Геотермальная энергия и ее использование. Применение гидроэнергетических ресурсов. Перспективные технологии солнечной энергетики. Принцип работы ветроустановок. Энергия волн и течений. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России.

Пермский Государственный Университет

Философско-социологический факультет

Альтернативные источники энергии

и возможности их применения в России

Кафедра социологии и

политологии

Студент: Уваров П.А.

Группа: СЦГ-2 курс

Пермь, 2009

Введение

1 Понятие и основные виды альтернативной энергии

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)

1.2 Энергия солнца

1.3 Энергия ветра

1.4 Энергия воды

1.5 Энергия волн

1.6 Энергия течений

2. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России

Заключение

Список используемых источников

Введение

Не зря говорят: «Энергетика – хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие – «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря – о богатстве любого государства.

В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.

За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.

К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня – гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.

Потом люди придумали мельницы – технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и – уже в середине ХХ столетия – атомные реакторы.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.

Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют природе гидроэлектростанции! Выбросов в воздух от ГЭС нет никаких, но зато вред водной среде наносит довольно большой. В первую очередь страдают рыбы, которые не могут преодолеть плотины ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько – так называемые каскады ГЭС, – резко меняется количество воды до и после плотин. На равнинных реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все находящиеся ниже плотины ГЭС. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.

Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и трудно добываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые – малые, или «нетрадиционные», – виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.

1. О сновные виды Альтернативной энергии

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)

Геотермальная энергия – в дословном переводе значит: земли тепловая энергия. Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры, имеет очень высокую температуру.

Если учесть ещё и теплоемкость пород Земли, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой, несомненно, самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы.

В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы (островное государство на севере Атлантического океана -Исландия; и наши Камчатка и Курилы).

Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено.

Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. «Стоимость топлива» такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых (то есть, с температурой гораздо выше 100 o С) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара.

Валовой мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 трлн. т усл. топлива, что в 1700 раз больше мировых геологических запасов органического топлива. В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 трлн. т усл. топлива. Использование только около 0,2 % этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос только в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Именно из-за того, что эти условия до сих пор не соблюдались при попытках создания в стране опытных установок по использованию геотермальной энергии, мы сегодня не можем индустриально освоить такие несметные запасы энергии.

Геотермальная энергия по времени использования — наиболее старый источник альтернативной энергии. В 1994 г. в мире работало 330 блоков таких станций и здесь доминировали США (168 блоков на «месторождениях» Гейзере в долине гейзеров, Империал Вэлли и др.). Второе место занимала. Италия, но в последние годы ее обогнали КНР и Мексика. Самая большая доля используемой геотермальной энергии приходится на страны Латинской Америки, но и она составляет немного более 1%.

В России перспективными в этом смысле районами являются Камчатка и Курильские острова. С 60-х годов на Камчатке успешно работает полностью автоматизированная Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт, на Курилах — станция на о. Кунашир. Такие станции могут быть конкурентоспособны лишь в районах с высокой отпускной ценой на электроэнергию, а на Камчатке и Курилах она очень высока в силу дальности перевозок топлива и отсутствия железных дорог.

1.2 Энергия солнца

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Использование только 0,5 % этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия. На Сев. Технический потенциал солнечной энергии в России (2,3 млрд. т усл. топлива в год) приблизительно в 2 раза выше сегодняшнего потребления топлива.

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И в России наибольший теоретический потенциал, более 2000 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.), имеет солнечная энергия. Несмотря на такой большой потенциал в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии на 2005 г определен в очень малом объеме – 17-21 млн.т у.т. Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование-дело отдаленного будущего (после 2020г). В данной работе я покажу, что это не так и что солнечная энергия является серьезной альтернативой традиционной энергетике уже в настоящее время.

Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн.лет. Гигантские темпы потребления не возобновляемых энергоресурсов по относительно низкой цене, которые не отражают реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь в займы, кредиты у будущих поколений, которым не будет доступна энергия по такой низкой цене. Энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60%. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект «2000 солнечных крыш» в Германии. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов.

При КПД солнечной электростанции (СЭС) 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 кв.м, что составляет 0.024% территории.

Наиболее практическое применение в мире получили гибридные солнечно-топливные электростанции с параметрами: КПД 13,9%, температура пара 371 гр.С, давление пара 100 бар, стоимость вырабатываемой электроэнергии 0,08-0,12 долл/кВт.ч, суммарная мощность в США 400 МВт при стоимости 3 долл/Вт. СЭС работает в пиковом режиме при отпускной цене за 1 кВт.ч электроэнергии в энергосистеме: с 8 до 12 час.-0,066 долл. и с 12 до 18 час.- 0,353 долл.. КПД СЭС может быть увеличен до 23% – среднего КПД системных электростанций, а стоимость электроэнергии снижена за счет комбинированной выработки электрической энергии и тепла.

Основным технологическим достижением этого проекта является создание Германской фирмой Flachglass Solartechnik GMBH технологии производства стеклянного параболоцилиндрического концентратора длиной 100 м с апертурой 5,76 м, оптическим КПД 81% и ресурсом работы 30 лет. При наличии такой технологии зеркал в России целесообразно массовое производство СЭС в южных районах, где имеются газопроводы или небольшие месторождения газа и прямая солнечная радиация превышает 50% от суммарной.

Принципиально новые типы солнечных концентратов, использующие технологию голографии, предложены ВИЭСХом.

Его главные характеристики – сочетание положительных качеств солнечных электростанций с центральным приемником модульного типа и возможность использования в качестве приемника как традиционных паронагревателей, так и солнечных элементов на основе кремния.

Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%. Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5-3 долл/Вт при стоимости электроэнергии 0,25-0,56 долл/кВт.ч. Солнечные энергосистемы заменяют керосиновые лампы, свечи, сухие элементы и аккумуляторы, а при значительном удалении от энергосистемы и малой мощности нагрузки – дизельные электрогенераторы и линии электропередач.

