Возобновляемые виды энергии. Технологии использования
advertisement
Возобновляемые виды энергии Технологии использования возобновляемых источников энергии — успехи Германии Лидерство Германии в международном масштабе В последние несколько лет в Германии наблюдался бурный рост использования возобновляемых источников энергии, и к настоящему моменту она стала мировым лидером в этой области. Ветроэнергетический сектор страны по своему объему занимает третье место в мире с установленной мощностью более 27 000 МВт, а рынок солнечной энергетики является самым крупным в мире — пиковая установленная мощность в 2010 году составила более 17 000 МВт. В конце 2010 года на долю возобновляемых источников энергии в Германии приходилось около 11 % валового конечного энергопотребления страны. С учетом прогнозируемого роста этого показателя до 20 % Германия, скорее всего, достигнет обязательного целевого уровня, установленного Директивой Евросоюза 2009/28/EG (18 %), до 2020 года. Успешное стимулирование возобновляемых видов энергии на законодательном уровне Правительство Германии открыло дорогу развитию рынка возобновляемых источников энергии. Например, Закон об использовании возобновляемых источников энергии гарантирует производителям электроэнергии из возобновляемых источников фиксированные льготные тарифы на срок в 20 лет, что обеспечивает высокую надежность планирования. При этом постепенное снижение льготных тарифов для новых систем стимулирует дальнейшие технические разработки и снижение стоимости. Благодаря значительному успеху данного закона уже более 60 стран проводят у себя политику предоставления льгот при закупке энергии из возобновляемых источников, подобную немецкому законодательству. Доля возобновляемых источников энергии в энергоснабжении Германии [%] выпустили на рынок высокоэффективную продукцию. Высокие требования внутренних потребителей стимулировали постоянную оптимизацию и усовершенствование изделий. Немецкие нормы производства и выбора подходящих компонентов оборудования устанавливают стандарты качества для всего мира. Перспективы на будущее — использование возобновляемых источников энергии в международном масштабе Рост использования возобновляемых видов энергии является важным шагом к стабильности в будущем. Для решения стоящих задач и освоения рынков необходимо международное сотрудничество. Немецкие промышленники и консультанты, а также организации, занятые вопросами политического сотрудничества и развития отношений, уже делятся своим опытом со многими другими странами. О Германском энергетическом агентстве Германское энергетическое агентство (Deutsche EnergieAgentur GmbH, сокращенно «DENA») является центром экспертных знаний по вопросам, касающимся энергоэффективности, возобновляемых источников энергии и интеллектуальных энергетических систем. Миссия DENA заключается в стимулировании экономического роста и поддержании благосостояния при снижении потребления энергии. Если поставленные цели будут достигнуты, выработка и использование электроэнергии в государственном и международном масштабе должны стать эффективными, безопасными и экономичными, насколько это возможно, при минимальном воздействии на климат. DENA развивает рынки энергосберегающих технологий и возобновляемых источников энергии в сотрудничестве с заинтересованными сторонами, представляющими политические и деловые круги, а также общество в целом. juwi Wagner & Co, Cölbe 18 16.8 16 14 12 11.0 10 9.8 9.4 8 6.7 6 4 5.8 4.2 4.1 2.9 2 0.6 BioConstruct GmbH 0 Общая доля КПЭ Доля в общем потреблении электроэнергии Доля КПЭ в теплоснабжении FEC – Конечное энергопотребление PEC – Потребление электроэнергии от первичных источников, рассчитанное по методу физического запаса энергии. Доля потребления топлива 2001 2007 2003 2009 Доля ППЭ 2005 2010 Источник: BMU, по данным AGEE-Stat и других источников Немецкая отрасль энергетики возобновляемых источников — надежный партнер Движущей силой быстрого роста использования возобновляемых источников энергии в Германии является ее мощный промышленный потенциал. На конец 2010 года в этом секторе промышленности работали около 370 000 человек, занятых исследованиями, производством, проектированием и монтажом оборудования. Немецкие предприятия уже на ранней стадии инвестировали средства в разработку технологий на основе возобновляемых источников энергии и Bundesverband WindEnergie e.V. Solar Millennium AG / Paul-Langrock.de H. Anger‘s Söhne Bohr- und Brunnenbaugesellsch. mbH www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.wolf-heating.com Возобновляемые виды энергии Технологии использования возобновляемых источников энергии — энергия будущего Выбросы в окружающую среду от возобновляемых источников энергии незначительны или отсутствуют Возобновляемые источники энергии безграничны и имеются повсюду Рынок возобновляемых источников энергии является одним из наиболее быстрорастущих в мире S.A.G. Solarstrom AG Solar Promotion GmbH Технологии использования возобновляемых источников энергии • являются экологически безвредными и играют ключевую роль в смягчении изменений климата • доступны в изобилии по всему миру • уменьшают зависимость от импорта энергии, повышая ценность местных ресурсов • создают рабочие места в устойчиво развивающихся отраслях промышленности • являются основой экологически безвредного энергоснабжения в промышленно-развитых и развивающихся странах • представляют собой один из наиболее быстрорастущих мировых рынков • снижают риски — свободны от проблем, связанных с утилизацией отходов и вредными выбросами, и не представляют интереса в качестве потенциальных целей для террористов. Технологии использования возобновляемых источников энергии способны удовлетворить спрос на любые виды энергии Поставки энергии для энергетических систем Гидроэнергия, геотермальная и солнечная энергия, энергия ветра, биоэнергия могут постепенно заменить обычные источники энергии. Оптимальный комплекс источников электроэнергии в сочетании с интеллектуальными технологиями управления энергосистемами может обеспечить стабильность энергоснабжения. Автономное энергоснабжение сельских местностей Согласно оценкам, два миллиарда людей во всем мире не имеют доступа к сетям энергоснабжения общего пользования. Автономные энергоблоки на базе возобновляемых источников энергии способны обеспечить снабжение электроэнергией в тех местах, где монтаж сети технически затруднен или экономически невыгоден. Биотопливо для транспорта Биомассу — природное хранилище солнечной энергии — можно использовать в качестве моторного топлива для любых двигателей, обеспечивая безвредную для экологии работу транспорта. Стоимость энергоснабжения Современные рыночные цены на ископаемую и атомную энергию отражают лишь часть реальных затрат общества. Если учесть внешние затраты на экологический ущерб и политические конфликты, то возобновляемые виды энергии окажутся вполне конкурентоспособными, а в ряде случаев даже более дешевыми, чем обычные источники энергии. Экологический ущерб, обусловленный использованием ископаемого топлива, в особенности ущерб, вызванный изменениями климата и загрязнением воздуха, становится все более важным экономическим фактором при принятии политических и экономических решений. Так, например, затраты на выбросы CO2, связанные с торговлей квотами на эти выбросы согласно Киотскому протоколу, уже оказывают влияние на инвестиционные потоки, в том числе связанных со строительством новых электростанций или с вводом для предприятий новых сравнительных показателей, касающихся изменений климата. Кроме того, загрязнения, обусловленные сжиганием ископаемого топлива, являются основной причиной смога и кислотных дождей. Согласно результатам исследования, проведенного Европейской комиссией, экономические общественные затраты в Германии в результате использования нефти и угля для выработки электроэнергии составляют, соответственно, 5–8 евроцентов/кВт·ч и 3–6 евроцентов/кВт·ч. Возобновляемые источники энергии способны удовлетворить общемировой энергетический спрос бережным для климата и экологически безвредным способом. Общественные затраты на ископаемые источники энергии Децентрализованное теплоснабжение Биоэнергетические, геотермальные и тепловые солнечные энергоустановки предоставляют энергию, необходимую для отопления, охлаждения, нагрева воды в домашних хозяйствах и технологического теплоснабжения в промышленности. Цена для потребителя Общественные затраты Загрязнение воздуха Экологический ущерб Расходы на политические конфликты Расходы на защиту и безопасность Расходы на очистку www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.wolf-heating.com Возобновляемые виды энергии Технологии использования возобновляемых источников энергии для смягчения изменений климата Изменения климата: задача 21-го века Глобальное потепление, обусловленное искусственным парниковым эффектом, представляет собой одну из основных угроз цивилизации в XXI веке. Оно уже начало приносить вред и изменять жизнь людей во всем мире, и его последствия продолжают усиливаться. Факты С конца 1970­‑х долгосрочная тенденция повышения средней температуры воздуха в мире ускорилась. Десятилетие с 2001 по 2010 гг. было самым теплым с начала регулярных измерений температуры в XIX веке. Отклонения среднегодовой температуры в мире с 1850 по 2010 гг. (относительно периода 1961–1990 гг.) Отклонение температуры (°C) относительно периода 1961–1990 гг. 0,6 Met Office Hadley Centre and Climatic Research Unit NOAA National Climatic Data Center NASA Goddard Institute for Space Studies 0,4 0,2 0 - 0,2 -0,4 - 0,6 - 0,8 1850 1900 1950 2000 Год Источник: Met Office Hadley Centre, Великобритания Повышение концентрации парниковых газов в атмосфере из-за человеческой деятельности — это наиболее вероятная причина глобального потепления в XX веке. Сжигание ископаемого топлива и крупномасштабная вырубка лесов привели к росту содержания диоксида углерода (CO2) в атмосфере. Сельскохозяйственная и животноводческая отрасли также вносят свой вклад в виде таких газов как метан (CH4) и закись азота («веселящий газ», N2O). Двуокись углерода, метан и закись азота практически беспрепятственно пропускают солнечное излучение через атмосферу, но задерживают длинноволновое тепловое излучение, отражаемое от поверхности Земли. Накопление этих газов в атмосфере вызывает возникновение парникового эффекта и рост температуры в нижних слоях атмосферы. По данным 4-го аналитического отчета межправительственной группы экспертов по изменениям климата (IPCC) за 2007 год, концентрация двуокиси углерода в атмосфере в 2005 году значительно превысила естественный диапазон, сложившийся за последние 650 000 лет, что в первую очередь обусловлено использованием ископаемых видов топлива. Глобальное потепление климата можно доказать на основе таких наблюдений, как рост средней температуры воздуха и воды в океанах, повсеместные изменения количества осадков, солености океанов, направлений ветра, а также факты проявления экстремальных погодных условий, включая засуху, ливни, периоды аномальной жары и интенсивность тропических циклонов. Изменения климата отразятся в значительно большей степени на развивающихся странах и на бедных слоях населения всех стран, поскольку они более уязвимы и имеют меньше возможностей приспособиться к последствиям таких изменений. Поэтому насущно необходимо, чтобы смягчение изменений климата и приспособление к ним стало неотъемлемой частью политики развития и сотрудничества государств. Экономические последствия изменений климата В 2006 году правительство Великобритании опубликовало всесторонний анализ экономических последствий изменения климата. Он отчетливо показал, что изменения климата оказывают значительное влияние на рост и развитие всех стран. На основании результатов расчетов по формальным экономическим моделям этот анализ продемонстрировал, что если не будут предприняты решительные шаги, то общие затраты и риски, связанные с изменениями климата, приведут к потерям 5–20 % мирового валового продукта ежегодно. Согласно отчету, расходы на стабилизацию нашего климата значительны, но посильны, и выгода от заблаго-временных и решительных действий в значительной степени перекроет экономические затраты, которые будут иметь место даже в том случае, если эти действия не будут предприняты. Согласно изложенному в отчете мнению, действия, связанные с изменениями климата, должны предприниматься всеми странами, и они никоим образом не являются препятствием для роста экономики, как богатых, так и бедных стран. Кроме того, меры по смягчению изменений климата благоприятны для развития бизнеса, в первую очередь — на рынках энергетических технологий, товаров и услуг, не связанных со значительными выбросами углерода. Такие рынки, чей ежегодный объем составит, предположительно, сотни миллиардов долларов, будут также способствовать созданию значительного числа экологически безвредных рабочих мест в этой отрасли. Киотский протокол С помощью Киотского протокола — наиболее значимого на сегодняшний день инструмента международной политики в отношении защиты климата — промышленно-развитые страны предприняли попытку снизить выбросы в период с 2008 по 2012 год (так называемый «период выполнения