Глава 1. Основы классификации нетрадиционных источников энергии.
1.1 Основные понятия и определения курса нетрадиционных источников энергии (НИЭ).
- Традиционные невозобновляемые источники энергии
– объекты, реализующие получение энергии из органических источников топлива;
- Нетрадиционные источники энергии (НИЭ)
– объекты, реализующие получение энергии за счет природных процессов или новые источники энергии, неиспользуемые раньше на практике. НИЭ делятся на два вида:
¨ Нетрадиционные возобновляемые источники энергии
(НВИЭ)– объекты, реализующие получение энергии за счет протекающих природных процессов. НВИЭ – источники, потоки энергии которых постоянно существуют или периодически возникают в окружающей среде (ОС) и не являются следствием целенаправленной деятельности человека. Основные ВИЭ: солнечное излучение, движение и притяжение Солнца, Луны, Земли, а также тепловая энергия ядра Земли, связанная с химическими реакциями и радиоактивным распадом в ее недрах.
¨ Нетрадиционные невозобновляемые источники энергии
(ННИЭ)– новые, не использованные в массовом масштабе источники энергии, например водород.
- Энергия
(energeia (греч.)- действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. Различают механическую, тепловую, электромагнитную, гравитационную, ядерную энергию и т.д. Понятие энергии благодаря закону ее сохранения связывает воедино все явления природы. Одни виды энергии могут превращаться в другие. При этом общее ее количество не меняется. Энергия – не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле – естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты. Никакой вид энергии не обходится так дорого как ее недостаток. Не считаясь с огромными финансовыми расходами человечество, ищет новые пути получения энергии. Энергия делится на две части:
Дерево энергетических ресурсов.
¨ Первичная энергия
– та ее часть, которая запасенна в природе (например: топлива, ветра, геотермальная, приливная, атомная, энергия воды и т.п.). На рис 1.2 показана классификация первичной энергии.
¨ Вторичная энергия
–энергия получаемая после преобразования первичной на специальных энергетических установках (например: энергия пара, горячей воды, электрическая и др.).
- Энергетическая установка
– установка, в которой производится, преобразуется, распределяется или потребляется энергия.
Рис. 1.1
- Энергетическое производство
– получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей.
¨ Первый этап энергетического производства
– получение и подача энергетических ресурсов к месту их потребления;
¨ Второй этап энергетического производства
– преобразование первичной энергии во вторичную, ее передача, распределение, и использование.
- Топливно-энергетические ресурсы
– количество и качество минеральных богатств, используемых как топливо (уголь, нефть, газ, горячие сланцы, торф, древесина, атомная энергия) и одновременно являющихся источниками энергии в двигателях при получении пара, теплой воды и электричества.
- Топливные ресурсы
– часть топливно-энергетических ресурсов, используемых как топливо.
- Энергетические ресурсы
– совокупность энергии Солнца и космоса, топливно – энергетических, атомо – энергетических, термальных и других источников энергии.
В таблице 1.1 представлена потенциальная годовая добыча энергетических ресурсов Земли в пересчете на кВт×ч.
Таблица 1.1
| Наименование энергоресурсов | Общее количество запасов | Наименование энергоресурсов | Общее количество запасов |
Возобновляемые ресурсы (млрд. кВт×ч. в год) 1. Энергия солнечного излучения 2. Энергия приливов и отливов 3. Теплота морей и океанов 4. Энергия ветра 5. Древесное топливо 6. Гидроэнергия 7. Внутренняя теплота Земли |
580 000 000 70 000 000 6 000 000 460 000 105 000 36 000 15 000 |
Невозобновляемые ресурсы (млрд. кВт×ч. в год) 1. Каменный уголь 2. Бурый уголь 3. Горючий сланец 4. Торф 5. Нефть 6. Природный газ 7. Ядерное горячее (уран, торий) Термоядерное горючее |
30 000 000 5 800 000 700 000 480 000 223 000 80 000 515 000 000 Запасы практически неограничены |
- Энергетические ресурсы
– совокупность энергии Солнца и космоса, топливно-энергетических и других источников энергии.
Классификация первичной энергии.
- Энергетика
– область экономики, охватывающая энергетические ресурсы, преобразование, передачу и использование различных видов энергии.
Источник энергии
– объект, выделяющий или имеющий потенциальный запас определенного вида энергии.
Источник тока
– устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую.
На рис.1.3 представлена классификации энергетики.
Рис. 1.3
1.2 Законы преобразования энергии. Ее источники и преобразователи.
Энергия – одна из скалярных характеристик движения материи. Каждой форме материи соответствует свой вид энергии. Основными законами материального мира являются законы сохранения материи и энергии. В энергетике закон сохранения энергии – I-ый закон термодинамики. Общее количество энергии тела:
, кДж (1.1),
Е – полный запас энергии тела; m – масса тела; с – скорость света; Eвн – внешняя энергия; Евнут – внутренняя энергия; Ео – энергия массы покоя; Екин – кинетическая энергия, энергия механического движения; Епот – потенциальная энергия (энергия взаимодействия тела с силовыми полями).
Грамму массы, по формуле (1.1) соответствует энергия, равная кДж или кВт·ч.
Процессы превращения внутренней энергии тела во внешние формы – освобождение энергии. При химических реакциях освобождается % общего запаса энергии тела, при ядерных %, при термоядерных - 0.65%.
Закономерности взаимного превращения разных видов энергии изучает термодинамика, базирующаяся на двух законах:
1-ый закон термодинамики
показывает два пути выхода освобожденной энергии тела:
(1.2),
- изменение внутренней энергии тела;
Q – количество тепла;
W – количество работы.
Здесь величины Q, W – две формы передачи энергии.
2-ый закон термодинамики
определяет направление самопроизвольных процессов. Его следствием является то, что изолированная система приходит к наиболее вероятному состоянию. Упорядоченное движение переходит в неупорядоченное, концентрированная энергия рассеивается путем превращения всех ее видов в тепло.