1.3 Энергия ветра

Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.

Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.

1.4 Энергия воды

Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние греки объясняли колебание уровня воды волей повелителя морей Посейдона. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.

Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

В 1968 г. на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строительства – Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ в области использования энергии приливов.

Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м.

Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м

С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной трубы Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

1.5. Энергия волн

Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит из него, то входит. Но движение воздуха возможно только лишь через верхнее отверстие (такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. Другой тип установки – что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, морекультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.

Волновая энергетическая установка «Каймей» (»Морской свет») – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км. В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт. ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.

Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт.·ч электроэнергии.

А в Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа «моллюск», в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры. В них находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.

Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.

В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.

Проект, известный под названием «утка Солтера», представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок (»утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков. В 1978 г. была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.

1.6 Энергия течений

Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м 2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

Программа «Кориолис» предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система «Кориолис» общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

После того как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной – 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше – передача тока по подводному кабелю на берег.

Материал турбины- алюминий. Срок службы – 80 лет. Ее постоянное место – под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.

Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

2 Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России

Доля традиционной топливной энергетики в мировом энергобалансе будет непрерывно сокращаться, а на смену придет нетрадиционная — альтернативная энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии. И от того, с какими темпами это произойдет в конкретной стране, зависит не только ее экономическое благополучие, но и ее независимость, ее национальная безопасность.

Ситуация с возобновимыми источниками энергии в России, как и почти со всем у нас в стране, может быть названа уникальной. Запасы этих источников, поддающихся использованию уже на сегодняшнем техническом уровне, огромны. Вот одна из оценок: солнечной лучистой энергии — 2300млрдТУТ (тонн условного топлива); ветра — 26,7млрдТУТ, биомассы — 10млрдТУТ; тепла Земли — 40000млрдТУТ; малых рек — 360млрдТУТ; морей и океанов — 30млрдТУТ. Эти источники намного превышают современный уровень энергопотребления России (1,2млрдТУТ в год). Однако используются из всего этого немыслимого изобилия даже не сказать что крохи — микроскопические количества. Как и в мире в целом, в России наиболее развита среди возобновляемых видов энергетики ветроэнергетика. Еще в 1930-хгг. в нашей стране серийно выпускалось несколько видов ветроустановок мощностью 3-4кВт, однако в 1960-егг. их выпуск был прекращен. В последние годы СССР правительство вновь обратило внимание на эту область, однако не успело реализовать своих планов. Тем не менее, с 1980 по 2006гг. Россией наработан большой научно-технический задел (но отставание в вопросах практического использования возобновимых источников энергии у России серьезное). Сегодня общая мощность действующих, сооружаемых и планируемых к вводу в России ВЭУ и ВЭС составляет 200 МВт. Мощность отдельных ветроагрегатов, изготавливаемых российскими предприятиями, лежит в диапазоне от 0,04 до 1000,0 кВт . В качестве примера приведем нескольких разработчиков и производителей ВЭУ и ВЭС. В Москве ООО «СКТБ «Искра» производит ветроэлектрические станции М-250 мощностью 250Вт. В Дубне Московской области предприятие Гос.МКБ «Радуга» производит легко устанавливаемые ВЭС в 750Вт, 1кВт и 8кВт; Санкт-Петербургский НИИ «Электроприбор» выпускает ВЭУ до 500 Вт.

В Киеве с 1999г. научно-производственная группа WindElectric производит ветроэлектростанции бытового назначения WE-1000 мощностью 1 кВт. Специалистами группы разработана уникальная многолопастная, универсально-скоростная и абсолютно бесшумная турбина небольших размеров, эффективно использующая любой воздушный поток.

Хабаровская «Компания ЛМВ Ветроэнергетика» производит ВЭС мощностью от 0,25 до 10кВт, последние могут объединяться в системы мощностью до 100кВт. С 1993г. этим предприятием разработано и произведено 640 ВЭС. Большинство установлено в Сибири, на Дальнем Востоке, Камчатке, Чукотке. Срок эксплуатации ВЭС достигает 20 лет в любых климатических зонах. Компания поставляет также солнечные батареи, которые работают совместно с ВЭС (мощность таких ветросолнечных установок составляет от 50Вт до 100 кВт).

В отношении ресурсов ветровой энергии в России наиболее перспективны такие районы, как Побережье Северного Ледовитого океана, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Якутия, а также побережье Финского залива, Черного и Каспийского морей. Высокие среднегодовые скорости ветра, малая обеспеченность централизованными электросетями и обилие неиспользуемых в хозяйстве площадей делает эти местности практически идеальными для развития ветровой энергетики. Похожая ситуация с солнечной энергетикой. Солнечная энергия, поступающая за неделю на территорию нашей страны, превышает энергию всех российских ресурсов нефти, угля, газа и урана. Имеются интересные отечественные разработки в этой области, но нет никакой поддержки их со стороны государства и, следовательно, нет рынка фотоэнергетики. Однако объем выпуска солнечных батарей исчисляется мегаваттами. В 2006г. было произведено около 400 МВт. Имеется тенденция к некоторому росту. Впрочем, больший интерес к продукции различных научно-производственных объединений, выпускающих фотоэлементы, проявляют покупатели из-за рубежа, для россиян они все еще дороги; в частности, потому что сырье для производства кристаллических пленочных элементов приходится ввозить из-за рубежа (в советское время заводы по производству кремния находились в Киргизии и Украине) Наиболее благоприятные районы для использования солнечной энергии в России — это Северный Кавказ, Ставропольский и Краснодарский края, Астраханская область, Калмыкия, Тува, Бурятия, Читинская область, Дальний Восток.

