Нетрадиционные источники энергии, современное состояние и перспективы

 

В России c 1968 года действует экспериментальная  ПЭС в Кислой губе на побережье  Баренцева моря на 2009 год её мощность составляет 1,7 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 8000 МВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестпроект РАО «ЕЭС». Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире — проектная мощность 87 ГВт.

 

Существуют ПЭС и за рубежом  — во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах. ПЭС «Ля Ранс», построенная в эстуарии р. Ранс имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса, соединяющая города Св. Мало и Динард. Мощность станции составляет 240 МВт, в Норвегии - ПЭС Хаммерфест, в Канаде - ПЭС Аннаполис.

 

Преимуществами ПЭС является экологичность  и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая  стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

Волновые электростанции используют энергию волн для совершения полезной работы - генерации электроэнергии.

Волновые электростанции являются одними из самых чистых, безотходных и безопасных источников электроэнергии. На сегодняшний день, данный вид «дармовой» энергии используется весьма мало, не более 1% от всего производимого электричества в мире. Сегодня подсчитано, что за счет энергии океанских волн возможно получение до 10 млрд. кВт. электроэнергии.

 

Для производства электроэнергии используются две основные характеристики волн: кинетической энергия, и энергии  поверхностного качения. Именно эти  факторы и пытаются использовать при строительстве волновых электростанций.

 

Для использования кинетической энергии  волн, на их пути ставится труба очень  большого диаметра. Поступающие в  нее волны вращают лопасти  турбины, которая и приводит в  движение генератор. В другом случае, поступающая вода выталкивает из замкнутого пространства трубы, находящийся там воздух. Далее выработка энергии происходит по обычному принципу. Выходящий воздух вращает лопасти турбины. Наиболее совершенные волновые электростанции, для выработки электроэнергии применяют оба этих способа.

 

При использовании энергии волнового качения, электроэнергия вырабатывается посредством расположенных на поверхности воды поплавков. Качая их, волны приводят в движение систему поплавок-генератор, что приводит в конечном итоге к выработке энергии.

 

Энергия морских волн значительно выше энергии приливов. Энергия волн значительно выше и может быть использована значительно шире чем приливная. Основной задачей получения электроэнергии из морских волн-это преобразование движения вверх-вниз во вращательное для передачи непосредственно на вал электрогенератора. Недавно выдан Российский патент № 82283 на механизм позволяющий преобразовывать движения качания поплавка на волнах с любой амплитудой во вращение. Выходной вал устройства вращается как от движения поплавка вниз так и вверх. Механизм находящийся на берегу соединяется с поплавком штангой. Кроме того механизмы можно секционировать на общий вал для получения большей суммарной мощности.

4. Геотермальная энергетика.

Значительная часть  поверхности Земли обладает большими запасами геотермальной энергии  вследствие вулканической деятельности, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре.

 

В ряде географических районов  использование геотермальных источников может существенно увеличить  выработку энергии, так как геотермальные  электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии. Такое количество энергии позволяет рассматривать теплоту Земли как альтернативу органическому топливу. Сама природа дает человеку в руки источник албтернативной энергетики

Геотермальные ресурсы

 

Источники геотермальной  энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся  на 5 типов.

1.) Месторождения геотермального сухого пара. Они сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки. Тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников.

2.) Источники влажного пара (смеси горячей воды и пара). Они встречаются чаще. При их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности).

3.) Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду). Они представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой.

4.) Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более). Их запасы энергии наиболее велики.

5.) Магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы.

 

Геотермальные ресурсы - это тепловая энергия твердой, жидкой и газообразной фаз земной коры, которая может быть эффективно извлечена и использована. Опыт, накопленный различными странами и Россией, относится в основном к использованию природного пара и термальных вод (парогидротерм), которые остаются пока наиболее реальной базой геотермальной энергетики. Однако ее крупномасштабное развитие в будущем возможно лишь при освоении петрогеотермальных ресурсов, т. е. тепловой энергии горячих горных пород, температура которых на глубине 3-5 км обычно превышает 100 °С.

 

Общий выход тепла  из недр Земли на ее поверхность  втрое повышает современную мощность энергоустановок мира и оценивается в 30 ТВт. При этом средняя плотность глубинного теплового потока составляет всего 0,06 Вт/м2, что примерно в 3500 раз меньше средней плотности солнечного излучения. Общее количество теплоты, которым располагает Земля, в топливном эквиваленте составляет примерно 4,5/108 трлн. т.у.т. Но тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии, накопленная в 5-километровом слое земной коры. К тому же, с технической и экономической точек зрения земное тепло можно осваивать только в нескольких регионах с благоприятными геологическими условиями.

Геотермальные энергостанции.

Существует два основных способа использования геотермальной  энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре.

 
5. Космическая энергетика.

Космическая энергетика представляет собой использование  солнечного излучения из космоса в качестве источника энергии. Человечество не способно пока в полной мере овладеть данным видом энергетики. Между тем существуют причины, которые подталкивают специалистов как можно быстрее освоить данное направление. Например, одной из них является прогнозируемое истощение мировых газовых, угольных и нефтяных запасов.

На нашей планете  уже довольно давно существуют электростанции, вырабатывающие электричество за счет энергии солнца, однако из-за таких  природных факторов, как запыленность атмосферы, облачность, смена дня и ночи, их эффективность существенно снижается.

