Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбГПУ Владимир Юрьевич Сергеев проф., д.ф.м.н., кафедра физики плазмы. - презентация

1 Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбГПУ Владимир Юрьевич Сергеев проф., д.ф.м.н., кафедра физики плазмы

2 Доклад 2 Альтернативные источники энергии 2/81

3 План 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация 3/81

4 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 1 4/81

5 Раздел 1 Альтернативные источники по странам Renewables global status report 2012; pdf Основные потребители альтернативной энергии – страны ЕС, страны BRICS, США и Япония. Основной источник альтернативной энергии в большинстве стран – ветер. В Германии сильно развита и солнечная энергетика. Удельная выработка самая большая в мире. Альтернативная энергетика Германии будет подробнее рассмотрена в конце лекции. 5/81

6 Вклад альтернативных источников в мировое энергопотребление Раздел 1 Renewables global status report 2012; pdf Рейтинг альтернативных источников: I – ветер, II – биомасса, III – солнце, IV – геотермальная энергия, V – энергия океана и т.д. Из прошлой лекции: среднемировое потребление – 2.2 к Вт, население Земли 7 млрд. человек => мировое потребление 15.4 ТВт. То есть за счет возобновляемых ресурсов (не считая ГЭС) производится ~2.5% энергии. 6/81

7 Раздел 1 Параметры электроустановок Самая развитая технология – ГЭС – пока остается и самой выгодной. Но и альтернативные методики выглядят разумно. В цену входит не только себестоимость, но и государственные субсидии Renewables global status report 2012; pdf Источник Мощ- ность, МВт Кап. вложу. тыс.$/к Вт Себес-ть энергии,$ /кВт ч Окупаемость, лет при продаже за 0.2$/кВт ч (*- при дотациях 50%) Ветер (суша) Ветер (море) Биомасса Фотоэлектр (7.5*) Солн. тепло (12*) Гидротермы Приливы (8*) ГЭС1 – /81

8 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 2 8/81

9 Раздел 2 Происхождение ветра Причина ветра – неравномерный нагрев земной поверхности. Например, на побережьях морей возникают бризы (см. рис.), распространяющиеся до 50 км в сторону моря и суши в условиях слабого переноса воздуха (тропики, субтропики). Они имеют суточную периодичность. В России – летом у берегов Черного и Каспийского морей. Годовые изменения температуры по берегам океанов приводят к стабильным по сезонам областям высокого и низкого давления и вызывают муссоны. В основном также в тропиках, но бывают и в других местностях. В России – на Дальнем Востоке, а также на части побережья Северного Ледовитого океана. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом. Большая Советская Энциклопедия 9/81

10 Раздел 2 На экваторе у земли лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. Потоки воздуха восходящие. На север и на юг от нее расположены зоны пассатов (6-8 м/с у поверхности Земли), которые из-за вращения Земли отклонены к западу (сила Кориолиса). Поэтому в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Вблизи больших континентов они нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. В субтропических широтах зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей дуют переменные ветра между западным и юго- западным направлениями в северном полушарии и между западным и северо- западным в южном. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают вихревые движения, усложняющие схему циркуляции атмосферы. Общая циркуляция земной атмосферы 10/81

11 Раздел 2 Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить об эффективности использования ветродвигателя. Прибрежные зоны – высокая интенсивность ветров. Среднегодовые скорости ветра >6 м/с. На Севере и Сахалине наблюдаются ураганные ветры (>30 м/с). Поэтому там можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высокой быстроходности и прочности. В Арктике и на «дальнем» побережье эффективно применение ветроэлектрических станций, работающих совместно с тепловыми. Юг европейской части России, Урал, юг Сибири – средняя интенсивность ветра. Среднегодовая скорость ветра – 3,5-6 м/с. Возможное применение ВЭС. Север европейской части России, север Сибири (исключая побережье) – скорости ветра <3,5 м/с. Широкое применение ветроустановок экономически не оправдано. Зоны со среднегодовыми скоростями ветра: 1 - выше 6 м/сек; 2 - от 3,5 до 6 м/сек; 3 - до 3,5 м/сек. Ветровые зоны России 11/81

12 Раздел 2 Ветра в Ленинградской области Изолинии распределения средних скоростей ветра по территории Ленинградской области, м/с Зима – наиболее сильные ветры над Ладогой, на ее побережье они слабее. Кроме того, сильны ветра над южным побережьем Финского залива. Весна и лето – узкая полоса сильных ветров между южным побережьем Финского залива и о.Котлин. Осень – интенсивная атмосферная циркуляция на всей территории региона. Наиболее перспективное направление развития – Кронштадт. Получение мощности с материка требует строительства подводной ЛЭП! С другой стороны, через остров проходит путь миграции птиц! Анализ графиков изменения скорости ветра в Кронштадте показывает, что ВЭС может производить выработку электроэнергии от 40 до 70 % времени каждого месяца в течении года. Выработка энергии в часы пик составляет % месячной выработки. 12/81

13 Раздел 2 Использование ветроэлектростанций Классификация ветродвигателей Крыльчатые Вертикальные Барабанные Ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра Ветровое колесо имеет вертикальную ось вращения Ветровое колесо вертикально, ось вращения горизонтальна, перпендикулярна направлению ветра (в) Карусельные (а) Роторные Савониуса (б) 13/81

14 Раздел 2 Преимущества и недостатки разных типов ветродвигателей Все ветродвигатели, кроме роторных, требуют ориентации самого двигателя или его ширмы по ветру. У вертикальных и барабанных ветродвигателей: а) ветровая нагрузка действует на лопасти поочерёдно => использование энергии ветра мало; б) размеры используемой части потока малы по сравнению с колесом => растет вес установки. Быстроходность – отношение скорости конца лопасти к скорости ветра: Z = ωR/V По этому параметру крыльчатые ветродвигатели делятся на многолопастные тихоходные (Z2), малолопастные тихоходные (Z>2), малолопастные быстроходные (Z>3). В настоящее время наиболее широко используются малолопастные крыльчатые и роторные ветродвигатели Типы ветродвигателей 14/81

15 Раздел 2 Скорость ветра V – расстояние в метрах, проходимое воздухом в течение одной секунды. Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение A со скоростью V: m=WAV Тогда мощность будет составлять (без учета КПД): P=0.5WAV 3 Под действием ветра поверхность движется со скоростью U Отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью, к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение А, равное этой поверхности: Здесь С х – коэффициент лобового сопротивления, ξ – коэффициент использования энергии ветра, зависит от скорости U перемещения поверхности в направлении ветра. При U=0 и U=V скорость ветра не используется!!! Для получения максимального ξ необходимо U=V/3 (что соответствует ξ=0.192). В случае реального ветроколеса задача сложнее, необходимо учитывать вращение и наклон плоскости лопастей в результате значения ξ возрастают. Работа поверхности под действием ветра Городов Р.В. и др., ТПУ, Томск, /81