Наибольшие достижения по использованию солнечной энергии отмечены в области создания систем теплоснабжения с применением плоских солнечных коллекторов. Первое место в России во внедрении таких систем занимает Краснодарский край, где за последние годы в соответствии с действующей краевой программой энергосбережения сооружено около сотни крупных солнечных систем горячего водоснабжения и множество мелких установок индивидуального пользования. Наибольшее развитие солнечные установки для обогрева помещений получили в Краснодарском крае и Республике Бурятия. В Бурятии солнечными коллекторами производительностью от 500 до 3000 литров горячей воды (90-100 градусов по Цельсию) в сутки оснащены различные промышленные и социальные объекты – больницы, школы, завод «Электромашина» и т.д., а также частные жилые здания. Сравнительно повышенное внимание уделяется развитию геотермальных электростанций, более, видимо, привычных нашим энергетическим распорядителям и достигающих больших мощностей, а потому лучше укладывающихся в привычную концепцию энергетического гигантизма. Специалисты считают, что запасы геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах могут обеспечить электростанции мощностью до 1000МВт.

Ещё в 1967г. на Камчатке была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 11,5МВт. Она была пятой ГеоТЭС в мире. В 1967г. была введена в действие Паратунская ГеоТЭС — первая в мире с бинарным циклом Ренкина. В настоящее время строится Мутновская ГеоТЭС мощностью 200МВт с использованием отечественного оборудования, изготовленного Калужским турбинным заводом. Этот завод приступил также к серийному выпуску модульных блоков для геотермального электро – и теплоснабжения. С использованием таких блоков Камчатка и Сахалин могут быть практически полностью обеспечены электроэнергией и теплом от геотермальных источников. Геотермальные источники с достаточно большим энергетическим потенциалом имеются в Ставропольском и Краснодарском краях. Сегодня там вклад систем геотермального теплоснабжения составляет 3млн.Гкал/год.

По мнению специалистов, при несметных запасах этого вида энергии не решен вопрос о рациональном, рентабельном и экологически безвредном использовании геотермальных ресурсов, что мешает наладить их индустриальное освоение. Например, добываемые геотермальные воды используются варварскими методами: неочищенную отработанную воду, содержащую ряд опасных веществ (ртуть, мышьяк, фенолы, серу и т.п.) сбрасывают в окружающие водоемы, нанося непоправимый вред природе. К тому же, все трубопроводы геотермальных систем отопления быстро выходят из строя из-за высокой минерализации геотермальных вод. Поэтому требуется коренной пересмотр технологии использования геотермальной энергии.

Сейчас ведущим предприятием по изготовлению геотермальных электрических станций в России является Калужский турбинный завод и АО «Наука», которые разработали и производят модульные геотермальные электростанции мощностью от 0,5 до 25 МВт. Разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения Камчатки, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900тыс. ТУТ. На Кубани эксплуатируется 10 месторождений геотермальных вод. За 1999-2000гг. уровень добычи теплоэнергетических вод в крае составил около 9млнм3, что позволило сэкономить до 65тыс.ТУТ. Предприятием «Турбокон», созданным при Калужском турбинном заводе, разработана чрезвычайно перспективная технология, позволяющая получать электроэнергию из горячей воды, испаряющейся под давлением и вращающей турбину, оснащенную вместо привычных лопастей специальными воронками — так называемыми соплами Лаваля. Польза от таких установок, получивших название гидропаровых турбин, как минимум двойная. Во-первых, они позволяют полнее использовать геотермальную энергию. Обычно для получения энергии используется только геотермальный пар или растворенные в геотермальной воде горючие газы, тогда как с помощью гидропаровой турбины для получения энергии можно использовать и непосредственно горячую воду. Другой возможный вариант применения новой турбины — получение электроэнергии в городских теплосетях, из воды, возвращающейся от потребителей тепла. Сейчас тепло этой воды пропадает впустую, тогда, как оно могло бы обеспечивать котельные независимым источником электричества.

Тепло недр Земли способно не только выбрасывать в воздух фонтаны гейзеров, но и согревать жилища и вырабатывать электроэнергию. Большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка, Чукотка, Курилы, Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область. Высокопотенциальное термальное тепло (пароводная смесь свыше 100 градусов по Цельсию) позволяет производить электроэнергию напрямую.

Обычно пароводяная термальная смесь извлекается из скважин, пробуренных на глубину 2-5 км. Каждая из скважин способна обеспечить электрическую мощность 4-8 МВт с площади геотермального месторождения около 1 км 2 . При этом по экологическим соображениям необходимо иметь и скважины для закачки в пласт отработанных геотермальных вод.

В настоящее время на Камчатке действуют 3 геотермальных электростанции: Паужетская ГеоЭС, Верхне-Мутновская ГеоЭС и Мутновская ГеоЭС. Суммарная мощность этих геотермальных электростанций составляет более 70 МВт. Это позволяет на 25% обеспечить потребности региона в электроэнергии и ослабить зависимость от поставок дорогостоящего привозного мазута.

В Сахалинской области на о. Кунашир введены первый агрегат мощностью 1,8 МВт Менделеевской ГеоТЭС и геотермальная тепловая станция ГТС-700 мощностью 17 Гкал/ч. Большая часть низкопотенциальной геотермальной энергии применяется в виде тепла в жилищно-коммунальном и сельском хозяйствах. Так, на Кавказе общая площадь обогреваемых геотермальными водами теплиц составляет свыше 70 га. В Москве построен и успешно эксплуатируется экспериментальный многоэтажный дом, в котором горячая вода для бытовых нужд нагревается за счет низкопотенциального тепла Земли.