первого обязательства»). На настоящий момент Киотский протокол ратифицировали 193 стороны (192 государства и одна региональная организация экономической интеграции, Европейский Союз). Договоренность об обязательствах в период после 2012 года пока не достигнута. Целью правительства Германии и Евросоюза в рамках стимулирования международного процесса защиты климата — заключить юридически обязательное соглашение о защите климата на период после 2012 года, которое сможет ограничить прирост средней мировой температуры на уровне 2 °C по сравнению с доиндустриальной эпохой. Технологии использования возобновляемых источников энергии как неотъемлемая часть стратегии смягчения изменений климата Способность атмосферы поглощать загрязнения без опасных последствий уже давно превышена. Однако использование сырой нефти, природного газа, угля и урана таит в себе более серьезные риски: они доступны в ограниченных количествах, цена на них крайне неустойчива, и они вызывают политическую зависимость. Возобновляемые источники энергии не выделяют загрязнений и постоянно обновляются в ходе природных процессов, в результате чего они будут доступны, с точки зрения человека, неограниченное время. Технологии использования возобновляемых источников энергии позволят значительно сократить выбросы CO2 при производстве электроэнергии, отказаться от моторного топлива на основе нефтепродуктов и обеспечить экологически чистое отопление и охлаждение. В 2010 году сокращение выбросов в Германии благодаря использованию возобновляемых источников энергии вместо ископаемого топлива достигло примерно 118 миллионов тонн в эквиваленте CO2 (с учетом парниковых газов CO2, CH4 и N2O). BSW Solar/Langrock www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.wolf-heating.com Возобновляемые виды энергии Технологии использования возобновляемых источников энергии для энергетической безопасности Проблема: рост спроса при сокращении ресурсов Общемировой спрос на ископаемое топливо чрезвычайно возрос, что обусловлено, в частности, высокими темпами экономического роста отдельных стран Азии, в то время как запасы такого топлива сокращаются, причем оставшиеся ресурсы находятся в немногочисленных, зачастую политически нестабильных, регионах. Это приводит к политическим конфликтам и росту числа вооруженных столкновений, а также подвергает существенному экономическому риску все страны и их развитие, так как они становятся в значительной степени зависимыми от данных ресурсов, цены на которые постоянно растут. Дефицит ископаемых и ядерных ресурсов Несмотря на многочисленные научные дискуссии и тот факт, что весьма сложно в точности предсказать момент, когда будет пройден пик мировой добычи нефти, нет сомнений, что это произойдет в ближайшем будущем. Исходя из основных принципов экономики, с учетом растущего спроса, в особенности в таких развивающихся странах, как Китай, Индия и Бразилия, следствием окажется значительный и непрерывный рост цен на нефть. Цены порядка 200 долларов США за баррель уже не кажутся чем-то немыслимым. Финансовые спекуляции, военные конфликты, такие, например, как на Ближнем Востоке, и природные катаклизмы, например, связанные с изменениями климата, дополнительно усиливают колебания цен на нефть. Проблемы предстоящего истощения ресурсов, наиболее очевидные и значительные применительно к нефти, существуют также относительно природного газа, урана и угля, вызывая необходимость решения связанных с этим задач. Природные запасы нефти. Страны с запасами нефти >1 Гт (2009 г.) > 1–10 Gt > 10–20 Gt > 20 Gt Подписи: Стратегический эллипс с общемировыми запасами нефти около 74 % и природного газа около 70 % Источник: Федеральный институт геологии и природных ресурсов (BGR) Региональные ограничения оставшихся ресурсов Озабоченность вызывает не только конечность ресурсов ископаемого топлива, но также и тот факт, что оставшиеся запасы ограничены несколькими регионами, многие из которых испытывают серьезные трудности в области политики и безопасности. Так, например, на конец 2009 года 74 % общемировых запасов нефти и 70 % запасов газа находятся на территории Ближнего Востока и Каспийского моря, которую называют «стратегическим эллипсом». juwi Растущая зависимость от импорта Так как оставшиеся запасы ограничены несколькими странами, все другие государства вынуждены импортировать невозобновляемое топливо. Так, доля энергетической зависимости Германии в 2008 году составила 61 % , а для Европейского Союза этот показатель был равен 54 %. Две страны из состава Евросоюза имеют даже 100-процентный уровень зависимости. Необходимость импорта приводит к значительному оттоку капитала из этих стран, а также повышению угрозы их безопасности и политической и геостратегической зависимости. Наиболее важными поставщиками сырой нефти и природного газа были Россия (33 % импорта нефти и 40 % импорта газа) и Норвегия (16 % и 23 % соответственно). Энергопотребление государствами – членами ЕС, чистый импорт и коэффициент зависимости в 2008 г. Страна-член ЕС Кипр Полное потребление энергии 1) Чистый импорт 2) Энергетическая зависимос ть 3) 2,6 3,0 100,0 % Италия 186,1 164,6 86,8 % Испания 143,9 123,8 81,4 % Германия 349,0 215,5 61,3 % 1.825,2 1,010,1 53,8 % Франция 273,1 141,7 51,4% Великобритания 229,5 49,3 21,3 % 27 стран ЕС 1) Полное потребление всех видов энергии в миллионах тонн нефтяного эквивалента (МТНЭ). Определено как первичное производство плюс импорт минус экспорт. 2) Чистый импорт – импорт минус экспорт. 3) Импорт, деленный на валовое потребление. Источник: Europe’s Energy Portal Технологии использования возобновляемых источников энергии — организация местного производства энергии с использованием повсеместно доступных и практически неисчерпаемых ресурсов Энергия ветра, солнца, земли и биомассы доступна повсеместно во всем мире и может стать надежной основой для энергетической безопасности и предотвращения конфликтов, обусловленных сокращением запасов ископаемого и ядерного топлива. Кроме того, для 1,6 млрд людей, не имеющих доступа к современному энергоснабжению, а также для развивающихся стран, испытывающих энергетический голод, технологии использования возобновляемых источников энергии предоставляют возможность экологически безвредного и децентрализованного энергоснабжения на местах — без необходимости сооружения дорогостоящих электросетей и зависимости от импорта. В этом случае наиболее оптимальным является использование автономных систем — децентрализованных систем электроснабжения. Чтобы обеспечить непрерывное и доступное по стоимости энергоснабжение, можно использовать гибридные автономные системы на основе сочетания различных источников энергии. Так, например, можно успешно совмещать ветряные и солнечные энергоустановки, гидроэлектростанции и двигатели внутреннего сгорания. juwi FLABEG Holding GmbH EnviTec Biogas AG www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.wolf-heating.com Wind Power Ветроэнергетика Ветроэнергетика набирает обороты Ускоренное развитие ветроэнергетики Во многих частях света традиционные ветряные мельницы используются для размалывания зерна или перекачки воды и на протяжении веков являются частью ландшафта. Современные ветротурбины представляют собой ветроэнергетические установки и вырабатывают электроэнергию по конкурентоспособной цене. Благодаря высокоразвитой технологии, а также по своим экономическим и экологическим преимуществам ветроэнергетика является наиболее быстроразвивающейся и — в среднесрочный период — наиболее перспективной отраслью использования возобновляемых источников энергии во всем мире. Согласно данным Всемирного совета по ветроэнергетике (GWEC) на конец 2010 года во всем мире действовали ветроэнергетические установки общей мощностью 197 039 МВт, из которых 38 265 МВт приходилось на долю установок, введенных в эксплуатацию в 2010 году. Таким образом, годовой прирост этой отрасли составляет 24 %. Преимущества использования энергии ветра • Энергия ветра позволяет получать электричество экологически чистым и щадящим для климата способом по конкурентоспособным ценам. • Ветротурбины создают рабочие места и выгодны для экономически слаборазвитых регионов. Рабочие места создаются в сфере планирования, производства и технического обслуживания турбин; местные общины получают доходы от уплаты налогов и арендной платы за пользование землей. • Ветротурбины поставляются в широком диапазоне мощностей — от нескольких кВт до многих МВт. Автономные турбины мощностью 10 кВт снабжают энергией фермы и небольшие деревни, а береговые ветряные электростанции установленной мощностью в несколько сотен МВт обеспечивают снабжение энергосистем промышленных регионов. GE Energy • Ветротурбины являются идеальной базой для комбинации с другими возобновляемыми источниками энергии, как для энергетических сетей общего пользования, так и для небольших сетей. Ветроэнергетическое оборудование в Германии Общая установленная мощность ветроэнергетического оборудования, введенного в эксплуатацию в Евросоюзе (27 стран-участниц) в 2010 году, составила 9 295 МВт, а в Германии — 1 493 МВт. Ветротурбины общей мощностью 27 214 МВт, уже смонтированные на конец 2010 года, являются важной составной частью немецкой промышленности. Германия использует свои передовые позиции и накопленный опыт для развития современных технических идей и решений, хорошо зарекомендовавших себя во всем мире. Установленная мощность ветроэнергетического оборудования на конец 2010 г. Европейский рынок ветроэнергетики 2010 г. (в МВт) 0 4.000 8.000 12.000 16.000 20.000 24.000 28.000 Германия Испания Италия Франция Великобритания Португалия Дания Нидерланды Швеция Ирландия Греция Польша Австрия Бельгия Румыния Болгария Венгрия Чешская Республика Финляндия Литва Эстония Кипр Люксембург Латвия Словакия Словения Мальта Источник: Ежегодный отчет Европейской ассоциации ветроэнергетики (EWEA) за 2010 г. juwi Vestas Central Europe Ammonit Measurement GmbH Vestas Central Europe Vestas Central Europe juwi Vestas Central Europe Bundesverband WindEnergie e.V. www.renewables-made-in-germany.com www.ammonit.com www.juwi.com www.wind-energie.de Wind Power Ветроэнергетика Принцип действия Ветротурбины представляют собой современные высокотехнологичные энергетические установки с простым принципом действия. Лопасти ротора воспринимают кинетическую энергию ветра, преобразуя ее в механическую энергию, а затем с помощью генератора — в электроэнергию. При проектировании современных ветротурбин для использования силы ветра инженеры применили опыт, накопленный в самолетостроении. В настоящее время преобладают трехлопастные горизонтальные роторы. Они доказали на практике свою механическую надежность, имеют привлекательный внешний вид и низкий уровень шума при работе. Конструкция роторов обеспечивает оптимальную выходную мощность генератора при скоростях ветра в диапазоне 12–16 м/с, эффективно работая также и при более низких скоростях. При слишком сильном ветре выходная мощность снижается, чтобы обеспечить постоянный уровень энергоснабжения сети. При подключении ветротурбин к сети используются современные технологии управления, чтобы гарантировать плавный переход, предотвращающий колебания в сети. Прогнозирование выработки энергии ветротурбинами стало столь надежным, что точность 24-часовых прогнозов составляет порядка 10 %. Благодаря этому операторы сетей могут без труда учитывать энергию ветра при планировании использования ветроэнергетических установок. Конструкция Современные подключенные к электросети ветряные турбины состоят из ротора с лопастями, втулки ротора, обтекателя с генератором и (при необходимости) редуктором, опоры, фундамента и подключения к электросети. Ротор Обтекатель Ammonit Measurement GmbH Мощность ветротурбины Современные ветротурбины вращаются с малой скоростью, обеспечивают эффективную выработку энергии и низкий уровень шума. В зависимости от местонахождения турбина мощностью 1,5 МВт вырабатывает от 2,5 до 5 млн кВт·ч электроэнергии в год, что достаточно для электроснабжения от 1000 до 2000 домашних хозяйств Германии, состоящих из 4 человек, или двух-трех электровозов. Выходная мощность ветротурбины пропорциональна площади, очерчиваемой лопастями ротора, и третьей степени скорости ветра. В результате повышение скорости ветра на 10 % увеличивает выходную мощность на треть. Средняя скорость ветра в данной местности является основным параметром, определяющим выработку электроэнергии ветротурбиной. При высоких опорах скорость ветра существенно выше, а длинные лопасти ротора обеспечивают отъем значительно большей доли энергии ветра. Недавно некоторые компании разработали турбины, оптимизированные для территорий, удаленных от моря, где скорость ветра приближена к средним значениям. Рост выработки электроэнергии ветроустановками с 1980 г. Втулка ротора Высота втулки Диаметр ротора Опора Подключение к сети Номинальная мощность (кВт) Диаметр ротора (м) Высота втулки (м) Средняя выработка энергии (кВтч) Фундамент 1985 1990 1995 2000 2005 2008 2011 80 250 600 1,500 3,000 6,000 7,500 90 105 126 135 127 135 20 40 30 50 46 78 70 100 95,000 400,000 1,250,000 3,500,000 6,900,000 20,000,000 ca. 23,000,000 Источник: German Wind Energy Association (BWE), dena juwi