Превращение тепла в полезные (упорядоченные) виды энергии ограничено КПД обратимого цикла:
(1.3)
- тепло, подводимое к рабочему телу, кДж;
- тепло, отводимое от рабочего тела в окружающую среду, кДж.
Потребитель использует разные виды энергии: электрическую, механическую, тепловую, световую, звуковую, химическую, ядерную и т.п. Особую роль играет электрическая энергия
, которую легко передавать распределять и превращать в другие виды энергии.
Основными источниками энергии на Земле являются:
- Солнце (излучение, падающее на Землю);
- внешняя энергия некоторых тел на земле (потоки воздуха, воды, обладающие запасом механической энергии).
- Вещества, носители высококонцентрированной внутренней энергии, которая может освобождаться в химических и ядерных реакциях. Эти вещества носят название топлив (органического и ядерного).
На основании закона сохранения энергии все ее виды взаимопревращаемы (рис1.3).
Устройства для взаимного превращения энергий называют преобразователями
энергии или генераторами
энергии. Они делятся на простые
, с одним преобразованием и сложные
(комбинированные) в которых можно выделить два и более превращений энергии.
Пример простого преобразователя: топка, печь, в которых химическая энергия топлива превращается в тепло.
Пример сложного преобразователя: теплоэнергетическая установка (ТЭУ), в которой имеем целую цепочку преобразований химическая энергия топлива – тепло – внутренняя энергия рабочего тела (пар) – механическая энергия – электрическая энергия.
Рассмотрим классификацию генераторов энергии:
- По виду энергии, отдаваемой потребителю различают:
¨ генераторы тепла (ГГ);
¨ генераторы электрической энергии (ЭГ);
¨ генераторы механической энергии, двигатели (Д).
- Генераторы тепла по виду получаемой энергии делятся на:
¨ химические – топки, камеры сгорания и т. п.;
¨ ядерные и термоядерные – реакторы и ядерные батареи;
¨ солнечные световые нагреватели;
¨ электрические – электрические нагреватели;
¨ механические (МТГ) – сварка трением, механические тормоза;
¨ тепловые – теплообменники, тепловые насосы.
- Генераторы электрической энергии (ЭГ) делятся:
¨ химические – гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы;
¨ ядерные и термоядерные;
¨ световые – фотоэлементы;
¨ электрические – трансформаторы, преобразователи (по частоте, постоянного тока в переменный и обратно);
¨ тепловые – термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи;
¨ механические – обычные (машинные) и необычные (безмашинные).
- Генераторы механической энергии различают:
¨ химические – мышцы живых организмов;
¨ ядерные и термоядерные – реакторы, дающие тягу без промежуточного превращения ядерной энергии в тепло;
¨ тепловые;
¨ электрические;
¨ световые – солнечные паруса;
¨ механические – ветро и гидроустановки, приливные;
¨ термоэлектромагнитные – плазменные, ионные, электроракетные (электрореактивные) двигатели.
1.3 Область использования основных видов НИЭ.
Область и перспектива применения НИЭ определяется видом энергии
(излучение, тепловая пара и воды, механическая, химически связанная и др.),характером её поступления
(изменение интенсивности поступления в течение суток, года, зависимость её от климатических и географических условий),технико-экономическими характеристиками и технологией её использования
(уровнем развития техники).
Технические группы НИЭ делятся по целевому использованию на четыре группы:
- Системы для выработки тепловой энергии:
¨ Солнечные коллекторы (в основном с плоскими гелиоприёмниками) для получения низкотемпературной теплоты (отопление помещений, воды в бассейнах и т. п.);
¨ Системы для опреснения воды и получения соли;
¨ Тепловые насосы и холодильники для теплоснабжения потребителей;
¨ Система оптических преобразователей (солнечные печи);
¨ Системы теплоснабжения на базе геотермальной энергии;
¨ Системы получения высокотемпературной тепловой энергии для термохимического разложения воды и получения водорода;
- Системы получения электрической энергии:
¨ Солнечные электростанции на основе термодинамического цикла;
¨ Солнечные электростанции на основе прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэнергетики;
¨ Ветроэнергетические установки;
¨ Гидроэлектростанции небольшой мощности (до 200 кВт);
¨ Приливные электростанции;
¨ Электростанции на основе использования температурного градиента океана, энергии волн;
- Системы получения искусственного топлива:
¨ Производство органического топлива путем ферментации отходов сельскохозяйственной и городской деятельности (биотопливо);
¨ Каталическое разложение воды при низкой и высокой температуре для получения водорода;
¨ Производство спиртов из биомассы с использованием в качестве добавок к традиционному жидкому топливу (в основном для нужд транспорта);
¨ Производство синтечиского топлива из угля;
- Установки для получения механической энергии (ветроустановки и т.п.);
В современной экономике 80% всей энергии используется в виде теплоты.
Для получения промышленными потребителями высокотемпературных энергоносителей (свыше 600о
С), способных заменить органическое топливо, могут быть использованы водород и синтетическое топлива из биомассы или угля. В области средних (200-400 о
С) и низких температур (20-200о
С) для потребителей коммунально-бытового назначения (отопление, вентиляция, конденционирование воздуха, горячее водоснабжение, бани, прачечные, бассейны, парники, выпарные установки), сушильни химической промышленности, пищевой промышленности могут быть использованы солнечная и геотермальная энергия. В современном энергоснабжении имеем примерно следующую структуру распределения топлива и энергии по секторам экономики:
- промышленность и сельское хозяйство – 30-50%;
- транспорт – 20-25%;
- непроизводственная сфера – 25-50%;
Например, в 1996 году структура распределения электроэнергии в мире была следующая:
1. Промышленность – 43% (в 1972 году – 52.2%);
2. Транспорт – 2.1%;
3. Сельское хозяйство, жилой, коммерческий сектор, сфера услуг – 54.9%.