Наконец, следует также упомянуть малые гидроэлектростанции. С ними дело обстоит относительно благополучно в плане конструкторских разработок: оборудование для малых ГЭС выпускается или готово к выпуску на многих предприятиях энергомашиностроительной промышленности, с гидротурбинами различной конструкции — осевыми, радиально-осевыми, пропеллерными, диагональными, ковшовыми. При этом стоимость оборудования, изготовленного на отечественных предприятиях, остается значительно ниже мирового уровня цен. На Кубани ведется строительство двух малых ГЭС (МГЭС) на р. Бешенка в районе п.Красная Поляна г.Сочи и сбросе циркуляционной системы технического водоснабжения Краснодарской ТЭЦ. Запланировано строительство МГЭС на сбросе Краснодарского водохранилища мощностью 50 МВт. Начата работа по восстановлению системы малых ГЭС в Ленинградской области. В 1970-е гг. там, в результате проведения кампании по укрупнению электроснабжения области, прекратили работу более 40 таких станций. Плоды недальновидной гигантомании приходится исправлять сейчас, когда необходимость в малых источниках энергии стала очевидной.

Заключение

Нужно отметить, что в России ещё нет таких законов, которые бы регулировали альтернативную энергетику и стимулировали ее развитие. Равно как и нет структуры, которая бы защищала интересы альтернативной энергетики. Как, например, атомной энергетикой отдельно занимается Минатом. Запланирован доклад правительству об обосновании необходимости и разработке концепции проекта федерального закона «О развитии возобновляемых источников энергии». За подготовку этого доклада отвечают целых четыре министерства: Минэнерго, Минэкономразвития, Минпромнауки и Минюст. Когда они договорятся, неведомо.

Чтобы отрасль развивалась быстро и полноценно, закон должен предусматривать налоговые льготы предприятиям, производящим оборудование для получения энергии возобновляемых источников (например, снижение ставки НДС хотя бы до 10%). Важны также вопросы сертификации и лицензирования (прежде всего в том, что касается оборудования), потому что приоритет возобновляемой энергии также должен соответствовать требованиям качества.

Развитие альтернативных способов получения энергии тормозят производители и добытчики традиционных источников энергии: у них сильные позиции во власти и есть возможность отстаивать свои интересы. Альтернативная энергия до сих пор довольно дорога по сравнению с традиционной, потому что практически у всех предприятий-производителей установки выходят опытными партиями в очень небольших количествах и соответственно являются очень дорогими. Организация серийного производства и проведение сертификации установок требуют значительных инвестиций, которые полностью отсутствуют. Удешевлению стоимости могла бы способствовать господдержка. Однако же это противоречит интересам тех, чей бизнес основан на добыче традиционного углеводородного топлива. Лишняя конкуренция никому не нужна.

В результате преимущественному использованию возобновляемых источников и развитию альтернативной энергетики отдается предпочтение в основном в тех регионах, где это является наиболее очевидным решением сложившихся энергетических проблем. Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, в том числе в тех регионах, где отсутствует централизованное электроснабжение – побережье Северного Ледовитого океана, Якутия, Камчатка, Чукотка, Сахалин, но даже в этих районах энергетические проблемы таким образом решать почти не пытаются.

О дальнейшем развитии альтернативной энергетики говорится в «Энергетической стратегии России на период до 2020 года». Цифры, которых должна достичь наша альтернативная энергетика, очень низки, задачи минимальны, поэтому перелома в российской энергетике ждать не приходится. За счет альтернативной энергетики к 2020 году планируется экономить меньше 1% всех топливных ресурсов. Приоритетом своей «энергетической стратегии» Россия выбирает атомную промышленность как «важнейшую часть энергетики страны».

В последнее время были предприняты некоторые шаги в сторону развития альтернативной возобновляемой энергетики. Минэнерго начало переговоры с французами о перспективах сотрудничества в области альтернативной энергетики. В целом же можно отметить, что состояние и перспективы развития альтернативной энергетики на ближайшие 10-15 лет в целом представляются плачевными.

Список используемых источников

1. Копылов В.А. География промышленности России и стран СНГ. Учебное пособие. – М.: Маркетинг, 2001 – 184 с.

2. Видяпин М.В., Степанов М.В. Экономическая география России. – М.: Инфра – М., 2002 – 533 с.

3. Морозова Т.Г. Экономическая география России – 2 -е изд., ред.- М.: ЮНИТИ, 2002 – 471 с.

4. Арустамов Э.А. Левакова И.В.Баркалова Н.В. Экологические основы природопользования. М. Изд. «Дашков и К». 2002.

5. В. Володин, П. Хазановский Энергия, век двадцать первый.-М 1998

6. А. Голдин «Океаны энергии». М: ЮНИТИ 2000

7. Попов В. Биосфера и проблемы ее охраны. Казань. 1981.

8. Рахилин В. общество и живая природа. М. Наука. 1989.

9. Лаврус В.С. Источники энергии К: НиТ, 1997

10. Э.Берман. Геотермальная энергия – Москва: Мир,1978г.

11. Л. С. Юдасин. Энергетика: проблемы и надежды. М: ЮНИТИ. 1999.

В связи с развитием производственных технологий и значительным ухудшением экологической ситуации во многих регионах земного шара, человечество столкнулось с проблемой поиска новых источников энергии. С одной стороны, количество добываемой энергии должно быть достаточным для развития производства, науки и коммунально-бытовой сферы, с другой стороны, добыча энергии не должна отрицательно сказываться на окружающей среде.

Данная постановка вопроса привела к поиску так называемых альтернативных источников энергии — источников, соответствующих вышеуказанным требованиям. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, на данный момент большинство из них уже используется более или менее широко. Предлагаем вашему вниманию их краткий обзор:

Солнечная энергия

Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах, они преобразуют солнечную энергию в электрическую. Существуют разные способы такого преобразования и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространены станции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные батареи. Большинство крупнейших фотоэлектрических установок мира находятся в США.

Энергия ветра

Ветроэнергетические установки (ветряные электростанции) широко используются в США, Китае, Индии, а также в некоторых западноевропейских странах (например в Дании, где 25% всей электроэнергии добывают именно таким способом). Ветроэнергетика является весьма перспективным источником альтернативной энергии, в настоящее время многие страны значительно расширяют использование электростанций данного типа.