16 Раздел 2 Работа ветрового колеса Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра. Крыло состоит из маха а и лопасти б, образующей с плоскостью вращения угол φ – угол заклинения лопасти. Набегающий воздушный поток действует с силой R, раскладываемой на P x – лобовое давление ветра, и P y, создающей крутящий момент. Так как круговая скорость элемента лопасти возрастает по мере удаления от оси, то при постоянном φ интегральное использование энергии ветра не будет оптимальным. Оптимизация – угол φ уменьшается с ростом расстояния от оси. У оптимизированных ветродвигателей коэффициент использования энергии ветра с учетом потерь ξ max_real /81

17 Простейшая оценка мощности Из приведенных выше выражений ясно, что мощность можно оценить по формуле: P= 0.5ξWAV 3 Видно, что чем больше ометаемая площадь – тем больше мощность. Скорость ветра растет – мощность растет кубически! Жаль, что нельзя увеличить плотность воздуха :) Можно сделать простую оценку: диаметр 100 м – стандарт для современного ветряка, скорость ветра 7 м/с (Кронштадт), плотность воздуха 1.3 кг/м 3, коэффициент использования положим 0.4. P = = 700 к Вт На побережье Голландии, Германии, Дании средняя скорость ветра – м/с, на склонах холмов – м/с. Мощность ветряка диаметром 100 метров при этом будет превышать 3.1 МВт! Современный крупный ветряк – Enercon E-126 (Германия) – диаметр 127 м, мощность до 7.5 МВт, стоимость 11 млн. За установлено 147 шт. European Wind Atlas - Enercon - htm Раздел 2 17/81

18 Раздел 2 Экономические характеристики Экономически более выгодно строить большие ветряки (мощность пропорциональна ометаемой площади). По прогнозу, в ближайшие годы себестоимость ветроэлектричества будет снижаться на 1-5% в год (большой разброс предсказаний!). US National Renewable Energy Laboratory, pdf 18/81

19 Раздел 2 Основные проблемы и методы их решения Звук: На уровне оси ветроколеса у ВЭС мощностью 850 к Вт уровень шума – 104 дБ. Необходимо относить ВЭС на 300 м от жилья – шум снижается до дБ (улица средней оживленности). Невозможно устроить пастбище – снижаются удои молока! Инфразвук: ВЭС генерируют звуковые волны частотой 6-7 Гц. Современные модели ветряков излучают инфразвук силой менее 60 дБ – ниже установленного СНиП. Птицы: Попадание птиц под вращающиеся лопасти (Заметим, потери птиц на ЛЭП в сотни раз больше). Климат: энергия ветра передается лопастям => ухудшается вентиляция местности. Законодательство: В Европе и США ВЭС – дотируемое направление, уже выходящее на самоокупаемость. В России нет ни дотаций, ни правил закупки излишков энергии ВЭС. Перспективные направления Дешевые ВЭС малой мощности с буферными батареями для локальных потребителей Эксплуатация ветряков больших размеров (диаметр ротора >100 м) мощностью >3 МВт Оптимизация расположения по ветровым зонам (север и восток России значительно более выгодны, чем Европа => быстрая окупаемость). Проблемы и перспективы 19/81

20 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 3 20/81

21 Виды биотоплива Дерево МусорСпирты Древесное топливо Древесные отходы (опилки и пр.) Твердые отходы (макулатура, упаковка и т.д.) Сельско- хозяйственные отходы (навоз, солома, жмых) Этиловый спирт и пр. Раздел 3 21/81

22 До середины XIX в. древесина – основной источник энергии Даже в индустриально развитых странах древесина все еще используется как источник энергии Применяется в основном на деревообрабатывающих производствах для получения пара и электричества, дополнительная экономия за счет уничтожения (вместо вывоза) отходов производства Топливные гранулы (пеллеты) – результат прессования при высокой температуре отходов производства: древесные опилки, стружка, кора, сучки, ветки и т.д. Технология разработана в России в 1830-х годах А.П.Вешняковым первоначально для использования отходов древесного и каменного угля. Теплота сгорания 1 кг гранул = 1.6 кг дров. Зольность ~1% (дрова – 20%). Древесные гранулы Древесина - первое биотопливо Раздел 3 22/81

23 Биогаз 1. Мусор как топливо для небольшой ТЭС ~10 МВт. 2. Оборудование свалок системой сбора метана. При гниении бытовых отходов выделяется биогаз (метан). В заполненной свалке перед герметизацией устанавливается система сбора метана. Метан используется как топливо для ТЭС. Минус – медленное гниение в герметизированном пространстве, большая часть отходов мумифицируется, а не разлагается. Более выгодна разработка специальных биореакторов Раздел 3 23/81

24 Биореактор – устройство для получения энергоносителей из индустриальных и сельскохозяйственных отходов и биомассы сельскохозяйственных растений. Наиболее распространенный тип биореактора – метантенк (вещество сбраживается без доступа воздуха при подогреве до 30-50°С, на выходе – биогаз: ~65% метана, ~30% углекислого газа). Статистическая информация Китай : с 1970-х годов строится 1 млн метантенков в год г – 30 млн метантенков используют 10 9 т отходов => 5·10 11 м 3 метана в год – обеспечивает 30% потребности газа. Индия: 1930-е г – принятие первой в мире программы использования биогаза. 1 млн метантенков производит более 10 9 м 3 метана в год. Государство субсидирует их установку. США: на биогаз перерабатывается 372 млн т отходов в год с получением 1.5·10 11 м 3 метана, что обеспечивает 1.9% потребления газа. Англия: с 1990 г биогаз покрывает все энергозатраты в сельском хозяйстве. Германия: основное направление – производство газа для работы небольших ТЭС. На 2010 год 5905 установок производят 2.3 ГВт электрической мощности (12.6% от всего производства за счет возобновляемых ресурсов). Использование биореакторов Раздел 3 24/81

25 Раздел 3 В навозе заключена почти половина энергии, поступающей на ферму с кормами! Производительность: Переработка навоза от 10 голов крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м 3 биогаза, от 10 свиней – 1-3 м 3. Тонна соломы дает 300 м 3 биогаза, тонна бытовых отходов м 3. Потребность в газе деревенского дома, включая отопление и горячее водоснабжение, составляет в среднем 10 м 3 в сутки => ферма экономит на газе и на переработке отходов. Затраты: Так как температура окружающей среды ниже оптимальной для культуры бактерий, то часть газа тратится на подогрев реактора. Результат: Биореактор объемом 50 м 3 дает в сутки 70 м 3 осушенного биогаза (содержит % СН 4 ), что обеспечит 7 деревенских домов. Энергоемкость получаемого газа – 23 МДж/м 3. Годовой выход – 25 тыс. м 3 – позволяет сэкономить 17 т жидкого топлива. Транспортировка: Давление газа, получаемого в биореакторе (1-3·10 3 Па), достаточно для его подачи на расстояние до 0.5 км без компрессоров. Пример использования: С 2010 года биогаз поставляется в газовую сеть Англии: отходы домов в Оксфордшире производят метан для обеспечения 200 домов. Экономическое обоснование 25/81

