Основы энергосбережения - Учебное пособие (Сычев Н.Г.)

2.2. нетрадиционная энергетика

Нетрадиционная энергетика Беларуси базируется преимущественно на использовании возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, энергии течения рек, биоэнергии, геотермальной энергии). Потенциал нетрадиционных энергетических ресурсов, согласно различным источникам, составляет от 6,1 до 10,4 млн. т н.э. в год. А по оценкам специалистов института Белэнергосетьпроект в Республике Беларусь теоретически от нетрадиционных источников энергии можно получить до 60\% от общего объема энергопотребления; техническая возможность ограничивается 20\%, а экономически целесообразно использовать сегодня 5—8\%.

         Табл.2.1. Потнциальные запасы иэкономически целесообразные обьемы использования местных энергетических ресурсов в Беларуси.

альтернативная энергия в Беларуси

возобновляемая энергетика в Белоруссии

 

Рис.2.14. Прогноз суммарного потребления топлива в Беларуси (ПДж).                Источник: Энергетический портал Reenergy.by и ООО “Белорусское Отделение Международной Академии Экологии”

Последние 20 лет ученых и специалистов интересуют возможности  эффективного  получения энергии из возобновляемых источников (ВИЭ): воды, ветра, Солнца, Земли, растений (биомассы) и т.д.  Некоторые страны достигли в этом направлении значительных успехов (табл.2.2-2.3).

 

     Табл.2.2. Динамика потребления энергии из ВИЭ в ЕС-27,тыс.  т у.т.

Год

Источники

 

\% к валовому внутреннему потреблению

 

1

11

111

1V

V

Всего

1995

28

-

4,0

-

52

84

5,1

1996

85

-

4,0

-

55

87

5,1

1997

29

-

5,0

-

58

91

5,4

1998

30

-

5,0

-

59

94

5,5

1999

29

-

6,0

-

59

95

5,6

2000

30

-

6,0

-

63

99

5,8

2001

32

2,3

0,4

3,6

64

101

5,9

2002

27

3,1

0,5

3,9

66

100

5,8

2003

26

3,8

0,6

5,3

71

108

6,0

2004

28

5,1

0,7

5,4

76

115

6,4

2005

28

6,0

0,8

5,3

82

119

6,7

2006

27

7,0

1,0

5,6

87

127

7,0

Примечание. I - малые ТЭС; 11 - ветер; 111 - солнце; IV - геотермальная энергия; V - биомасса (клетчатка, сельскохозяйственные и коммунальные отходы).

 

Табл.2. 3.Доля возобновляемых источников

 в совокупном конечном потреблении

 энергии, \%

Страна

2005 (факт)

2020 (задание)

Мальта

 

10

Люксембург

0.9

11

Бельгия

2.2

13

Чехия

6.1

13

Венгрия

4.3

13

Кипр

2.9

13

Словакия

6.7

14

Нидерланды

2.4

14

Великобритания

1.3

15

Польша

7.2

15

Болгария

9.4

16

Ирландия

3.1

16

Италия

5.2

17

Греция

6.9

18

Германия

5.8

18

Испания

8.7

20

Франция

10.3

23

Литва

15.0

23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Португалия

20.5

31

Австрия

23.3

34

Финляндия

28.5

38

Швеция

31.8

49

Многие страны ЕС сильно зависимы от импорта ТЭР. К примеру, Литва, Венгрия, Словения и Польша на 95\%, а Эстония, Латвия, Болгария, Словакия, Ирландия, Швеция и на все 100\% зависят всего от одного поставщика нефти. Греция, Австрия, Венгрия на 80\% привязаны к од­ному поставщику газа; Эстония, Латвия, Литва и Кипр - к одному поставщику угля и т.д.

      Густонаселенный промышленный Евросоюз как никто ощущает на себе негативные изменения климата в результате парниковой эмиссии. В 2006 г. здесь было выброшено в атмо­сферу около 6 млрд. т С02. Несмотря на то, что эти выбросы официально ограничиваются, их до­статочно, чтобы в середине XXI в. перейти "красную черту" потепления атмосферы на 2°С), когда климатические изменения могут приобрести необратимый разрушительный характер.