1.4. Принципы производства и использования НИЭ.
| Источник энергии | Вид энергии | Использование энергии |
| 1. Солнце | Солнечная энергия – прямая форма | - Производство тепловой энергии термодинамическим методом. Производство электрической энергии термодинамическим и фотоэлектрическим метолом. - Производство водорода для аккумулирования солнечной энергии при помощи электролиза, фотосинтеза. - Производство тепловой энергии термодинамическим методом в сопряжении с тепловыми насосами. |
| Косвенные формы солнечной энергии | ||
| 2. Ветер | Кинетическая энергия ветра | Системы механического привода насосов, электрогенераторов, вентиляторов и т. п. |
| 3. Вода | Кинетическая энергия падения воды, морских волн, приливов и отливов | Производство электроэнергии, гидропривод используется в теплонасосных установках для преобразования в тепловую энергию более высокого потенциала. |
| 4. Биомасса | Преобразованная энергия солнечного излучения за счет явления фотосинтеза | В качестве органического топлива для производства теплоты и электроэнергии, производство водорода. Производство топлива (этанола, метана) из сельскохозяйственных структур и отходов. |
| 5. Гео-термальная энергия | 1) Тепловая энергия глубинных зон земли. 2) Тепловая низкопо-тенциальная энергия приповерхносных зон земли |
1) Получение тепла и холода, производство электрознергии. 2) Используется для регазификации сжиженных газов. |
| 6. Ядерная энергия | Кинетическая энергия нейтронного излучения в процессе деления или синтеза атомных ядер | - Производство тепловой и электрической энергии реакторами – размножителями и термоядерными установками. - Производство водорода (тепло-химических способом с использованием высокотемпературных реакторов) электролизом. - Производство синтетического топлива из угля с использованием низкотемпературных реакторов. |
1.5 Технико-экономические показатели НИЭ.
В настоящее время, очевидно, что органические (традиционные
, невозобновляемые)
топлива будут играть преобладающую роль, по крайней мере, до 2020 года. Сопоставление потребностей человека в энергии и ресурсов показывает, что возможность их удовлетворения с помощью традиционных и нетрадиционных источников энергии не вызывает сомнения практически для любого планируемого перспективного срока.
Пример: 1989 году мировое потребление энергии приблизительно составляло – 9.067×109
т. н. э. (1 т. н. э.= 44 ГДж = 10.5 Гкал);
- Извлекаемые запасы свободной нефти, т. – около (250-350)×109
;
- Достоверные промышленные запасы природного газа, м3
– (50-70)×1012
;
- Допустимые для промышленной выробатки запасы угля, т. – около 10×1012
.
Постепенное истощение легкодоступных дешевых энергетических топлив и ухудшение
экологичесикх условий жизни требуют разработки новых энергетических систем,
технологических решений и организационных приёмов
, основанных как на более эффективном использовании традиционных энергоресурсов (энергосбережении), так и на широком развитии нетрадиционных экологически
более чистых возобновляемых
источников энергии.
Решающим фактором в развитии энергетических систем остаётся стоимость энергии
. Содержание этого понятия расширяется вследствие более полного учета затрат в сопряженных отраслях (добывающие отрасли, транспорт, утилизация отходов, предотвращение вредных выбрасов, изъятия земель, металлоёмкость источников энергии и оборудования и т. п.). В связи с этим необходимо учитывать социальные затраты
при производстве энергии.
По некоторым оценкам “социальные” затраты, внешние по отношению к процессу непосредственного производства энергии при выработке электроэнергии с использованием угля, газа, нефти, ядерного топлива с учетом требований к охране окружающей среды составляют примерно 200% технологических.
Приведём данные по сопоставлению НИЭ с учетом последних достижений в технологии их использования:
Стоимость 1кВт установленной мощности электростанций.
Таблица 1.2.
| Наименование станции | USD/кВт |
| КЭС газ, мазут | 850 – 1000 |
| КЭС уголь | 1150 – 1300 |
| АЭС | 1500 – 2500 |
| ПГУ (парогазотурбинные установки) | 660 – 890 |
| ВЭС (ветроэлектростанция) | 1000 – 2850 |
| МиниГЭС (до 200 кВт) | 500 – 700 |
| Станция на биогазе из отходов животноводства | 1200 – 1400 |
| Дизель-генератор | 400 – 500 |
На примере США (северо-западный регион) имеем следующую себестоимость энергии различных энергоисточников:
Таблица 1.3.
| Источник энергии | Себестоимость кВт×ч в USD | Источник энергии | Себестоимость кВт×ч в USD |
| Уголь | 0.052 – 0.063 | Улучшение эффективности ТЭЦ | 0.003 – 0.005 |
| Атомная | 0.036 – 0.045 | Солнце | 0.086 |
| Геотермальная | 0.051 | Биомасса | 0.075 |
| Гидро | 0.021 – 0.06 | Ветер | 0.047 – 0.72 |
| Тепло-электро (совместная) энергия | 0.038 – 0.059 | Энергосбережение | 0.017 – 0.045 |
Отдавая предпочтение тому или иному источнику энергии, следует учитывать сроки строительства станций
и сроки их окупаемости
. Именно последние сегодня сдерживает капиталовложения в энергетику.
Кроме того, на сегодня имеется перспективная концепция рассредаточения энергосистем, которая придаёт ускорение научно-техническому прогрессу в совершенствовании топливных и солнечных элементов, ГТУ (газотурбинная установка), ДВС (двигатель внутреннего сгорания). Согласно неё произойдёт замена крупных электростанций малыми установками для производства электроэнергии рассредоточенными источниками (РИ) расположенными в центрах конечного потребления или вблизи от них.
Сторонники РИ проводят аналогию между таким рассредоточением и переходом пользователей с больших громоздких вычислительных машин к сетям на базе ПК.
Преимущества
РИ:
- Снижение потерь в сетях;
- Большое разнообразие топлива;
- Повышенное качество энергии;
- Отсрочка необходимости совершенствования передачи и распределения;
- Повышенная зашита от конкурентов.
В США доля РИ во вводах новых мощностей оценивается в течение ближайших 10 лет от 0 до 40%. Очевидно, что РИ найдут свою нишу на рынке новых мощностей.