26 Раздел 3 Спирт в естественных условиях образуется из сахаров дрожжами (до 10%), для повышения концентрации – перегонка (дистилляция) (до 95%), обезвоживание – перегонка совместно с бензолом. Основные энергозатраты связаны с дистилляцией. Использование отходов биомассы для выработки электроэнергии и обеспечения производства теплом – основа рентабельности получения этанола.Биоэтанол 26/81

27 Раздел 3 1. Из промышленной сахарозы из сока сахарного тростника: С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О дрожжи 4С 2 Н 5 ОН + 4СО 2 В производстве выход ограничивается конкурирующими реакциями и потреблением сахарозы на увеличение массы дрожжей, до величин около 80%. 2. Из сахарной свеклы получается сахар для сбраживания. Меньше отходов для получения тепла => процесс получения этанола дорожает. 3. Из растительного крахмала, например, из злаковых, подвергаемого гидролизу на сахар. Крупные молекулы крахмала могут быть разрушены на глюкозные остатки ферментами солода или грибков; либо при обработке сильными кислотами, что удорожает процесс. 4. Из целлюлозы. Имеет полимерную структуру связей молекул глюкозы, трудно поддающуюся гидролизу. Гидролиз целлюлозы в кислоте дорог и энергоемок. При использовании грибков – дешевле, но медленнее. В основе промышленного процесса – использование измельченной древесной массы или старых газет. Механическое разрушение древесины – наиболее энергоемкая и дорогая стадия процесса. Процессы производства этанола 27/81

28 Раздел 3 Культура Выход этанола из 1 т культуры, л/т Основные регионы производства Сахарный тростник 70Центральная Америка Маниок 180Центральная Америка, Тихоокеанский регион Сладкое сорго 86Азия, США Сладкий картофель 125Азия, Центральная Америка Зерновые, кукуруза 370Повсеместно, лидер – США Плодовые 160Повсеместно Выход этанола из некоторых культур Отходы производства годятся для производства биогаза! 28/81

29 Раздел 3 Варианты: переделка двигателей под 95% этанол, либо заправка обычных двигателей смесью из 100% этанола с бензином в соотношении 1:10. Смесь бензина с обезвоженным этанолом – газохол – применяется в Бразилии, в США. Не требует переделки двигателя. Добавка этанола позволяет выдерживать ударные нагрузки без взрыва – заменитель свинецсодержащих присадок. Кроме того, уменьшается выброс СО. Теплота сгорания этанола (24 МДж/м 3 ) на 40% ниже, чем у бензина (39 МДж/м 3 ), но эффективное горение компенсирует уменьшение теплотворной способности. То есть двигатели потребляют примерно одинаковое количество газохола и бензина. Перспектива: смесь этанола с бензином в соотношении 85:15 (т.н. Е85), популяризируется в США, Бразилии, Швеции. Расход топлива возрастает не более чем на 12%. Проблемы: с возрастанием содержания спирта топливо становится агрессивным по отношению к резине. В обычных двигателях может применяться лишь краткое время. Использование этанола в качестве топлива 29/81

30 Энергетическая ферма – производит энергию в качестве основного или дополнительного продукта тех видов деятельности, в результате которых образуются органические отходы. Простейшая цель – только производство энергии, но с помощью энергетического анализа выгодно найти наилучшее соотношение между получением из различных видов биомассы энергии, топлива и т.д. Пример – комплексная переработка сахарного тростника Ферма Доставка сырья Измель- чение Жмых Сок Водопаровой котел Сахар Патока фанера электричество тепло рафинад др. продукты спирт корм др. продукты Сжигание отходов переработки – обеспечение энергией и теплом. Электричество и спирт – выполнение транспортных операций. Можно добиться почти полного самообеспечения фермы энергией. Максимально полное использование отходов Раздел 3 30/81

31 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 4 31/81

32 Раздел 4 Источник энергии солнечного излучения – термоядерная реакция на Солнце. Но ей надо преодолеть атмосферу! До земли дойдет не все! Атмосферная масса АМ – отражает влияние атмосферы на интенсивность и спектр излучения, дошедшего до земли. АМ(р) = (р/р 0 )·sin -1 θ, где р – давление, θ – высота Солнца над горизонтом. На самом деле поглощение солнечного излучения также зависит и от длины волны излучения, и от местных средних атмосферных условий. Результаты расчета с учетом влияния атмосферы представлены на следующем слайде. Интенсивность солнечного излучения 32/81

33 Раздел 4 Распределение солнечного излучения Верхний рисунок: среднегодовая внеатмосферная плотность солнечного излучения, Вт/м 2 Нижний рисунок: распределение приповерхностной плотности излучения, расчет по модели климата. Учтены атмосферное поглощение и отражение. 33/81

34 Солнечные ресурсы России По материалам журнала «Экологические системы», 11, 2009 г. htm Раздел 4 Плотность солнечной энергии России ниже в 2-4 раза плотность в наиболее эффективных «пустынях» 34/81

35 Раздел 4 Россия: влияние облачности Продолжительность солнечного сияния в России также ниже в 2-4 раза показателей в «солнечных» странах 35/81

36 Раздел 4 Тепловые: Фотоэлектрические: Используют энергию солнечной радиации для выработки электроэнергии Солнечная энергия Тепловая энергия Электрическая энергия Солнечная энергия Электрическая энергия Паровой котел Турбинный генератор Фотоэлектрический генератор Пример: Solar Energy GS, США Последний этап сдан в приемников излучения 354 МВт Пример: Agua Caliente, США Очередной этап сдан в млн фотоэлектромодулей 247 МВт (к 2014 г. – 397 МВт) Солнечные электростанции 36/81

37 Раздел 4 Основное направление утилизации солнечной теплоты – использование схем с концентрированием солнечной энергии посредством зеркал или линз. Существует много способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Эффективным для большой энергетики является паротурбинный способ, аналогичный применяемому на обычных ТЭС. Основные используемые типы тепловых солнечных электростанций (СЭС): башенные СЭС и СЭС с солнечными прудами. Солнечные тепловые электростанции 37/81

38 Раздел 4 Размещенные на большой площади фокусирующие элементы (гелиостаты) улавливают солнечные лучи и концентрируют их, направляя на паровой котел, установленный на вершине башни. При высоте башни ~100 метров мощность такой станции может достигать десятков МВт при КПД около 17%. Солнечные электростанции башенного типа J.Graham-Cumming, The geek atlas, ORailly Media, O1ewC&pg=PA112&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false 38/81

