Возобновляемые источники энегрии

Дальнейшее развитие этой отрасли энергетики обеспечит экономический  рост страны, даст возможность отказаться от использования не возобновляемых источников энергии и улучшить экологическую обстановку.

 

 

 

2. Солнечная энергия

Строго говоря, почти все  рассмотренные выше виды возобновляемых источников энергии так или иначе связаны с энергией Солнца. Именно поэтому Всемирная программа по освоению возобновляемых источников энергии на 1996—2005 гг., одобренная Генеральной Ассамблеей ООН в 1998 г., названа Всемирной солнечной программой. Излучение Солнца, достигающее поверхности земли, приносит огромное количество энергии, которая обычно рассматривается как отдельный специфический вид.

Максимум плотности потока энергии излучения Солнца на поверхности  земного шара составляет 1 кВт/м2, средняя плотность — 0,2 кВт/м2. Величина этого потока зависит от географической широты, времени суток, высоты над уровнем моря, облачности и степени рассеяния в атмосфере.

В разное время суток меняется угол наклона солнечных лучей  к поверхности Земли.

На земном шаре около 4 млрд га земли не вовлечено в сельскохозяйственный оборот. Если вычесть из этой площади 10% для размещения домов, дорог и других необходимых сооружений, учесть продолжительность светового дня, облачность и другие факторы, то теоретический потенциал энергии солнечного излучения на Земле составит примерно 9 трлн т н. э. в год. Технически возможным для использования считается не более 10% этого потенциала.

С точки зрения экономики  применение солнечной энергии является оправданным только для небольших  локальных водонагревателей. «Солнечное»  электричество пока в несколько  раз дороже производимого на тепловых и атомных электростанциях. Тем  не менее общая мощность солнечных электростанций в 2005 г. составляла 3100 МВт, а самая большая из них построена на юге Португалии (11 МВт).

 

 

 

 

2.2 Истрия возникновения солнечных батарей

Если говорить о зарождении такого явления, как солнечные батареи, стоит совершить длительное путешествие  в прошлое, а именно, в 1839 год. Именно тогда Александр Беккерель совершил одно из ключевых открытий – фотогальванический эффект. Уже тогда исследователи  поняли, какие возможности могут  открыться перед ними, если правильно  использовать данное открытие. Длительное время ученые той эпохи пытались добиться каких-либо успехов в использовании  фотогальваники и спустя четыре десятилетия Чарльз Фриттс смог создать первое устройство, использующее солнечную энергию. Использовав селен, покрытый тонким слоем золота, ученые пришел к выводу, что можно получать из тепловой энергии энергию электрическую. И хотя коэффициент полезной деятельности созданного модуля не превышал одного процента, стало понятно, что усовершенствование технологии приведет к значительному рывку в сфере получения электричества. Очень долго время, практически целое столетие, ученые не могли создать установку с КПД, превышающим процент. И лишь в 1954 году американские ученые совершили прорыв: их батареи могли перерабатывать целых шесть процентов тепловой энергии в электрическую! А уже спустя четыре года эта технология дала возможность покорять космос, так как электроэнергию космические корабли получали именно от солнечных батарей.^*

Инженеры поняли, что данный источник энергии является полностью  безопасным и экологическим, в отличие  от традиционных, поэтому исследования проводились с удвоенной силой. Таким образом, в семидесятых годах прошлого века КПД солнечных батарей составлял уже 10 процентов. И если для космических программ такого показателя хватало вполне, то использование модулей на Земле еще не было финансово обоснованным. Кроме того, сказывалась и большая стоимость батарей, так как в качестве основного материала использовался кремний, а его добыча была крайне дорогостоящим процессом.

На сегодняшний день в  солнечных батареях используются специальные  оксидные проводники, которые относительно дешевые при изготовлении. Интересно  заметить, что самые рентабельные солнечные батареи могут похвастаться коэффициентом полезного действия около 20%, хотя в 1989 году был представлен  модуль солнечной батареи с КПД  чуть более 30 процентов. Тем не менее, уже существующих 20%-ов с лихвой хватает для использования солнечной энергии в повседневной жизни.