Осознание всех этих факторов и перспектив заставило руководство ЕС, хотя и с запозданием сформулировать в 2006-2008 гг. свою "Новую энергетическую политику". Она предусматривает к 2020 г. обязательное сокращение выбросов парниковых атмосферу на 20\% и повышение энергоэффективности хозяйства на  20\%. Для достижения этих целей доля возобновляемых источников в общем потреблении энергии должна быть доведена до 20\%, в потреблении моторного топлива до 10\% . Вклад возобновляемых источников в энергопотребление, согласно Комиссии ЕС, подлежит увеличению при всех сценариях развития и любой ситуации с ценами, а само их использование официально трактуется как неотъемлемая составляющая устойчивого постиндустриального развития.

          Делается ставка на ВИЭ в деле сокращения зависимости Европы от энергоимпорта и  приобретения дополнительной свободы маневрирования при его диверсификации, равно как и в деле улучшения экологии континента, ибо выбросы парниковых газов от возобновляемых источников энергии заметно меньше. Другими словам европейский союз, - констатирует Комиссия «должен будет сделать первый шаг с тем, чтобы разорвать порочный круг увеличивающегося традиционного энергопотребления, растущего импорта, а с ним и оттока богатства, создаваемого в ЕС в уплату производителям энергии» Поэтому каждая страна  ЕС получила индивидуальное задание по увеличению доли возобновляемых источников энергии в объем общего потребления к 2020 г. В ЕС  доля ВЭИ в совокупном потреблении энергии должна возрасти до 20\% против 8.5\% в 2005 г.

Табл. 2.3. отражает достаточно разноречивую картину: многие страны ЕС-12 здесь выглядят, скорее, как балласт на пути намечаемых изменений. Однако, по прогнозам, даже при консервативном сценарии развития возобновляемых источников при растущих ценах не нефть и успешной реализации "Новой энергетической политики превратятся в существенный по значению блок в общем энергобалансе  ЕС.

Термин "возобновляемые источники энергии" достаточно условен и по-разному трактуется в отдельных государствах. Чаще всего, в том числе в ЕС, к таким источникам относят энергию биомассы, солнца, ветра, воды, геотермальных источников, океана, а также водород и химические источники тока. В ряде случаев сюда же причисляют и атомную энергию и энергию малых ГЭС. Таким образом, здесь присутствуют и давно известные (биомасса, ветер, вода), и относительно новые (Солнце, тепло Земли, океан, атом, водород) источники энергии.  

 

2.2.1. Биоэнергия

Наибольшее применение в практике ЕС пока получила переработка биомассы в электроэнергию, тепло и в моторное топливо. Источниками ее получения служат разлагаемые отходы сельского хозяйства (солома, навоз, трава и др.) и лесного промысла (опилки, щепки, кора, сучья); продовольственные и непродовольственные сельхозкультуры и продукты их переработки кукуруза, пшеница, ячмень, крахмал, рапс, животный жир, подсолнечник, вино, сорго и др.); не­которые быстрорастущие деревья и кустарники (ива, береза, тополь и др.), а также фракции промышленного и коммунального мусора, содержащие клетчатку. Достоинства биомассы - широкая доступность, относительно низкая стоимость и множественность путей переработки в конечный энергопродукт (от сжигания до использования анаэробных бактерий). Поэтому уже в 2004 г. за счет этого ис­точника покрывалось 4.2\% первичного энерго­предложения в ЕС (70 млн. т н.э.) с перспективой роста до 150 млн. т н.э. в 2010 г.

Биомасса используется в основном в неболь­ших агрегатах по локальному энерго- и тепло­снабжению, но главные надежды связываются с ее применением для изготовления моторного топлива - на базе ее переработки производятся биодизель (из растительных или животных жи­ров), биоэтанол (путем ферментации сельхоз­культур, содержащих сахарозу и крахмал) и биогаз. За последние десять лет производство био­этанола в ЕС выросло с 47 тыс. т до 1.34 млн. т, производство биодизельного топлива достигло 16 млн. т. Сейчас они исполь­зуются как присадки к бензину и дизельному топ­ливу в размере 5-15\%, но в перспективе предпо­лагается расширить сферу их применения.

