Дополнительная литература по разделу
advertisement
Альтернативные источники энергии Конспект лекций Курс лекций по дисциплине «Альтернативные источники энергии» Направление подготовки: 270800 «Строительство» Программа подготовки: «Проектирование, реконструкция и эксплуатация энергоэффективных зданий» Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: очная Составитель: Грешкина Е.В. Гоньшаков А.Г. 2 Содержание 1. Введение………………………………………………………………..4 2. Лекция 1. Проблемы современной энергетики. Перспективы перехода к альтернативным источникам энергии……………...5 3. Лекция 2. Энергия ветра…………………………………………….24 4. Лекция 3. Энергия солнца…………………………………………..32 5. Лекция 4. Энергия водорода……………………………………….46 6. Лекция 5. Управляемый термоядерный синтез…………………51 7. Лекция 6. Геотермальная энергия………………………………...58 8. Лекция 7. Гидротермальная энергия……………………………..66 9. Лекция 8. Альтернативная гидроэнергетика…………………….70 10. Лекция 9. Биомасса и биоэнергетика……………………………..78 11. Заключение…………………………………………………………...85 3 Введение Все источники энергии можно разделить на две группы: возобновляемые и невозобновляемые. Возобновляемые источники энергии основаны на использовании постоянно существующих или периодически возникающих потоков энергии в природной среде и характеризуются естественным восполнением за короткий промежуток времени. Невозобновляемые источники энергии- природные ископаемые, используемые человеком для получения энергии. Большинство используемых в настоящее время источников получения энергии- невозобновляемые. К ним относятся: нефть, природный газ, уголь, урановые руды. Процессы добычи природных ископаемых, служащих сырьем для получения энергии сопряжены с риском для жизни и здоровья человека и угрозой загрязнения окружающей среды. По предварительным оценкам запасы невозобновляемых источников энергии в недрах земли в ближайшие 50-60 лет могут быть исчерпаны почти полностью. В сложившейся ситуации очевидным выходом из положения являются альтернативные (возобновляемые) источники энергии. За счет перманентного нахождения этих источников в окружающей среде получение, а следовательно и стоимость энергии для конечного потребителя гораздо ниже. Также существенно снижается вред наносимый окружающей среде при получении энергии. 4 Лекция 1. ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ. ПЕРСПЕКТИВЫ ПЕРЕХОДА К АЛЬТЕРНАТИВНЫМ ИСТОЧНИКАМ ЭНЕРГИИ. 5 Топливно-энергетический комплекс Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) Российской Федерации представляет собой сложную систему — совокупность производств, процессов, материальных устройств по добыче топливно-энергетических ресурсов, их преобразованию, транспортировке, распределению и потреблению как первичных топливноэнергетических ресурсов, так и преобразованных видов энергоносителей. Это касается тепловой и электрической энергии. В состав ТЭК входят взаимодействующие и взаимообусловленные подсистемы: отрасли топливной промышленности (угольная, нефтяная, газовая, сланцевая, торфяная) — добывающая подсистема и электроэнергетика, преобразующая ресурсы в энергоносители. Эти подсистемы тесно связаны с энергомашиностроением, электротехнической, атомной промышленностью и со всеми отраслями — потребителями топлива и энергии. Через гидроэнергетику осуществляется связь ТЭК с водным хозяйством страны. 6 Нефтяной комплекс России Топливно-энергетический комплекс — важнейшая структурная составляющая экономики России, один из ключевых факторов роста производительности труда, жизнедеятельности производительных сил и населения страны. Он производит около 30% промышленной продукции России, оказывает существенное влияние на формирование бюджета страны, обеспечивает около 50% ее экспортного потенциала. Основные фонды топливноэнергетического комплекса составляют третью часть производственных фондов страны. 7 По состоянию на 01.01.2014 г., добычу нефти и газового конденсата (нефтяного сырья) на территории российской Федерации осуществляли 294 организации, имеющие лицензии на право пользования недрами. В том числе: • 111 организаций, входящих в структуру 10 вертикально интегрированных компаний, включая Газпром , на долю которых по итогам года приходится суммарно 87,4% всей национальной нефтедобычи; • 180 независимых добывающих компаний, не входящих в структуру вертикально-интегрированных компаний; • 3 компании, работающие на условиях соглашений о разделе продукции . 