Первая идея создания солнечных космических электростанций (СКЭС) появились еще в 60-е года двадцатого века. В 1968 году американский ученый Питер Глейзер запатентовал проект космической энергодобывающей станции, однако никто в серьез к нему не отнесся.

Только в 2009 году компания из Соединенных Штатов Америки, «Solaren», заключила контракт с ЭКК (энергетическая компания Калифорнии) о регулярной поставке на Землю электричества  мощностью 200 МВт (одна пятая часть мощности, вырабатываемая Нижнекамской ГЭС), произведенного в космосе. Начало действия соглашения намечено на 2016 год. То есть в ближайшем будущем начнется систематизированное снабжение нашей планеты энергией, добытой в космическом пространстве.

Стоит отметить, что ни одни американцы взялись за реализацию проекта СКЭС. Помимо них, в 2009 году шестнадцать японских компаний подписали  договор о совместной постройке  солнечной космической электростанции к 2030 году. Мощность, вырабатываемая станцией, должна будет равняться 1 ГВт. Японцы в 2015 году собираются запустить так называемый пробник солнечной космической электростанции.

Главной задачей ученых является разработать недорогостоящий  способ передачи электрической энергий  от СКЭС на поверхность Земли. Большинство специалистов склоняется к беспроводному методу передачи электричества с помощью микроволн. Однако как реализовать на практике данный проект ученые пока что не знают.

Появление СКЭС лишит  одни государства проблемы острой нехватки электричества, а другие подстрахует на случай аварийных ситуаций при добыче земных ресурсов или при выработке термоядерной энергии. Хочется надеяться, что отечественные специалисты не останутся на периферии мирового научного прогресса и со временем создадут свою собственную СКЭС. 

6. Водородная энергетика.

Водородная  энергетика — направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики).

 

Водородная энергетика является очень перспективной еще  и потому, что существует множество  методов промышленного производства водорода.(Приведены ниже)

• Паровая конверсия природного газа / метана
• Газификация угля.
• Электролиз воды.
• Водород из биомассы.

 

Водородная энергетика имеет огромные перспективы. В июне 2008 года компания Matsushita Electric Industrial Co Ltd (Panasonic) начала производство в Японии водородных топливных элементов. Компания планирует продать к 2015 году 200 тысяч бытовых энергетических систем на водородных топливных элементах. В сентябре корейская компания POSCO завершила строительство завода по производству стационарных энергетических установок на водородных топливных элементах. Мощность завода 50 МВт. оборудования в год.

Водородная энергетика активно проникает в транспортную сферу. Первые лётные испытания установки  для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены команией Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320. В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе. Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года. 3 апреля 2008 года компания Boeing провёла лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах.

Компания Mercedes в марте 2008 года завершила зимние испытания  автомобиля B-Class с силовой установкой на водородных топливных элементах. Шанхайская компания Shanghai Volkswagen Automotive Company для Олимпийских игр в Пекине поставила 20 легковых автомобилей с силовой установкой на водородных топливных элементах. В августе 2008 года в США состоялся демонстрационный пробег водородных автомобилей. Автомобили компаний BMW, Daimler, General Motors, Honda, Nissan, Toyota, Hyundai и Volkswagen за 13 дней преодолели 7000 км. Компания Honda начала продажи в лизинг автомобилей Honda FCX Clarity в США летом 2008 года. В Японии — в ноябре 2008 года.

Водород отдично подходит для домашних электростанций. Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75—1 кВт, предназначены для выработки  электроэнергии в течение 8 часов  в сутки и выработки тепла  и горячей воды 24 часа в сутки. Установки мощностью 5 кВт предназначаются для нескольких коттеджей. Они зачастую предназначаются только для выработки электроэнергии.

Популярность малых  домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО2, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер не больше домашнего бойлера, может работать на природном газе.

 

7. Биотопливо.

Биотопливо – один из видов альтернативного топлива, производимый из сырья растительного или животного происхождения. Самыми распространенными в настоящее время являются биоэтанол, биодизель и, в меньшей степени, биогаз.

Биоэтанол.

Биоэтанол, который по-нашему мы называем спиртом, производится в  основном из кукурузы или сахарного тростника. Наиболее распространен в Бразилии, США, Швеции. Применяется не в чистом виде, а в смеси с бензином в разных пропорциях. Смесь Е-10 содержит 10% биоэтанола, Е-85, соответственно, 85%. Десятипроцентным топливом без переделок можно заправлять любой современный автомобиль, применение 85- процентного требует переделки двигателя и системы питания. Существуют и так называемые Flex-Fuel (FFV) автомобили, которые могут работать и на бензине, и на его смеси с этанолом в любом соотношении.

Биодизель.

Биодизель является продуктом  переработки растительного масла, сырьем для которого чаще всего служат рапс, соя или подсолнечник. Так же, как и биоэтанол, биодизель применяется в автомобилях не в чистом виде, а в смеси с дизтопливом. Например: В-20 – 20% биодизеля, 80% обычного дизтоплива. В отличие от биоэтанола применение биодизеля не требует доработки двигателя и топливной системы.

И биоэтанол, и биодизель  обеспечивают выхлоп, позволяющий с запасом укладываться в экологические нормы. Но так как их энергетическая эффективность ниже, чем у чистого бензина или солярки, то мощность двигателя снижается, а расход топлива возрастает. А самое главное, что широкое использование этих видов биотоплива создает продовольственные проблемы.