Недостаток ВИЭ – низкая концентрация энергии. Это компенсируется широким распространением энергии, относительно высокой экологичностью, практической неисчерпаемостью. ВИЭ лучше использовать у потребителя. Энергетика, работающая на ВИЭ, перераспределяет, но не нарушает их общий баланс. Специфика ВИЭ наиболее соответствует потребностям в энергии сельского и водного хозяйств. Не использование потоков энергии ВИЭ ведет к их потерям, поэтому здесь применим другой подход к к.п.д. устройств. Использование ВИЭ может сократить энергетическую составляющую затрат для производства сельскохозяйственной продукции. В России, например, сельское хозяйство потребляет 40 % жидкого топлива, произведенного в ней.
Своим постановлением от 24 апреля 1997 г. № 400 Совет Министров РБ обязал ЭС принимать энергию, вырабатываемую нетрадиционными источниками энергии, а Министерство экономики РБ и его комитет цен установил тариф на электроэнергию от НИЭ в 2.4 раза выше средней себестоимости по ЭС. Согласно Республиканской программе по энергосбережению и основным направлением энергетической политики РБ на 2000 г. установленная мощность агрегатов малой энергетики в РБ до 2000 г. может составить 600 МВт, обеспечивая экономию свыше 5 млн. т.у.т. в год, в первую очередь это мини-ТЭЦ. Потенциал нетрадиционных энергетических ресурсов в Республике Беларусь составляет то 8.68 до 14.88 млн. т.у.т. в год без учета вторичных энергоресурсов и малой энергетики.
Доля нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в мировом топливно-энергетическом балансе мира составила в1985 г. 17.6%, в том числе гидроэнергия 5.8% (доля среди НВИЭ 33%), биомасса из природных источников и энергетических плантаций - 10.3% (58% всех НВИЭ), отходы сельского хозяйства - 1.2%. К 2000 г. вклад НВИЭ возрос до 4807 млн. т.у.т. при этом гидроэнергия составила 26%, солнечная энергия – 6%, древесное топливо – 49% , отходы 15%, энергия ветра – 1.8%, а к 2002 г. ожидается, что при общем потребление НВИЭ примерно 6944 млн. т.у.т. доля разных источников соответственно 25%, 9.6%, 42%, 13.3%.
На основании прогноза (Испания) мировой потенциал ВИЭ оценен следующим образом: солнечная энергия – 700 ГВт; энергия ветра – 300 ГВт (используется 1 ГВт); энергии морских волн и приливов – по 30 ГВт; гидропотенциал – 1350 ГВт; геотермальная энергия – 60 ГВт; энергия термического тепла океана – 380 ГВт. В целом энергопотенциал НВИЭ составляет 2820 ГВт. По другим литературным источникам запасы ВИЭ представлены в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Мировой годовой технический потенциал НИЭ, млд. т.у.т.
| 1. | Биомасса | 5.6 |
| 2. | Гидроэнергия | 2.8 |
| 3. | Ветровая энергия | 2.8 |
| 4. | Геотермальная энергия | 1.9 |
| 5. | Термическая энергия моря | 0.9 |
| 6. | Энергия приливов и отливов | 0.04 |
| 7. | Солнечные элементы и коллекторы (децентрализованные) | 2.0 |
| 8. | Гелиоэлектростанции | 4.3 |
| Всего | 20.3 | |
Для сравнения – потребление первичной энергии в мире приблизительно составляет 9 млд. т.у.т.
По прогнозу развития НВИЭ в США: ресурсы НВИЭ более чем в 500 раз превышают объемы их потребления и более чем в 10 раз ресурсы органического и ядерного топлива.
К 2030 г. НВИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50-70% современного уровня энергопотребления. НВИЭ преимущественно биомасса и гидроресурсы удовлетворяют сейчас примерно 20% мировой потребности в энергии, а энергия биомассы – 35% энергетических потребностей развивающихся стран. Гидроэнергия и биомасса покрывают более 50% энергетических потребностей Норвегии. В промышленно развитых странах потребность в низкотемпературном тепле составляет 30-50% общей потребности в энергии, а в развивающихся странах еще больше. Через несколько десятилетий с помощью солнечной энергии будет производиться нагрев почти всей требующейся воды, а пассивные системы отопления и охлаждения зданий снизят потребность в энергии для этих целей на 80%. На Кипре, в Израиле, Японии Иордании 25-65% потребностей в горячей воде дают гелиотермические установки.
Сравнительные оценки USD/кВт××ч в настоящее время и на перспективу по себестоимости производства электроэнергии на различных видах НВИЭ и традиционных источниках представлены в табл. 1 .5-1.7.
Таблица 1.5
| Источник энергии | 1980 г. | 1989 г. |
2000 г. | 2020 г. (оценка) |
| Энергия ветра | 0.25 | 0.07 | 0.04 | 0.01 |
| Тепловая солнечная (солнечные тепловые электростанции) | 0.24 | 0.12 | 0.05 | 0.03 |
| Солнечная (солнечные электростанции) | 1.5 | 0.35 | 0.06 | 0.02-0.03 |
АЭС и станции на органическом топливе.
Таблица 1.6
| Атомная энергия | 0.04-0.13 |
| Энергия при сжигании нефтепродуктов | 0.06 |
| Энергия при сжигании угля | 0.04 |
Электростанции на ВИЭ.
Таблица 1.7
| ГЭС | 0.041 |
| Геотермальная энергия | 0.06 |
| Электростанция на отходах деревообработки | 0.064 |
| Солнечная фотоэлектрическая электростанция | 0.028 |
Мощность установок на биомассе в Португалии – 201 МВт; работающие на городских и промышленных отходах в ФРГ – 194 МВт; в Нидерландах - 164 МВт (с ветроустановами); геотермальные установки в Италии –521 МВт. Франция имеет приливную электростанцию мощностью 240 МВт, Дания – 253 МВт ветроустановок.
Иллюстрацией современного отношению к ВИЭ в Европейском Союзе могут служить данные о количестве энергии, производимой ими в некоторых европейских странах приведенные в табл. 1.8.