Биотопливо

Главными преимуществами данного источника энергии перед другими видами топлива являются его экологичность и возобновляемость. К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (торф, отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Энергия приливов и волн

В отличие от традиционной гидроэнергетики, использующей энергию водного потока, альтернативная гидроэнергетика пока не получила широкого распространения. К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, их за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии. Основные плюсы — высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

Тепловая энергия Земли

Для разработки этого источника энергии используются геотермальные электростанции, использующие энергию высокотемпературных грунтовых вод, а также вулканов. На данный момент более распространенной является гидротермальная энергетика, использующая энергию горячих подземных источников. Петротермальная энергетика, основанная на использовании «сухого» тепла земных недр, на данный момент развита слабо; основной проблемой считается низкая рентабельность данного способа получения энергии.

Атмосферное электричество

(Вспышки молний на поверхности Земли происходят практически одновременно в самых разных местах планеты )

Грозовая энергетика, основывающаяся на захвате и накоплении энергии молний, пока находится в стадии становления. Главными проблемами грозовой энергетики являются подвижность грозовых фронтов, а также быстрота атмосферных электрических разрядов (молний), затрудняющая накопление их энергии.

Энергия – очень важная часть жизни человека. Без энергии невозможно существование, как человеческого организма, так и любого прибора, существующего на Земле. Поэтому во все времена люди пытались отыскать источники энергии, способные обеспечить все производственные потребности.

Потребности населения с каждым днем растут, исходя из этого, необходимы новые, более энергоемкие ресурсы, способные удовлетворить запросы людей. Если ранее угля и нефти было вполне достаточно, то в нынешнее время запасы порядком истощились, а потребность только растет с каждым днем. Поэтому сейчас активно разрабатываются новые альтернативные виды энергии.

Возможности альтернативных видов энергии– способны ли они обеспечить комфортное существование человека?

Альтернативная энергетика давно перешла из разряда научной фантастики в широко применяющийся формат организации энергоснабжения многих предприятий и населенных пунктов. Исследования и разработки не проходят зря. И если еще пару десятков лет назад виды альтернативных источников энергии ограничивались ветряными электростанциями и использованием солнечных батарей, то сейчас этот список расширился и значительно дополнился.

Какие виды альтернативных источников энергии существуют на данный момент?

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно, и сейчас вряд ли кого-то можно поистине ими удивить. В нынешнее время подобный источник энергии активно применяется во многих сферах. Его используют как в промышленных целях, так и для обеспечения энергоснабжения на частных участках. Конструкция и принцип работы такого оборудования достаточно прост. При этом его стоимость все же не позволяет использовать подобный вид автономного обеспечения энергией любому человеку.

Для продуктивной работы солнечных батарей очень важен климат. Местность, на которой подразумевается установка данной системы, должна отличаться большим количеством теплых солнечных дней в году. Установка подобного оснащения в дождливых и более холодных районах будет менее целесообразной.

Еще одним достаточно популярным видом альтернативного источника энергии является ветер. Наиболее выгодно располагать подобные электростанции в сельских районах, в районе полей, на равнинах. Механическая энергия ветра преобразуется специальными генераторами в электроэнергию. Лопасти ветряков вращаются, получая энергию ветра, после чего она перерабатывается в используемое нами электричество.

Цена данного оборудования также не является общедоступной, будучи достаточно высокой. Тем не менее, необходимые климатические условия встречаются на большей местности и являются более приемлемыми.

Данный вид энергоснабжения менее популярен, чем предыдущие. Это обусловлено тем, что горячие источники встречаются достаточно редко, и их не так много. Тем не менее, подобный ресурс также имеет место быть. Принцип работы оснащения для получения такой энергии заключается в том, что турбины приводятся в движение паром, после чего начинают функционировать электрогенераторы.

В местности, где есть выход к морю или океану достаточно часто успешно используется энергия воды. Механическая сила воды во время приливов и отливов заставляет вращаться специальные турбины, установленные на станции. Таким образом, она преобразуется в электроэнергию.

Электростанции подобного типа не так распространены. Не всегда их окупаемость достаточно высока, поэтому их эффективность порой не приносит реальной выгоды.

Реакция водорода также может быть видом альтернативного источника энергии. Во время этого процесса может выделяться вода и тепло, а также образовываться электричество. При этом, данный способ получения энергии является экологически чистым и обладает высоким коэффициентом полезного действия.

Любые научные разработки и исследования в основном направлены на улучшение жизни людей. Одним из таких направлений, способных значительно изменить существование человека, является развитие энергетики будущего. Поэтому процесс поиска и введение в эксплуатацию новых способов получения энергии очень важен для развития общества.

Ограниченность природных запасов и возрастающая сложность добычи ископаемого топлива, вкупе с глобальным загрязнением окружающей среды подталкивает человечество прилагать усилия в поиске возобновляемых, альтернативных источников энергии. Вместе с сокращением вреда экологии от новых энергоресурсов ожидают минимальных показателей себестоимости всех циклов транспортировки, переработки и производства.

Назначение альтернативных источников энергии

Являясь целиком возобновляемым ресурсом или явлением, альтернативный источник энергии полностью заменяет собой традиционный, работающий на , или . Различные источники энергии человечество использует давно, но возросшая масштабность их применения наносит невосполнимый урон окружающей среде. Ведет к выбросам в атмосферу большого количества углекислого газа. Провоцирует парниковый эффект и способствует глобальному повышению температуры, . Мечтая о практически неисчерпаемом или полностью возобновляемом энергоресурсе, люди заняты поиском перспективных способов получения, использования и последующей передачи энергии. Конечно, беря во внимание экологический аспект и экономичность новых, нетрадиционных источников.