39 Раздел 4 Пример башенной СЭС – Ivanpah Расположена в пустыне Мохаве, на границе Невады и Калифорнии, недалеко от Лас-Вегаса. Площадь – 1420 га. Строительство начато в 2010, завершение планируется на План по установленной мощности – 392 МВт (сейчас – 31%). Строительство может затянуться из-за протеста экологов – в районе проживают редкие пустынные черепахи, проект уже урезан на 50 МВт. 39/81

40 Раздел 4 Предлагается трёхуровневая система аккумуляции энергии Первый уровень – теплохранилище (3-х часовой запас рабочей энергии для турбогенератора) – жидкие нитраты при температуре до 380°С Второй уровень – электрохимические аккумуляторы с запасом на несколько суток непогоды Третий уровень – традиционная ТЭС, топливо для которой накапливается и синтезируется из выхлопных газов ТЭС и водорода, получаемого на СТЭС электролизом от избыточной электроэнергии солнечной энергосистемы (чрезвычайный уровень, рассчитанный на затяжную непогоду). Многоуровневая система аккумуляции энергии 40/81

41 Раздел 4 Трубка- приемник рефлектор трубопровод Еще один тип солнечных концентраторов – параболические желоба – это длинные параболические зеркала с трубками (теплоноситель - масло) вдоль их фокальных осей. Желоба ориентированы с севера на юг и поворачиваются к солнцу. Тепловая эффективность нагрева теплоносителя – 60-80%. Теплоноситель идет на кипячение воды, пар которой вращает турбину. Примеры: Nevada Solar One, США, 64 МВт (открыта в 2007); Andasol 1-3, Испания, 150 МВт (открыта в 2009) Параболические желоба 41/81

42 Раздел 4 Параболические концентраторы – по сути дела объединенные в монолит элементы СТЭС башенного типа. Экспериментальные проекты: Odeillo (Французские Пиренеи, фото вверху), Dish Stirling (США, справа). Мощность ~100 МВт. Параболические концентраторы 42/81

43 Раздел 4 В водоем на различных уровнях вводится разное количество солей. При этом создаются слои раствора с разной концентрацией и плотностью. Нижние слои, у которых выше концентрация и плотность соли, нагреваются под действием солнечной радиации более интенсивно возникает температурный градиент. Горячая вода (60-90°С) из нижних слоев подается в теплообменник для испарения жидкости с низкой температурой кипения (фреон, пропан, аммиак). Пары этой жидкости приводят во вращение турбину. Солнечные пруды 43/81

44 Раздел 4 с концентрацией Очаг без использования дров! без концентрации Горячий душ Прямое использование солнечного тепла 44/81

45 Раздел 4 Устройство, наиболее эффективное с энергетической точки зрения (прямой, одноступенчатый переход энергии) Предельный теоретический КПД > 90 % В лабораторных условиях к 2012 году достигнут КПД 44 %, а его увеличение до 50 % - дело ближайшего будущего К сожалению, промышленно выпускаемые имеют КПД 8-10%. Фотоэлектрические солнечные электростанции 45/81

46 Раздел 4 отражение солнечного излучения от поверхности преобразователя, прохождение части излучения через ФЭП без поглощения в нем, рассеяние на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов, рекомбинация образовавшихся фотопар на поверхностях и в объеме ФЭП, внутреннее сопротивление преобразователя. Основные необратимые потери в ФЭП Предложены достаточно экзотические методики повышения КПД. Например: солнечный свет разлагают, каждый участок спектра попадает на свой оптимизированный ФЭП. 46/81

47 Раздел 4 Крупнейшие в мире фотоэлектростанции: Agua Caliente (США), 250 МВт; Charanka (Индия), 214 МВт, Golmud (Китай), 200 МВт. Большинство проектов продолжает развиваться – Agua Caliente к 2014 году достигнет 397 МВт, Charanka – 500 МВт к тому же году. Westlands Solar Park (США) – к 2015 году должна выйти на мощность 2.7 ГВт! Современные фотоэлектростанции Строительство Agua Caliente Строительство активно поддерживается государством: предоставляют налоговые льготы и государственные поручительства по кредитам, а потребителей заставляют приобретать определенный процент электричества от возобновляемых ресурсов. 47/81

48 Раздел 4 Общедоступность и неисчерпаемость источника. Теоретически (как утверждают ее сторонники) полная безопасность для окружающей среды Однако! В настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества- свинец, кадмий, галлий, мышьяк и др.). Однако! Есть еще принципиальная проблема, которая связана с тем, что глобальное использование солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности (сейчас ~35% и определяется отношением отраженной и рассеянной солнечной энергии к падающей на Землю) и привести к изменению климата. Достоинства солнечной энергетики 48/81

49 Раздел 4 Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть пара десятков квадратных километров). Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах количество солнечных дней в году может различаться очень сильно. Все это приводит к тому, что солнечная энергетика может эффективно применяться в крупных масштабах только на отдельных территориях, причем это будет наносить урон природопользованию (например, отбирать площади у сельского хозяйства). Для снабжения несолнечных регионов придется строить ЛЭП. Фундаментальные проблемы СЭС 49/81

50 Раздел 4 Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно – в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Временная проблема – дороговизна солнечных фотоэлементов. С 1990 по 2005 г. цены на фотоэлементы снижались на 4 % в год, а с выходом на рынок Китая за период они упали в 3 раза. Недостаточный КПД солнечных элементов. Вероятно, будет вскоре увеличен. Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения. Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Технические проблемы СЭС 50/81

51 Раздел 4 Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Из-за этого в 2011 году было закрыто два завода по производству фотоэлементов недалеко от Шанхая. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (3050 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения. Из-за экологических проблем и возникшего дефицита кремния начинает активно развиваться производство тонкопленочных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. К тому же тонкопленочные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Экологические проблемы СЭС 51/81

52 Раздел 4 Как указывалось ранее, одним из основных недостатков солнечной энергетики является ее непостоянство из-за смены погоды и времени суток. Для преодоления этих недостатков нужно или накапливать тепло в веществе, либо использовать эффективные электрические аккумуляторы, либо использовать концепцию водородной энергетики. Накопление тепла в веществе использовалось еще в древности, когда для строительства подбирались такие материалы и архитектурные формы, чтобы стены строения максимально прогревались днем и отдавали свое тепло ночью. Но есть и более современные методы… Проблема аккумуляции энергии 52/81

53 Раздел 4 Накопление рабочего тела На этом принципе работают гидроаккумулирующие электростанции – когда есть «лишняя» энергия, вода закачивается в бассейн, при дефиците ее спускают на турбину. Другой вариант – сжижение азота из воздуха, при необходимости он превращается в газ за счет отработанного пара ТЭС и направляется на турбину. КПД процесса при многоступенчатой системе охлаждения достигает 70%. ; 53/81