Таблица 1.8
| № | Страна | Количество энергии, произведенной отдельными видами ВИЭ, тыс. т.н.э. | Суммарное количество энергии производимой ВИЭ | В % к общему производству | |||
| Гидро | Ветро | Биомасса | Солнце | ||||
| 1 | Бельгия | 29 | 1 | 224 | 0 | 599 | 1.34 |
| 2 | Дания | 2 | 78 | 1206 | 3 | 1290 | 7.25 |
| 3 | Франция | 5885 | 0 | 8832 | 15 | 15080 | 8.94 |
| 4 | Германия | 1489 | 3 | 3283 | 6 | 6009 | 1.78 |
| 5 | Велико- британия |
474 | 3 | 307 | 5 | 1215 | 0.57 |
| 6 | Европейский Союз |
13809 | 99 | 24260 | 160 | 43726 | 3.6 |
Мировая оценка объемов освоения ВИЭ, данная мировым энергетическим советом.
Таблица 1.9
| № | Источники энергии | Сценарии использования ВИЭ на перспективу до 2020 г. | |||
| Минимальный | Максимальный | ||||
| млн. т.н.э. | Доля в структуре ВИЭ, % | млн. т.н.э. | Доля в структуре ВИЭ, % | ||
| 1 | Биомасса | 234 | 45 | 561 | 42 |
| 2 | Солнечная энергия | 109 | 20 | 355 | 26 |
| 3 | Ветровая энергия | 85 | 16 | 215 | 16 |
| 4 | Геотермальная энергия | 40 | 7 | 91 | 7 |
| 5 | Энергия малых водотоков | 48 | 9 | 69 | 5 |
| 6 | Океаническая энергия | 9,14 | 3 | 54 | 4 |
| Итого | 539 | 100 | 1345 | 100 | |
| % к суммарной мировой потребности в первичных энергоресурсах | 3-4 | 8-12 | |||
Таким на мировом рынке наблюдается тенденция повышения эффективности ВИЭ, непрерывно совершенствуются технологические показатели ВИЭ (стоимость энергии, вырабатываемая ветровыми, биогазовыми, фотоэлектрическими установками постоянно уменьшается). Теоретические суммарные годовые потенциалы энергии ВИЭ превышают реальные потребности многих территорий в энергоресурсах. Энергетика, базирующаяся на ВИЭ, извлекла большую пользу из прогресса электроники, биотехнологии, материаловедения, а так же других областей знания, имеющих отношение к энергетике. Ожидается, что работающие на продуктах газификации биомассы газотурбинные установки, как вырабатываю
Крупные шаги предприняты в объединении усилий в области освоения возобновляемых источников энергии в мировом масштабе. За последние 20 лет стали более тесными международные связи по сотрудничеству в разработке возобновляемых технологий. Следует подчеркнуть значительный вклад в эту деятельность Европейского Союза через программы Терми (Thermie), Джоуль (Joule) и Альтенер (Altener), а так же Международного энергетического агентства. Отдельные важные программы были выполнены на национальном уровне с привлечением сил международного сообщества. Среди них японские правительственные программы «Солнечный Проект», «Большая солнечная перспектива», а в последние время «Новый солнечный проект», американские правительственные программы по фотоэлектричеству, защите окружающей среды и ветроэнергетике. Исландия, Италия и Новая Зеландия работали над крупномасштабным геотермальными проектами. Российская государственная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика» в значительной части посвящена нетрадиционной энергетике, а именно возобновляемым источникам энергии. Всемирная организация по охране окружающей среды, Всемирный банки Программа развития ООН вложили немало средств в финансирование ряда национальных проектов по солнечной энергии в развивающихся странах. Следует так же отметить Программу ООН по защите окружающей среды, Организацию промышленного развития ООН, ФАО (Организацию ООН по продовольствию и Сельскому Хозяйству), ВОЗ (Всемирную Организацию Здравоохранения) за их ощутимую поддержку усилий по возобновляемым источникам энергии.
В большинстве промышленно развитых стран мира (США, ФРГ, Японии, Франции, Испании, Италии, Англии и др. ) имеются программы развития НИЭ на 5-10 лет.
Структура располагаемого энергетического потенциала использования НИЭ в РБ, объемом 12-20 млн. т.у.т.
Таблица 1.10
| № | Источник энергии | % |
| 1 | Солнечная энергия | 37.2 |
| 2 | Биомасса | 27.4 |
| 3 | Ветер | 7.0 |
| 4 | Вторичные энергоресурсы | 15.7 |
| 5 | Малые водотоки | 0.8 |
| 6 | Энергия редуцированного природного газа | 1.9 |
1.6 Условия, вызвавшие применение и развитие НИЭ.
Развитию НИЭ и их все большему применению в энергетике способствуют следующие основные причины:
- Экологические проблемы, приобретающие катастрофические масштабы;
- Увеличение масштабов и непрерывный рост потребления энергии, и в частности электрической энергии и рост цен на неё;
- Ограниченность невозобновляемых источников энергии. Иссякание обеспеченности органическим топливом, истощение природных ресурсов;
- Увеличение расстояний между местами добычи органического топлива, выработки электроэнергии ее потребления;
- Периодические мировые энергетические кризисы;
- Развитие технологии использования НИЭ для получения электроэнергии и тепла;
- Наступления научно-технической революции и постоянный рост темпов научно-технического прогресса;
- Растущие цены на энергоносители, в первую очередь на органические виды топлива, рост топливно-энергетической проблемы;
- Необходимость надежного и эффективного энергоснабжения отдаленных труднодоступных и специфических потребителей;
- Ограниченные возможности совершенствования существующих технологий производства энергии с точки зрения взаимодействия с окружающей средой.
1.7 Анализ основных причин, ведущих к развитию НИЭ.
