Нетрадиционные источники энергии и их использование человеком

В данном докладе будут рассмотрены особенности , проблемы и перспективы использования нетрадиционных источников энергии в масштабах нашей пла неты . Для этого сначала необходимо ввести само понятие нетрадиционных источников энергии ( НИЭ ); классифицируем элементы этой группы : Приведённая схема помогает разобраться , что подразумевают , когда говорят о “ нетрадиционной энергии ”, а также даёт классифи кацию механизмов , позволяющих эту энергию использовать ( перевести в виды , “ удобоусвояемые ” для человека - электрическую , механическую , тепловую etc .) . Рассмотрим , в каких отраслях мирового хозяйства перспективно применять такие механизмы . Говоря иначе , расс мотрим области применения НИЭ. В сельском хозяйстве потенциал использования НИЭ велик . Во- первых , объекты этой отрасли нередко значительно удалены от крупных электростанций ; ведь хорошо известные нам сегодня ГЭС , ГРЭС , ТЭС не могут ориентироваться на потре бителя в своём размещении . Электрификация сельскохозяйственных объектов сегодня составляет 70% себестоимости их производства ! Во- вторых сельскохозяйственные производства вообще очень энергоёмки, еслии речь идёт об электроэнергии . В особенности велики расход ы на поение животных . А с применением энергии из нетрадиционных источников, эти расходы снижаются почти в 3 раза . Для привода водоподъёмников и насосов целесообразнее всего способ получения энергии , основанный на анаэробном ( в присутствии катализатора ) сбра живании отходов. На перерабатывающих предприятиях также выгодно использовать энергию из нетрадиционных источников для получения, к примеру , ультразвука , токов высокой частоты . На нагрев воды и получение пара для стерилизации тоже выгодно использовать в кач естве парогенераторов и дублёров парогенераторов ветроагрегаты : при этом расходы сокращаются на 30-40%! Области применения НИЭ многочисленны ; в быту их удобно применять также для нагрева воды , теплоснабжения , а также можно упомянуть гелиодуши . Данные цифры,однако же,не отражают возрастающего значения нетрадиционных источников энергии в мировом хозяйстве . Тем более нельзя по ним сделать вывод о потенциале использо вания т.н . возобновляемых источников энергии в мировом масштабе.А этот потенциал огромен даже по сравнению с современными объёмами выработки электроэнергии на земном шаре.Так,одни только запасы ветровой энергии составляют,по оценке Всемирной Метеорологиче с кой органиизации , 170 трлн кВт *ч /год (!). Мировое производство электроэнергии-где-то 14,1 трлн кВт *ч /год . Это составляет 50700 ПДж /год. Неутешительные выводы можно сделать из нынешнего положения использования НИЭ в мире . Несмотря на то , что количество энергии , которое теоретически можно получить из любого из многих возобновляемы х источников , значительно превышает её мировое производство , использование НИЭ в мире не превышает 1% от общей выработки электроэнергии и других видов энергии ( тепловой , механической и т. д .). Чем же это объясняется ? Для того , чтобы исследовать этот вопрос , надо сначала сформулировать проблему , затем искать или доказывать правильность путей её решения . Проблемы , с которыми сталкивается человечество в процессе развития электроэнергетики , да и всех других отраслей промышленности , не назовёшь новой , её может с формулировать сегодня любой гражданин страны с высоким или средним уровнем экономического развития .. Первое место по известности , конечно же , занимают различные виды загрязнения окружающей среды : тепловое , химическое , радиоактивное . О химическом загряз нении следует заметить , что большая часть нефти попадает в Мировой океан не из- за аварий на танкерах , а как следствие повседневных операций . Статистика : Общее загрязнение нефтью Мирового океана - 2-5 млн . тонн в год , в т . числе : Из речного стока -41% Через сточные воды -12% Вследствие естественных излияний со дна океана -15% из- за морских перевозок ( аварии и нормальные раб . операции ): 20% Выпадает с атмосферными осадками : 4% Сток из городских районов :3%. Нефтеперегонные заводы на суше -... менее 1% Половина в сей