 

 

 

3. Биомасса

Биомасса может считаться  возобновляемым источником энергии  только в том случае, если она  используется в количестве, не превышающем  ее воспроизводство. В общем потреблении  первичных энергоресурсов в мире доля биомассы составляет в настоящее время по различным оценкам от 8 до 11%. В Китае, например, эта величина приближается к 20%, в Индии превышает 40%. Ежегодно на земле произрастает и образуется биомассы в количестве 220 млрд т сухого вещества с теплотворной способностью около 105 млрд т н. э. Примерно 65% биомассы можно использовать на энергетические цели, т. е. теоретический энергетический потенциал биомассы составляет около 70 млрд т н. э. в год, что почти в 7 раз выше теоретического потенциала гидроресурсов при пересчете на замещаемое топливо. Считается, что в рамках концепции устойчивого развития можно использовать около 10% теоретического энергопотенциала биомассы, т. е. 7 млрд т н. э. ежегодно. Реальное потребление в 2005 г. составило около 1,1 млрд т н. э., т. е. примерно 16%. Биомасса, используемая в качестве энергоносителя, подразделяется на следующие основные категории:

• древесная (деревья, кустарник, лесная подстилка, бамбук и т. п.);

• недревесная (сахарный тростник, солома, хлопок, стебли и корни растений, трава, водные растения и т. д.);

• отходы переработки (шелуха, выжимки, скорлупа орехов, пищевые отходы, опилки, муниципальные отходы, отходы бумажного и гидролизного производства и т. д.);

• отходы животноводства;

• биотопливо (древесный уголь, топливные брикеты, метанол, этанол, рапсовое масло, биогаз и др.).

Основными причинами недостаточного использования энергопотенциала биомассы являются следующие:

• низкая калорийность по сравнению с традиционными видами топлива;

• большая исходная влажность  некоторых категорий

биомассы, требующая больших затрат на сушку;

• энергоемкость производства биотоплива (например, биогаза);

• большая доля транспортных расходов для энергоустановок большой мощности.

Несмотря на слабое использование  существующего потенциала, имеются  значительные дополнительные возможности  производства биомассы на топливо. Например, в Африке используется только 25% сельскохозяйственных угодий, Латинской Америке — 15%. Как  следует из рис. 4, всего в мире 2,4 млрд га, или 31%, всех сельхозугодий, вовлечено в оборот в настоящее время. Подсчитано, что к 2050 г., когда население Земли предположительно увеличится до 8,5 млрд человек, потребуется дополнительное вовлечение в сельское хозяйство около 0,5 млрд га земли, в то же время примерно 1,3 млрд га может быть использовано для производства биомассы на топливо.

Считается, что с 1 га в  среднем можно получить около 7 т  н. э. энергии биомассы ежегодно. Таким  образом, дополнительный энергопотенциал биомассы может составить 9 млрд т н. э. в год. Для этого необходимы в соответствующем масштабе водные ресурсы, удобрения, техника, инфраструктура и т. д.

4. Гидроресурсы

Гидроэнергия в настоящее  время является самым крупным  возобновляемым источником производства электричества. Так, в 2007 г. гидроэлектростанции  планеты выработали около 3000 млрд кВт-ч, или 16%, общего производства электроэнергии.

Физической основой гидроэнергии являются круговой процесс естественного  испарения воды в океанах и  крупных водоемах под действием  солнечной радиации, перенос влаги  облаками, осаждение ее на земную поверхность  и возврат водными потоками в  океаны и крупные земные водоемы (озера). Исключением из этой схемы  по направлению потока воды является река Ангара, которая вытекает из озера  Байкал и на которой построена  одна из крупнейших в мире гидроэлектростанций.

Зная суммарный расход и сезонные изменения параметров водотоков, а также высоту над  уровнем моря, можно определить теоретический  потенциал для каждого региона. Необходимо отметить, что из общего объема потоков воды на земном шаре в 47 трлн м3 только 28 трлн м3 — наземные водотоки, остальные — подземные.

Примерно 3,5 трлн м3 воды в мире ежегодно расходуется на хозяйственные нужды (65% в сельском хозяйстве, 24% в промышленности, 7% в муниципальном секторе).

Основными ограничениями  в использовании энергии рек  и водотоков являются необходимость  затопления большой площади земли  при создании плотин (в настоящее  время эта площадь по всему  миру составляет более 450 тыс. км3, что  более чем в 2 раза превышает территорию Республики Беларусь) и высокие капитальные  затраты на строительство ГЭС. В  последние годы во многих странах  развиваются технологии создания средних, малых и мини-ГЭС, в которых  эти ограничения до некоторой  степени преодолеваются.

Распределение теоретического, технически и экономически целесообразного  потенциала гидроресурсов представлено на рис. 3. Из рисунка видно, что даже теоретический потенциал гидроэнергии всего лишь в 2,2 раза превышает наши нынешние годовые потребности в  электроэнергии, технически возможный  способен их удовлетворить только на 76%, а экономически целесообразный —  на 39%.

Таковы возможности использования  энергии воды. Отметим, что на уровне 2007 г. 43% экономически целесообразного  потенциала электроэнергии уже реализуется. С учетом высоких капитальных  затрат на строительство ГЭС и  достаточной освоенности гидроресурсов  в экономически развитых странах  в ближайшие десятилетия не следует  ожидать значительного расширения их использования.