1.7.1. Мировой рост и особенности потребления энергии
Общая потребность энергии в мире в 1994 г. была 351.5×106
ТДж (Т=1012
). Из этого количества больше ¼ затрачено на производство электрической энергии. В 1982 г. из всех видов энергии 27 % электрическая, 1985 г. –32%, 2000 – 50%. В период с 1990 по 1996 г. развитие мирового топливно-энергетического хозяйства мира характеризовалось интенсивными темпами роста спроса на электроэнергию (2.5% в год) по сравнению с темпами общего прироста спроса на первичные топливно-энергетические ресурсы (1.45% в год).
Спрос на электроэнергию в мире и его отдельных регионах в период с 1990 по 1996 г.
Таблица 1.11
| Регион | Спрос на электроэнергию, ТВт×ч | Прирост спроса на электроэнергию, % в год | |
| 1990 | 1996 | ||
| Мир в целом | 10827 | 12540 | 2.5 |
В том числе: ОЭСР |
7044 | 8193 | 2.55 |
| Африка | 292 | 355 | 3.45 |
| Латинская Америка | 416 | 548 | 4.7 |
| Азия (без Китая) | 519 | 820 | 7.9 |
| Китай | 580 | 999 | 9.5 |
| Бывший СССР | 1550 | 1123 | -5.5 |
| Восточная Европа | 215 | 187 | -2.35 |
| Ближний Восток | 211 | 315 | 6.9 |
Основные показатели развития электроэнергетики в 90-х годах двадцатого века приведены в табл. 1.12, 1.13, характеризующих развитие применения электрической энергии и потребления ее на одного жителя.
Основные показатели электроэнергетики мира в 1992 – 1995 гг.
Таблица 1.12
| Показатель | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 |
| Установленная мощность электростанций, МВт | 2 854 570 | 2 928 407 | 2 995 874 | 3 058 394 |
| Использование установленной мощности, часов в год | 4 254 | 4 242 | 4 242 | 4 283 |
| Производство электроэнергии, ГВт×ч | 12 142 044 | 12 420 167 | 12 707 900 | 13 097 664 |
| Потребление электроэнергии на 1 жителя в год, кВт×ч |
Потребление электроэнергии на душу населения в мире и его отдельных регионах в период с 1900 по 1996 г.
Таблица 1.13
| Регион | Душевое электропотребление, кВт×ч/чел. | Прирост, % | |
| 1990 | 1996 | ||
| Мир в целом | 2103 | 2229 | 0,95 |
В том числе: ОЭСР |
6763 |
7501 |
1,75 |
| Африка | 473 | 492 | 0,8 |
| Латинская Америка | 1181 | 1403 | 2,9 |
| Азия (без Китая) | 341 | 483 | 6,0 |
| Китай | 511 | 822 | 8,25 |
| Бывший СССР | 5363 | 3846 | -5,7 |
| Восточная Европа | 3476 | 3095 | -1,95 |
| Ближний Восток | 1628 | 2031 | 3,75 |
Потребление электроэнергии на душу населения в отдельных странах различается в весьма широких пределах. Так, в среднем для стран Европы эта величина в 1995 г. составила 5558 кВт×ч, а для стран африканского континента в 11 раз ниже. Наименьшее значение душевного потребления в 1995 г. имело место в Чаде (14 кВт×ч/чел), Камбодже (19), Бурунди (21), Эфиопии (24), Уганде (34), Афганистане (38) и др.
Наибольшее значение душевного потребления имело место в промышленно развитых и богатых странах с высоким уровнем жизни. К ним относятся: Норвегия (26 956 кВт×ч/чел), Швеция (16 538), Люксембург (15 539), Кувейт (14 267), Финляндия (13 875), США (12 663) и др.
Особенно большое значение имеет такой показатель, как расход энергоресурсов на единицу продукции или энергоемкость валового национального продукта. В таблице 1.14 приведено значение этого показателя для некоторых стран по результатам 1992 года.
Таблица 1.14
| № п/п | Страна | Энергоемкость ВНП, ТНЭ/Экю | № п/п | Страна | Энергоемкость ВНП, ТНЭ/Экю |
| 1 | Беларусь | 1,605 | 5 | Великобритания | 0,309 |
| 2 | Европейский союз | 0,297 | 6 | Франция | 0,269 |
| 3 | Германия | 0,312 | 7 | США | 0,326 |
| 4 | Дания | 0,210 | 8 | Япония | 0,189 |
Примечание: 1 Т.Н.Э = 44 ГДж = 10,5 ГКал.
Значение приведенного показателя зависит от использования энергосберегающих и новых технологий, внедрения НИЭ, а так же от структурных изменений в промышленности и использовании энергии. Приведем изменение энергоемкости для отдельных стран за период 1980 – 1992 гг.
Таблица 1.15
| № п/п | Страна | Снижение энергоемкости в промышленности относительно 1974 г. в % | ||||
| 1980 | 1984 | 1990 | 1991 | 1992 | ||
| 1 | Европейский союз | 17 | 35 | 41 | 42 | 41 |
| 2 | Германия | 13 | 26 | 41 | 51 | 48 |
| 3 | Дания | 0 | 33 | 32 | 30 | 37 |
| 4 | Великобритания | 32 | 46 | 47 | 46 | 45 |
| 5 | Франция | 15 | 35 | 41 | 42 | 41 |
В период с 1974 года по настоящее время ряд стран Западной Европы, зависящих от импорта топливно-энергетических ресурсов стремятся увеличить процент самообеспеченности энергией. Большую роль в этом играет применение и развитие НИЭ, сбережения и повышение энергетической эффективности экономики.
Таблица 1.15
| № п/п | Страна | Степень самообеспечения энергоресурсами, % | |||||
| 1974 | 1980 | 1986 | 1990 | 1991 | 1992 | ||
| 1 | Германия | 53 | 49 | 55 | 55 | 47 | 45 |
| 2 | Дания | 0 | 1 | 25 | 50 | 57 | 59 |
| 3 | Великобритания | 48 | 94 | 117 | 97 | 95 | 96 |
| 4 | Франция | 14 | 21 | 44 | 44 | 44 | 45 |
| 5 | Бельгия | 8 | 14 | 29 | 23 | 22 | 20 |
| 6 | Швейцария | 21 | 32 | 38 | 39 | 39 | 40 |
Значительные разведанные запасы нефти, газа и угля (обеспеченность мировой экономики разведанными запасами нефти при современном годовом уровне ее добыче составляет согласно последним данным 42 года, природного газа – 57 лет, а угля – несколько столетий) и ожидания постепенного перевода в эту категорию части их геологических запасов.