Надежды, связанные с нетрадиционными источниками энергии

Актуальность использования нетрадиционных источников энергии будет непрерывно возрастать, требуя ускорения процессов поиска и внедрения. Уже сегодня большинство стран на государственном уровне вынуждены внедрять программы, снижающие расход энергии, тратя на это огромные средства и урезая собственных граждан в правах.

Историю не повернуть вспять. Процессы развития общества не остановить. Жизнь человечества больше немыслима без энергоресурсов. Не обретя полноценной альтернативы современным, стандартным источникам энергии, жизнь социума не представима и гарантировано зайдет в тупик (см. )

Факторы, ускоряющие внедрение нетрадиционных энергоресурсов:

Глобальный экологический кризис, построенный на утилитарном и без преувеличения - хищническом отношении к природным богатствам планеты. Факт пагубного влияния общеизвестен и споров не вызывает. Человечество связывает большие надежды в решении разрастающейся проблемы именно на альтернативные источники энергии.
Экономическая выгода, снижающая затраты на получение и конечную стоимость альтернативной энергии. Сокращение сроков окупаемости строительства объектов нетрадиционной энергетики. Высвобождение больших материальных средств и человеческого ресурса, направляемых на благо цивилизации (см. ).
Социальная напряженность в обществе, вызванная снижением качества жизни, ростом плотности и численности населения. Экономической и экологической обстановкой, постоянное ухудшение которых приводят к росту различных заболеваний.
Конечность и постоянно возрастающая сложность добычи ископаемого топлива. Данная тенденция неминуемо потребует ускорить переход на .
Политический фактор, выводящий в мировые лидеры страну, первой полноценно освоившую альтернативную энергетику.

Только осуществив основное предназначение нетрадиционных источников, можно сполна насытить развивающееся человечество необходимой и жадно потребляемой энергией.

Применение и перспективы развития различных видов альтернативных источников энергии

Основной источник обеспечения энергетических потребностей в настоящее время получают из трех видов энергоресурсов: воды, органического топлива и атомного ядра (см. ). Требуемый временем, процесс перехода на альтернативные виды, движется медленно, но понимание необходимости заставляет большинством стран вести разработки энергосберегающих технологий и активнее внедрять свои и общемировые наработки в жизнь. С каждым годом все больше возобновляемой энергии человечество получает от солнца, ветра и остальных альтернативных источников. Разберемся, какие есть альтернативные источники энергии.

Основные виды возобновляемой энергетики

Солнечная энергия считается ведущим и экологически чистым источником энергии. На сегодня для получения электроэнергии разработаны и используются термодинамический и фотоэлектрический метод. Подтверждается концепция работоспособности и перспективности наноантенн. Солнце, являясь неистощимым источником экологически чистой энергии, вполне может обеспечить потребности человечества.

Интересный факт! На сегодня окупаемость солнечной электростанции на фотоэлементах составляет примерно 4 года.

Давно и успешно используется людьми энергия ветра, ветряков. Ученые разрабатывают новые и совершенствуют имеющиеся ветряные электростанции. Снижая затраты и повышая КПД ветряков. Особую актуальность они имеют на побережьях и в местностях с постоянными ветрами. Преобразуя кинетическую энергию воздушных масс в дешевую электрическую энергию, ветряные электростанции уже сегодня вносят существенный вклад в энергосистему отдельных стран.

Источники геотермальной энергии используют неисчерпаемый источник - внутреннее тепло Земли. Существует несколько рабочих схем, не меняющих суть процесса. Природный пар очищают от газов и подают в турбины, вращающие электрогенераторы. Подобные установки работают по всему миру. Геотермальные источники дают электричество, греют целые города и освещают улицы. Но мощность геотермальной энергетики использована очень мало, а технологии получения имеют низкий КПД.

Интересный факт! В Исландии более 32% электричества добывается с помощью термальных источников.

Приливная и волновая энергетика — это бурно развивающийся способ преобразования потенциальной энергии движения водяных масс в электрическую энергию. Имея высокий коэффициент преобразования энергии, технология имеет большой потенциал. Правда, может использоваться только на побережьях океанов и морей.

Процесс разложения биомассы приводит к выделению газа имеющим в своем составе метан. Очищенным, он используется для выработки электроэнергии, обогрева помещений и других хозяйственных нужд. Существуют небольшие предприятия, полностью обеспечивающие свои энергетические потребности.

Постоянный рост тарифов на энергоносители вынуждает владельцев частных домов использовать альтернативные источники. Во многих местах удаленные приусадебные участки и частные хозяйства совершенно лишены возможности, даже теоретического подключения к необходимым энергетическим ресурсам.

Основные источники нетрадиционной энергии, применяемые в частном доме:

солнечные батареи и различные конструкции тепловых коллекторов, работающие от солнечной энергии;
ветряные электростанции;
мини и микро ГЭС;
восполняемая энергия из биотоплива;
разнообразные виды тепловых насосов, использующих тепло воздуха, земли или воды.

Сегодня, пользуясь нетрадиционными источниками, существенно сократить расходы на энергопотребление не получается. Но постоянно совершенствующиеся технологии и снижение цены на устройства непременно приведут к буму потребительской активности.

Возможности, предоставляемые альтернативными видами энергий

Человечество не представляет дальнейшего развития без сохранения темпов потребления энергии. Но движение в данном направлении ведет к гибели окружающей среды и серьезно скажется на жизни людей. Единственным вариантом, способным исправить ситуацию, представляется возможность использования нетрадиционных источников энергии. Ученые рисуют радужные перспективы, добиваются технологических прорывов в опробованных и инновационных технологиях. Правительство многих стран, понимая выгоды, вкладывает большие средства в исследования. Развивает альтернативную энергетику и переводит производственные мощности на нетрадиционные источники. На данном этапе развития социума, сохранить планету и обеспечить благополучие людей возможно лишь усиленно работая с альтернативными источниками энергии.