этой нефти - это отработанные масла машинных двигателей . То есть , участие здесь нетрадиционных источников энергии менее эффективно , чем кажется на первый взгляд. Однако если говорить о химических загрязнениях в целом , можно предположить , что замена при вычных нам ДВС , к примеру , водородными двигателями , поможет нам значительно сократить выбросы в атмосферу ядовитых соединений серы , фосфора , свинца. Так ли это ? Не совсем , если говорить о нынешнем уровне технического развития в этой области . К примеру , с винцовые аккумуляторы в электромобилях являются причиной более значительного выброса свинцовой пыли , чем в обычных автомашинах . А без таких аккумуляторов почти невозможно реализовать многие проекты , казалось бы , спасительные для окружающей среды и для миро вой энергетики. Тепловые загрязнения также в большинстве случаев не удастся решить посредством использования НИЭ , т. к . большинство устройств для извлечения энергии из НИ основаны на преобразовании этой энергии в электрическую , а ведь тепловые “ отходы ” име нно этого процесса остаются главной причиной этого явления Большое влияние , однако же , может оказать использование НИЭ на снижение объёмов радиоактивного загрязнения окружающей среды . К тому же , использование энергии расщепления атомного ядра сопряжено с огромной опасностью для близлежащих к такой электростанции районов. “ Опасность ” ядерной энергии показана человечеству на примере не только хрестоматийной Чернобыльской аварии , но и менее значительных ( скажем так , менее губительных ), однако многочисленных случаев , таких как аварийная ситуация на АЭС Три- Майл- Авент. Из наиболее “ экзотических ” можно назвать проблемы нефтедобычи и газодобычи в США . Во- первых , современные способы отделения “ полезных ” от “ пустых ” веществ всё ещё оставляют желать лучшего . В США появляется всё больше “ открытых ” месторождений нефти . “ Открытый ”- значит , заброшенный за неимением требуемых технических возможностей для разработки . А для отделения метана от “ плотных ” формаций в 60- ых годах была организована т. н . кампания “ Плаушар ” . Суть программы состояла в использовании подземных ядерных взрывов для дробления разделяющих стенок из горных пород между небольшими месторождениями . Хотя в штатах Нью- Мехико и Колорадо были проведены три эксперимента , программа прекратила существование , поскол ьку население штатов , где должны были производиться атомные взрывы , было обеспокоено последствиями этих взрывов . К тому же получаемый газ сам оказался слаборадиоактивным. Но нас интересуют не столько такие комические ситуации , сколько общая тенденция к п ониманию роли защиты окружающей среды в экономически развитых странах . Также учтём особо крупные масштабы потребления электроэнергии этими странами , что объясняет актуальность для них темы энергетического кризиса. По разным источникам , разведанных запасо в полезных ископаемых хватит на несколько десятков лет . Мои источники дают следующие цифры : при современном уровне потребления энергоресурсов нефти должно хватить на 50 лет , природного газа - на 73, каменного угля - на 170, бурого угля - на 500 лет. Поэтому значение НИЭ постепенно повышается . В нашей стране перспективно использование биомассы ( как уже упоминалось ), а также строительство приливных электростанций ( ПЭС ). Энерг ию из биомассы также широко получают в Бразилии , США В Греции , Израиле , Кипре , Турции успешно используются генераторы . В Дании , ОК , Индии , Китае , Калифорнии - ветроагрегаты . А помимо России ПЭС эксплуатируются во Франции , Канаде , Индии , К итае. Однако же рост масштабов использования НИЭ затруднён , помимо упомянутых , ещё и другими трудностями. Главным бедствиям разнообразных ветроагрегатов всегда была их шумность . “ Ветряные фермы ” возникает необходимость удалять от населённых пунктов , что затрудняет ориентацию производителей электроэнергии на потребителя . Для решения этой проблемы постоянно модифицируются рабочие лопасти ветроагрегатов , а также происходит видоизменение оси рабочей оси . Ветроагрегаты могут работать только при силе ветра , лежащей в установленных пределах . При штормовом