Структура мирового производства электроэнергии в 1990 – 1996 гг.
Таблица 1.17
| Регион | Общий объем произ-водства, ТВт*ч | Доля отдельных источников энергии в суммарном мировом производстве электроэнергии, % | ||||||
| Уголь | Мазут | Газ | Атомная энергия | Гидро энергия | НВИЭ-1 | НВИЭ-2 | ||
| Мир в целом | 11825 13652 |
39,0 38,5 |
11,5 9,4 |
13,6 15,0 |
17,0 17,6 |
18,9 18,1 |
- 0,4 |
- 1,0 |
| ОЭСР | 7079 8715 |
41,4 38,9 |
8,7 7,5 |
10,4 12,3 |
23,0 24,0 |
16,5 15,3 |
- 0,5 |
- 1,5 |
| Восточная Европа | 321 387 |
50,8 50,6 |
18,1 15,8 |
12,0 15,8 |
1,2 14,7 |
17,3 15,5 |
- 0,3 |
- - |
| Африка | 605 656 |
3,6 3,0 |
18,7 9,1 |
9,4 10,1 |
2,1 1,5 |
66,2 74,5 |
- 2 |
- - |
| Латинская Америка | 788 999 |
41,2 45,6 |
17,1 14,9 |
7,6 17,5 |
11,7 4,7 |
22,4 6,3 |
- - |
- - |
| Азия (без Китая) | 621 1080 |
72,5 75,0 |
6,6 6,0 |
0,5 0,2 |
- 1,3 |
20,4 17,5 |
- - |
- - |
| Китай | 1727 1260 |
25,0 21,9 |
14,3 8,9 |
33,8 40,0 |
12,2 15,7 |
14,7 13,5 |
- - |
- - |
| Бывший СССР | 447 209 |
61,8 37,8 |
7,9 8,6 |
7,6 11,9 |
12,9 16,7 |
9,8 25,0 |
- - |
- - |
| Ближний Восток | 238 346 |
4,3 6,4 |
48,7 45,4 |
42,3 43,6 |
- - |
4,7 4,8 |
- - |
- - |
Примечания:
1. Числитель – значение показателя за 1990 г., знаменатель – за 1996 г.
2. НВИЭ-1 – группа нетрадиционных возобновляемых источников энергии, к которым относятся энергия солнца, ветра, геотермальная энергия и др.
3. НВИЭ-2 – группа горючих возобновляемых источников энергии, к которым относятся твердая биомасса и продукты ее переработки, дрова, промышленные и бытовые отходы.
1.7.2 Экологические особенности выработки электроэнергии.
Добыча, транспортировка, использование органических топлив серьезно загрязняет окружающую среду. (Проблема с добычей угля – известны, добыча нефти и газа дает оседание почвы. Пример, месторождение Лонг-Бич, США – земная поверхность опускается до 10 м.). Сжигание топлива – много побочных веществ – CO, CO2
, H2
O, NOx
, SOx
. Отходящие газы поглощают инфракрасное излучение земной поверхности и часть его отражается на Землю («парниковый эффект»). При сжигании топлива образуется теплота, часть которой трансформируется в электроэнергию (h=0,4) или в механическую энергию (автомобиль). Масштабы загрязнения окружающей среды на примере тепловой электростанции мощностью P=2400 МВт работающей на угле: за 1 час работы она сжигает 1100 т угля (калорийность 22,7 мДж/кг, зольность 23%, сернистость 1,7) выбрасывая в атмосферу 10 млн м3
дымовых газов, содержащих 2350 т CO2
, 250 т паров воды, 35 т SO2
, 9 т NO2
, 2 т летучей золы, сжигает кислорода – 820 тыс. т; потребляет 17 – 20 вагонов угля в час; приблизительно 10% теплоты уходит в атмосферу с дымовыми газами, более 50% теплоты отводится в процессе охлаждения конденсаторов турбин водой из реки, водоема или градирни. Для ТЭС – 2400 требуется 300 тыс. м3
воды в час для охлаждения конденсаторов турбин.
В целом энергетика загрязняет окружающую среду приблизительно на 50% из 100%.
1.8 Невозобновляемые источники энергии: производство, особенности, запасы, прогнозы.
Традиционными источниками энергии являются органические топлива (уголь, нефть, природный газ), имеющие углеродную основу. Энергия освобождается из них, главным образом, в процессе образования CO2
при горении. Удельная теплота сгорания:
- бензин – 4,6×107
Дж/кг;
- сырая нефть – 4,3×107
Дж/кг;
- газовый конденсат – 3,5×107
Дж/кг;
- уголь – (3 ¸ 5,5) ×107
Дж/кг;
- мазут – теплосодержание 8000 – 8500 Ккал/кг.
Процесс горения органических видов топлива:
C + O2
= CO2
+ тепло (1.4)
В таблице 1.18 представлены объемы производства невозобновляемых источников энергии.
Таблица 1.18
№ п/п |
Ресурсы | 1985 г, ЭДж |
2000 г, ЭДж |
2020 г, Эдж |
| 1 | Уголь | 115 | 170 | 259 |
| 2 | Нефть | 216 | 195 | 106 |
| 3 | Природный газ | 77 | 143 | 125 |
| 4 | Ядерная энергия | 23 | 88 | 314 |
Существуют различные прогнозы потенциальных ресурсов органического топлива находящегося в недрах земли. Запасы ископаемого органического топлива составляют примерно 15000×109
тут, из которых около 10000×109
тут приходится на уголь, а 1500×109
тут приходится на нефть и природный газ. Извлекаемые же (в соответствии с современной технологией и экономическом рентабельностью добычи) запасы оцениваются в 25…50% прогнозируемых.