Мировое использование различных видов альтернативных источников энергии

Кроме потенциала и степени развития технологии, на эффективности использования различных альтернативных видов энергии, влияние оказывает интенсивность источника энергии. Поэтому страны, в особенности, не обладающие запасами нефти, усиленно развивают имеющиеся источники нетрадиционных энергоресурсов.

Направление развития восстанавливаемых энергоресурсов в мире:

Финляндия, Швеция, Канада, Норвегия - массовое использование солнечных электростанций;
Япония - эффективное применение геотермальной энергии;
США - существенные успехи в развитии альтернативных источников энергии во всех направлениях;
Австралия - хороший экономический эффект от развития нетрадиционной энергетики;
Исландия - обогрев геотермальной энергии Рейкьявика;
Дания - мировой лидер ветровой энергетики;
Китай - удачный опыт по внедрению и расширению сети ветровой энергетики, массовое использование энергии воды и солнца;
Португалия - эффективное применение солнечных электростанции.

В гонку технологий включились многие развитые страны, добиваясь на собственной территории весомых успехов. Правда, общемировое производство альтернативной энергии давно топчется вокруг 5% и конечно выглядит удручающе.

Использование нетрадиционных источников энергии в России развито плохо, по сравнению со многими странами находится на низком уровне. Сложившееся положение объясняется обилием и доступностью ископаемых энергоносителей. Однако понимание малой продуктивности данной позиции и взгляд в будущее, обязывает правительство все больше заниматься данной проблемой.

Наметились позитивные тенденции. В Белгородской области успешно работает и планируется к расширению массив солнечных батарей. Планируются работы по внедрению биоэнергетики. В различных регионах запускаются ветряные электростанции. На Камчатке успешно используется энергия геотермальных источников.

Доля нетрадиционных источников энергии в общем энергобалансе страны, оценивается очень приблизительно и составляет около 4%, но имеет теоретически неисчерпаемые возможности развития.

Интересные факты! Калининградская область намерена стать в России лидером добычи чистого электричества.

Очевидные плюсы и минусы альтернативных источников энергии

Альтернативные источники энергии обладают бесспорными и ярко выраженными достоинствами. И просто требуют приложения всех усилий на их изучение.

Плюсы альтернативных источников энергии:

экологический аспект (см. );
неисчерпаемость и возобновляемость ресурсов;
всеобщая доступность и широкое распространение;
снижение себестоимость с дальнейшим развитием технологий.

Потребности человечества в бесперебойной энергии диктуют суровые требования к нетрадиционным источникам. И существует реальная возможность устранить недостатки дальнейшим развитием технологий.

Существующие минусы альтернативных источников энергии:

возможное непостоянство с зависимостью от времени суток и погодных условий;
неудовлетворяющий уровень КПД;
неразвитость технологии и высокая стоимость;
низкая единичная мощность отдельных установок.

Остается надеяться, что попытки поиска идеального, восполняемого источника энергии увенчаются успехом. Экология будет спасена и люди намного улучшат качество жизни.

Когда говорят об альтернативной энергетике, то обычно имеют в виду установки по производству электрической энергии из возобновляемых источников – солнечного света и ветра. При этом статистика исключает , станциях, использующих силу морских и океанических приливов, а также геотермальные электростанции. Хотя, эти источники энергии также являются возобновляемыми. Однако, они традиционные, используются в промышленных масштабах уже долгие годы.

Идея использовать силу ветра и солнечную энергию для производства электроэнергии достаточно привлекательная. Ведь это позволит отказаться от использования топлива. Даже привычный пейзаж должен будет измениться. Исчезнут трубы тепловых электростанций, саркофаги атомных. Многие страны перестанут находится в постоянной зависимости от закупок ископаемого топлива. Ведь солнце и ветер есть на Земле повсюду.

Но сможет ли такая энергетика вытеснить традиционную? Оптимисты считают, что так и произойдет. У пессимистов другой взгляд на проблему.

Всемирная статистика показывает, что рост инвестиций в альтернативную энергетику, начиная с 2012 года снижается . Наблюдается даже спад в абсолютных цифрах. Снижение в мировом масштабе произошло в основном за счет Соединенных Штатов Америки, стран Западной Европы. Его не смог даже компенсировать рост японских и китайских инвестиций.

Возможно, статистика несколько искаженная, ведь практически, не поддаются учету точечные производители альтернативной энергетики – отдельные солнечные батареи на крышах жилых домов, ветровые установки, обслуживающие отдельные фермерские хозяйства. А на них по оценкам экспертов приходится около трети всей альтернативной энергетики.

Германия справедливо считается лидером в производстве электричества из возобновляемых источников. Во многом ее энергетика является своеобразным полигоном для выработки перспективных моделей. Установленная мощность ее ветровой и солнечной генерации составляет 80 ГВт. 40 процентов мощностей принадлежит частным лицам, около 10 – фермерам. И только половина – компаниям и государству.

Примерно каждый двенадцатый гражданин Германии является собственником альтернативной энергетической установки. Примерно такие же цифры характеризуют Италию с Испанией. Солнечные энергоустановки подключены к общей сети, таким образом их владельцы одновременно производят и потребляют электроэнергию.

В прежние годы получать альтернативную энергию потребители могли лишь в солнечную погоду, но в настоящее время активно расширяется использование целых комплексов, в которых солнечные батареи дополнены аккумуляторами – традиционными свинцовыми или современными литиевыми. Таким образом появляется возможность накапливать избыточную энергию, чтобы потом ее использовать в темное время суток или же при плохой погоде.

Специалисты оценивают, что подобная связка, позволяет среднестатистической европейской семье, а это четыре человека, сэкономить 60 процентов потребляемой электроэнергии. Тридцатипроцентную экономию дадут непосредственно солнечные батареи, а еще тридцать аккумуляторы.