Вместе с тем, увлече­ние биотопливом может привести к уничтожению ле­сов и кустарников и, более того, возникновению дефицита по ряду пищевых продуктов (зерно, масло, вино). Предвестником этого стал рост цен на продовольствие, наблюдавшийся в 2006-2007 гг. Как отмечают эксперты IЕА, конкуренция за ис­пользование сельскохозяйственного сырья и от­влечение его на рынок биотоплива остается од­ной из главных причин высокого уровня цен на продовольствие. Поэтому акцент ныне делается на производстве биотоплива "второго поколе­ния" - из непищевого сырья и специально культи­вируемых морских водорослей. Кроме того, предполагается ограничить сельхозплощади, занятые биотопливными культурами, тем более что сжигание биотоплива в традицион­ных сельских условиях (печи, котлы и т .п.) малоэффективно.

 

2.2.2. Ветоэнергетика

Второй по значению и особенно быстрорасту­щий возобновляемый источник - кинетическая энергия ветра, используемая для производства электроэнергии. Начиная с 1980 г. установленная мощность ветровых турбин в ЕС выросла в 290 раз, а стоимость генерации за тот же период снизилась на 80\%. К 2020 г. мощность ветровых установок намечено довести с нынешних 40 до 180 млн. кВт. Производство электроэнергии на них достигнет 425 млн. кВт-ч.

Преимущества такого способа получения энергии обусловлены практически неисчерпае­мым потенциалом ветра, повышением технологичности мон­тажа установок и техобслуживания. Но есть и недостатки. Ограниченность мест с вет­ром необходимой силы и постоянства и связанная с этим неравномерность выработки электроэнергии предопределяют сложность подключения ветротурбин к регулярным сетям снабжения и не­обходимость их дополнения накопительными ба­тареями. Ожидается, что на рубеже 2010 г. произ­водство электроэнергии на ветроустановках пре­высит ее объемы, генерируемые крупными ГЭС, а к 2030 г. покроет 60\% общего прироста электрических мощностей в ЕС. С целью экономии земельных площа­дей и достижения большей силы и постоянства поддува начато перемещение ветроустановок боль­шой мощности на морские оффшорные платформы, которые, как ожидается, смогут производить 27\% всей ветровой энергии в Евросоюзе. В республике Беларусь в настоящее время действуют 3 ветро-энергетические установки. Строительство этих установок будет расширятся. Специалисты прогнозируют, что через лет 15 мощность ветроэнергетических установок будет равна мощности гидростанций.

 

2.2.3. Солнечная энергетика

Не менее перспективной видится ныне и ути­лизация энергии Солнца (гелиоэнергии) для про­изводства электроэнергии и тепла. Только для получения тепла ее используют ныне миллионы семей в странах ЕС. В 2008 г. установленная мощ­ность коллекторов достигла 15 ГВт тепла против 10 ГВт в 2004 г. и 5 - в 1997-м. Солнечные панели стали ныне неотъемлемой частью новых (и не только) зданий и сооружений, что технически позволяет уже сейчас обеспечивать их обитате­лей на 100\% горячей водой и существенными ре­сурсами для пространственного отопления, а так­же кондиционирования воздуха. Современные солнечные коллекторы дают возможность полу­чать тепло в диапазоне 60-100 °С, что делает их пригодными к эксплуатации не только в быту, но и в промышленности. Стоимость солнечного коллектора площадью 6 кв. м  около 1500 дол. США и его производительность достаточна для обеспечения энергией семьи из 4 человек.

Гелиоэнергетику, так же как и ветровую, от­личают доступность источников получения энер­гии, технологичность монтажа и обслуживания оборудования. Энергия Солнца может стать аль­тернативой мазуту и газу как источникам низко­температурного тепла. Однако следует учиты­вать, что уровень располагаемой солнечной ради­ации значительно колеблется в зависимости от географии установок, сезона и погоды - на юге ЕС они оказываются на 20\% эффективнее, чем на севере.

До сих пор не решена и проблема стабильного съема теп­ла и электроэнергии с гелиоустановок. Развитие здесь идет в направлении получения концентри­рованной тепловой энергии посредством приме­нения параболических сборников мощностью 50-200 МВт тепла, сооружения башен-сборников мощностью 16-17 МВт тепла (до 50 МВт в пер­спективе) для более полного улавливания солнеч­ных лучей, а также создания установок, гибко ориентированных на максимум освещения. Такие установки, обладающие теми же достоинствами и недостатками, что и тепловые, представляют со­бой щиты с кристаллическим или пленочным по­крытием из кремния или редких металлов и исполь­зуются в основном для локального электроснабже­ния. В ЕС их рынок ежегодно увеличивается на 35\% в год, а значит, в перспективе цены гелиоэлектро­энергии могут приблизиться к пиковым ценам традиционной энергии Как ожидается, в 2020 г. гелиустановки будут обеспечивать до 12\% общего производства электроэнергии в ЕС.  