54 Раздел 4 Солнечная энергия может быть запасена в виде нагретого вещества расплавов солей, например, NaNO 3 и KNO 3, при необходимости ее направляют на испарение воды. Использование теплоты фазового перехода – при застывании парафина выделяется значительное количество энергии. В основном используется для получения только тепла, а не электричества. Использование крупных электрических аккумуляторов. Емкость рассчитывается на 3-5 дней непогоды. Эффективность использования заряда 70-92%. Совмещение с водородной энергетикой. С помощью «лишней» энергии с солнечной электростанции можно производить электролиз воды. Полученный водород может быть запасен, как любое другое газообразное топливо. Дополнительные материалы по этим методам приведены в Разделе 8. Прочие методы аккумуляции энергии 54/81

55 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 5 55/81

56 Раздел 5 Происхождение термальных вод Геотермика изучает тепловое состояние земной коры и Земли в целом в зависимости от геологического строения, магматических процессов и т.д. Критерий теплового состояния земной коры – поверхностный градиент температуры. Геотермическая ступень σ –глубина в метрах, при которой температура растет на 1°. При определении не учитывают первые 2-40 м, где существуют суточные и годовые колебания. Температура Т на произвольной глубине: T=t в +(H+h)/σ, где t в – температура воздуха, H – исследуемая глубина, h – глубина слоя постоянных годовых температур. Среднее по Земле σ = 33 м. Однако значения сильно варьируются. В областях современного вулканизма σ = 2-3 м. На Камчатке на глубине ~500 м Т 200°С. В зонах вечной мерзлоты с глубиной промерзания более 1000 м σ составляет около 500 м. В условиях платформенной территории (европейская часть России) σ составляет ~50 м. 56/81

57 Раздел 5 Классификация термальных вод Вода – подвижный и теплоемкий энергоноситель, насыщающий породы осадочных и гранитных оболочек. Она играет важную роль в тепловом балансе. По всему земному шару, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей, залегают пласты, содержащие термальные воды – гидротермы. В районах вулканизма она выходит на поверхность – горячие источники, гейзеры… Основной параметр - температура подземных вод. Могут быть от слаботермальных (37° 100°). Классифицируются также: по минерализации, по жесткости, по кислотности, по газовому составу (сероводородные, углекислые, метановые, азотные и т.д.), по газонасыщенности. Встречаются экзотические виды: сверхкрепкие рассолы (минерализация > 600 г/л), с растворенными агрессивными газами (атомарный водород) и т.д. Могут быть использованы все виды вод: перегретые – электроэнергетика, пресные термальные – теплообеспечение, солоноватые – медицина, рассолы – промышленное сырье. 57/81

58 Раздел 5 За счет постепенного отбора тепла у пород: Инфильтрационные – проникающие через поры с поверхности Земли в глубину. Водостоки постепенно нагреваются, в равнинных районах становятся термальными на глубине ~1 км. При быстром подъеме наверх по крупным дефектам коры не успевают остыть – горячие ключи. Можно получать искусственно бурением скважин: с глубины до 4 км – вода до 100°. Из тепловых очагов: Вулканические – инфильтрованная вода, перегретая расплавом магмы – гейзеры, грязевые грифоны и котлы, паровые струи и т.д. Типы месторождений термальных вод Конвекционное происхождение – в районах современной или недавней вулканической деятельности (повышенный температурный градиент – 45-70°/км). На поверхность выходят горячие воды и пароводяная смесь. Нынешние ГеоТЭС работают в таких районах. Кондуктивный прогрев – воды сосредоточены в платформенных и предгорных впадинах при нормальном геотермическом градиенте (33°/км). Обнаружены сотни бассейнов в несколько млн.км 2. Перспектива: с глубин до 15 км – до 350°. Происхождение термальных вод 58/81

59 Раздел 5 Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента (Балтийский щит и т.д.) и приподнятые горы (Урал) – не имеют запаса термальных вод. На участках погружения фундаментов – до 40°, в предгорных впадинах – до 100°. Максимально «теплые» земные недра в России – Курило-Камчатская вулканическая зона. Температура пород и содержащихся в них вод зависит от глубины залегания и от близости к центрам геотермической активности (вулканы, разломы и т.д.) Распространение термальных вод 59/81

60 Раздел 5 Прямое использование геотермальной энергии Геотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемых из природных коллекторов с глубины км. Средняя обеспечиваемая мощность скважины ~ 4 МВт. ГеоТЭС с непосредственным использованием природного пара: подается прямо в турбину и далее уходит на сброс. Стоимость минимальна, т.к. состоит только из турбины и генератора, может использоваться как передвижная. Пример: Италия, станция мощностью 16 МВт (4 генератора по 4 МВт), снабжается паром от 8 скважин. ГеоТЭС с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара: конденсат отработанного пара направляется для охлаждения в градирню и далее используется для охлаждения нового отработанного пара. Пример: Лардерелло-3 (Италия): 4 генератора по 26 МВт; 2 - по 9 МВт (покрытие собственных нагрузок). Схема ГеоТЭС с прямым использованием природного пара Геотермальные электростанции 60/81

61 Раздел 5 Такие станции выгодны там, где природный пар имеет высокую температуру и большое содержание примесей. Природный пар в паропреобразователе отдает тепло чистому вторичному теплоносителю, идущему на турбину. Природный пар идет на дегазатор. Строительство незначительно дороже ГеоТЭС с конденсационной турбиной и прямым использованием пара. Пример: Ландарелло-2 (Италия), 7 турбин по 11 МВт. По похожему принципу строятся ГеоТЭС на отсепарированном паре, если в паре большое содержание воды. Примеры: Паужетское месторождение (Россия), Хверагерди (Исландия). Преимущество схемы в том, что чистый пар облегчает работу турбин. Схема ГеоТЭС с паропреобразователем ГеоТЭС с бинарным циклом 61/81

62 Раздел 5 1. Верхне-Мутновская ГеоТЭС (Камчатка) – 3 скважины, 3 турбины по 4 МВт – первая очередь 200 МВт станции, обслуживающей Петропавловск-Камчатский промышленный район (2010). План: аммиачный модуль на 6 МВт, работающий на тепле сбросного пара (150°) => себестоимость энергии снизится на 20-30%. 2. Океанская ГеоТЭС (о. Итуруп) – остров обладает значительными запасами разведанных геотермальных вод. На 2009 г МВт. План – 30 МВт,. 3. Паужетская ГеоТЭС (Камчатка) – используется отсепарированный пар, 14.5 МВт (2004 г.). Остаток (80% воды 120°) сбрасывается => потери теплового потенциала, ухудшение экологии. Реконструкция 2010 г.: сбросная вода – в двухконтурную установку на низкокипящем рабочем теле (изобутан), добавочная мощность – 2.5 МВт, выходная температура - 55°. 4. Мутновская ГеоТЭС (Камчатка) – комбинированного типа. Отработанный пар направляется в конденсатор, одновременно являющийся парогенератором для второго контура с турбинами на низкокипящем незамерзающем рабочем теле. Облегчается эксплуатация в суровых зимних условиях. 50 МВт на 2011 г. Также планируются к постройке Нижне-Кошелевская ГеоТЭС (Камчатка) и Ставропольская ГеоТЭС (Предкавказье). Состояние геотермальной энергетики в России pdf 62/81