Vestas Central Europe Bundesverband WindEnergie e.V. juwi www.renewables-made-in-germany.com www.ammonit.com www.juwi.com www.wind-energie.de Wind Power Ветроэнергетика Наземная ветроэнергетика В настоящее время ветротурбины устанавливают на берегу или в прибрежной зоне, а также на территориях, удаленных от моря. Чтобы обеспечить высокий уровень выработки энергии вдали от моря, разработаны турбины с высокими опорами и большим размахом лопастей. Для использования энергии ветра особенно хорошо подходят горные местности и плоскогорья. Разработан широкий ассортимент турбин для всех вариантов применения. Промышленность Германии обладает более чем 20-летним опытом производства современных ветроэнергетических установок. Турбины, подключенные к электросети Ветротурбины устанавливаются группами, которые называют ветряными электростанциями, или в виде отдельных установок. Отдельные установки, как правило, подают электроэнергию непосредственно в имеющуюся электросеть. При монтаже ветряных электростанций стоимость подключения к сети, как правило, выше (необходим монтаж линий транзитной сети, блоков управления и трансформаторных станций). В настоящее время на долю ветряных электростанций приходится наибольшая часть новых установок в Европе. Переоборудование Все чаще взамен малых турбин устанавливаются более крупные и современные. В Германии имеется большой потенциал переоборудования — количество существующих на данный момент турбин в среднесрочной или долгосрочной перспективе может уменьшиться при значительном увеличении выходной мощности. Одновременно переобо- juwi рудование создает рынок бывших в эксплуатации турбин, которые можно использовать, например, в индивидуальных хозяйствах как автономные системы. Автономные системы Автономные системы устанавливаются в местах, где электросеть общего пользования чересчур удалена, или подключение обойдется слишком дорого. В таких случаях целью является не монтаж наиболее мощной из доступных ветряных турбин, а выбор установки, которая лучше всего подходит к местным условиям и нуждам. Так, например, для сельского населенного пункта с небольшой распределительной сетью оптимальным выбором может являться турбина мощностью 100–300 кВт. Интеграция в электросеть Расширенное использование энергии ветра ставит перед энергосистемой новые задачи. Необходимо расширить сеть линий электропередачи, чтобы обеспечить передачу энергии от ветроэнергетических установок, которые в большинстве своем сконцентрированы в местах с высокой интенсивностью ветра, в распределительные подстанции, где сконцентрированы потребители энергии. Так как количество энергии, подаваемой в сеть ветротурбинами, в значительной степени колеблется в зависимости от погодных условий, обычные электростанции со стороны источника должны обладать способностью реагировать на колебания в поступлении энергии, а со стороны потребителя — обеспечивать определенную гибкость в управлении нагрузкой. juwi Bundesverband WindEnergie e.V. Трансформаторная станция Vestas Central Europe Vestas Central Europe juwi juwi juwi www.renewables-made-in-germany.com www.ammonit.com www.juwi.com www.wind-energie.de Wind Power Ветроэнергетика Прибрежная ветроэнергетика На море ветер характеризуется большей силой и постоянством. Поэтому выработка электроэнергии там примерно на 60 % превышает выработку систем, установленных вблизи побережья. Прибрежные ветротурбины имеют огромный потенциал. В соответствии с долгосрочными планами немецкого правительства (до 2030 года) прибрежные ветряные электростанции в Германии мощностью до 25 000 МВт должны покрывать до 15 % потребности страны в электроэнергии. Практически все изготовители турбин в настоящее время заняты разработкой и производством новых, более крупных и, следовательно, более рентабельных прибрежных ветротурбин нового поколения мощностью до 6 МВт или выше (большинство турбин, эксплуатируемых в настоящее время, обеспечивают мощность 2,3–3,7 МВт). Прибрежные ветряные электростанции проектируются и устанавливаются в море, где глубина достигает 30 метров и более, что требует проектирования новых конструкций основания. Прибрежные ветряные электростанции по большей части подключаются к электросети, что требует прокладки кабелей по морскому дну. Необходимо также расширение системы линий электропередачи вдоль побережья для передачи выработанной электроэнергии. Прибрежные ветряные электростанции стимулируют развитие промышленности и рынка рабочей силы, особенно в сфере обслуживающих и энергетических предприятий, обеспечивающих их бесперебойную эксплуатацию на море. Особую выгоду из этих тенденций извлекают экономически слаборазвитые прибрежные регионы, где сокращаются рыболовство и судостроение. На конец 2010 года двенадцать стран имели ветроэнергетические установки в море, девять — в Европе, остальные — в Японии и Китае. Общая установленная мощность прибрежных ветряных электростанций составляет 4 000 МВт или 1,8 % общемировой выработки электроэнергии за счет ветра. В 2010 году были Vestas Central Europe введены в эксплуатацию ветряные турбины мощностью 454 МВт; большая часть новых ветряных электростанций принадлежит Дании, Великобритании, Германии, Швеции и Китаю. В мае 2011 г. в немецких водах Балтийского моря была введена в эксплуатацию первая коммерческая прибрежная ветряная электростанция установленной мощностью 48 МВт (Baltic 1). Многочисленные аналогичные проекты находятся на стадии планирования. Перспективы По оценкам Всемирного совета по ветроэнергетике (GWEC), к 2030 году ветроэнергетика своими щадящими для климата технологиями обеспечит 15–17,5 % общемирового спроса на электроэнергию. Береговые и прибрежные ветряные электростанции будут играть все более важную роль в международных инициативах, направленных на ограничение последствий изменения климата. Наряду с развитием этого рынка приоритет должен предоставляться мерам по оптимизации существующей электросети и, не в последнюю очередь, ее дальнейшему развитию. В Германии в настоящее время принимаются меры по расширению государственных электросетей и усовершенствованию использования этих сетей — например, путем контроля температуры. В результате существующие электросети превращаются в так называемые интеллектуальные сети. Применение новых технологий сохранения энергии, например, с помощью сжатого воздуха, использование возможностей сохранения энергии, реализованных в электромобилях, использование излишков энергии ветра для получения газов, оптимизация управления нагрузкой в частном и промышленном секторах, а также объединение децентрализованных источников электроэнергии в так называемые виртуальные электростанции имеют значительный потенциал для оптимальной интеграции электроэнергии, добытой с помощью ветра. Stiftung Offshore Windenergie/DOTI, 2009 Nordex AG BARD-Gruppe BARD-Gruppe Vestas Central Europe Vestas Central Europe REpower Systems AG / Jan Oelker www.renewables-made-in-germany.com www.ammonit.com www.juwi.com www.wind-energie.de Фотоэлектрическое оборудоваPhotovoltaics ние Солнечная энергия Фотоэлектрические системы В зависимости от конкретного применения выбирается конфигурация модулей и их подключение, готовая система комплектуется преобразователями, регуляторами заряда, аккумуляторами и т.п. Фотоэлектрические установки разрабатываются в автономном варианте или для подключения к электросети. В автономных системах выработка электроэнергии регулируется в соответствии с энергопотреблением, при необходимости используется накопление энергии в аккумуляторах или поддержка дополнительного источника энергии (гибридная система). Для систем, подключаемых к электросети, эффективной средой хранения энергии является электросеть общего пользования. Количество солнечной энергии, получаемой Землей в течение всего лишь одного часа, превышает годичное общемировое энергопотребление. Эту энергию можно использовать различными способами, например, с помощью фотоэлектрической энергетики. Благодаря своему многолетнему опыту немецкие производители поставляют высококачественные фотоэлектрические системы и изделия, пользующиеся большим спросом во всем мире. Прямое использование солнечной энергии Прямое использование солнечной энергии можно подразделить на два типа: тепловая солнечная энергетика (выработка тепла или электроэнергии) и фотоэлектрическая энергетика (выработка электроэнергии). В этом разделе описано прямое преобразование солнечного света в электроэнергию. Отрицательный электрод Барьерный слой Легированный кремний Солнечный элемент – Солнечный модуль – Солнечный генератор Преимущество фотоэлектрического способа выработки энергии • Отсутствие шума и выбросов. • Широкая сфера применения — от небольших устройств, например, карманных калькуляторов с питанием от солнечной батареи до энергоснабжения частных домов и крупных предприятий с мощностью в несколько мегаватт. • Отсутствие движущихся деталей — длительный срок эксплуатации системы. • Экологическая безвредность — использование и утилизация кремния не приносит ущерба окружающей среде. Кремний, легированный донорной примесью Положительный электрод Фотоэлементы и фотоэлектрические модули Фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, используя так называемый «фотоэффект» (фотон = свет). В настоящее время наиболее широко распространены моно- и поликристаллические кремниевые элементы. В течение последних нескольких лет на рынке также увеличилась доля других технологий. Отдельные элементы соединены друг с другом в электрическую схему и защищены от внешних воздействий стеклянной крышкой, образуя фотоэлектрический модуль. При выборе фотоэлектрического модуля важно учитывать не только базовую стоимость модуля (цена за киловатт), но также системные расходы («производственные расходы») в расчете на один произведенный киловатт-час. Применение таких систем в регионах с высоким уровнем прямого солнечного излучения улучшает окупаемость капиталовложений. Немецкая фотоэлектрическая энергетика — надежный партнер В одной лишь Германии в 2010 году были введены в эксплуатацию новые фотоэлектрические системы общей мощностью 7 400 МВтфэ, что увеличило общую установленную мощность этих систем до 17 200 МВтфэ. В 2010 году страна сохранила за собой лидерство на рынке фотоэлектрических систем. Немецкое оборудование отличается высокой степенью системной интеграции (все компоненты проверены на совместимость), гибкой адаптацией к различным требованиям и традиционно высокими стандартами качества продукции. Самые эффективные в мире инверторы, например, были разработаны и изготовлены в Германии. juwi SOLARWATT AG Fronius Deutschland GmbH BSW-Solar Wagner & Co, Cölbe Energiebau SMA Solar Technology AG SMA Solar Technology AG Bosch Solar Energy AG www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.donauer.eu www.solarstromag.com www.intersolar.de www.bosch-solarenergy.com Фотоэлектрическое оборудоваPhotovoltaics ние Фотоэлектрические установки для подключения к электросети Принцип подключаемых к сети фотоэлектрических систем • Выработка энергии — фотоэлементы производят электроэнергию непосредственно из воздействующего на них света в виде постоянного электрического тока. • Преобразование энергии — постоянный ток преобразуется в переменный ток, используемый в электросетях. Эту задачу выполняет преобразователь, который также выбирает оптимальный режим работы в соответствии с параметрами излучения и содержит устройства контроля и защиты. • Использование энергии — в зависимости от типа подключения выработанная энергия полностью подается в электрическую сеть общего пользования или вначале употребляется для местного электроснабжения, и лишь избыток поступает к оператору общей электросети. По сравнению с автономной установкой такая система обходится дешевле, так как хранение энергии, как правило, не требуется. Этот фактор также повышает КПД системы и снижает воздействие на окружающую среду. Мощность подключаемой к сети фотоэлектрической установки более адаптивна в сравнении с другими источниками энергии. Можно создавать системы любой мощности от 100 Вт до нескольких МВт. Если, например, система должна обеспечивать годичную потребность в энергии немецкой семьи из четырех человек, то для среднего домашнего хозяйства требуется фотоэлектрическая установка мощностью примерно 4–5 кВтфэ. В зависимости от типа применяемой фотоэлектрической технологии эта мощность соответствует площади порядка 30–40 м2. Домашнему хозяйству, использующему энергос- берегающие устройства, потребуется фотоэлектрическая установка мощностью порядка 2–3 кВт , что соответствует примерно 20 м2 площади крыши. Варианты конструкций Фотоэлектрическая энергетика предоставляет широкие возможности конструктивного исполнения установок: монтаж на крыше, встраивание в крышу и фасад здания, плоская кровля, полупрозрачное кровельное покрытие, сочетание солнцезащитного оборудования и фотоэлектрической установки для выработки энергии, отдельно стоящие установки, использование шумозащитных ограждений и крыш железнодорожных платформ. Немецкие фирмы поставляют прочное, надежное, проверенное и привлекательное с архитектурной точки зрения оборудование для самых разных областей применения. Надежность энергоснабжения фотоэлектрическими установками В случае