 

2.2.4.  Малая гидроэнергетика                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

Гидроресурсы для сооружения крупных ГЭС в Европе уже практически исчерпаны. РБ также не может сооружать крупные ГЭС, так как поверхность земли на всей территории страны преимущественно равнинная, а это чревато затоплением больших площадей. Поэтому  внимание ныне сосредоточивается на малой гидроэнергетике, работающей от силы течения малых рек, каналов и т.п. и дающей до 10\% общего объема гидроэлектроэнергии в ЕС. Для этого используются плотины с небольшим подпором воды, подводное размещение гидроагрегатов по течению рек или "гирляндные" электростанции  в виде лопастей, вращающихся на погруженных тросах. В 2007 г. в странах Евросоюза насчитывалось уже свыше 17 тыс. малых ГЭС общей установленной мощностью в 11 ГВт, но это далеко не исчерпывает имеющийся потенциал, который определяется в 27 ГВт/ч в год. Применительно к Республике Беларусь здесь имеется простор для творчества специалистов – энергетиков:  страна располагает достаточно большим количеством рек, энергия которых сегодня практически не используется. 

Малая электроэнергетика обладает рядом преимуществ: доступностью локальной речной сети, малой стоимостью техобслуживания, управляемостью объемов получаемой энергии, наличием уже разработанных наборов стандартного оборудования. Нет необходимости сооружать крупные водохранилища, выводящие из эксплуатации продуктивные земли. Наконец, установки малой энергетики экологически нейтральны - возможное негативное воздействие на миграцию рыбы нейтрализуется сооружением обходных "рыбоводов".

 

2.2.5. Геотермальная энергетика

 Помимо названных источников в европейских странах также активно используют геотермальную энергию и приступают к освоению энергии океана (приливной, волновой и пр.). Геотермальная энергия применяется в основном для локального отопления (климатизации) и борьбы со льдом на дорогах и взлетных полосах. Совокупная мощность основанных на ней установок на территории ЕС достигает ныне 820 МВт. Положительные стороны такого вида энергии - постоянство поступления, экологическая чистота, отлаженность оборудования для улавливания, независимость от погоды и климата; отрицательные неравномерность поступления тепла и его низкие температуры. Отсюда необходимость дополнения улавливающих установок аккумулирующими устройствами. Поэтому технический прогресс здесь направлен не только на освоение поверхностных выходов горячей воды и пара, но и на бурение специальных скважин к высокотемпературным участкам земной коры с прогонкой по ним воды (это уже дает до 4500 МВт тепла). Важное значение приобретает также установка тепловых насосов позволяющих отбирать тепло Земли даже при температуре среды до 3-15°С, причем как из во­да, так и из почвы. Предполагается, что на терри­тории ЕС таким путем можно собирать  1500 МВт тепловой энергии. Согласно прогнозам, издержки производства геотермальной энергии к 2020 г. снизятся до 0.02-0.05 долл./кВт-ч, сто сделает ее конкурентоспособной по отноше­нию к иным источникам локального электроснабжения.

Технология отбора энергии океана в ЕС пока носит экспериментальный характер и не выдер­живает конкуренции с другими возобновляемыми источниками энергии. Существует ряд демонстрационных проектов приливных электростан­ций, но основные усилия разработчиков в них сосредоточены на освоении механической энергии волн, благо между 40-й и 60-й параллелями, где расположено побережье ЕС, она максимальна. Предполагается, что страны Евросоюза в итоге могут получать из этого источника до 7 ТВт-ч энергии в год при установленной мощности обо­рудования в 200 тыс. МВт. Ученые рассчитывают также на "приручение" со временем энергии мор­ских течений и тепла морской воды. Пока же, к примеру, Франция получает 520 ГВт-ч электро­энергии в год за счет приливных электростанций.