63 Раздел 5 Перспективный район использования ГеоТЭС в России – Камчатка и Курилы – отличаются суровым климатом, что с одной стороны увеличивает затраты на строительство и эксплуатацию ТЭС, с другой – доставка дизельного топлива для ДЭС также дорога. Минусы: нетранспортабельность, рассредоточенность источников, территориальная ограниченность зон применимости, неравномерность работы источника. Экологические проблемы: сверление большого количества скважин в водоносные слои нарушает тепловой баланс местности; вместе с водой из глубины могут выноситься также ядовитые газы (аммиак, сероводород) и элементы (ртуть, мышьяк, сурьма); активное вмешательство в баланс водоносных горизонтов может приводить к мелкомасштабным землетрясениям.Проблематика Deichmann, N.; et. al. (2007), Seismicity Induced by Water Injection for Geothermal Reservoir Stimulation 5 km Below the City of Basel, Switzerland, American Geophysical Union, 2007AGUFM.V53F..08D 63/81

64 Раздел 5 Новое направление – циркуляционные геотермальные системы с закачкой холодной воды в термоводоносный проницаемый горизонт с дальнейшим извлечением разогретой. Может применяться на малой глубине (~ м). Основное приложение – использование относительно низкотемпературных вод для отопления. Затраты на сооружение в 2 раза больше, чем на котельную, на эксплуатацию – на 60% меньше, топливо не требуется => окупается за 4-8 лет. Лидер такого использования – США (3.8 ГВт). В России предполагается начать использование в Дагестане и Чечне. Перспективы использования гидротерм 64/81

65 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 6 65/81

66 Раздел 6 Поступление энергии в океан: поглощение солнечного излучения гравитационное воздействие космических тел поступление тепла из глубины планеты S океана =360 млн.км 2 (70% поверхности Земли) – хорошо поглощает излучение: 90% солнечного излучения поглощается 10-метровой толщей воды. Запасенное тепло: излучается, идет в атмосферу (испарение, теплопроводность). Запасенная водой энергия переносится ветрами и течениями. 1/3 солнечного излучения отражается, а 2/3 испытывают различные изменения: 43% преобразуется в тепло 22% расходуется на испарение и образование осадков 0.2% сообщают энергию ветрам, волнам, течениям 0.02% идет на образование продуктов фотосинтеза Суммарный поток энергии, поступающей из недр Земли, и приливной энергии, имеет тот же порядок величины. Использование энергии волн Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. КТЭС, /81

67 Раздел 6 Целесообразность использования энергии волн определяется ее высокой удельной мощностью: в открытом море при волне 10 м она ~2 МВт/м. Технически осуществимо в прибрежных зонах (в мире не более 80 к Вт/м, в России – см. таблицу). На волновых электростанциях (ВлЭС) кинетическая и потенциальная энергия волн преобразуется в электрическую. МореР уд, к Вт/м Каспийское 7-11 Баренцево Балтийское 7-8 Охотское Удельная мощность ветрового волнения в прибрежной полосе РФ Преобразование энергии волн 1. Отслеживание профиля волны. Шотландия, 100 МВт с 5 км 2. Энергия колеблющегося столба. Норвегия, 500 к Вт (тестовый блок) 67/81

68 Раздел 6 Периоды, высоты и скорости приливов хорошо изучены. Энергию приливов (за счет использования скорости приливных течений) в узких бухтах для приведения в действие мельниц использовали в Англии в XVI-XVII веках и в Китае. Можно наполнить бассейн «самотеком» во время прилива и спускать запасенную воду через турбину при отливе. Использование энергии приливов Пригодные для преобразования течения – у побережья и в проливах. Устройства преобразования энергии сходны с устанавливаемыми на реках. При max. скорости течения 5 м/с средняя мощность ~14 к Вт/м 2. Перекрыв 1000 м 2 ПЭС 14 МВт – всего в 3 раза больше максимальной из стандартных контейнерных дизельных ТЭС! Затраты на сооружение весьма высоки! Строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливов, где другие источники энергии еще более дороги 68/81

69 Раздел 6 Иные варианты использования энергии океана Для энергетики важны не абсолютные мощности (полная величина столбцов на диаграмме) различных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в используемые виды энергии (закрашено серым) При оценке учитывались: время эффективной работы (для приливов, волн); КПД: (от 3% для преобразования градиента солености до 60% для ветра); возможности размещения с учетом технологических и экологических факторов. Важно учитывать стабильность источника энергии и плотность энергии – дает оценку размеров преобразователей и режимов использования энергии. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. КТЭС, /81

70 Раздел 6 Механическая мощность из океанского течения с учетом КПЭ: η достижимые в зависимости от типа колеса ОКЕАНСКИЕ ТУРБИНЫ достоинстванедостатки Стабильность скорости потока Защищено от шторма при заглублении Повышается предел прочности по весу Меньше разрушительных вибраций Методика теоретически и практически аналогична использованию ветряков! Сложность обслуживания в море Коррозия и обрастание Сложность передачи энергии Большие глубины – удорожание, малые – помехи судоходству Предпочтительны быстрые и постоянные по направлению течения и удобная для обслуживания география дна. Географические данные не позволяют сейчас строить ОГЭС в открытом океане, где наблюдаются наиболее мощные течения Использование энергии океанских течений Формулы – как в ветроэнергетике, но ρ в 750 раз больше! 70/81

71 Раздел 6 Мировой океан – крупнейший коллектор солнечного излучения! Т между поверхностными и придонными водами – до 20º. Оценка запаса энергии Для более точной оценки – карта с распределением зон максимального перепада температур. При изъятии части тепла баланс его в море поддерживается течениями и Солнцем. Дополнительный вариант: использовать Т между водой и воздухом. В Арктике 8 месяцев в году Т воздуха <-20ºС, Т воды ~+2ºС. При этом 1 м 3 воды, пропущенный за 1 с через преобразователь с η=5%, даст 10 к Вт. Работающая на фреоне система сможет конкурировать с ДЭС на завозном топливе. Пусть Т=12º сохраняется на свободной ото льда площади 3·10 14 м 2 в слое 100 м. Тогда W=ρVC p T=1.5·10 24 Дж. Ресурсы тепловой энергии океана 71/81