Экономия значительная, но вот стоимость такой энергии очень высока. Аккумуляторная батарея на шесть КВтч в среднем имеет стоимость 5 000 евро. Если прибавить стоимость установки, обслуживания, выплату налогов и другие расходы, то установка на шесть КВтч обойдется от десяти до двадцати тысяч евро. Теперь же в Германии действует тариф на электричество около 25 центов. Поэтому срок окупаемости альтернативной установки для одной семьи составит около тридцати лет.

Понятно, что ни один аккумулятор не прослужит так долго. Но это справедливо лишь для сегодняшних технологий. По мнению специалистов, стоимость, как аккумуляторных батарей, так и солнечных панелей будет снижаться, а тарифы на электроэнергию увеличиваться. Такой видят перспективы владельцы многих компаний, в частности Google. Именно эта компания является лидером по инвестициям в развитие альтернативной энергетики в США. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, на стоянке у ее центрального офиса установлены солнечные батареи.

В Западной Европе некоторые металлургические заводы и производители цемента заявляют, что в ближайшем будущем готовы к тому, чтобы частично использовать энергию солнечных батарей.

Ряд экспертов предрекают резкий спад спроса на традиционные виды энергоносителей и исчезновение атомной энергетики в обозримом будущем. Вероятно, к таким оценкам прислушиваются и американские энергетические компании. Так, в последние годы в США комиссия, которая регулирует атомную энергетику, не утвердила ни один из проектов АЭС.

Однако, при всех радужных перспективах альтернативная энергетика ставит вопросы, на которые пока нет четких ответов. Одна из основных проблем состоит в том, что развитие отрасли происходит в основном с колоссальной государственной поддержкой. Именно неопределенность в том, сохраниться ли такое положение в ближайшие годы, и вызвало падение интереса инвесторов в США, о котором писалось ранее. Та же картина наблюдается и в Италии, правительство которой урезало «зеленые» тарифы, чтобы сократить дефицит бюджета.

Германия производит около четверти всей электроэнергии, используя альтернативные источники, и даже экспортирует ее. Проблема состоит в том, что эта энергия имеет приоритет для поступления на рынок. А это уже дискриминирует традиционных поставщиков, ущемляет их экономические интересы. Государство дотирует производство по альтернативной технологии, но деньги для дотаций берутся за счет повышения тарифов. Примерно 20% стоимости электроэнергии для немцев – это и есть переплата.

Чем больше производится «зеленой» электроэнергии, тем сложнее выживать традиционным энергетическим компаниям. Их бизнес в Германии уже сегодня находится под угрозой. Крупные энергопроизводители, вкладываясь в альтернативную генерацию, сами попали в собственную ловушку. Большая доля «зеленой» электроэнергии уже обрушила оптовые цены.

Солнечные батареи, ветровые установки не могут выдавать энергию в пасмурные дни, при отсутствии ветра, поэтому отказаться от тепловых электростанций пока нереально, но в связи с приоритетом альтернативной электроэнергии, генерирующие мощности ТЭЦ вынуждены простаивать при солнечной погоде и в ветреные дни, а это увеличивает себестоимость их собственной генерации и сказывается на потребителях.

Рассуждая об альтернативной электроэнергии, обосновывая ее экономичность в будущем, обычно оперируют только стоимостью самих установок. Но для того, чтобы вся энергетическая система работала, и потребитель получал электроэнергию без перебоев, необходимо держать наготове традиционные мощности, которые в результате будут загружены лишь на пятую часть от своих генерирующих мощностей, а это дополнительные расходы. Плюс к этому, необходимо кардинально модернизировать электросеть, сделать ее «умной», чтобы обеспечить перетекание в ней электроэнергии на новых принципах. Все это требует многомиллиардных инвестиций, и пока не совсем ясно, за счет кого они возьмутся.

В прессе альтернативная энергетика подается практически беспроблемной отраслью, сулящей в будущем получение дешевой и экологически чистой в производстве электроэнергии, но серьезный бизнес понимает риски, связанные с ней. Государственная поддержка не слишком надежный источник финансирования, делать на него ставку рискованно. Такой «родник» может пересохнуть в любой момент.

И еще одна существенная проблема. Солнечные и ветровые установки требуют отчуждения огромных площадей земли. Если для условий Соединенных Штатов это не большая проблема, то Западная Европа густо заселена. Поэтому крупных проектов, связанных с альтернативной энергетиков пока не осуществляется.

Энергокомпании, стремясь свести риск к минимуму, инвестируют совместно с различными фондами, в том числе, пенсионными, страховыми компаниями. Но даже в Германии все осуществляемые проекты не масштабные, а точечные. Опыта создания и продолжительной эксплуатации больших генерирующих мощностей в мире до сих пор нет.

Пока проблемы альтернативной энергетики, ее риски обсуждаются в основном экспертами, а потому не представляются обществу актуальными. Энергетика, как и всякая другая сложная, разветвленная и устоявшаяся система, имеет большую инерцию. И лишь годы развития какой-либо новой тенденции способны сдвинуть ее с места. По этой причине, скорее всего, развитие альтернативной энергетики будет все же происходить с государственной поддержкой и иметь режим максимального благоприятствования.

Все активнее ведет себя в США «зеленое» лобби. Даже серьезные исследователи делают ставку на альтернативную энергетику. Так, согласно отчету Стэнфордского университета штат Нью-Йорк уже к 2030 году может полностью удовлетворить потребности в электроэнергии за счет солнечных и ветровых установок. При этом в отчете указывается, что, если грамотно расположить их по территории штата, то нет необходимости поддерживать в резерве работоспособные тепловые генерирующие мощности. Правда, совсем отказаться от традиционной энергетики авторы отчета не предлагают.

Альтернативная энергетика уже перестала быть экзотикой, она реально существует. Понятно, что по мере ее развития количество связанных с ней проблем будет лишь нарастать.