 

2.2.6. Водородная и термоядерная энергетика

Вместе с тем в центр внимания выдвигается про­блема освоения не только уже известных источни­ков энергии, но и действительно новых - водорода и термоядерной реакции, которые уже рассматрива­ются как реальные элементы неуглеродной энергетики будущего. Обладая всего одним протоном и одним элек­троном, водород является простейшим и наибо­лее распространенным химическим элементом и энергоносителем во Вселенной и на Земле. "За­манчивость водорода в этом качестве состоит в наличии экологически чистых способов получения и прямого преобразования энергии его окисления в электрическую и тепловую энергию с достаточно высоким кпд. В сфере транспорта оно реализуется через установку на автомобилях топливных элементов с КПД  60\% против 20-30\% -для двигателей внутреннего сгорания. Это прин­ципиально новое топливо уже применяется в экспериментальном порядке на общественном транспорте девяти крупных городов ЕС. Пока для его производства требуется больше энергии, чем оно само выделяет. К тому же сеть специали­зированных заправок для такого транспорта гро­зит стать очень дорогой. Однако уже с 2010 г. во­дород появляется как самостоятельная строка в энергетических прогнозах ЕС (0.2 млн. т н.э. в 2020г.)

Вопреки первоначальным ожиданиям термо­ядерная энергия сможет выйти на коммерческий рынок не ранее середины века, хотя для ее освое­ния уже строится экспериментальная установка в г. Кадараш (Франция). Обсуждаются по крайней мере еще пять концептуальных проектов термо­ядерных энергетических реакторов мощностью 1500 МВт каждый. Но пока атомная энергетика в ЕС основывается главным образом на реакции деления урана. Уже сейчас в электроэнергетике Евросоюза АЭС дают 30\% энергии против 55\% по газу и углю, 10\% - по ГЭС и всего 5\% по возобновляемым источникам энергии.

Наконец, стоит упомянуть и химические ис­точники тока, которые пока используются в ЕС в форме аккумуляторных батарей, хотя и имеют свой обширный рынок в информатике, медицине и на транспорте. Здесь имеются большие надежды на новые аккумуляторные батареи, созданные с помощью нанотехнологий.  Такие батареи имеют небольшой вес и время на подзарядку сокращается в  десятки раз

За ускоренным развитием ВИЭ стоит не толь­ко технический прогресс, но и нехватка обычной энергии. По политическим соображениям они по­лучают мощную бюджетную и административную поддержку в рамках "Новой энергетической поли­тики ЕС". Однако не менее важно и то, что в возоб­новляемые источники начал верить бизнес - и в Ев­ропе, и в мире уже складывается обширный рынок соответствующего оборудования и услуг.

С 2005 г. в странах Евросоюза конечное по­требление энергии из возобновляемых источ­ников выросло с 87 млн. т н.э. до более  чем  100 млн.т. н. э. Структура ее производства в 2007 г. представ­лена в табл. 2.4.

По оценке Сгееnpeace, инвестиции в развитие возобновляемых энергоносителей в ЕС выросли в 2007 г. почти до 70 млрд. долл. против 15 млрд. в 2004 г. Лишь сфера преобразования ветровой энергии ныне обеспечивает работой 180 тыс. че­ловек, биотоплива - 150 тыс., малая гидроэнерге­тика - еще 20 тыс. человек. Только на одной уста­новке по выработке солнечной тепловой энергии на 100 МВт могут быть использованы 400 человек и еще 630 - в порядке межотраслевых связей и т.д.

 

2.4. Структура производства энергии из

возоб­новляемых источников в ЕС-27

Виды энергии

Доля в производстве, \%

биомасса, в том числе

67.8

  древесина

52.2

  бытовые отходы

8.2

  биотопливо

3.8

гидроэнергия

22.0

ветровая

5.1

геотермальная

4.5

солнечная

0.7

Годовой объем европейского рынка оборудова­ния и услуг для малой гидроэнергетики оценивается в 120-180 млн. евро, рынка фотопреобразователей солнечной энергии - в 14 млрд., ветроэнергетическо­го оборудования - в 25 млрд. евро. А объем всего рынка "чистой" энерготехнологии в 2007 г. составил 148 млрд. долл. (в 2004 г. - 20 млрд.).

Наряду с ростом внутреннего спроса возраста­ют и экспортные продажи, например, ограничи­ваемые в самом Евросоюзе продажи атомного энергетического оборудования. В настоящее вре­мя в мире строятся 29 ато