ветре может произойти поломка устройства , или “ усталость ” лопастей ( уменьшение прочности металла при больших нагрузках ) . Одним из примеров здесь можно назвать поломку восьмитонной лопасти ветродвигателя на холме Грандпас- Ноб в 1941 году. Важным недостатком как ветровой , так и солнечной энергии , является её рассеянность. Так , например , удельная мощность потока солнечной э нергии на поверхности Земли не превышает 1 кВт / м 2, а плотность мощности воздушного потока при его скорости 7 м / с около 150 Вт / м 2. Это означает , что для получения от НВИЭ сколько- нибудь заметных мощностей необходимо собирать энергию с весьма больших площаде й , что требует создания больших и дорогостоящих установок Солнечные батареи фирм “ Красное Знамя ” ( Рязань ) и “ Солнечный ветер ” ( Краснодар ) Важным недостатком как ветровой , так и солнечной энергии , является её рассеянност ь. Так , например , удельная мощность потока солнечной энергии на поверхности Земли не превышает 1 кВт / м 2, а плотность мощности воздушного потока при его скорости 7 м / с около 150 Вт / м 2. Это означает , что для получения от НВИЭ сколько- нибудь заметных мощносте й необходимо собирать энергию с весьма больших площадей , что требует создания больших и дорогостоящих установок Но проблемы НИЭ привлекают к своему решению практически весь научный и промышленный потенциал государства . Развитие НИЭ является стимулом разви тия экономики . Рассмотрим перспективы создания водородного двигателя . Его выхлоп - чистая вода , он компактен , удобен в применении . Самый главный вопрос здесь - как получить топливо для такого двигателя в достаточном количестве . Современной науке известно 2 способа разложения воды на кислород и водород - электролиз ( разложение под действием эл . тока ) и пиролиз ( под действием высоких температур и катализатора ). Но оба этих способа очень энергоёмки. Над рещением данной проблемы бьются учёные всех специальностей, многих стран мира. Химики ищут катализаторы реакции разложения воды, физики- дешёвые способы получения электричества, биологи изучают бактерии, способные разлагать воду на кислород и водород. Такие бактерии биологами уже найдены, но количество выделяемого ими ( ба ктериями ) водорода столь мало, что о промышленном масштабе говорить не приходится, и ищутся способы повышать производительность таких бактерий . В решении проблемы поиска дешёвого способа получения водорода, возможно, кроется возможность совершения энергетическ ой революции . По выражению депутата Госдумы РФ В . Овченкова , эффективное использование НВИЭ позволит улучшить социальные и экологические условия жизни и сохранить потенциал невозобновляемых э нерго - ресурсов для будущих поколений. Об этом было упомянуто в связи с рассмотрением нового законопроекта , в соответствии с которым использование НИЭ в нашей стране будет управляться государством через специальный федеральный орган , а финансирование программ использования НИЭ будет осуществляться из федерального бюдж ета “ на условиях возвратности и платности ” . То есть , фактически НВИЭ в их нынешнем составе придаётся стратегическая важность. Использование их на территориях российского Крайнего Севера и приравненных к ним удалённых районов позволит уже сейчас сократить поставки топлива к ним на 15-17% Помимо упомянутых мною видов НИЭ , в законопроекте упоминаются в качестве таковых тепло земли , а также т. н . природный градиент температур. Природный градиент температур - это разница тем ператур на разных высотах . Правда , на практике чаще применяются системы лучистого обогрева , действие которых основано на разности нагрева крыши и нижних этажей зданий ( из- за конвекции ). Эти устройства распределяют тепло с крыши в виде инфракрасных лучей по полезной площади здания , т. е . туда , где находятся люди. Они отличаются экономичностью и экологической чистотой. Говоря о тепле земли как источнике энергии , следует , разумеется , пояснить , что речь идёт о процессах , протекающих в земных недрах. К сожалению , я не смог подобрать информацию по устройствам , осуществляющим переход тепла земных недр в иные виды энергии . Эта информация не является