Пути преодоления мировых энергетических кризисов

Сегодня для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя путями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах. В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Наиболее просто использовать солнечную энергию для получения  тепла для горячего водоснабжения. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) широко распространены в странах  с жарким климатом. Например, в Израиле  закон требует, чтобы каждый дом  был оснащен СВУ. В США СВУ  повсеместно используются для подогрева  воды в бассейнах. Вклад СВУ в  энергетический баланс США эквивалентен примерно 2 млн. тут в год. Суммарная  площадь коллекторов, установленных  сегодня в мире оценивается в 50-60 млн м2, что обеспечивает получение тепловой энергии, эквивалентной 5-7 млн тут в год. В Европейских странах к концу 2000 г. действовало 11,7 млн м² коллекторов. [9]

В России СВУ на сегодня  не нашли сколько-нибудь значительного  распространения, что с одной  стороны связано с относительно низкой стоимостью традиционных топлив, а с другой – бытующим мнением  о недостаточной инсоляции в  большинстве регионов России.

Вместе с тем в последние  годы для всей территории России проведено  тщательное исследование прихода солнечной  энергии на поверхности, тем или  иным образом ориентированные в  пространстве, и показано, что практически  для всех регионов страны, включая  высокие широты, применение СВУ в  течение 3-6 месяцев в году экономически оправдано. [9]

Для преобразования солнечной  энергии в электроэнергию могут  быть использованы как термодинамические  методы, так и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических  преобразователей (ФЭП).

Сегодня в США работают 7 электростанций общей мощностью 354 МВт(э), использующие параболоцилиндрические концентраторы солнечной радиации и термодинамический метод преобразования. Известны проекты сооружения подобных СЭС в ряде стран так называемого солнечного пояса (Мексика, Египет и др.). Для России, с учетом характеристик солнечной радиации, подобные СЭС сегодня не представляют сколько-нибудь значительного интереса.

Фотоэлектрические преобразователи, напротив, находят все большее  применение в самых разных регионах. В отличие от СЭС с концентраторами, ФЭП используют не только прямое, но и рассеянное излучение и не требуют  дорогостоящих устройств для слежения за солнцем.

Рынок ФЭП развивается  весьма динамично. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Это обусловлено  принятием в ряде стран национальных программ, предусматривающих широкое  внедрение ФЭП («100 тысяч солнечных  крыш» в Германии, «100 тысяч солнечных  крыш» в Японии, «1 млн. солнечных  крыш» в США). Быстрыми темпами  растет и производство ФЭП, достигшее 1 ГВт в год. Япония и Германия прогнозируют в ближайшие годы выход  на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня  модули ФЭП на мировом рынке стоят  около 4 долл. за пиковый ватт, что  при удовлетворительной инсоляции  приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенно велик рынок  ФЭП в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой  мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной  цивилизации.

Сегодня на мировом рынке  присутствуют тысячи фирм, создающих  различные установки с ФЭП, но только десятки фирм, в том числе  в России умеют делать солнечные  элементы. Начиная с середины 90х  годов, в России инициированы работы по совершенствованию ФЭП и развертывание  их опытно-промышленного производства. Так, например, фирма «Солнечный Ветер» поставляет свою продукцию в более  чем 10 стран. За 1996-2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.

Однако, несмотря на положительные  тенденции мирового рынка, высокая  стоимость, электроэнергии от ФЭП сдерживает их более широкое применение. Эта  высокая стоимость обусловлена  как дороговизной основного материала (как правило, кремния высокой  чистоты), так и дороговизной технологического процесса. Поэтому в мире и в  России ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на удешевление  ФЭП. Одним из перспективных направлений  является создание высокоэффективных  ФЭП с концентраторами солнечного излучения. Наиболее интенсивно исследования в этой области проводятся в США  и России.[5]

Энергетические  ресурсы морей и океанов. Периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики. Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию морских приливов и отливов, возникающих в результате гравитационного взаимодействия вращающейся  вокруг своей оси Земли с Луной  и Солнцем. Лунные приливы примерно в два с половиной раза сильнее  солнечных. Во многих случаях  солнечные  и лунные приливы могут совмещаться, взаимно усиливая или  ослабляя друг друга.

В открытом море приливная  волна невысокая и практически  не ощущается, но вблизи берегов ее высота может существенно возрастать, достигая нескольких метров, что позволяет использовать энергию перемещаемой приливом воды для выработки электроэнергии на ПЭС. [1]

Приливы, как и отливы, происходят дважды в день в заранее  известное время.  Их высота также  известна и закономерно изменяется в течение месяца. В связи с  этим ПЭС имеют четкий и неизменный график работы, выдавая электрический  ток в энергосистему четыре раза в сутки.

Разработаны четыре метода использования энергии приливов, но наиболее практичным из них является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными  явлениями, используются в системе  шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади  бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды  приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит  от площади бассейнов. [5]

Энергия приливных течений  может быть преобразована подобно  тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в  действие сравнительно маломощных устройств  еще в средневековой Англии и  в Китае.