нарушения энергоснабжения подключаемые к сети фотоэлектрические системы необходимо временно изолировать от сети из соображений безопасности, чтобы предотвратить бесконтрольный автономный режим работы. Однако эти системы можно модифицировать таким образом, чтобы в случае прекращения подачи энергии (во время грозы или в районах с нестабильной электрической сетью) система функционировала как аварийный источник питания. Bosch Solar Energy AG COLEXON Energy AG S.A.G. Solarstrom AG Фотоэлектрическая установка большой мощности, подключенная к сети Панели, смонтированные на плоской крыше Wagner & Co, Cölbe Fronius Deutschland GmbH Фотоэлектрическая установка на крыше дома SUNSET Energietechnik GmbH Преобразователь тока Кровля со встроенными модулями Wagner & Co, Cölbe Solon AG, W. Murr Фотоэлектрические панели в качестве облицовки Перекрытие фотоэлектрических панелей www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.donauer.eu www.solarstromag.com www.intersolar.de www.bosch-solarenergy.com Фотоэлектрическое оборудоваPhotovoltaics ние Перспективы Bosch Solar Energy AG Bosch Solar Energy AG Bosch Solar Energy AG Bosch Solar Energy AG Другие технологии Подавляющее большинство используемых в мире солнечных батарей изготовлено из кристаллического кремния, репутация которого проверена десятилетиями эксплуатации этих устройств. В будущем важную роль также будут играть тонкопленочные батареи благодаря меньшей стоимости материалов, более однородной поверхности и другим особенностям, отличающим их от солнечных батарей из кристаллического кремния. Однако тонкопленочные элементы по-прежнему имеют меньший КПД, и для получения такой же выходной мощности, что и у стандартных элементов, требуется большая площадь установки. Также начато коммерческое использование фотоэлектрических элементов с концентраторами, в которых для фокусировки солнечного света на фотоэлементах используются линзы. Основная идея, лежащая в основе таких систем, заключается в использовании малого количества дорогостоящего фотоэлектрического полупроводникового материала и максимально возможной концентрации солнечного света. КПД таких элементов может достигать 20–30 %. На стадии изучения находятся органические фотоэлектрические элементы, которые копируют процессы фотосинтеза, наблюдаемые в природе. Области применения Постепенно фотоэлектрические технологии будут проникать во все новые и новые сферы жизни. Продолжится тенденция использования солнечных батарей в качестве элементов оформления зданий, например, в видe полупрозрачных модулей на остекленных фасадах. Такие системы эффективно сочетают привлекательный дизайн, безвредную для экологии выработку электроэнергии и полезное смягчение солнечного света. Гибкие солнечные фотоэлементы, тонкопленочные или из кристаллического кремния, открывают новые горизонты для широкого применения таких систем. Уже доступны гибкие тонкопленочные модуОрганический солнечный элемент Fraunhofer ISE Органический солнечный модуль ли, которые можно совмещать с кровельным покрытием и затем «накатывать» на крыши домов, автомобилей или катеров. Также ведутся исследования других перспективных вариантов применения, например, использование фотоэлементов в одежде или на тентах. Подключение к электросети Широкое распространение фотоэлектрических технологий, особенно в сельской местности, где относительно большое количество полученной от солнечных батарей энергии подается в электросеть, но локально используется относительно небольшое количество энергии из электросети, может потребовать расширения распределительных сетей в этой местности. Немецкая фотоэлектрическая промышленность в настоящее время разрабатывает современные преобразователи, с помощью которых можно будет значительно увеличить нагрузку на распределительные сети, сократив при этом стоимость расширения распределительных сетей. Ответственность изготовителей и утилизация Фотоэлектрические модули содержат материалы, подлежащие восстановлению и повторному использованию в новых фотоэлектрических модулях или в других новых изделиях — среди них стекло, алюминий, а также различные полупроводниковые материалы. Поскольку ресурс первой большой группы ныне эксплуатируемых фотоэлектрических элементов будет выработан через 10–15 лет, вопросы ответственности изготовителя и утилизации этих изделий приобретают особую важность. Уже разработаны промышленные процессы утилизации и тонкопленочных, и кремниевых модулей. Чтобы определить границы ответственности за фотоэлектрические модули на протяжении всей производственно-сбытовой цепочки, от закупки сырья до утилизации выведенных из эксплуатации изделий, в 2007 году компании европейской фотоэлектрической промышленности создали систему возврата и утилизации «PV CYCLE». Производство солнечных элементов Переработка солнечных элементов для повторного использования Fraunhofer ISE Sunicon AG SolarWorld AG Wagner & Co Solartechnik GmbH COLEXON Energy AG Sunicon AG SolarWorld AG SMA Technologie AG Bosch Solar Energy AG Преобразователь со встроенной функцией управления режимами работы при соединении с электросетью Кремниевый лом www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.donauer.eu www.solarstromag.com www.intersolar.de www.bosch-solarenergy.com Solar thermal Гелиотеплотехника Технологии и применение Использование солнечной энергии для производства тепла — это проверенная и испытанная технология, уже применяемая на практике. Теплотехнические солнечные энергоустановки можно использовать для нагрева воды, а также для отопления и охлаждения помещений в зданиях. Гелиостекло Солнечный поглотитель Корпус Термоизоляция Подогретый воздух можно также использовать для сушки сельскохозяйственной продукции. Встраивание воздуховодяных теплообменников позволяет также использовать эти системы для нагрева воды, используемой в бытовых целях. Более высокие температуры и КПД достигаются при использовании вакуумных трубчатых коллекторов, так как потери тепла дополнительно снижаются за счет сильного отрицательного давления в стеклянных трубках. Коллектор состоит из определенного числа стеклянных вакуумных трубок. Благодаря креплению с возможностью вращения отдельных трубок плоский поглотитель, помещенный в стеклянный корпус, можно установить с учетом расположения солнца. В результате вакуумный трубчатый коллектор можно устанавливать почти горизонтально на плоских крышах. Отдельные трубки образуют замкнутую систему, которая отдает тепловую энергию воде через морозостойкий теплообменный контур. Кривые КПД Задняя панель КПД коллектора в % 100 Технологии и применение Солнечные энергоустановки для производства тепла могут использоваться повсеместно во всем мире, даже в районах с низким уровнем инсоляции и малым количеством солнечных дней. В настоящее время теплотехнические солнечные энергоустановки используются в Германии, как правило, для нагрева воды в домашних хозяйствах, а также для отопления отдельно стоящих и сблокированных домов. В последние годы были предприняты значительные усилия по внедрению таких энергоустановок в многоквартирных домах, больницах, домах отдыха, гостиницах и в коммерческом секторе. Высококачественные и мощные солнечные энергоустановки теперь устанавливаются при реконструкции сдаваемых в аренду квартир, например, в многоэтажных зданиях без увеличения стоимости коммунальных услуг или арендной платы. В жилых зданиях находят применение два типа теплотехнических солнечных энергоустановок — только для нагрева воды и в сочетании с отоплением (так называемые комбинированные системы). Как правило, солнечная энергия способна покрывать 10–30 % общей потребности здания в энергии в зависимости от того, насколько хорошо оно изолировано и насколько велика его потребность в теплоснабжении. Существуют также особые «солнечные» дома, в которых 50–100 % общего теплопотребления обеспечиваются солнечными энергоустановками. Wagner & Co, Cölbe 80 Характеристики поглотителя 60 Характеристики плоского коллектора 40 Характеристики вакуумированной трубки 20 0 0 20 40 60 80 100 120 Обогрев плавательных бассейнов Нагрев воды Поддержка отопления помещений Технологическое тепло 140 160 Разность температур в °C Зависимость КПД от разности температур для различных типов коллектора Источник: DLR Преимущества для пользователей • Сокращение расхода энергии от ископаемых источников • Значительная экономия платы за обычное отопление • Высокая достоверность прогнозов по затратам на отопление • Снижение зависимости от импорта энергии • Непосредственный вклад в сокращение выбросов CO2 • Проверенная и надежная технология Перспективы Значение технологий тепловой солнечной энергетики долгое время недооценивалось, но теперь, ввиду роста цен на энергию и разработки новых теплотехнических солнечных энергоустановок, ожидается интенсивное расширение применения этих технологий. Современные системы управления солнечными энергоустановками позволяют значительно снизить эксплуатационные затраты, что приводит к существенному сокращению расходов на коммунальные услуги в жилищном секторе. Солнечные энергоустановки можно встраивать в многоэтажные жилые дома без увеличения расценок на аренду и коммунальные услуги. BSW-Solar/Langrock KBB Kollektorbau GmbH Wagner & Co, Cölbe Солнечные тепловые коллекторы Наиболее простым типом коллектора является неостекленный пластиковый поглотитель. В таких устройствах вода подается насосом через пластиковые маты черного цвета; они используются в основном для подогрева воды в плавательных бассейнах. Данная технология позволяет повышать температуру воды до 30–50 °C. Почти 3/4 используемых в Германии коллекторов составляют пластинчатые коллекторы. В данном случае поглотитель энергии солнца, преобразующий солнечное излучение в тепловую энергию, помещен в изолированный стеклянный блок для снижения потерь тепла. Пластинчатые коллекторы, как правило, работают в диапазоне температур 60–90 °C. Воздушные коллекторы представляют собой особый тип пластинчатого коллектора, нагревающего воздух, который обычно напрямую (без промежуточного хранения) используется для отопления зданий. KBB Kollektorbau GmbH BSW-Solar/Upmann www.renewables-made-in-germany.com www.flabeg.com www.resol.de www.intersolar.de www.kbb-solar.com www.bosch-thermotechnik.de Solar thermal Гелиотеплотехника Горячее водоснабжение и отопление помещений Горячее водоснабжение индивидуальных жилых домов Это наиболее распространенное применение теплотехнических солнечных энергоустановок во всем мире. В Европе такие системы полностью обеспечивают потребности в горячей воде в теплое время года. В холодное время года горячее водоснабжение обеспечивает котел, отапливаемый газом или жидким топливом или (в солнечные дни) с помощью теплового насоса в сочетании с солнечной энергоустановкой. Это означает, что в течение года примерно 60 % потребностей в горячей воде можно покрыть за счет использования тепловой энергии солнца. Теплотехнические солнечные энергосистемы для горячего водоснабжения индивидуальных жилых домов: 1) Коллектор 2) Накопительный бак 3) Котел 4) Регулятор солнечной энергоустановки со встроенным контроллером 5) Потребители горячей воды (например, душ) Горячее водоснабжение в сочетании с отоплением помещений В комбинированных системах нагрев воды и отопление помещений осуществляет солнечная энергоустановка. Это позволяет сэкономить больше энергии. Эти системы имеют коллектор большей площади и помогают отапливать здания весной и осенью. В индивидуальных жилых домах обычно устанавливают системы с площадью коллектора 10–18 м2. Солнечная энергия покрывает, как правило, 10–30 % от общего энергопотребления дома в зависимости от качестWagner & Co, Cölbe Системы бытового горячего водоснабжения большой мощности Системы горячего водоснабжения большой мощности в многоквартирных домах, гостиницах, больницах и других подобных зданиях, как правило, имеют коллектор площадью от десяти до нескольких сотен квадратных метров. Обычно такие системы рассчитаны на покрытие меньшей доли общего энергопотребления, затрачиваемого на нагрев воды, и поэтому особенно эффективны. Солнечные энергоустановки для централизованного теплоснабжения Мощные солнечные энергоустановки могут также подавать выработанное тепло в сети централизованного теплоснабжения. В подключенных к сети жилых зданиях тепло накапливается в буферных системах, после чего подается для бытового горячего водоснабжения и отопления помещений. В системах централизованного теплоснабжения с использованием солнечных энергоустановок и сезонным накоплением тепла доля солнечной энергии постоянно растет. Полученное летом солнечное тепло используется для подогрева воды в резервуарах очень большой емкости, а в зимние месяцы это тепло используется для отопления подключенных к сети домов. ва теплоизоляции дома и от требований по его отоплению. Также есть специальные дома, в которых тепловая энергия Солнца обеспечивает 50–100 % общих энергозатрат на отопление. Насосные циркуляционные системы Выработанная в коллекторе тепловая энергия поступает через теплоноситель в накопитель энергии. Циркуляция теплоносителя обеспечивается насосом. Поэтому накопитель энергии можно установить даже на чердаке, что упрощает интеграцию солнечной энергоустановки с