72 Раздел 6 Эффект Зеебека: термоЭДС в электрической цепи из материалов с различной концентрацией носителей заряда, соединения которых имеют различные Т. Вариант полупроводника – Bi 2 Te 3, постоянная Зеебека 3.14·10 -4 В/К (для металлических термопар – в 1000 раз ниже). Преимущества: сравнительно высокий КПД минимизация потерь на собственные нужды станции Недостатки: высокая стоимость материалов (делает стоимость энергии до $1/кВт ч) необходимость изоляции полупроводников от морской воды изоляция приводит к дальнейшему удорожанию и уменьшению КПД Перспективы ОТЭС, созданные на таком принципе, можно применить для обеспечения электричеством комплексов подводной добычи полезных ископаемых. Прямое преобразование тепловой энергии 72/81

73 Раздел 6 Мощность и удельная стоимость разработки энергетических ресурсов мирового океана Источник энергии Мощность, ГВт Стоимость производства, цент/к Вт·ч Градиент температуры Ветровые волны Морские течения Океанские ветры Перепады солености Биомасса Приливыне менее Для сравнения: себестоимость энергии ГЭС – цент/к Вт·ч, АЭС – 2- 9 цент/к Вт·ч, ТЭС – 4-12 цент/к Вт·ч. Большинство методов выгодно лишь в сравнении с ДЭС на привозном топливе ( цент/кВт ч). Экономические характеристики 73/81

74 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 7 74/81

75 Раздел 7 Пример: Альтернативная энергетика в Германии Сухопутные ветроэлектростанции Линейный рост, выходит на насыщение Солнечные батареи Экспоненциальный рост 75/81

76 Раздел 7 План развития возобновляемых источников Современный уровень производства на ТЭС 76/81

77 Раздел 7 Источники электроэнергии в Германии, 2010 г. Источник ТВтч% Каменный уголь 105,818 Бурый уголь 135,223 Уран 135,223 Природный газ 82,314 Ветер 35,36 Солнечные батареи 11,82 Биогаз 35,36 Гидроэнергия 17,63 Нефть и пр.29,45 Полное годовое производство электричества – 588 ТВтч. Несмотря на правительственную программу поддержки возобновляемых источников, на ТЭС производят 60% электроэнергии 77/81

78 Раздел 7 Потребление и производство электричества, 2010 Нагрузка Ветроэлектростанции Солнечные батареи Красными линиями показаны уровни установленной мощности ветроэлектростанций и солнечных батарей. Видно, что реальная выработка заметно ниже установленной мощности! 78/81

79 Раздел 7 Детализация потребления и производства Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс Черные графики – потребление, синие – производство ВЭС, красные – суммарное производство ВЭС и солнечных электростанций. Налицо сильная неравномерность на масштабах как года, так и суток. 79/81

80 Раздел 7 Анализ потребления по длительности 8760 ч 1 – запрашиваемая нагрузка; 2 – она же без уровня вклада ГЭС и биогаза; 3 – она же без вклада ВЭС (4) и СЭС (5). Горизонтальная линия – вклад АЭС; серая площадь показывает вклад ТЭС. Большая мощность обычно требуется на довольно небольшой срок. 80/81

81 Выводы Видно, что на настоящий момент доля альтернативной энергетики весьма мала (всего 2.5%). В ближайшем будущем альтернативная энергетика не сможет заменить собой классические источники энергии. Большинство АИЭ не могут работать равномерно по времени, как классическая энергетика. Предлагается снижать общее потребление за счет более эффективного использования энергии. Это позволит поднять долю АИЭ. Часть АИЭ приближаются к насыщению: например, невозможно засадить все поля кукурузой под биоэтанол. Использование некоторых АИЭ само приводит к нарушению экологической ситуации (например, производство фотоэлементов). Без поддержки со стороны государства часть проектов АИЭ при нынешних ценах на энергоресурсы не являются самоокупаемыми. АИЭ надо развивать, потому что их роль будет расти по мере исчерпания традиционных источников. Пример – Германия!!! 81/81

82 1. Состояние альтернативных источников в мировой энергетике 2. Энергия ветра 3. Биоэнергия 4. Энергия Солнца 5. Геотермальная энергия 6. Энергия океана 7.Пример: Альтернативная энергетика в Германии 8. Дополнительная информация Раздел 8

83 В навозе заключена почти половина энергии, поступающей на ферму с кормами! «Производство» навоза на современной свиноферме > 50 т/день. Свиной и птичий навоз необходимо выдерживать для уничтожения патогенных микробов, яиц гельминтов и семян сорняков => огромные хранилища ~10 5 м 3 – невыгодно. Компостирование – разложение под действием аэробных бактерий, в результате чего происходит естественное обеззараживание под влиянием разогрева до 60°С с рассеиванием тепла, потерями азота и фосфора. Для жидкого навоза неприменим. Природный биореактор – коровий желудок. Анаэробные бактерии расщепляют клетчатку и вырабатывают из нее низкомолекулярные вещества, которые служат субстратом для других микробов, которые превращают их в СО 2 и СН 4. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; 25% общей продукции метана на Земле имеет такое "животное" происхождение. Подобные анаэробные бактерии работают в биореакторе. Процесс медленнее, чем компостирование, но из сырья не уходят азот, фосфор, не рассеивается тепло. Конечные продукты – биогаз, содержащий % СН 4 (теплота сгорания 1 м 3 = теплоте сгорания 1 кг каменного угля), и качественное удобрение. Навоз – основное сырье для биореакторов Раздел 8

84 Переработка навоза идет в бескислородных условиях при температуре 30 (мезофильные) или 50°С (термофильные бактерии). Длительность переработки для обеззараживания навоза – не менее 12 суток. После этого компост выгружается, загружается новый субстрат. Масса субстрата практически не изменяется, если не считать испаряемой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на %; деструкции подвергаются в основном легко разлагаемые соединения – жир, белки, углеводы, а целлюлоза сохраняется полностью. Получаемый биогаз плотностью 1.2 кг/м 3 (0.93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): СН 4 – 65±10, СО 2 – 34 ±10, сопутствующие газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0.1). Содержание воды в биогазе при 40°С – 50 г/м 3, поэтому необходима осушка газа (например, удаление конденсата после охлаждения). Давление газа, получаемого в биореакторе (1-3·10 3 Па), достаточно для его подачи на расстояние до 0.5 км без компрессоров. Работа биореактора

85 Пиролиз Пиролиз – нагрев с частичным сжиганием. Известен с древности (из неделовой древесины получали древесный уголь и деготь). Сырье – древесина, биомасса, мусор, уголь. Газификация – это пиролиз, приспособленный для максимального получения производного газообразного топлива. Устройства для газификации - газогенераторы. КПД пиролиза = Q сгорания производного топлива Q сгорания используемой биомассы = 80-90% Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, обладают меньшей (на 10-20%) по сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания, но отличаются большей универсальностью применения. Получают древесный уголь, смолы, ацетон, метан, эфиры, сырье для синтеза спиртов… Раздел 8