Теоретический потенциал  приливной энергетики в России составляет более 100 ГВт по мощности и более 250 млрд кВтч по среднегодовой выработке. Подавляющая часть этого потенциала сконцентрирована в трех створах - Мезенском (Белое море), Тугурском и Пенжинском (Охотское море).

В настоящее время экономически эффективным  считается использование  приливов с высотой не менее 4 м. Высота приливов сильно зависит от конфигурации побережья.  Во внутренних морях, например в Черном и Балтийском, приливы невелики. Как правило, наибольшие приливы возникают в глубоко вдающихся вглубь материка заливах, в том числе в устьях рек. Наибольшая известная высота приливов (до 18 м) наблюдается в заливе Фанди в Канаде. [5]

Перспективные для строительства  ПЭС участки есть  в России, Великобритании, Франции, Норвегии, Южной  Корее, Китае, Аргентине, США.  Всего  не менее 80 створов. В целом экономически эффективный к использованию  потенциал приливной энергии  сегодня  оценивается в 450 млрд кВтч в год, в дальнейшем по мере совершенствования приливных электростанций его величина может существенно возрасти. [13]

Теоретический потенциал  приливной энергетики в России составляет более 100 ГВт по мощности и более 250 млрд кВтч по среднегодовой выработке. Подавляющая часть этого потенциала сконцентрирована в трех створах - Мезенском (Белое море), Тугурском и Пенжинском (Охотское море).

В настоящее время приливные  электростанции действуют в России на Кольском п-ове на берегу Баренцева  моря и в Приморье. На сегодня  мощность Кислогубской приливной электростанции, после реконструкции в 2004-2007 годах, составляет 1,5 МВт.  На этапе проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8 ГВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен. Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире — проектная мощность 87 ГВт. [1]

В настоящее время ведется  проектирование Северной ПЭС на Кольском полуострове мощностью 12 МВт. На данной ПЭС планируется отработать конструкцию  и технологию строительства крупной  приливной электростанции, в том  числе сооружение здания ГЭС наплавным  способом и трехъярусное размещение ортогональных гидроагрегатов. Полученный опыт планируется использовать при создании более крупных Мезенской и Тугурской ПЭС. [13]

Использование низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами. В настоящее время отопление и горячее водоснабжение (ГВС) городских объектов осуществляется, как правило, от городских ТЭЦ или районных котельных, работающих на традиционных топливах. Автономные потребители (коттеджи, дачи, садовые домики) зачастую используют для отопления и горячего водоснабжения либо жидкие углеводородные газы, либо электроэнергию.

Вместе с тем имеется  большое количество различных источников низкопотенциального тепла, как природных, так и искусственных, которые в сочетании с тепловыми насосами (ТН) могут составить конкуренцию традиционным топливам. Естественными источниками низкопотенциального тепла могут быть атмосферный воздух, подпочвенные и грунтовые воды, озерная и речная вода, поверхностный и глубинный грунт.

Искусственными  источниками (вторичные источники) тепла могут  выступать вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений, отработанный воздух или вода производственных технологических  процессов, тепло отработанных газов  при сжигании топлива, различные  теплые сбросы промышленных предприятий, вентиляционные выбросы, канализационные  системы. Потенциал этих источников достаточно велик, но в каждом случае требует разработки оптимальных  систем для его использования. [12]

 ТН нашли широкое  применение для теплоснабжения  жилых и административных зданий  в США, Швеции, Канаде и других  странах со сходными с Россией  климатическими условиями. Практическое  использование ТН в России  на сегодняшний день не велико , общая тепловая мощность всех теплонасосных установок в России составляет порядка 100 МВт , а их количество не превышает 150 образцов. А в мире к настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов ошеломляют:

• В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы;
• В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности;
• В Японии ежегодно производится около 3 млн тепловых насосов;
• В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов;
• В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой +8 °С. [12]

ТН позволяет, затрачивая сравнительно небольшое количество энергии на его привод, преобразовать  тепло, отбираемого от низкопотенциального источника, в тепло при температуре, удовлетворяющей потребителя. Коэффициент трансформации ТН, т.е. отношение количества тепла, отданного потребителю, к энергии, затраченной на его привод, тем выше, чем выше температура источника низкопотенциального тепла. В используемых системах этот коэффициент составляет 3 и более.

В качестве природных низкопотенциальных источников тепла наибольший интерес представляют незамерзающие водоемы или источники геотермального тепла. В большом количестве регионов на умеренных глубинах имеются геотермальные флюиды с температурой не ниже 20-30оС, которые могут служить эффективным источником низкопотенциального тепла для ТН. Представляет интерес также использование тепла грунта, для чего могут создаваться неглубокие (в несколько десятков метров, иногда до 100 – 150 м) вертикальные скважины, служащие подземными теплообменниками, через которые циркулирует теплоноситель ТН. В зависимости от свойств грунта, наличия фильтрационных вод, конструкции теплообменника с 1 м его длины возможен съем от 70 до 300 Вт тепловой энергии.

Представляет интерес  применение комбинированных схем, в  которых наряду с использованием, например, тепла грунта с помощью  ТН утилизируется тепло- вентиляционных выбросов здания, солнечная энергия, преобразуемая посредством простейшего солнечного коллектора.