В таблице 1.19 предоставлены прогнозируемые оценки мировых ресурсов ископаемого топлива.
Мировые ресурсы ископаемого топлива
Таблица 1.19
| Топливо | Доказанные | Вероятные, млрд. тут |
Всего, Млрд. тут |
|
| млрд. тут | % | |||
| Обычная нефть | 130 | 3,35 | 360 | 490 |
| Нефть из сланцев | 50 | 1,51 | 720 | 770 |
| Нефть з песков | 50 | 1,51 | 360 | 410 |
| Природный газ | 30 | 2,38 | 270 | 350 |
| Уголь | 2000 | 60,5 | 7730 | 9730 |
| Лигнит | 1000 | 30,25 | 2400 | 3400 |
Примечание: лигнит – разновидность бурого угля (65 – 71% углерода) с древесной структурой.
Оценка мировых запасов урана в тоннах:
1. Достоверно подтвержденные – 2191700 т.
2. Расчетные дополнительные – 2176200 (79% США по цене 130 USD за кг).
Подсчитано, что все израсходованное с 1900 г. по 1975 год топливо составило 245 млрд. тут. Суммарная же потребность в энергоресурсах всех видов на период наших дней до 2100 г. с учетом прогнозируемого темпа энергопотребления (3 и 2%) может составить около 6000 млрд. тут.
Прирост производства энергии за счет развития добычи нефти и газа иллюстрирует потребление нефтегазового топлива в 1885 г:
- СССР – 65%
- США – 77%
- Западная Европа – 65-70%
США половину сырой нефти получают по морю из других стран. Западная Европа 95% нефти ввозит из стран Ближнего Востока. Япония целиком ввозит нефть.
Рост потребления топливно-энергетических ресурсов в мире: 1970 – 9.4 млрд. т.у.т, 1990 – 16,8 млрд. т.у.т. Прирост производства энергии за счет развития добычи нефти за 100 лет (1860 – 1960 года) на Земле добыто 18 млрд. т нефти, за 20 лет (1961 – 1981) – 44,5 млрд т нефти.
Уголь добывается более 1000 лет, а его использование в крупных масштабах насчитывает не менее 200 лет. Хорошо изучено и расположение угольных пластов. Происхождение нефти связывают с отложениями в морской воде (по гипотезе Менделеева нефть образуется под влиянием высоких температур и огромного давления в глубинах земли как результат синтеза органической материи и неорганических веществ), а угля – с осадочными отложениями в пресной воде доисторических болот. Последовательность возникновения угля: торф, лигнит, бурый уголь, суббитуминозный и битуминозный уголь, антрацит, т.е. от недавних растительных образований до наиболее твердых с высоким содержанием углерода, сортов угля.
К 1910 г. доля ископаемых углей в мировом энергетическом балансе достигла 90%. Растет очень быстро абсолютное количество потребляемой энергии. С 1850 по 1950 года израсходовано энергии столько, сколько было израсходовано примерно за 10 предыдущих столетий. Со времени добычи угля человечество сожгло примерно 100 млрд. тонн, но ¾ этого количество – после 1900 года.
Сырая нефть, добываемая из скважин – смесь углеродов (от летучих газолинов до вязких гидролинов) количество которых доходит до 300, кроме этого в ней – сера до 6%, кислород до 4%, азот до 1% и следы некоторых металлов. Из нефти после переработки получают: газовый конденсат (пропан, бутан), растворители, бензины автомобильные и авиационный, топливо для реактивных самолетов, дизельное топливо, мазут. Нефтехимия (примерно 3% суммарной добычи): от нейлона до красителей, от медикаментов до пластиков.
Нефть в природе есть и в твердом состоянии – в веществе называемом «кероген», здесь другая молекулярная структура. При дистилляции получается жидкое топливо.
В последние годы возрастающее значение приобретают морские разработки нефти на шельфе (полоса моря у берега с глубиной до 200 м). Площадь шельфов в мире 22×106
км2
. Кроме чистой нефти в природе есть ее большое количество, поглощенной разными породами земли: песком, глиной и др. Добыча нефти из смеси в настоящее время экономически не выгодна. Процесс отделения – сложный и дорогой.
Природный газ в основном метаны находится в основном вместе с нефтью пропорции 1 т сырой нефти – 1300 м3
газа. Более тяжелые компоненты природного газа (этан, бутан, пропан) при температуре в 20°С и давлении 0,1 МПА – в жидком состоянии – газовый конденсат. Обычно извлекают с помощью современных методов около 35% содержащейся в месторождении нефти. Для увеличения добычи закачивают в пласт воду или CO2
. Коэффициент нефтедобычи пластов может быть повышен в 1,5 – 2 раза в недалеком будущем. Поэтому оценка запасов нефти пересматривается раз в несколько лет в сторону ее повышения.
Для разработки, реализации и внедрения крупных проектов по использованию природного газа больше чем в других секторах экономики необходимы стабильность и надежность экономики, политики, общества и ОС. Обычно проекты по экономичному использованию газового месторождения рассчитываются на 30 лет (до истощения). На этот срок рискуют и экспортеры, и импортеры. Изменение значения газа в энергоснабжении сира вызвано следующими факторами:
- Значительным увеличением рентабельности извлекаемых запасов;
- Увеличением спроса на газ, вызванное его безотходным сжиганием и эффективной транспортировкой, легкостью маневрирования этим видом топлива;
- Соответствием требованиям эффективности и безопасности использования;
- Относительно благоприятным воздействием на ОС.
Содержащиеся в недрах запасы органического топлива возникли в результате воздействия солнечных лучей на биосферу и процессе длительного развития Земли. Подсчитано, что общее количество солнечной энергии, падающей в среднем на Землю в течении суток, эквивалентно примерно 540 млрд. т условного топлива. Путем фотосинтеза может быть усвоена лишь та часть солнечной энергии, которая падает на биологически активные поверхности, составляющие 10% всей поверхности земли. Если допустить, что реальная эффективность фотосинтеза равно 0,1…1%, то возможные темпы накопления органического топлива на земле могут составлять 20…200 тут в год.