8 Структура мировой добычи нефти, (в %) 9 Топ-экспортеры нефти 10 Объемы добычи нефти по регионам России 11 Природный газ в России Россия располагает самыми богатыми в мире ресурсами природного газа. Потенциальные (прогнозные + перспективные) ресурсы природного газа России оцениваются в 151,3 трлн куб. м, что составляет около 40% мировых. Однако наиболее достоверные перспективные ресурсы составляют в этом объеме всего около 24% , а примерно половина приходится на прогнозные ресурсы, оценка которых наименее достоверна . 12 Добыча газа по регионам России 13 Прогнозные ресурсы газа 14 Зависимость стран Европы от газа России 15 Электроэнергетика Эле́ктроэнерге́тика — отрасль энергетики, включающая в себя производство, передачу и сбыт электроэнергии. Электроэнергетика является наиболее важной отраслью энергетики, что объясняется такими преимуществами электроэнергии перед энергией других видов, как относительная лёгкость передачи на большие расстояния, распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.). Отличительной чертой электрической энергии является практическая одновременность её генерирования и потребления, так как электрический ток распространяется по сетям со скоростью, близкой к скорости света. Основными видами генерации энергии в России являются: • Тепловая энергетика; • Гидроэнергетика; • Атомная энергетика. 16 Структура производства энергии в России по видам генерации 17 Угольная энергетика Уголь продолжает оставаться важнейшим и наиболее перспективным источником энергии на Земле: запасов нефти хватит лет на 40, газа - на 60 лет и более, а угля минимум на 270 лет. Сегодня в мире угольная энергетика занимает 40%, в Китае и Индии - 70-80%, в США - порядка 40%, Германии - около 50%. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в ближайшие 20-25 лет уголь останется вторым по значимости топливно-энергетическим ресурсом после нефти. МЭА отмечает, что в условиях текущей политики потребления спрос на уголь к 2035 году может вырасти на 70% с учетом расширения спектра технологий использования угля. Россия имеет сегодня все ресурсы и возможности для того, чтобы стать одним из ключевых драйверов роста в угольном секторе планеты и упрочить позиции на мировом угольном рынке. Большая часть бассейнов и месторождений России содержат каменные гумусовые угли (60% всех запасов), среди которых значительное место занимают коксующиеся. Основные бассейны с коксующимися углями: Донецкий, Печорский, Карагандинский, Кузнецкий и Южно-Якутский. Месторождение бурых углей распространены в Подмосковном бассейне, районах Урала и Восточной Сибири. 18 Проблемы энергетического комплекса России • Энергозатратность экономики; • Ориентация энергетики на невозобновляемые источники энергии; • Устаревшее энергетическое оборудование; • Удорожание добычи основных энергоносителей; • Негативное влияние на окружающую среду; • Недостаток генерирующих мощностей в энергодефецитных районах. 19 Потенциал использования возобновляемых источников энергии До недавнего времени по целому ряду причин, прежде всего из-за огромных запасов традиционного энергетического сырья, вопросам развития использования возобновляемых источников энергии в энергетической политике России уделялось сравнительно мало внимания. В последние годы ситуация стала заметно меняться. Необходимость борьбы за лучшую экологию, новые возможности повышения качества жизни людей, участие в мировом развитии прогрессивных технологий, стремление повысить энергоэффективность экономического развития, логика международного сотрудничества – эти и другие соображения способствовали активизации национальных усилий по созданию более зеленой энергетики, движению к низкоуглеродной экономике. Объем технически доступных ресурсов возобновляемых источников энергии в Российской Федерации составляет не менее 24 млрд. тонн условного топлива. Доля электроэнергии, вырабатываемой в России с использованием возобновляемых источников, в 2013 году составила около 1% без учета ГЭС мощностью свыше 25 МВт, а с учетом последних – свыше 17%. Удельный вес производства тепловой энергии, полученной на базе ВИЭ, был около 3%, или около 2000 млн. Гкал. 20 Структура потребления энергии 21 В ближайшие 22 года потребление энергии вырастет на 41%, подсчитали в BP plc. Больше всего спрос на энергию будет расти в Китае и Индии - именно они обеспечат прирост в потреблении угля, атомной энергии и гидроэнергии. В развитых странах энергию будут беречь спрос останется практически на тех же отметках. При этом во главу угла ставится экология - все больше отдается предпочтение энергии из возобновляемых природных источников. Спрос на этот вид энергии будет расти в среднем на 6,5% в год. 22 Дополнительная литература по разделу 1. Распоряжение Правительства РФ от 8 января 2009 г. N 1-р Об Основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г. 2. Поппель Олег Сергеевич «Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы» 3. http://www.globaltrouble.ru/ Глобальные проблемы человечества. Энергетическая проблема. 