 

 

 

 

 

5. Энергия Мирового океана

В общем случае можно использовать следующие виды энергии океана:

• приливов и отливов;

• волновую;

• тепловую, обусловленную разностью температур по глубине;

• диффузионную, связанную с разностью концентраций соли во впадающих в океан реках и в основной массе океанической воды.

Подавляющая часть теоретического потенциала приходится на тепловую энергию. Однако в настоящее время можно  говорить только об использовании энергии  приливов и отливов. В мире работает несколько приливных электростанций, общая мощность которых в 2005 г. составляла около 300 МВт.

 

5.1 Энергия волн

Существует несколько  видов волн в зависимости от их происхождения и характеристик. Обычно когда речь идет об энергии  волн, то что мы имеем ввиду, это ветровые волны, которые образуются из-за ветра, дующего через обширные океанские пространства. Эти волны могут рассматриваться в качестве важного источника энергии сами по себе. Ветер, в свою очередь, образуется из-за неравномерного распределения солнечной энергии по земной поверхности. Средняя плотность энергии волн в океане довольно низкая около 2,7 Вт/м2, что значительно ниже средней плотности солнечной энергии. Однако при возникновении высоких волн энергия становится более концентрированной.

Есть и другой тип волн – прибой, который можно наблюдать  в прибрежных зонах. Их энергия так  же может рассматриваться в качестве источника энергии, преимущественно  местного значения.

Кроме ветровых волн, есть и  приливные волны. Их энергия так  же велика, но они рассматриваются  отдельно от ветровых волн. Энергию  одиночных волн, известных как  цунами практически невозможно обуздать.

До сегодняшнего дня волновые энергетические установки создавались  только как небольшие пробные  объекты, поэтому у нас недостаточно материалов, чтобы утверждать или  опровергать их негативное воздействие  на окружающую среду. Тем не менее, можно  сделать несколько замечаний.

Любая установка, соединенная  для извлечения энергии волн, влияет на гидродинамический режим в  месте её работы. Это приводит к  перераспределению океанских донных отложений с живущими там организмами  и растениями. Они так же могут  изменить прозрачность и мутность воды.

Однако кроме всех этих недостатков возведение волновой энергетической установки вблизи побережья может  иметь и положительный характер. Сильные волны, бьющиеся о берег  могут повредить портовые постройки, пляжи, имущество и т.д. Поэтому  для защиты в прибрежной части  сооружают дорогостоящие волнорезные  конструкции. Волновая энергетическая установка будет поглощать часть  энергии волн, снимая их разрушительное воздействие.

До настоящего времени  волновые установки в основном рассматривались  как малые сооружения для обеспечения  энергией удаленных населенных пунктов  и размещались в прибрежной части, преимущественно на островах. Обычное  энергоснабжение в таких случаях  в основном основано на дизельных  генераторах, работающих на привозном, а значит дорогом топливе.

Так как больших коммерческих волновых энергетических установок  не существует пока, невозможно сообщить какие либо достоверные сведенья об их конкурентоспособности, а именно – стоимость установки одного киловатта мощности и стоимость  произведенного электричества. Кроме  стоимости самого оборудования они  будут так же в большей степени  зависеть от волнового режима в выбранном  месте, а именно – от характеристик  волн и от их наличия в течение  года. Требуемые гидрологические  данные обычно недоступны. Тем не менее, существующие прогнозы и проектные  расчеты дают некоторую информацию о возможной стоимости электричества, вырабатываемого волновыми установками. Согласно этим оценкам стоимость 1 кВт/часа превысит 0,16 долл., что дороже, чем  электричество, произведенное любым  другим неисчерпаемым источником энергии. Более оптимистические прогнозы были сделаны в 1994-1999 гг.: стоимость  электроэнергии вырабатываемой серийными  электростанциями, будет предположительно ниже, прядка 0,10–0,14 долл. За 1 кВт/час.^*

 

 

 

5.2 Энергия приливов и отливов

В отличие от источников энергии, обсуждаемых выше, приливы  вызываются гравитационным взаимодействием  между Луной, Землёй и Солнцем, причем наибольшее значение имеет взаимодействие между Луной и Землей. Гравитационное притяжение проявляет себя в поднятии земной поверхности вдоль прямой, соединяющие эти два небесных тела. На суше этот подъем едва заметен, в то время в океане он может  достигать в высоту несколько  метров. Сила гравитационного притяжения накладывается на центробежную силу, возникающая вследствие вращения системы  Земля-Луна вокруг их общего центра притяжения. Он находится внутри земной сфер на расстоянии 4670 км от центра планеты.