Альтернативные  источники энергии  и целесообразность их использования

1. Источники альтернативной энергии

     Под нетрадиционными (альтернативными) видами топлива мы понимаем топливо, полученное из возобновляемых источников энергии (солнечная энергия, ветер, кинетическая энергия воды и другие).

     В настоящее время все активнее обсуждаются вопросы использования  новых нетрадиционных, альтернативных видов энергии. Это объясняется, во-первых, непрерывным ростом промышленности, как основного потребителя энергетической отрасли. Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в третьих, экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов. В настоящее время выдвигаются множество различных идей и предложений по использованию всевозможных возобновляемых видов энергии. Разработка некоторых проектов еще только начинается. Так, существуют предложения по использованию энергии разложения атомных частиц, искусственных смерчей и даже энергии молнии. Проводятся эксперименты по использованию “биоэнергетики”, например, энергии парного молока для обогрева коровников. Но существуют и “традиционные” виды альтернативной энергии.

     Лидерами  в области альтернативной энергетики являются четыре технологии: биотопливо, топливные элементы, солнечная и ветровая энергетика.

     Одним из наиболее перспективных видов  альтернативной энергии является геотермальная энергия. Уже разведанные запасы геотермальной энергии более чем в тридцать раз превосходят энергозапасы всех ископаемых ресурсов вместе взятых. Более того, на сегодняшний день из всей энергии, вырабатываемой в разных странах мира за счёт геотермии, ветра, солнца, приливов и отливов, 86 процентов приходятся именно на геотермальные электростанции.

     В современной солнечной энергетике существует два основных направления — фотоэлектроэнергетика, т. е. выработка электроэнергии с помощью солнечных элементов, и теплоэнергетика (получение тепловой энергии с солнечных коллекторов).

     Солнечная электроэнергетика применяется  в различных областях, в частности, в автономных системах электроснабжения, прежде всего в регионах, где отсутствует централизованное энергоснабжение при обильном солнечном излучении, а также в бытовой электронике.

     Альтернативные источники энергии объединяют многие виды земной энергии. Отличительной чертой альтернативных источников энергии является их возобновляемость. Наибольшее развитие в мире получила ветроэнергетика, солнечная энергетика.

     Основной  фактор при оценке целесообразности использования альтернативных источников энергии – цена производимой энергии по сравнению со стоимостью энергии, получаемо при использовании традиционных источников.

     Среди несомненных достоинств альтернативных источников энергии стоит отметить повсеместную распространенность большинства  видов, экологичность и возобновляемость, а также низкие эксплуатационные затраты. Среди отрицательных - нестабильность во времени и низкую плотность потока энергии, которая вынуждает производителей использовать большие площади энергоустановок. При этом существенным препятствием на пути широкого распространения альтернативных источников энергии являются значительные начальные капиталовложения, несмотря на то, что они окупаются впоследствии за счет низких эксплуатационных затрат. Кроме того, производители традиционных источников энергии совершенно не заинтересованы в развитии альтернативных источников энергии. И хотя они проявляют большой интерес к новым технологиям и финансируют научно-исследовательские программы в этой области, они, тем не менее, не торопятся внедрять их в массовое производство.

2. Ветровая энергия

    Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.

    По  оценкам различных авторов, общий  ветроэнергетический потенциал  Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м² (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

    Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом.

    Новейшие  исследования направлены преимущественно  на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

    Широкому  применению ветроэлектрических агрегатов  в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость.

3. Энергия рек.

    Вода  была первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, в которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина.

    Устройства, в которых энергия воды используется для совершения работы, принято называть водяными (или гидравлическими.) двигателями. Простейшие и самые древние из них – описанные выше водяные колеса. Различают колеса с верхним, средним и нижним подводом воды.

    В современной гидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода из-за плотины течет – через защитную сетку и регулируемый затвор – по стальному трубопроводу к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генераторам и в них преобразуется в электрическую. После совершения работы вода стекает в реку через постепенно расширяющийся туннель, теряя при этом свою скорость.

    Гидроэлектростанции классифицируются по мощности на мелкие (с установленной электрической мощностью до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (свыше 20 МВт). Второй критерий, по которому разделяются гидроэлектростанции, – напор. Различают низконапорные ГЭС (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (свыше 100 м). В редких случаях плотины высоконапорных ГЭС достигают высоты 240 м. Такие плотины сосредоточивают перед турбинами водную энергию, накапливая воду и поднимая ее уровень.

    Затраты на строительство ГЭС велики, но они компенсируются тем, что не приходится платить (во всяком случае, в явной форме) за источник энергии – воду. Мощность современных ГЭС, спроектированных на высоком инженерном уровне, превышает 100 МВт, а К.П.Д. составляет 95% (водяные колеса имеют К.П.Д. 50–85%).

    Преимущества  гидроэлектростанций очевидны –  постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды.

          В настоящее время  используется лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

4. Геотермальная энергия

    Энергетика  земли – геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. По данным Уайта, количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6*80²⁶ Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·10¹⁶ т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-10⁹ Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

    Источники геотермальной энергии могут  быть двух типов. Первый тип – это  подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), либо пара (паротермальные источники), либо пароводяной смеси. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар либо перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

    Геотермальная энергия имеет четыре выгодных отличительных черты:

    1) ее запасы фактически неистощимы. По оценка специалистов они  в 3500 раз превосходят запасы  обычных видов минерального топлива.

    2) геотермальная энергия достаточно  обширно распространена. концентрация ее в основном связана с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли.

    3) внедрение геотермальной энергии  не просит огромных издержек, т.к. в данном случае речь  идет уже о «готовых к употреблению»,  созданных самой природой источниках энергии.

    4) геотермальная энергия в экологическом  отношении абсолютная безвредна.

    Геотермальную энергию употребляют для выработки  электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.п.

5. Энергия мирового океана

    Резкое  увеличение цен на топливо, трудности с его полученном, сообщения об истощении топливных ресурсов – все эти видимые признаки энергетического кризиса вызвали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана. В океане, который составляет 72% поверхности планеты, потенциально имеются разные виды энергии – энергия волн и приливов, энергия химических связей газов, солей и остальных минералов, энергия течений, энергия температурного градиента и т.д.

    В настоящее время ведутся разработки по следующим направлениям: внедрение энергии приливов, прибоя, волн, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев океана, течений и т.д.

    Приливные волны таят в себе большой энергетический потенциал – 3 млрд. кВт. Энергия приливов – величина постоянная, благодаря чему количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии постоянно, в отличие от ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного как с климатическими чертами местности, так и с погодными условиями.

    Ученые  считают, что технически и экономически выгодно употреблять совсем небольшую часть приливного потенциала Мирового океана – по некоторым оценкам лишь 2%. Для эффективной работы ПЭС высота приливной волны должны быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия наблюдаются в небольших и узких заливах либо в устьях рек, впадающих в моря и океаны. Таких мест на всей планете по различным данным всего лишь около 40.

    При оценке экономических выгод стройки  ПЭС также необходимо учитывать, что наибольшие амплитуды приливов – отливов характерны для окружных морей умеренного пояса. Многие из этих морей расположены на нежилых территориях, на большом удалении от основных районов экономической активности, а следовательно, и потребления электроэнергии. Необходимо учесть также и то, что рентабельность ПЭС резко растет по мере роста их мощности до 3 – 5 и тем более 10 -15 млн. кВт. Но сооружение таких станций-гигантов. К тому же в отдаленных районах, требует огромных затрат, не говоря о сложнейших технических проблемах.