4. http://www.minenergo.gov.ru/ Возобновляемые источники энергии. Политика и нормативно-правовая база. 5. Федеральный закон от 26.03.2003 №35-ФЗ Об электроэнергетике 6. Распоряжение Правительства РФ от 4 октября 2012 года N 1839-р Об утверждении комплекса мер стимулирования производства электрической энергии генерирующими объектами, функционирующими на основе использования возобновляемых источников энергии. 23 Лекция 2 ЭНЕРГИЯ ВЕТРА 24 Энергия ветра, являясь производной энергии cолнца, образуется за счет неравномерного нагревания поверхности Земли. Каждый час Земля получает 100 000 000 000 000 кВт·ч энергии cолнца. Около 1-2 % солнечной энергии преобразуется в энергию ветра. Этот показатель в 50-100 раз превышает количество энергии, преобразованной в биомассу всеми растениями Земли. Естественно, что наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Тем не менее, существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике. Количество энергии, производимой за счет ветра зависит от: • Скорости ветра; • Неровности рельефа; • Сезонных изменений погоды; • Плотности воздуха; • Площади ротора. Оптимальным вариантом является комбинирование в одной системе малой ветрогенератора и солнечной системы. Подобные гибридные системы обеспечивают более высокую производительность электроэнергии по сравнению с отдельно установленными ветровой или фотоэлектрической установками. 25 Ветроэлектроустановки (ВЭУ) преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью генератора в процессе вращения ротора. Лопасти ветряков используются подобно пропеллеру самолета для вращения центральной ступицы, подсоединенной через коробку передач к электрическому генератору. По своей конструкции генератор ВЭУ напоминает генераторы, используемые в электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива. Огромно разнообразие машин, изобретенных или предложенных для производства энергии за счет ветра, многие из них представляют собой довольно необычные конструкции. Тем не менее, существуют два основных типа современных ветрогенераторов: • Ветрогенераторы с горизонтальной осью; • Ветрогенераторы с вертикальной осью. 26 Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения Ветроэлектрогенератор с горизонтальной осью вращения, имеющие две или три лопасти, установленные на вершине башни, наиболее распространенный тип ветроэлетроустановок ВЭУ. Расположение ведущего вала ротора части турбины, соединяющей лопасти с генератором, - считается осью машины. У турбин с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально. 27 Ветроэлектрическая установка 28 Ветрогенератор с вертикальной осью вращения У ветряков с вертикальной осью вращения (Н-образные) ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти такой турбины - длинные, обычно дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни. Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора Нобразные турбины, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения, "захватывают" ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при изменении направления ветровых потоков. Автором идей создания турбины с вертикальной осью вращения является французский инженер Дарриус (Darieus). 29 Экономический ветровой потенциал России оценивается в 40 млрд кВтч электроэнергии в год, т.е. 20000 МВт. Одна ветроустановка мощностью 1 МВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с дает экономию 1 тыс. т у.т. в год. В РАО «ЕЭС России» имеются проектные разработки и ведется создание первоочередных, в том числе демонстрационных, энергетических комплексов с использованием ветровой энергии. Наиболее крупные из них приведены в таблице: 30 Дополнительная литература по разделу: 1. 2. 3. 4. Энергия ветра. http://teplonasos.ua/raznoe/drugie-istochniki-energii/veter/ «Неисчерпаемая энегия. Книга 2 Ветроэнергетика», В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев, Харьков "ХАИ" 2004 Безруких П.П. Ветроэнергетика. (Справочное и методическое пособие). Москва, ИД «ЭНЕРГИЯ», 2010. Орлова Н. С. Ветроэнергетические ресурсы Калининградской области и возможности их рационального использования. - Аатореферат канд. дисс. Калининград: КГУ, 1996. 