering
This article focuses on the development of methods and means of the usage of renewable energy sources. The article explains the reasons for which the further usage of only traditional energy sources is not appropriate and promising. Specific features and GharaGteristiGs of the main types of renewable sources that
represent the greatest perspective in the whole country were discussed in the article. A research on the presence of reserves of alternative sources on the territory of our country, their distribution and number in each zone was also carried. Also installations, which got the greatest distribution with the development of alternative energy sources and actively introduced in the market were studied. As a result of the studies, the factors preventing the development of creating a similar, but improved facilities were discovered. Each type of renewable energy source was separately reviewed, and characteristic that need to follow developing units, which allow to use this kind of energy source were identified. The analysis of the possibility and reasonability of the usage of each source with the account of the climatic features of Russia was given and made a conclusion about the long term development of renewable energy sources. The article also compares the development of renewable sources in our country and abroad. Keywords: renewable energy; solar energy; wind energy; geothermal power plant; biomass energy. References
1. Alkhasov A.B. Renewable power. - Fizmatlit,
2010. - 256 pages.
2. Chernova V.E., Shmulevich T.V. Aktualnost of
energy saving. State policy in the field of increase in efficiency of use of energy: manual / Cnenypn. SPb., 2014. - 68 pages.
3. Ermolenko G. V. The reference book on renewable
power industry of the European Union. - M.: Institute of power of Higher School of Economics National Research University, 2016. - 96 pages.
4. Lukutin B.V. Renewable power in the decentralized power supply / B.V. Lukutin, O.A. Surzhikova., E.B. Shandrova. ? M.: Energoatomizdat, 2008. ? 231 pages.
5. Bryzgalov V.I. Hydroelectric power stations:
studies. grant. ? Krasnoyarsk: CPI of KGTU, 2002. ? 541 pages.
6. Sibikin Yu.D., Sibikin M.Yu. Netraditsionnye and
renewables: manual. ? M.: Knorus, 2010. ? 227 pages.
7. Blagorodov V.N. Problems and prospects of use
of nonconventional renewables. - M.: Power engineering specialist, 1999. ? No. 4. ? Page 176-178.
8. Ageev V. A. Nonconventional and renewables. -
M.: MRSU, 2004. - 174 pages.
9. Vissarionov V.I., Deryugina G. V. Solar power.
Methods of calculations. - M.: MEI, 2008. -317 pages.
10. Tarnizhevsky B.V. Sostoyaniye and the prospects
of use of NVIE in Russia//Industrial power. -2002. ? No. 1. ? Page 52-56.
11. M. S. priests. Geothermal power in Russia. ? M.: Energoatomizdat, 1988. ? 294 pages.
12. Fortov V.E., Popel O.S. Energetika in the modern world. - Dolgoprudny: Intellekt publishing House, 2011. - 168 pages.
13. Renewables 2015. Global status report. Renewable Energy Policy Network for the 21st Centure. www.ren21.net.
2 о