общедоступной. В качестве примера для установок , использующихся для освоения НИЭ приведу основные технические характерис тики лучших из выпускаемых сегодня в нашей стране агрегатов. СОЛНЕЧНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ СВУ 1, СВУ 2 Для использования солнечной энергии НП АО " Электромаш " разработана серия солнечных водонагревательных установок СВУ -1, СВУ -2, СВУ- М . Солне чная водонагревательная установка СВУ -1 состоит из бака- аккумулятора емкостью 1000 литров и 10 плоских солнечных коллекторов . Тепловоспринимающая площадь каждого плоского коллектора СВУ -1 – 1,1 м 2. Данная установка обеспечит горячей водой в о бъеме 1000 литров в сутки в течение всего периода активного солнца ( апрель - октябрь ). Возможно подключение на параллельную работу неограниченного количества коллекторов . Установка работает по одноконтурной схеме - т. е . вода проходит через систему п лоских коллекторов , нагревается , поступает в бак – накопитель , а затем к потребителю . При необходимости установка может комплектоваться циркуляционным насосом. Солнечная водонагревательная установка СВУ -2 применяется в тех случаях , когда не требуется большого количества нагретой воды . СВУ- М по своему назначению соответствует установке СВУ -2. Основные отличия СВУ- М от СВУ -2 заключаются в следующем : увеличена емкость бака- аккумулятора с 80 до 120 литров ; увеличена площадь теплов оспринимающей панели с 1,1 м 2 до 1,8 м 2; предусмотрена возможность раздельного монтажа тепловоспринимающей панели и бака- аккумулятора ; коллектор тепловоспринимающей панели и внутренняя емкость бака- аккумулятора выполнены из антикоррозионных материалов ; предусмотрена возможность комплектации бака- аккумулятора электрическим нагревателей мощностью 3 кВт с регулируемым термостатом на случай пасмурной погоды . Серийные поставки СВУ- М возможны с 2002 г ода . Солнечные водонагревательные установки рассчитаны на многолетний срок службы . На 1 м 2 поверхности солнечной водонагревательной установки за 10 часов светового дня поступает энергия , равная 5,7 кВт / ч. Этой энергии дост аточно для нагрева 80 литров воды от температуры 13 С до 65 С. Для коммунального пользования СВУ -1: состоит из бака – аккумулятора и плоских нагревательных коллекторов ; емкость бака 1000 л ( по желанию заказчика ); количест во коллекторов – 10 шт ; площадь поверхности коллектора – 1,1 м 2; масса ( без воды ) – 550 кг . Для индивидуального пользования СВУ -2-80: состоит из бака – аккумулятора и нагревательного коллектора , совмещенных в одном корпусе ; емкость бака 80 л ; площадь поверхности коллектора – 1,1 м 2; масса ( без воды ) – 85 кг . Для индивидуального пользования СВУ -2-120: состоит из бака – аккумулятора и нагревательного коллектора , совмещенных в одном корпусе ; емкость бака 120 л ; площадь поверхности коллектора – 1,1 м 2; масса ( без воды ) – 100 кг . Все типы СВУ обеспечивают нагрев воды в солнечную погоду до 50 С за 3 – 4 часа. АГРЕГАТ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АВЭ -250 С Номинальная выходная мощность , кВт 200 Напряжение переменного трехфазного тока , В 380 Начало выработки электроэнергии при скорости ветра , м / с 4,0 Скорость ветра при достижении номинальной мощности , м / с 14,5 Прекращение выработки электроэнергии при скорости ветра , м / с 25 Механизм ориентациипассивный ( виндозное устройство ) Диаметр ветроколеса , м 25 Частота вращения ветроколеса , об / мин 47,6 Количеств о лопастей , шт .3 Материал лопасти стеклопластик Масса агрегата ( без фундамента ), т 22 Вывод. Прогресс немыслим без борьбы с потребительским подходом к природе и её ресурсам . НИЭ есть альтернатива использованию невозобновимых видов то плива и загрязнению тем самым окружающей среды . Хотя использование НИЭ не всегда может способствовать осуществлению этих целей , но , поскольку работа над внедрением НИЭ объединяет специалистов самых разных отраслей народного хозяйства , оно ( использование ) может являться , как есть основания ожидать , показателем и залогом экономического благополучия страны. По прогнозам учёных , уже через 10 лет доля НИЭ в мировом пр- ве электроэнергии составит 5,7%