традиционной системой теплоснабжения. Блок управления осуществляет контроль и управление работой системы таким образом, чтобы тепловой энергии всегда хватало для получения требуемого объема горячей воды. Термосифонные системы (конвекция) Обладающие простой конструкцией термосифонные системы рекомендуется устанавливать в регионах, где отсутствуют морозы. Плотность нагретой жидкости меньше, чем холодной, поэтому теплоноситель под действием силы тяжести циркулирует между коллектором и расположенным над ним накопительным баком. Термосифонные системы не требуют электроэнергии для насосов и регуляторов. Wagner & Co, Cölbe Bosch Thermotechnik GmbH Wagner & Co, Cölbe www.renewables-made-in-germany.com www.flabeg.com www.resol.de www.intersolar.de www.kbb-solar.com www.bosch-thermotechnik.de Solar thermal Гелиотеплотехника Солнечные системы для охлаждения Кондиционирование воздуха с помощью солнечных систем Тепловые солнечные энергоустановки могут внести существенный вклад в кондиционирование воздуха. Для охлаждения воздуха в таких системах используется накопленная в коллекторе тепловая энергия. Особое преимущество данной технологии заключается в том, что потребность в холоде возникает в то время, когда светит солнце, исключая необходимость в длительном хранении тепла или холода. Наряду с прямой экономией ископаемого топлива это также означает возможность снижения пиковых нагрузок в производстве электроэнергии в летний период. Рост спроса на жилье повышенного комфорта в сочетании с тенденциями к строительству зданий с большими стеклянными фасадами, как ожидается, приведет к усилению потребности в экологически безвредном кондиционировании воздуха. Такие системы представляют собой надежную альтернативу, в особенности в жарких странах, где потребление энергии компрессионным холодильным оборудованием с электропитанием уже заставляет работать электросети в периоды пиковой нагрузки на максимальной мощности. Для охлаждения обычно используются солнечные энергосистемы двух различных типов. Системы закрытого цикла Солнечное тепло используется для абсорбционного охлаждения. В так называемом «закрытом цикле» рабочая жидкость не имеет контакта с атмосферой. Системы открытого цикла В системах с открытым циклом охлаждающая вода находится в прямом контакте с атмосферой. При использовании так называемого «метода осушения» пары воды удаляются из забираемого воздуха с помощью влагопоглощающего материала (например, силикагеля), нанесенного на пористый вращающийся цилиндр. Во время вращения часть цилиндра непрерывно нагревается потоком нагретого солнцем воздуха, в результате чего влага выводится в атмосферу (осу- шающий ротор). При осушении забираемый воздух слегка нагревается, а затем охлаждается до температуры окружающей среды, проходя через второй ротор. Испарение воды из забираемого воздуха обеспечивает охлаждение до требуемого уровня. Охлаждение с применением открытого цикла Гелиоколлектор Увлажнитель воздуха Ротор осушителя Ротор теплообменника Источник: DLR Перспективы Предприятия и исследовательские институты продолжают совершенствовать солнечные системы для охлаждения воздуха, уменьшая их размеры, снижая стоимость и оптимизируя их для работы на малой выходной мощности. В настоящее время на рынке пока представлены только мощные системы с холодопроизводительностью 50–100 кВт для кондиционирования воздуха в универмагах, административных зданиях и конференц-центрах. Коммерческое производство маломощных систем с холодопроизводительностью в несколько киловатт для индивидуальных жилых домов и верхних этажей многоквартирных домов находится в начальной стадии развития. Охлаждение воздуха с использованием солнечных энергоустановок в особенности важно для стран с высокими требованиями к охлаждению. Эта перспективная технология позволит в будущем снизить потребление энергии и затраты на кондиционирование воздуха. Wagner & Co, Cölbe Schüco Охлаждение солнечной энергией www.renewables-made-in-germany.com www.flabeg.com www.resol.de www.intersolar.de www.kbb-solar.com www.bosch-thermotechnik.de Solar thermal Гелиотеплотехника Солнечные электростанции Обзор технологии В солнечных электростанциях энергия солнца используется для выработки электроэнергии в промышленных масштабах. Основной принцип работы солнечных электростанций заключен в использовании концентрирующих параболических систем и зеркал, размещенных на большой площади и направляющих солнечное излучение на приемник. Сконцентрированное излучение затем преобразуется в тепловую энергию при температурах 200–1000 °C (в зависимости от системы). Как и на обычной электростанции, эта тепловая энергия преобразуется в электрическую с помощью пара или паровых турбин, либо используется для других промышленных целей, например, для опреснения воды, охлаждения или, в ближайшем будущем, для производства водорода. Благодаря принципу концентрации энергии солнца солнечные электростанции превосходно накапливают тепловую энергию, полученную сравнительно простым и дешевым путем, и способны вырабатывать ток даже в темное время суток. Поэтому они могут внести важный вклад в ориентированное на спрос производство электроэнергии в будущем смешанном энергоснабжении с большой долей возобновляемых источников энергии. Существуют четыре различных типа концентрирующих отражательных систем: линейные концентрирующие системы, например, параболоцилиндрический концентратор и коллекторы Френеля, а также концентрирующие системы с точечной фокусировкой, например, солнечные энергоустановки башенного типа и параболоидные концентраторы. Все системы должны следовать за солнцем, чтобы концентрировать прямое излучение. Солнечная система электростанции с параболоцилиндрическим концентратором состоит из нескольких параллельных рядов коллекторов, изготовленных из параболических отражателей. Они концентрируют солнечный свет на трубке поглотителя, которая проходит вдоль фокальной линии, где достигается температура порядка 400 °C. Циркулирующее по трубке термическое масло служит в качестве теплоносителя для передачи тепловой энергии в теплообменник, где образуется водяной пар с температурой порядка 390 °C. Этот пар затем приводит в действие паровую турбину и генератор, как на обычных электростанциях. Параболоцилиндрический коллектор Трубка поглотителя Рефлектор Свет Коллектор Френеля Рефлектор с небольшим радиусом изгиба Трубка поглотителя Рефлектор Свет Трубопровод гелиосистемы В коллекторах Френеля длинные, с небольшим радиусом изгиба отражатели фокусируют солнечное излучение на неподвижно закрепленной трубке абсорбера, в которой Solarlite GmbH происходят непосредственный нагрев и испарение воды. Конструкция этих коллекторов проще, чем у параболоцилиндрических концентраторов, поэтому для создания таких отражателей требуются меньшие капиталовложения. Однако их среднегодовая эффективность несколько ниже. В солнечных энергоустановках башенного типа солнечное излучение концентрируется на центральном теплообменнике/поглотителе посредством сотен автоматически позиционируемых рефлекторов. Температура может превышать 1000 °C, что обеспечивает более высокую эффективность, в особенности при использовании газовых турбин, что значительно снижает стоимость электроэнергии. Башенная гелиосистема Ресивер/двигатель Центральный ресивер Рефлектор Гелиостаты Свет Свет Параболоидный гелиоконцентратор Стирлинга В так называемых параболоидных концентраторах Стирлинга зеркало параболического отражателя концентрирует солнечное излучение на приемнике подсоединенного к системе двигателя Стирлинга. Затем двигатель преобразует тепловую энергию в механическую работу или электроэнергию. КПД таких систем может превышать 30 %. Прототипы данных систем проходят испытания в центре солнечной энергетики «Plataforma» в Альмерии, Испания. Данные системы рассчитаны на автономную работу, однако, возможно также подключение нескольких отдельных систем в единую энергоустановку мощностью от 10 кВт до нескольких МВт. Перспективы В настоящее время во всем мире наблюдаются тенденции быстрого развития тепловых солнечных электростанций, в результате чего следует ожидать значительного снижения стоимости электроэнергии, выработанной этими системами. В ближайшие 5–10 лет оптимально расположенные тепловые солнечные электростанции смогут конкурировать по стоимости электроэнергии с обычными электростанциями средней мощности. Их конкурентоспособность будет зависеть от роста совокупных затрат на ископаемое топливо (включающих стоимость приобретения топлива и стоимость компенсации выбросов CO2). В будущем тепловые солнечные электростанции будут играть важную роль в общемировом энергоснабжении. Большая емкость накопителей энергии этих электростанций обещает значительные преимущества в будущем смешанном энергоснабжении, поскольку они смогут играть роль буфера для других возобновляемых источников энергии, которые подвержены большим колебаниям. Novatec Solar GmbH FLABEG Holding GmbH Solarlite GmbH Flabeg Holding AG Solar Millennium AG Solar Power GroupGmbH Ferrostaal AG www.renewables-made-in-germany.com www.flabeg.com www.novatecsolar.com www.solarpowergroup.com www.solarlite.de www.ferrostaal.com www.dlr.de Биоэнергетика Широкое разнообразие источников биоэнергии В результате фотосинтеза растения способны образовывать биомассу и таким образом накапливать энергию. Биомасса может быть использована для производства топлива для транспорта, тепла и энергии. К биомассе относятся энергетические культуры, отходы сельскохозяйственного и лесного производства, органические отходы, навоз и другие вещества биологического происхождения. Биомассу можно использовать для получения твердого, жидкого и газообразного топлива для транспорта, отопления и выработки электроэнергии. CO2 100 % CO2 100 % Гниение Сжигание CO2 цикл установки Wagner & Co, Cölbe Твердое топливо • древесные отходы • отходы стеблевых культур • энергетические культуры (древесные и стеблевые) Газообразное топливо • биогаз • канализационный газ • газ из органических отходов Преимущества биоэнергии • Биоэнергию можно накапливать и использовать различным образом. Её можно использовать в любое время для удовлетворения разнообразных потребностей. Это относится как к исходным материалам, например, древесине, так и к промежуточным или конечным продуктам, например, биогазу и биоэтанолу. • Использование биомассы позволяет решать проблемы, связанные с переработкой коммунальных отходов, и одновременно получать необходимую энергию. • Сельскохозяйственные и лесные районы получают двойную выгоду от использования биоэнергии — сохраняются и создаются рабочие места как в сельском и лесном хозяйстве, так и в области производства биоэнергии в целом. Выращивание культур для биоэнергетики также открывает перед фермерами новую сферу деятельности. • Биоэнергетика позволяет децентрализовать производство энергии и формирует замкнутый цикл использования материалов и выработки энергии. • При сжигании биомассы выделяется лишь то количество двуокиси углерода, которое было поглощено растениями в процессе их роста. С точки зрения баланса CO2, нет разницы в том, гниет ли древесина в лесу или используется для производства энергии! Тепло Жидкое топливо • растительное масло • биодизельное топливо • биоэтанол • синтетическое биотопливо Обзор рынка По всему миру для энергоснабжения в основном используется твердая биомасса. Благодаря своему широко распространенному некоммерческому применению (отопление жилых помещений, приготовление пищи) в 2009 году твердая биомасса стала самым крупным возобновляемым источником энергии с показателями 9,2 % общемировой выработки первичной электроэнергии, или 70,2 % глобальной выработки электроэнергии от возобновляемых источников. В Германии доля биоэнергетики (включая твердую, жидкую и газообразную биомассу, биогенные отходы, биогенное топливо) в общем количестве конечного энергопотребления в 2010 году составила 7,7 %, что соответствует 71 % поставок электроэнергии конечным потребителям от возобновляемых источников в этой стране. Schmack Biogas AG Электричество Мобильность www.renewables-made-in-germany.com www.suma.de www.lambion.de www.seva.de www.bioenergie.de Биоэнергетика Выработка тепла и электроэнергии из твердой биомассы Твердая биомасса, являясь наиболее распространенным возобновляемым источником энергии, уже длительное время используется во всем мире для выработки энергии. К твердой биомассе относятся все виды сухих или высушенных растений, в том числе сыпучие растительные материалы и части растений. Энергия, полученная путем сжигания твердой биомассы в современных отопительных системах, используется с высокой эффективностью. Древесина является первичным источником энергии, в особенности в форме колотых дров, стружки и гранул. Щепа Твердая древесина Древесные гранулы обычно формируют из опилок или стружки. Они могут поставляться как печное топливо в цистернах или в твердом виде мешками. Для хранения гранул необходимо значительно большее пространство, чем требуется для системы центрального отопления на жидком топливе. Гранулы можно сжигать в печах с дымоходом, как это делается в полностью автоматизированных системах центрального отопления большой мощности или на теплоэлектростанциях. Гранулы автоматически