Основные виды альтернативной энергии

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 м² 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.

1.7 Энергия водорода 

Один  из самых необычных и, пожалуй, самых  привлекательных сценариев энергетического  будущего человечества открывает проект «Водородная экономика». Его суть заключается в замене ископаемого  топлива водородом. Физический и  химический смысл проекта ясен: основная энергия в нефти, газе, каменном угле и дереве запасена в виде углеводородов  – соединений углерода с водородом. И не углерод, а именно водород  дает при сжигании наибольшее количество тепловой энергии, превращаемой затем  в механическую.

Водорода  на земле огромное количество, причем огромные его запасы сосредоточены  не в углеводородах, а в воде. Но если для получения энергии из нефти, газа, каменного угля и дерева их достаточно сжечь, то с водой так  поступить нельзя: слишком прочно связаны в ней водород и  кислород. Современной науке известны два основных способа разложения воды на составляющие ее химические элементы: пиролиз (от греч «пир» – «огонь»  и «лизис» - «разложение»), когда  воду нагревают до очень высокой  температуры, и электролиз, когда  через воду пропускают электрический  ток.

Однако  оба этих способа очень энергоемки, а потому непригодны для получения  больших количеств водорода. Но представьте себе, что удастся найти метод легкого разрушения молекул воды. Тогда в технике произойдет настоящий переворот. В реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, турбинах, топках котельных установок перестанут сжигать сотни миллионов тонн нефти, угля и их производных. Превратится выброс в атмосферу вредных для жизни продуктов внутреннего сгорания топлива: ведь выхлоп двигателя, работающих на водороде, - чистая вода. Полезные ископаемые можно добывать гораздо в меньших количествах и использовать только как сырье для химической промышленности, производящей пластмассы, лекарства и другие необходимые людям вещи. Как тут не вспомнить великого русского химика Д.И. Менделеева, который еще в XIX в. говорил о том, что сжигать нефть в топках – все равно, что топить печи ассигнациями.

В наши дни  проблему промышленного получения  дешевого водорода пытаются решить разные специалисты. Химики ищут катализатор, при помощи которого вода станет разлагаться  при меньших затратах энергии. Физики разрабатывают способы получения  дешевого электричества, что сделает  экономически выгодным электролиз воды. Не остались в стороне и биологи. Они пытаются вывести бактерии, способные  разлагать воду на кислород и  водород  с помощью солнечного света. Ученым давно известны микроорганизмы, выделяющие водород, но в таком малом количестве, что о промышленном их применении говорить не приходится. Если же производительность бактерий удастся повысить, то у человечества появится шанс пережить еще одну энергетическую революцию и получить новый, практически неисчерпаемый, к тому же экологически чистый источник энергии.

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 [21]. 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.