31 Лекция 3 ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА 32 Солнечная энергия Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. 33 Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения • Фотовольтаика • Гелиотермальная энергетика – паровые машины – двигатель Стирлинга • Термовоздушные электростанции • Солнечные аэростатные электростанции 34 Фотовольтаика Фотовольтаика — метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. ФЭП собираются в модули, которые имеют нормируемые установочные размеры, электрические параметры и показатели надежности. Для установки и передачи электроэнергии солнечные модули комплектуются инверторами тока, аккумуляторами и прочими элементами электрической и механической подсистем. В зависимости от области применения различают следующие виды инсталляций солнечных систем: частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов; коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые как на крышах, так и на земле;промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей.[ 35 Устройство вакуумного солнечного коллектора Все солнечные коллекторы условно делят на плоские (плоскопанельные) и вакуумные. Кроме того, есть еще такие типы солнечных коллекторов: солнечные коллекторыконцентраторы, солнечные башни, параболические концентраторы, но для домашних условий они не годятся из-за высокой стоимости. 36 Устройство плоского солнечного коллектора 37 Преимущества и недостатки плоских и вакуумных солнечных коллекторов 38 Гелиотермальная энергетика Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла(фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего тепла(CSP — Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч солнца. Этот луч солнца используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости, которая расходуется для электрогенерации по аналогии с обычными ТЭЦ или накапливается для сохранения энергии. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин. 39 Паровые машины Паровая машина может эффективно применяться для производства электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Собственное производство электроэнергии в котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в 4-5 раз дешевле, чем электроэнергия, покупаемая от электроснабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходов на содержание энергосетей, накладных расходов, НДС и плановой прибыли. 40 Двигатель Стирлинга Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. 41 Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель Стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий. 42 Солнечная энергетика в России Крупнейшие солнечные электростанции России не считаются в остальном мире мощными. Но, тем не менее, есть среди них и по-настоящему крупная солнечная электростанция, расположенная в Белгородской области, Яковлевский район хутор Крапивенские Дворы, сданная в эксплуатацию в 2011 году и выработавшая за это время более 288 тысяч кВт – часов электроэнергии. В настоящий момент данная солнечная электростанция является самой крупной действующей электростанцией данного типа на территории России, включающей в свой состав 1320 модулей фотоэлектрических преобразователей двух типов поликристаллические и аморфные характеризующиеся активной поверхностью в 1230м2. Номинальная пиковая мощность данной солнечной электростанции составляет 100кВт, более крупные солнечные электростанции России на ее территории не строились. 43 Достоинства и недостатки солнечной энергетики Достоинства • • Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо(характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно). Недостатки • • • • • • • Зависимость от погоды и времени суток. Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах. Как следствие, необходимость аккумуляции энергии. При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности. Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур). Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения. Нагрев атмосферы над электростанцией. 44 Дополнительная литература по разделу 1. Сибикин Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие / Сибикин Юрий Дмитриевич, Сибикин Михаил Юрьевич. - М.: КноРус , 2010. - 232с. 2. Синюгин В.Ю. Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике / Синюгин Вячеслав Юрьевич, Магрук Владимир Иванович, Родионов Владимир Гаврилович; Рец. Б.Н.Фельдман, Ш.И.Абубакиров. - М.: ЭНАС, 2008. - 352с. 3. Роза А.В.да. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы / Роза Альдо В.да; Пер. с англ. Д.О.Лазарева и др.под ред. С.П.Малышенко, О.С.