подаются из хранилища в топочную камеру винтовыми конвейерами или пневматическими загрузочными устройствами. Котлы для биомассы Для сжигания древесины разработаны печи и котлы ручного, полуавтоматического или автоматического действия с электронной регулировкой горения, реализующие процесс сжигания с малым количеством выбросов и высоким КПД — до 90 %. На рынке имеется самое разнообразное оборудование — от малых котлов для непосредственного отопления коттеджей и многоквартирных домов до котлов, работающих на биомассе, для эффективного теплоснабжения через сети централизованного теплоснабжения. Твердая биомасса используется также для комбинированной выработки тепла и электроэнергии на теплоэлектростанциях и как сырье для совместного сжигания на угольных электростанциях. Отходящее тепло, полученное при производстве электроэнергии, используется, например, путем подачи его в местные и районные отопительные сети, а также в промышленности в качестве технологического тепла. Отходящее тепло можно также применять для охлаждения в промышленных целях, на холодильных складах или для охлаждения воздуха в зданиях. Котлы с газификацией древесины Тепло и электроэнергию также можно получать путем сжигания древесного газа. В зависимости от характеристик сырья и мощности оборудования для газификации древесины можно использовать газификаторы, работающие в стационарном или псевдоожиженном слое, либо газогенераторы с газификацией в потоке. Полученный древесный газ затем используется для выработки электроэнергии с помощью двигателей внутреннего сгорания или газовых турбин. В данном случае общий КПД также можно значительно повысить, используя отходящее тепло путем комбинированной выработки тепла и электричества. В качестве альтернативы на экспериментальных заводах в Германии в настоящее время испытываются установки для переработки древесного газа в биологическое дизельное топливо. Схема системы отопления на гранулированном топливе Хранилища HDG Bavaria GmbH Гранулы Доставка древесных гранул Бойлер, работающий на древесных гранулах Автоматическая подача гранул Paradigma Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG www.renewables-made-in-germany.com www.suma.de www.lambion.de www.seva.de www.bdh-koeln.de www.bioenergie.de Биоэнергетика Биогаз для производства тепла и электроэнергии Биогаз, получаемый путем анаэробного разложения биомассы, используется во всем мире для получения энергии различными способами: сжигание на теплоэлектростанциях для выработки электроэнергии с использованием отходящего тепла, превращение биогаза в биометан для подачи в сети газоснабжения, использование в качестве топлива для автомобилей, работающих на природном газе, или непосредственно для приготовления пищи или отопления. Производство биогаза Биогаз можно получать из различных источников, например, из органических отходов на полигонах для захоронения отходов (свалочный газ), из городских сточных вод (канализационный газ), а также из промышленных/торговых/бытовых органических отходов, отходов сельского хозяйства и энергетических культур. Как правило, в сельскохозяйственных установках для получения биогаза в качестве основного материала используют жидкий навоз. Для увеличения выработки биогаза всё чаще используют возобновляемое сырье, например, кукурузу, зерновые и другие энергетические культуры, такие как подсолнечник, суданская трава, сахарная свекла, масличная редька, сахарное сорго и т.п. Коммерческие установки перерабатывают сточные воды (из очистных сооружений), а также отходы пищевого производства, пищевые отходы, жироуловители и отходы со скотобоен. Биогаз вырабатывается путем ферментации органических веществ в условиях отсутствия доступа воздуха и кислорода. В этом процессе принимают участие различные анаэробные бактерии, состав которых зависит от органического сырья и специфических условий процесса (температура и уровень кислотности). Решающим фактором, влияющим на производительность установок для получения биогаза, являются микробиологические процессы, протекающие во время ферментации. Получение энергии из органических остатков является важным звеном в систе- ме утилизации биогенных отходов. Установки для производства биогаза могут также стать источником дополнительного дохода для их владельцев. Расположенные поблизости предприятия могут использовать их в качестве постоянного и, главное, надежного источника теплоснабжения. Биогаз содержит 50–75 % метана — энергетически полезного компонента, 25–45 % двуокиси углерода, а также незначительное количество воды (2–7 %) и таких газов, как сульфид водорода, аммиак и водород. Наряду с самим биогазом образуется также сброженный биологический остаток — смесь воды, минералов и органических веществ, не подвергшихся разложению. Этот побочный продукт можно использовать как высококачественное сельскохозяйственное удобрение, замыкая, таким образом, кругооборот питательных веществ в результате культивации энергетических культур. Комбинированное производство тепла и электроэнергии из биогаза Теплоэлектростанции вырабатывают тепло и электричество из биогаза с очень высоким КПД. Получаемую электроэнергию можно вводить в сети электроснабжения общего пользования или использовать автономно. Отходящее тепло можно использовать в подключенных системах для получения дополнительной электроэнергии, для обогрева и сушки или для работы холодильных установок. Перспективы Применение технологии обработки биогаза до уровня качества природного газа (биометан с содержанием метана до 98 %) и подача его в сети снабжения природным газом открывает совершенно новый диапазон возможностей. Это позволяет использовать биогаз на объектах с высоким потреблением тепла, обеспечивая максимальную эффективность при одновременной выработке электроэнергии (теплоэлектростанции). Schmack Biogas AG BioConstruct GmbH Ферментаторы SEVA Energie AG SEVA Energie AG ТЭС Двигатель ТЭС EnviTec Biogas AG Устройство управления Трубопровод биометана MT-Energie GmbH Создание гигиенических условий Контроль процесса в лаборатории Ферментаторы Ферментатор изнутри www.renewables-made-in-germany.com www.suma.de www.lambion.de www.seva.de www.mt-energie.de www.biogas.org www.bioenergie.de Биоэнергетика Жидкое биотопливо В настоящее время биодизельное топливо и биоэтанол являются основными видами биотоплива. Исходными материалами, пригодными для биодизельного топлива, являются растения, содержащие большое количество масел, в том числе рапс, семена ятрофы и подсолнечника, косточки пальмы, соя и орехи. Биоэтанол производится из биомассы, содержащей сахар или крахмал. Биотопливо в основном используется для транспортных средств. Преимущества в сравнении с обычным топливом • Хранение и транспортировка биотоплива в сравнении с обычным топливом менее опасны для людей. Большинство аварий и утечек практически безвредны с экологической точки зрения, так как топливо сравнительно быстро возвращается в биосферу. • Использование биотоплива экономит затраты на импорт сырой нефти. • Биотопливо в виде твердой и газообразной биомассы при сжигании практически нейтрально с точки зрения баланса CO2, так как не оказывает дополнительного влияния на атмосферу. экстракции растительных масел образуется рапсовый или соевый солод. Его можно использовать в качестве высокобелкового корма для скота. Из каждых 100 кг семян рапса получается около 57 кг рапсового солода и 43 кг рапсового масла. После экстракции и рафинирования масло подвергается трансэфиризации с добавлением метанола и катализатора с получением сложного метилового эфира жирной кислоты (FAME/биодизельное топливо). Для глицерина — побочного продукта трансэфиризации — существуют отдельные рынки сбыта. Биодизельное топливо можно использовать в обычных дизельных двигателях. Стандартный процесс производства биодизельного Топлива Переэтерификация рапсового масла для производства биодизельного топлива Растительное масло Метанол (ок. 10%) Переэтерификация Сепарация Биоэтанол Как и обычный спирт, биоэтанол получают ферментацией сахаров с использованием дрожжей, после чего следует процесс очистки. Если используются злаковые культуры, то вначале крахмал в результате ферментативной реакции преобразуется в сахар. Это приводит к образованию побочного продукта в виде сухого экстракта барды. Этот экстракт с содержанием протеинов около 30 % является ценным высокобелковым кормом для животных. Побочными продуктами производства биоэтанола из сахарной свеклы являются барда и мякоть сахарной свеклы, используемые в качестве корма для животных или удобрения. На каждый литр биоэтанола приходится килограмм сухого экстракта барды или 600 г барды с мякотью сахарной свеклы. Выход биоэтанола с гектара площади исходного сырья Выход с гектара площади для разного исходного сырья, используемого в производстве биоэтанола, весьма различен. Например, с гектара сахарной свеклы можно получить топливо, достаточное для 80300 километров пробега, и — в отличие от гектара сахарного тростника — получаемых при этом побочных продуктов достаточно, чтобы обеспечить три четверти годовой потребности в белках для одной коровы. Сырье Километров с гектара В процентах годичного потребления белка коровой 35.000 km + Сахарная свекла 80.300 km + Сахарный тростник 77.500 km + Пшеница 36 % 74% 0% Источник: BDBe Биодизельное топливо После получения масла из маслянистых культур оно подвергается обратной эфиризации в химической установке для производства биодизельного топлива. В процессе Очистка Очистка Биодизельное топливо Глицерин (ок. 10%) Перспективы Усовершенствование испытанных технологий производства уже вошедших в практику видов биотоплива сопровождается согласованной поддержкой разработки новых технологий с использованием альтернативных биогенных ресурсов. В настоящее время разрабатываются технологические процессы по производству биотоплива на базе самых различных материалов, в том числе древесины и соломы, а также отходов. Жидкое топливо из биомассы (BtL) имеет большой потенциал с очки зрения снижения выбросов парниковых газов. Технология получения жидкого топлива из биомассы включает в себя термическую газификацию биомассы с последующей очисткой и сжижением полученного синтезгаза. Также интенсивно осуществляется разработка и ввод в действие производства биодизельного топлива из водорослей с высоким содержанием масел. Ввиду необходимости общественного признания новых технологий, производство и продажи биодизельного топлива в будущем должны быть связаны с доказательствами его экологической безвредности. Летом 2009 года Директивой по возобновляемым источникам энергии для Евросоюза были установлены соответствующие нормы, регулирующие, помимо прочего, требования к импорту биодизельного топлива. Согласно Директиве государства-члены Евросоюза обязаны создать у себя системы сертификации на основе критериев экологической безвредности, заложенных в Директиве. Целью данной сертификации является контролируемое снижение выброса парниковых газов на всех этапах производственно-сбытовых цепочек, а также предотвращение отрицательного влияния на общественные стандарты и биологическое разнообразие в странах, производящих биотопливо. Германия является первопроходцем в области внедрения требований, установленных Директивой о возобновляемых источниках энергии, и уже разработала комплексную систему для проверки экологической безвредности продуктов биоэнергетики. www.renewables-made-in-germany.com www.suma.de www.lambion.de www.seva.de www.bioenergie.de Гидроэнергетика Использование энергии воды Успешное развитие гидроэнергетики Гидроэлектростанции надежно вырабатывают электроэнергию по выгодным ценам вот уже более 100 лет. Высокий уровень эксплуатационной готовности и надежности энергоснабжения в сочетании с постоянно растущими ценами на ископаемое топливо делает гидроэнергетику дешевым и надежным источником электроэнергии. Поскольку некоторые типы гидроэлектростанций в состоянии накапливать энергию и при возникновении потребности обеспечивать быструю подачу электричества, они вносят значительный вклад в стабильность работы сетей электроснабжения. Гидроэлектростанции снижают зависимость от импорта энергии и связанные с этим риски. В районах без развитой системы энергоснабжения гидроэнергетика способна обеспечить базу для регионального экономического развития. вышает уровень ее потребления и имеются дополнительные мощности (например, в ночное время), то вода перекачивается насосом из нижнего резервуара в верхний. Там она остается до тех пор, пока не потребуется для выработки электроэнергии в периоды пиковой нагрузки. Генератор приводится в действие активными гидротурбинами, одним из типов которых является так называемая турбина Пелтона. Приплотинная гидроэлектростанция Технологии и применение Существуют три основных типа гидроэлектростанций: русловые, водохранилищные и гидроаккумулирующие. Наиболее распространенным типом по всему миру является русловая электростанция, или речная электростанция, которая использует энергию течения реки. КПД таких электростанций достигает 94 %, а вырабатываемая ими энергия используется, как правило, для покрытия базовой нагрузки. Мощность электростанции определяется скоростью потока и уровнем воды. Некоторые русловые электростанции могут накапливать воду в периоды низкого энергопотребления и затем использовать ее в качестве резервной воды в периоды повышенного потребления электричества. Особым типом русловой гидроэлектростанции является деривационная гидроэлектростанция. В данном случае вода перекрывается плотиной и отводится по отдельному заборному каналу для подачи в турбины. Разность по высоте между нижним и верхним уровнем воды у стандартной русловой гидроэлектростанции незначительна, в то время, как деривационная гидроэлектростанция работает с большим перепадом высот (или большим напором), создаваемым плотиной. В водохранилищной электростанции вода скапливается в природном или искусственном озере и затем подается через напорный водовод в расположенную на более низком уровне электростанцию. Так как водохранилищные электростанции действуют независимо от сезонных колебаний стока воды, они идеально подходят для компенсации нестабильности в процессах выработки и потребления электроэнергии на региональном и государственном уровне. В отличие от водохранилищной гидроаккумулирующая электростанция использует два резервуара с максимально возможным перепадом высот между верхним и нижним резервуаром. Если объем выработки электроэнергии пре- Турбины Тип используемой турбины зависит от нормы стока и напора (давления) воды. Одним из старейших типов турбин является обычная радиально-осевая гидротурбина, которая по-прежнему используется в основном на гидроэлектростанциях малой мощности. Она годится для низких напоров и средних норм стока. Турбины на основе архимедова винта могут также использоваться при низких напорах и малой мощности. Поворотно-лопастные и трубчатые гидротурбины находят применение при низких напорах и высоких нормах стока и пригодны для переменного объема воды. Эти типы турбин обычно работают на крупных русловых гидроэлектростанциях с малым перепадом уровней от 6 до 15 метров. Турбина Пелотна годится для больших напоров и низких норм стока. Прямоточные турбины используются при низком напоре и малых нормах стока и являются, как правило, маломощными. NaturEnergie AG ANDRITZ HYDRO Voith Siemens Hydro Power Generation Voith Siemens Hydro Power Generation NaturEnergie AG www.renewables-made-in-germany.com Гидроэнергетика Малые ГЭС Малые ГЭС являются экологически чистыми и надежными энергоустановками, работающими на возобновляемом источнике энергии, с незначительным влиянием на окружающую и социальную среду. На международном уровне не существует общего мнения о том, какую ГЭС следует считать малой. В Китае они могут иметь мощность до 50 МВт, в Индии – до 25 МВт, а в Швеции малыми считают ГЭС мощностью до 1,5 МВт. В Европейской ассоциации малой гидроэнергетики (ESHA) и Европейской комиссии общей нормой, определяющей малые ГЭС, является мощность до 10 МВт. ANDRITZ HYDRO ANDRITZ HYDRO В Германии строительство новых малых ГЭС мощностью от 100 до 1000 кВт обходится в сумму от 4 000 до 6 000 евро за кВт. При номинальной рабочей нагрузке от 3 000 до 5 000 часов полной нагрузки в год затраты на производство электроэнергии этими станциями составляют от 10 до 23 центов за киловатт-час. Стоимость производства электроэнергии малыми ГЭС мощностью ниже 100 кВт в ряде случаев значительно выше. Малые ГЭС в основном относятся к русловому типу, имея лишь небольшое водохранилище или работая вообще без водохранилища. Русловая гидроэлектростанция Основные типы турбин для малых ГЭС Радиально-осевая гидротурбина имеет корпус спиральной формы. Она используется для низких напоров и средних норм стока. Регулируется только распределитель. Вода поступает радиально в рабочее колесо и выходит вдоль оси вращения. Прямоточные турбины являются, как правило, маломощными и находят применение для низких напоров и малых норм стока. Вода проходит через колесо турбины по касательной. Турбина Пелтона применяется при больших напорах и малых нормах стока. После напорного водовода вода подается через патрубки с высокой скоростью на лопатки турбины. Турбины на основе архимедова винта используют при низких напорах и малой мощности. OSSBERGER GmbH + Co Турбина Пелтона Турбина проточного типа Эти турбины работают в противоположном направлении благодаря применению архимедова винта и могут иметь более высокий КПД по сравнению с другими турбинами при малых перепадах уровня воды, даже при работе в режиме неполной мощности. Турбины на основе архимедова винта отличаются низкой проектной стоимостью и позволяют пропускать идущие вниз по течению стаи рыб. Эти турбины рекомендуется использовать для замены маломощных турбин или водяных колес в случае их реконструкции. Перспективы Оптимизация и модернизация существующих гидроэлектростанций открывает потенциальные возможности для эксплуатации более мощных ГЭС без вредного влияния на окружающую среду. Экологическое состояние водоемов можно улучшить путем принятия целенаправленных мер экологической компенсации, таких как оборудование отдельных каналов для миграции рыб, улучшение структурного разнообразия в водохранилищах гидроэлектростанций (например, дно из щебня), изменение формы речного берега или соответствующий минимальный контроль качества воды. Создание природных объектов, например, прокладка ручьев по периметру гидроэлектростанции, облегчают миграцию рыб и других мелких организмов. Скорость потока можно снизить посредством камней или пучков пластиковой щетины, которые дают рыбе возможность спрятаться и отдохнуть. F. Kerle/Universität Stuttgart Voith Siemens Hydro Power Generation OSSBERGER GmbH + Co OSSBERGER GmbH + Co Маломощная ГЭС, работающая в естественном режиме реки Рыбоподъемник ГЭС, работающая в естественном режиме реки www.renewables-made-in-germany.com Геотермальная энергия Глубинная геотермальная энергетика Геотермальная энергия — это тепло, скрытое под твердой оболочкой земного шара. С ростом глубины относительно земной поверхности растет температура. Во всем мире на каждые 100 м глубины повышение температуры составляет примерно 3 °C. Согласно современным оценкам температура в земном ядре составляет 5000–6000 °C. По человеческим меркам ресурсы подземного тепла практически неисчерпаемы. Основным источником геотермальной энергии в земной коре является радиоактивный распад — остаточное тепло со времен формирования нашей планеты. Кора (ок. 30 км) ~ 3°C/100 см Мантия >1200°C Ядро ~ 5000 °C Геотермальная энергия является надежной основой для экологически безопасного и недорогого производства энергии, особенно в областях с географически благоприятными условиями (например, в зонах повышенной вулканической активности, где температура почвы достигает 200 °C). В таких странах как Германия, Италия, Индонезия, Мексика и США использование геотермальной энергии является неотъемлемой частью энергетической стратегии на протяжении многих лет. В зависимости от глубины бурения различают два способа извлечения геотермальной энергии: глубинный и поверхностный. потенциал геотермальной энергии для промышленных или коммерческих целей — при высоких температурах, или для сельскохозяйственных целей — при низких температурах. В гидрогеотермальных энергетических установках используется горячая вода непосредственно из подземных водоемов, расположенных на большой глубине. В зависимости от расхода и температуры термальной воды гидрогеотермальную энергию можно применять для производства только тепла или тепла и электричества. Водоносные породы (водоносные горизонты) с температурами приблизительно от 100 °C уже можно использовать для выработки электроэнергии. Использование глубинных нагретых полостей с небольшим количеством или полным отсутствием воды называют энергетикой на основе сухой нагретой породы. Для размещения резервуара используют кристаллические или плотные осадочные породы на глубинах от трех до шести километров с высокими температурами (более 150 °C). Для формирования трещин и щелей в породе применяются процессы гидравлического и химического стимулирования (расширенные геотермальные системы). Затем через нагнетательную скважину в породу под высоким давлением закачивается холодная вода, которая нагревается и возвращается на поверхность через вторую скважину. Эта горячая вода, в свою очередь, нагревает рабочую жидкость с низкой точкой кипения (цикл Калины или цикл Ренкина на органическом рабочем теле), в результате чего формируется пар для турбины. Тепло также можно подавать через теплообменник в сети центрального отопления. Принцип получения геотермальной энергии на основе сухой нагретой породы с использованием цикла Ренкина на органическом рабочем теле Генератор Турбина M Конденсатор Глубинную геотермальную энергию можно использовать как для выработки электроэнергии на электростанциях, так и для теплоснабжения крупных отопительных сетей для промышленного использования или отопления зданий. Глубинная геотермальная энергетика подразделяется на гидрогеотермальную энергетику, энергетику на основе сухой нагретой породы (HDR) и энергетику с использованием глубинных геотермальных зондов. Глубинный геотермальный зонд — это замкнутая система для получения геотермальной энергии, состоящая из одной скважины глубиной от 400 до нескольких тысяч метров. Извлекаемую энергию используют для непосредственного нагрева, что позволяет полностью использовать весь International Geothermal Association ~ Испаритель ca. 0,5–1 км Эксплуатационная скважина Гидравлическое стимулирование Нагнетательная скважина 101–102 м H. Anger‘s Söhne Bohr- und Brunnenbaugesellschaft mbH GFZ Potsdam Stadtwerke Bad Urach/H. Tenzer www.renewables-made-in-germany.com www.geothermie.de 3–5 км Источник: GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum www.bosch-thermotechnik.de GFZ Potsdam Геотермальная энергия Поверхностная геотермальная энергетика Поверхностную геотермальную энергию получают на глубинах до 400 м. Поскольку температура земной коры намного стабильнее, чем температура воды или воздуха, это оптимальный источник энергии для охлаждения и отопления зданий. На глубине примерно 15 м и, в зависимости от геологических условий, до максимум 40 м температура верхних слоев земной коры подвержена сезонным колебаниям и влиянию солнечного излучения. На этих глубинах преобладают температуры, немного превышающие среднегодовую температуру земной поверхности. Начиная с этих глубин, температура повышается с геотермальным градиентом приблизительно 3 °C на 100 м, достигая 20–25 °C на глубине около 400 м. Для использования поверхностной геотермальной энергии используются различные системы, в том числе геотермальные коллекторы, геотермальные зонды, энергетические сваи и другие контактирующие с грунтом бетонные блоки. Обычно тепло, извлекаемое с небольших глубин, дополняется тепловыми насосами для снабжения зданий теплом или горячей водой. При использовании для отопления подземные тепловые насосы повышают температуру почвы до уровня, необходимого для здания, извлекая тепло из земли за счет циркуляции. Однако постоянные температуры, преобладающие под землей, также можно использовать для непосредственного охлаждения зданий без использования теплового насоса. Если земля не обеспечивает достаточного охлаждения, можно применять тепловые насосы в режиме реверса для обеспечения требуемой холодопроизводительности. Оптимально настроенный тепловой насос может улучшить климат внутри здания и снизить расходы на отопление и охлаждение. Геотермальные коллекторы прокладываются горизонтально на глубине 80–160 см и подвержены воздействию погодных условий, действующих на поверхности. Для использования подземного тепла через коллекторы пропускается теплоноситель. Геотермальные зонды наиболее широко распространены в странах Центральной и Северной Европы. Они устанавливаются на глубине 50–160 м для использования поверхностной геотермальной энергии. Они занимают немного места и работают при постоянной температуре. Пластиковые трубы (из полиэтилена высокого давления) соединены в контуры и подключены к системе охлаждения и отопления здания. Циркулирующий по трубам теплоноситель поглощает тепло окружающего грунта и переносит его в тепловой насос. Этот метод можно применять для систем охлаждения и отопления разной мощности — от небольших установок для индивидуальных жилых домов до систем для крупных жилых комплексов. Энергетические сваи — к этому типу установок относятся глубоко забитые бетонные сваи, подземные перегородки и другие подземные бетонные конструкции с проложенными внутри них пластмассовыми трубами, по которым в качестве теплоносителя протекает вода, поглощающая геотермальную энергию для отопления или охлаждения. Геотермальное тепло нагревает холодную воду в бетонных сваях, и теплая вода подается через тепловой насос для отопления здания. В летнее время эту систему можно использовать для небольшого охлаждения помещений. Теплонасосная система с энергетическими сваями Теплонасосная система с геотермальными коллекторами Bosch Thermotechnik GmbH Окружающий воздух также может являться источником энергии для тепловых насосов благодаря постоянному наличию и доступности. Так называемый «температурный напор» теплового насоса для подземных зондов может сохранять относительное постоянство на протяжении года, поэтому потребление энергии, необходимой для его работы, остается на невысоком уровне. Bosch Thermotechnik GmbH www.renewables-made-in-germany.com www.geothermie.de www.bosch-thermotechnik.de Автономные возобновляемые источники энергии Photovoltaics Доступ к энергии Energiebau Solarstromsysteme GmbH Energiebau Solarstromsysteme GmbH Расширение доступа к энергии — это необходимое условие для экономического, социального и экологического развития человека. В проекте ООН «Millennium» подчеркиваются тесные связи между использованием энергии и восьмью целями в области развития человечества на рубеже нового тысячелетия. Невозможно эксплуатировать завод, содержать магазин, выращивать урожай или поставлять товары заказчикам без использования какого-либо вида энергии. Доступ к электричеству особенно важен для развития человека, поскольку без электричества фактически невозможно осуществление какой- либо деятельности. Электричество требуется для освещения, охлаждения, работы бытовой техники. Между тем, согласно оценкам Международного агентства по энергетике в 2008 году 1,45 млрд человек (или 22 % населения земного шара) не имели доступа к электричеству. 