Попеля. Долгопрудный: Интеллект; М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 704с. 4. Солнечная энергетика / Виссарионов Владимир Иванович, Дерюгина Галина Владимировна, Кузнецова Валентина Андреевна, Малинин Николай Кон-стантинович; Под ред. В.И.Виссарионова; Рец. В.В.Волшаник, Н.И.Матвиенко. - 2-е изд.,стер. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 276с. 5. Быстрицкий Г.Ф. Основы энергетики: Учебник для вузов / Быстрицкий Геннадий Федорович. - М.: ИНФРА-М, 2006. - 288с. 45 Лекция 4 ЭНЕРГИЯ ВОДОРОДА 46 Запасы водорода неисчерпаемы и легкодоступны и автоматически возобновляемы, что устраняет затраты на поиск и разработку месторождений, а также на восполнение заменителями изъятых объемов при подземных разработках и на использование или восстановление отработанных пород: • во-первых, основное "месторождение" – вода, разложение молекул которой дает чистый водород. Источниками водорода могут быть уголь, газ, биомасса – как отходов, так и живых растений. У некоторых представителей группы зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii, при нехватке кислорода и серы резко ослабевают процессы фотосинтеза, и начинается бурная выработка водорода. Этот эффект обнаружил в конце 90-х годов прошлого столетия исследователь из Беркли, Анастасиос Мелис. • во-вторых, в результате сгорания водорода с доступом кислорода образуется снова вода, побочных продуктов сгорание не дает, нет не сгоревших частиц пепла, запыляющих атмосферу, нет выбросов вредных газообразных соединений типа углекислого газа (парниковых газов). 47 Не последнее слово среди преимуществ водородной энергетики играют и энергетические показатели водорода. Теплота сгорания водорода наиболее высока, энергоотдача водорода при соединении с кислородом составляет 120,7 ГДж на тонну. Эффективность сгорания, в частности в двигателе внутреннего сгорания, у водорода на 30-40 % выше, чем у используемых сейчас углеводородов (производные нефти, природный газ). Водород в топливных элементах при использовании на транспорте имеет эффективность на 100-200 % выше, чем бензин. Применение в двигателях внутреннего сгорания благодаря уникальным свойствам водорода, дает возможность повысить по сравнению с бензиновыми двигателями КПД двигателя на 50-70 %. Вторым достоинством водородной энергетики является экологичность. В процессе сгорания водорода образуется самая обыкновенная вода, которая безопасна для окружающей среды. При использовании в качестве топлива водородометановых смесей резко снижается токсичность выбросов: при сгорании смеси с содержанием водорода 20-40 % по объёму (5-10 % по весу) токсичность выбросов в 2-4 раза меньше, чем при сгорании безводородного топлива, при этом на 35-40 % уменьшается эксплуатационный расход топлива и на 20-25 % увеличивается эксплуатационная экономичность. При работе двигателей, использующих смеси с долей водорода 20 %, выполняются нормы Евро-4, а с долей 44-48 % – Евро-5. 48 Взяв к вниманию только эти преимущества водорода можно без доли сомнения констатировать, что у водорода огромное будущее, и в первую очередь – в качестве источника энергии. Мировая промышленность живо отреагировала: производство водорода ведется уже достаточно давно. Водород используют не только для потребностей отдельных производств (аммиака, метанола, мыла и пластмасс, маргарина из жидких растительных масел, упаковочного газа, для атомноводородной сварки), но и в качестве энергоносителя – и в виде топливных элементов и как непосредственного топлива, в частности, ракетного, а в последние десятилетия – топлива для легкового, грузового и пассажирского транспорта. 49 Дополнительная литература по разделу 1. Ковальчук Михаил Валентинович «Водородная энергетика как составляющая топливно-энергетического комплекса России» 2. «Введение в водородную энергетику», Э. Э. Шпильрайд, С. П. Малышенко, Г. Г. Кулешов, Москва, Энергоатомиздат, 1984 г. 3. Книга «Международный сборник статей по водородной энергетике». 4. Рифкин Дж. Если нефти больше нет... Кто возглавит мировую энергетическую революцию?— М.: Секрет фирмы, 2006. — 416 с. 5. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике Б.Н.Кузык, Ю.В.Яковенко, Москва , Институт экономических стратегий, 2007.-402с. 50 Лекция 5 УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ 51 Одним из наиболее перспективных инновационных источников энергии является управляемый термоядерный синтез (УТС). Энергия синтеза выделяется при слиянии ядер тяжелых изотопов водорода. Топливом для термоядерного реактора служат вода и литий, запасы которых практически не ограничены. В земных условиях реализация УТС представляет сложную научно-технологическую задачу, связанную с получением температуры вещества более 100 миллионов градусов и термоизоляцией области синтеза от стенок реактора. Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. Термоядерный синтез - это долгосрочный проект, создание коммерческой установки ожидается к 2040-2050 году. Наиболее вероятный сценарий овладения термоядерной энергией предполагает реализацию трех этапов: - освоение режимов длительного горения термоядерной реакции; - демонстрация производства электроэнергии; - создание промышленных термоядерных станций. 52 В рамках международного проекта ИТЭР (международный термоядерный экспериментальный реактор) предполагается продемонстрировать техническую возможность удержания плазмы и получения энергии. Основная программная цель проекта ИТЭР заключается в демонстрации научной и технической возможности получения энергии за счет реакций синтеза (слияния) изотопов водорода – дейтерия и трития. Проектная термоядерная мощность реактора ИТЭР составит порядка 500 МВт при температуре плазмы в 100 млн. градусов. Международный экспериментальный термоядерный реактор (концепция) 53 ИТЭР сегодня (октябрь-ноябрь 2014 г.) • • • 24 октября Европа отчиталась о выполнении своей доли производства (97 тонн или 20.2 % от потребного количества) стрендов для сверхпроводящих проводников тороидальных катушек. Всего требуется 380 тонн. Каждый стренд представляет собой проволоку из ниобий-оловянного сплава диаметром менее 1 мм. Ранее о выполнении своей доли отчитались Корея и Япония. 31 октября на сайте ITER появилась статья о ходе работ в "яме" — площадке токамака. Установлены два башенных крана: один в самом центре "ямы", один на фундаменте первого теплообменника. Третий кран монтируется в непосредственной близости от площадки токамака, у ее южного края (справа на фото). Выступающая из В2 арматура, плотным кольцом окружающая центр — это основа будущей стены биозащиты (BioShield) толщиной 3.5 метра, которая будет ограждать машину. Концентрический круг большего диаметра из редких колонн — внутренняя опора будущей плиты В1 20 ноября появилось сообщение о заливке первой секции стены будущего Здания диагностики Секция составляет 16 метров в длину, 5.5 метра в высоту и 0.6 метра в толщину. Было использовано около 50 м3 бетона. Заливка осуществлялась слоями по 50 см, с уплотнением каждого слоя вибрационными машинками. 54 «Токамак» В основе проекта термоядерного реактора положены системы с магнитным удержанием плазмы типа «Токамак», впервые разработанные и реализованные в СССР. В 1968 году на токамаке Т-3 была достигнута температура плазмы в 10 млн. градусов. С этого времени установки «Токамак» стали лидирующим направлением в исследованиях по термоядерному синтезу во всех странах. 55 По принципу работы термоядерная электростанция похожа на обычные тепловые электростанции и отличается от них лишь конструкцией «печи» и типом топлива. 56 Дополнительная литература по разделу: 1. Кристофер Ллуэллин-Смит , материалы к лекции «На пути к термоядерной энергетике», прочитанной 17 мая 2009 года в ФИАНе 2. Е.П. Велихов, С.В. Путвинский, доклад от 22.10.1999, выполненный в рамках Energy Center of the World Federation of Scientists «Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе» 3. А. А. Акатов, Ю. С. Коряковский, книга, «Ядерная энергетика на службе человечества», Москва, Общественный совет Госкорпорации «Росатом»,-2009 г. 4. Ян Гор- Лесси, Ядерное электричество, монография, перев. сангл., Ростов- наДону, ОАО «Ростиздат», 2002-112 с. илл. 57 Лекция 6 ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ 58 Геотермальная энергия - это энергия тепла, которое выделяется из внутренних зон Земли на протяжении сотен миллионов лет. По данным геологогеофизических исследований, температура в ядре Земли достигает 3 000-6 000 °С, постепенно снижаясь в направлении от центра планеты к ее поверхности. Извержение тысяч вулканов, движение блоков земной коры, землетрясения свидетельствуют о действии мощной внутренней энергии Земли. Ученые считают, что тепловое поле нашей планеты обусловлено радиоактивным распадом в ее недрах, а также гравитационной сепарацией вещества ядра. Главными источниками разогрева недр планеты есть уран, торий и радиоактивный калий. Процессы радиоактивного распада на континентах происходят в основном в гранитном слое земной коры на глубине 20-30 и более км, в океанах - в верхней мантии. Предполагают, что в подошве земной коры на глубине 10-15 км вероятное значение температур на континентах составляет 600800 ° С, а в океанах - 150-200 ° С. Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика. 59 Геотермальные источники энергии подразделяют на сухой горячий пар, влажный горячий пар и горячую воду. Скважину, которая является важным источником энергии для электрической железной дороге в Италии (близ г. Лардерелло), с 1904 г. питает сухой горячий пар. Два другие известные в мире места с горячей сухим паром - поле Мацукава в Японии и поле гейзеров возле СанФранциско, где также давно и эффективно используют геотермальную энергию. Больше всего в мире влажного горячего пара находится в Новой Зеландии (Вайракей), геотермальные поля чуть меньшей мощности - в Мексике, Японии, Сальвадоре, Никарагуа, России. Таким образом, можно выделить четыре основных типа ресурсов геотермальной энергии: •поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами; •энергетические ресурсы пара, горячей и теплой воды у поверхности земли, которые сейчас используются в производстве электрической энергии; •теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли (возможно, при отсутствии воды); •энергия магмы и теплота, которая накапливается под вулканами. 60 Человек может использовать геотермальную энергию только там, где она проявляет себя близко к поверхности Земли, т.е. в районах вулканической и сейсмической активности. Сейчас геотермальную энергию эффективно используют такие страны, как США, Италия, Исландия, Мексика, Япония, Новая Зеландия, Россия, Филиппины, Венгрия, Сальвадор. Здесь внутреннее земное тепло поднимается к самой поверхности в виде горячей воды и пара с температурой до 300 °С и часто вырывается наружу как тепло фонтанирующих источников (гейзеры), например, знаменитые гейзеры Йеллоустонского парка в США, гейзеры Камчатки, Исландии. Теплоснабжение курорта «Горячинск» (Бурятия) 61 Геотермальные ресурсы России 62 Схема выработки петротермальной электростанцией электроэнергии, тепла и их поставки потребителю Данный тип энергетики связан с глубинными температурами Земли, которые с определённого уровня начинают подниматься. Средняя скорость её повышения с глубиной — около 2,5°С на каждые 100 м. На глубине 5 км температура составляет примерно 125°С, а на 10 км около 250°С. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара. Проблема данной энергетики на сегодня — её рентабельность. 63 Достоинства и недостатки геотермальной энергетики Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов и химических соединений, что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. 64 Дополнительная литература по разделу: 1. 2. 3. Геотермальная энергия- общие понятия http://alternativenergy.ru/energiya/320-geotermalnaya-energiya.html Дворов И. М. Глубинное тепло Земли / Отв. ред. доктор геологоминералогических наук А. В. Щербаков. — М.: Наука, 1972. — 208 с. Э Берман, Б. Ф. Маврицкий Геотермальная энергия. Издательство Мир, 1978. 416 стр. 65 Лекция 7 ГИДРОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ 66 Кроме геотермальной энергии активно используется тепло воды. Вода – это всегда хотя бы несколько градусов тепла, а летом она нагревается до 25 С. Почему бы не использовать часть этого тепла? Для этого необходима установка, действующая по принципу “холодильник наоборот”. Известно, что холодильник “выкачивает” из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110С, а затем его можно пускать либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 С. На каждый киловатт-час затрачиваемой на это энергии природа дает 3 киловатт-часа! По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде. 67 Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур, как, например, в морях: на глубине вода очень холодна – около 4С, а на поверхности нагревается до 25 С, что составляет 20 градусов разницы! Все необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально (например, у атолла Каваратти в Лаккадивском архипелаге около юго-западного побережья Индии), осталось только претворить их в жизнь везде, где имеются подходящие природные условия. 68 Дополнительная литература по разделу: 1. 2. Океанская термальная электростанция. http://zaryad.com/2011/06/27/okeanskaya-termalnaya-elektrostantsiya/ Селиванов Н.П., Мелуа А.И. Энергоактивные здания М.: Стройиздат, 1988. - 376 с. 69 Лекция 8 АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА 70 Основные направления развития альтернативной гидроэнергетики связаны с использованием механической энергии приливов, волн, течений и тепловой энергии океана. Только один приливно-отливный цикл мирового океана энергетически эквивалентен 8 трлн кВт-ч. По экспертным оценкам, технически возможно использование примерно 2 % этого потенциала. Максимальные амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного климатического пояса. Наибольшими запасами приливной энергии обладают Атлантический океан и в меньшей мере Тихий океан. Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на возможность использования энергии приливов, являются особенности береговой линии и прибрежного и придонного рельефа. В длинных узких заливах с пологим дном приливы имеют максимальную высоту, иногда превышающую 10 м, что существенно повышает эффективность энергетического использования приливно — отливного цикла. 71 К объектам альтернативной гидроэнергетики относятся: • Приливные электростанции; • Волновые электростанции; • Малая гидроэнергетика; • Водопадные электростанции. 72 Приливные электростанции Прили́вная электроста́нция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров. 73 Волновые электростанции Волновые электростанции предназначены для преобразования энергии морских волн в условиях открытого моря в электроэнергию, которой обеспечивают автономные и береговые объекты (островные поселения, буровые платформы, плавсредства, гостиничные комплексы, различные производства и т. п.). 74 Малая гидроэнергетика Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС) -гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии. Общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции нет, в качестве основной характеристики таких ГЭС принята их установленная мощность. 75 ГЭС на Ниагарском водопаде 76 Дополнительная литература по разделу: 1. 2. 3. http://gisee.ru Государственная информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности Гидроэнергетика Т.А. Филиппова, и др. – Новосибирск :Изд-во НГТУ, 2011.– 640 с. Обрезков В.И., Малинин Н.К., Кароль Л.А., и др. Гидроэнергетика: Учебник для студентов высших учебных заведений. - М.: Энергоиздат, 1981. 77 Лекция 9 БИОМАССА И БИОЭНЕРГЕТИКА 78 Биомасса — неископаемые органические вещества биологического происхождения. Первичная биомасса — растения, непосредственно (или без химической обработки) используемые для получения (добычи) энергии. К ним относятся, прежде всего, отходы сельского и лесного хозяйства. Вторичная биомасса — остатки переработки первичной биомассы веществ — прежде всего в результате их потребления человеком и животными или переработки в домашнем хозяйстве или промышленности. К ним относятся, прежде всего, навоз, жидкий компост, жидкие стоки очистных сооружений. Биотопливо — отходы сельскохозяйственного производства, пищевой и других видов промышленности, органическое вещество сточных вод и городских свалок — отходы, состоящие из биологического сырья — веществ биологического происхождения. 79 Химический состав биомассы Процесс образования биомассы Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25% лигнина и 75% углеводов или сахаридов. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой "клей", который связывает молекулы целлюлозы между собой. Двуокись углерода из атмосферы и вода из грунта участвуют в процессе фотосинтеза с получением углеводов (сахаридов), которые и образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы. 80 Существует несколько способов получения энергии из биомассы: •Сжигание; • Получение этилового спирта (этанола); •Получение биогаза; •Использование микроводорослей. 81 Общая схема получения биогаза 82 Летом 2010 года в Великобритании впервые в воздух поднялся самолет на топливе, которое предварительно получили из водорослей 83 Дополнительная литература по разделу 1. 2. 3. http://www.gigavat.com/ Сайт, посвященный энергетике и электростанциям Панцхава Е.С., Беренгартен М.Г., Ванштейн С.И., Биогазовые технологии. Проблемы экологии, энергетики, сельскохозяйственного производства, Москва, 2008, МГУИЭ, ЗАО Центр «ЭКОРОС», 217 стр. Панцхава Е.С.,Ж, Аналитическая записка «Технические характеристики, международный опыт и целесообразные объемы создания электростанций на основе использования биомассы в РФ.», ЭНИН, Москва, 2009, 46 стр. 84 Заключение Не смотря на разнообразие технологий. альтернативной энергетики именно традиционные виды топлива будут играть ведущую роль еще долгое время. Альтернативные источники энергии, вероятно, будут являться дополнением к традиционной энергетики и занимать свою собственную нишу. Применительно к России- наиболее перспективным видом альтернативной энергетики в нашей стране являются малая гидроэнергетика и использование топлива, получаемого из биомасс и отходов. 85