85 % из них проживают в сельской местности. В развивающихся странах средний показатель электрификации в сельских областях составлял 58 %. В то время как страны Латинской Америки и Азии значительно ускорили электрификацию с 2002 года, большинство стран Африки к югу от Сахары находятся далеко позади и даже не могут удовлетворить нужды растущего населения. Более того, во многих странах электросети отличаются нестабильностью и низким уровнем напряжения, а системы резервного электроснабжения работают на дорогом и зависящем от импорта дизельном топливе. Количество людей, не имеющих доступа к электричеству, в сценарии новой энергетической политики* (млн) Китай 8 Индия Африка ниже Сахары 4 27 2 12 381 281 Другие развивающиеся страны азиатского региона 59 465 40 212 328 108 120 Латинская Америка 23 544 8 Население планеты, не имеющее доступа к электроэнергии 1,441 1,213 214 161 1,227 Границы, названия и обозначения, использованные на карте, не подразумевают официального подтверждения или одобрения МЭА. 1,052 2009 2030 сельские районы городские районы Источник: Energy Poverty – How to make modern energy access universal (Энергетическая бедность – Как сделать доступ к современным видам энергии универсальным)? * В сценарии “Новые политики” учтены те широкоохватные политические декларации, которые уже были озвучены. Phocos AG SMA Solar Technology AG Энергия, получаемая из возобновляемых источников, позволяет вырабатывать электричество независимо от государственной электросети или импорта ископаемого топлива. Солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия и биоэнергия, по отдельности или в сочетании друг с другом в так называемых «гибридных системах», могут обеспечить автономное электроснабжение для: • развития телекоммуникационных сетей и сетей мобильной связи; • использования экологически чистой электроэнергии в туристических отраслях; • электрификации сельской местности (солнечные энергоустановки домашних хозяйств); • систем резервного электроснабжения в городской или полугородской местности, где электросети работают нестабильно; • социальных учреждений, таких как больницы, школы, поликлиники, ветеринарные службы; • малых электросетей поселков, небольших городов, военных баз, природных заповедников; • водоразборных насосов; • освещения улиц и знаков на автомагистралях; • переносных установок. Теплоснабжение Возобновляемые источники энергии также могут поставлять тепло. Тепловые солнечные энергосистемы могут обеспечивать горячее водоснабжение жилых домов, гостиниц или больниц, отопление помещений, а также подачу технологического тепла для промышленных предприятий. Биогаз можно использовать для приготовления пищи. Выбор технологии Во многих ситуациях использование возобновляемых источников энергии экономически выгодно, и некоторые системы можно интегрировать в электросеть, если она будет впоследствии расширена. Однако для успешной реализации проекта необходимо выбрать подходящую технологию. Технологии следует выбирать на основании тщательной оценки текущей и будущей потребности в энергии, доступных местных энергетических ресурсов, а также расходов на установку, ввод в эксплуатацию, эксплуатацию и техническое обслуживание установок. Steca Elektronik GmbH Phocos AG Fraunhofer ISE Phocos AG Steca Elektronik GmbH Phocos AG Phocos AG Phaesun GmbH www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.donauer.eu www.phocos.com www.ise.fraunhofer.de www.sma-solar.com Автономные возобновляемые источники энергии Photovoltaics Солнечная энергия Фотоэлектрическая энергетика Фотоэлектрическая технология обеспечивает выработку электричества напрямую из солнечного света. Фотоэлектрические элементы можно эффективно использовать почти в любой точке на земном шаре, и часто этот способ выработки электроэнергии является наиболее эффективным. Возможно создание систем разной мощности — от компактных переносных фонарей на солнечных батареях до домашних солнечных энергоустановок и более мощных систем для предприятий, больниц и других учреждений. Более мощные малые электросети способны обеспечить электроснабжение нескольких зданий, поселка или даже небольшого города. В большинстве автономных фотоэлектрических систем электричество хранится в аккумуляторных батареях и используется по мере необходимости. В более мощных системах, в которых базовую нагрузку обеспечивают обычные генераторы, аккумуляторные батареи можно не использовать. В маломощных системах (с пиковой мощностью < 100 Втфэ) вместо переменного тока используется постоянный ток. Домашние солнечные энергоустановки Домашние солнечные энергоустановки обеспечивают электроснабжение бытовых нужд — например, работу освещения, радио, телевизоров, холодильников, стационарных и мобильных телефонов, вентиляции, компьютеров, швейных машин и т.п. Система состоит из солнечной батареи, аккумулятора и регулятора заряда и служит для электропитания приборов постоянного тока. Предпочтительно использовать приборы с низким энергопотреблением, например, энергосберегающие и светодиодные лампы или экономичные холодильники постоянного тока. При необходимости можно установить инвертор, чтобы обеспечить питание электроприборов переменного тока. Домашние солнечные энергосистемы поставляются в виде компактных, полностью укомплектованных блоков. Параметры электропитания и мощность адаптированы к индивидуальным требованиям. Преимущества: отработанная технология, удобство монтажа, простая эксплуатация, малая потребность в техни- Phaesun GmbH Fraunhofer ISE ческом обслуживании и легко встраиваемые системы предварительной оплаты. Водоснабжение в сельской местности Установки на базе солнечных энергетических систем обеспечивают подачу как питьевой воды, так и воды для орошения и содержания скота в отдаленных регионах вдали от сетей электропитания. Насосы с питанием от фотоэлектрических батарей используются для подачи воды из водоемов или выкачивания грунтовых вод, причем даже с большой глубины. Солнечный генератор обеспечивает непосредственное питание центробежных или мембранных насосов. В данном случае функцию накопителя энергии выполняет водяной бак: вместо электричества накапливается вода, которую можно использовать в любой момент. Также применяются гибридные системы, использующие энергию солнца и ветра в сочетании с аккумуляторными батареями. Электроэнергия, выработанная в течение дня, накапливается в аккумуляторах, чтобы ее можно было использовать в ночное время или при плохой погоде. Регулятор заряда контролирует степень заряженности аккумулятора и обеспечивает защиту от перезарядки и полной разрядки. Воду можно очищать с помощью микрофильтров или ультрафиолетовых установок без добавления химикатов. Для опреснения морской воды применяются процессы, использующие тепло солнца, а также системы обратного осмоса с питанием от фотоэлектрических энергоустановок. juwi Phaesun GmbH SMA Solar Technology AG Преобразователь для работы в автономном режиме Батареи (опция) Преобразователь для работы в автономном режиме, с контроллером заряда-разряда фотовольтаической системы и аккумуляторным блоком Погружной насос Energiebau www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.donauer.eu www.phocos.com www.ise.fraunhofer.de www.sma-solar.com Автономные возобновляемые источники энергии Photovoltaics Прочие технологии и гибридные системы ANDRITZ HYDRO Johannes Hübner – Fabrik elektrischer Maschinen GmbH Energiebau Энергия ветра Для создания автономных энергоустановок можно использовать ветряные турбины малой и средней мощности (с ротором диаметром около 20 м, номинальная мощность приблизит. 100 кВт). Выходная мощность ветряных турбин напрямую связана с ветровым режимом на месте их установки. В идеальном случае на предполагаемом месте размещения ветряной энергоустановки при помощи специального оборудования следует провести измерение параметров ветра в течение года . Требуется точное знание диаграммы среднегодовой скорости ветра — на основании этой диаграммы можно построить кривую мощности ветротурбины, что позволит рассчитать прогнозируемую выработку электроэнергии для разных времен года. Гидроэнергия Так называемые пико-ГЭС и микро-ГЭС вырабатывают электричество, используя энергию текущей воды. Для некоторых конфигураций требуeтся большой перепад уровней воды (10–20 м минимум), другие рассчитаны на медленно текущие воды рек. Под пико-ГЭС, как правило, подразумеваются системы мощностью примерно до 5 кВт. Пико-ГЭС меньшей мощности часто используются для зарядки аккумуляторных батарей, но в большинстве случаев электричество, выработанное пико-ГЭС и микро-ГЭС, используется напрямую. Стоимость электроэнергии, выработанной с помощью ГЭС, как правило, ниже, чем в случае использования ветряных или фотоэлектрических энергоустановок. Тепловая солнечная энергетика Тепловые солнечные энергоустановки использует солнечное тепло для выработки тепловой энергии. С их помощью обеспечивается горячее водоснабжение гостиниц, больниц и жилых зданий, а также подача технологического тепла для применения в промышленности. Солнечные коллекторы собирают тепло и хранят его, как правило, в изолированных водяных баках для дальнейшего использования, хотя некоторые системы используют тепло непосредственно. Существуют различные виды коллекторов: плоские солнечные коллекторы, коллекторы с вакуумными трубами и коллекторы с параболическими зеркалами. Правильно спроектированная солнечная система нагрева воды может обеспечить 60–80 % потребности в тепле в зависимости от расположения объекта. Также существуют солнечные плиты. Технология концентрации солнечной энергии использует солнеч- ное тепло для выработки электроэнергии, как правило, при помощи пара. Биоэнергетика Биоэнергия вырабатывается из отходов животноводства или растений, которые, вследствие фотосинтеза, хранят солнечную энергию. Древесина, органические отходы, навоз и другие вещества растительного и животного происхождения можно использовать для производства твердого, жидкого или газообразного топлива и для выработки тепла и энергии. Твердую биомассу можно сжигать в современных системах отопления или использовать для выработки электричества на теплоэлектростанциях. Биогаз, который производится посредством ферментации органических веществ без доступа воздуха и кислорода (анаэробное сбраживание), можно использовать для приготовления пищи или на теплоэлектростанциях. Жидкое биотопливо используется для транспорта и выработки электроэнергии; некоторые виды биотоплива можно использовать для приготовления пищи. Например, масло из ятрофы используется в качестве замены дизельного топлива из ископаемого сырья, нo его также можно использовать для выработки электричества. Это растение пригодно для сухих жарких регионов, помогает предотвратить эрозию почвы, имеет высокое содержание масла (25–35 %), растет в почвах, не пригодных для продовольственных культур, и может обеспечивать производство топлива в течение 30 лет. Гибридные системы Гибридные системы — это автономные системы электроснабжения, использующие более одного источника энергии. Они применяются для электроснабжения удаленных потребителей и способны удовлетворять высокие требования, предъявляемые к качеству энергии. Подключение всех генераторов и потребителей к стороне переменного тока позволяет расширять систему с помощью стандартных компонентов на гибкой модульной основе. Дизель-фотоэлектрические и дизель-ветряные системы являются самыми распространенными (обычное дизельное топливо можно заменить биодизельным). В эти системы также можно встраивать гидроэлектрические компоненты. Более мощные гибридные системы, использующие генераторы на обычном дизельном топливе, могут обеспечить снижение эксплуатационных затрат по сравнению с установками, использующими только дизель-генраторы. GIZ/Michael Netzhammer Солнечные тепловые установки Шеффлера для получения пара, используемого для приготовления пищи в Индии ДизельГенератор Инвертор Аккумуляторные Инвертор генератор гелиоустановки аккумулятора батареи гелиоустановки www.renewables-made-in-germany.com www.energiebau.de www.juwi.com www.donauer.eu www.phocos.com www.ise.fraunhofer.de www.sma-solar.com