86 В СССР в годах производилась газогенераторная версия «полуторки» - ГАЗ-42. Топливо – генераторный газ, получаемый из угля, торфа, дров, брикетов сгораемых отходов (опилки, угольная пыль). Аналогичные машины производились и в Германии, на 1941 г в эксплуатации их было около 300 тыс., в основном на брикетах угольной пыли из Рура. ТТХ ГАЗ-42 в сравнении с прототипом (ГАЗ-АА-ММ): грузоподъемность – 1200 кг /1500 кг (потеря за счет массы установки), мощность – 30 л.с. / 50 л.с., скорость – 50 км/ч / 70 км/ч, расход на 100 км – 80 кг дров / л бензина. Выгода – экономия дефицитного бензина. В настоящее время широко распространены только в Северной Корее. Пример использования продуктов пиролиза Раздел 8

87 Если расположить 6 фотоэлектрических электростанций в 6 точках, отмеченных на карте, то они в сумме дадут мощность, потребляемую ныне человечеством!!! Плотность солнечного излучения на поверхности Земли, Вт/м 2 Проект мировой сети фотоэлектростанций Matthias Loster (University of California);

88 Раздел 8 6 пустынь – 6 станций! Суммарно станции обеспечат 18 ТВт электроэнергии и покроют планируемые даже к 2040 г потребности человечества Пустыняплотность света, Вт/м 2 площадь пустыни, км 2 площадь станции, км 2 Сахара Грейт Сэнди Такла Махан Аравийская Атакама Грейт Бэзин Проект мировой сети фотоэлектростанций (1)

89 Раздел 8 Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (~0.15 МВт·ч/м 2 в год), затруднительно использовать из- за низкой плотности солнечной радиации и зависимости ее от облачности и времени года. В настоящее время имеются технические возможности для создания фотоэлектрических ЭС, размещаемых на искусственных спутниках Земли с геостационарной орбитой. В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться непрерывно. Передача энергии на Землю должна осуществляться по сверхвысокочастотному каналу с длиной волны 10 см (частота 2,4 ГГц). Расчетные значения КПД преобразования энергии на космических солнечных электростанциях (КСЭС) приведены в таблице. Крюков А.В. Общая энергетика. Часть 2. Иркутск, ИрИИТ, 2000 Космические солнечные системы

90 Раздел 8 КСЭС спроектированы на электрическую мощность 3-20 ГВт. Размеры КСЭС с выходной мощностью 5 ГВт оцениваются так: суммарная поверхность батареи …………… 20 км 2 ; диаметр передающей антенны ……………… 1 км 2 ; диаметр приемной антенны ………………… 7-12 км. Расчетные показатели КСЭС

91 Раздел 8 Солнечная энергия может быть запасена в виде нагретого вещества расплавов солей, например, NaNO 3 и KNO 3 Соли являются эффективным теплоносителем из-за своей невоспламеняемости, нетоксичности, дешевизны, большой теплоемкости. Рабочие температуры такой системы близки к рабочим температурам пара в тепловой электростанции, что не требует экзотических рабочих тел (как аммиак в ОТЭС). Система на основе расплава солей состоит из солевого контура, подключенного к изолированному теплохранилищу. Во время нагревательного цикла соли нагреваются с ~300°C до ~550°C. Во время цикла получения мощности солевой контур испаряет воду, пар которой вращает турбину генератора. На Solar Two этот метод позволяет запасти 1.44 ТДж в хранилище 68 м³ с потерями всего ~1% Хранение энергии в расплавах солей

92 Раздел 8 Использование теплоты фазового перехода Еще один тип аккумуляторов тепла основан на использовании теплоты фазового перехода. Используются как органические (парафины, жировые кислоты), так и неорганические (соли, металлы). В основном они используются для получения только тепла, а не электричества. Система с применением парафина состоит из нагреваемого солнечным светом водяного контура, проходящего через танк с парафином. Во время цикла запасения энергии горячая вода расплавляет парафин. Удельная теплота плавления парафина – 230 к Дж/кг. Во время нагревательного цикла это тепло отдается танком при застывании парафина. Таким образом можно нагреть воду для горячего водоснабжения. Эвтектические соли типа глауберовой могут быть использованы таким же образом. При относительной дешевизне ее удельная теплота плавления составляет 347 к Дж/кг. Впервые такая система была применена для обогрева дома в г.Довер (Массачусетс, США) в 1948 г. Подробнее:

93 Раздел 8 Электрические аккумуляторы могут быть применены для хранения «лишнего» электричества в фотоэлектрических схемах. Системы такого типа состоят из фотоэлектрического источника напряжения, соединенного с аккумуляторной батареей через устройство контроля заряда. Наиболее распространенным типом батарей, используемых в подобных схемах, являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Они характеризуются плотностью энергии к Дж/кг, эффективностью использования заряда 70-92%, и стоимостью $ за к Вт·ч ($45-$55 за МДж). При подборе аккумуляторов для солнечной электростанции необходимо рассчитывать их емкость на 3-5 дней энергопотребления в условиях непогоды. Современные аккумуляторы могут работать на протяжении циклов перезарядки. Электрические аккумуляторы

94 Раздел 8 Водородная энергетика экономичное и экологичное направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии. При сгорании водорода образуется вода. Необходимо получение водорода в промышленных количествах. С помощью энергии, получаемой с солнечной электростанции, можно, например, производить электролиз воды. Полученный водород может быть запасен, как любое другое газообразное топливо. Минус – процесс весьма дорогостоящ, себестоимость – около $3 за литр бензинового эквивалента (34.5 МДж) при использовании солнечной энергетики. Совмещение с водородной энергетикой

95 Раздел 8 Теория преобразования энергии волн Мощность волн на глубокой (D>λ/2) воде ~ периоду Т и квадрату амплитуды а. Редкие (Т 10 с) волны большой амплитуды (а 2 м) дают 70 к Вт на метр фронта Характерные особенности поверхностных волн на глубокой воде: Нераспадающиеся синусоидальные с нерегулярной длиной, фазой, направлением Амплитуда движения частиц экспоненциально спадает с глубиной a не зависит от λ, с, Т, а лишь от характера взаимодействия ветра и воды Нет поступательного движения воды – частицы движутся по кругу радиусом а. Основные соотношения Мощность, переносимая в направлении х на ширину волнового фронта ; фазовая скорость; На практике – нерегулярные волны, а не сумма волн в одном направлении; извле- каемая направленным преобразователем мощность ~ переносимой волнами

96 Раздел 8 Основы теории приливной энергетики Бассейн площадью А Наполняется при приливе Опустошается через турбину Высота прилива R Центр тяжести воды на R/2 Максимальная энергия падения воды E=(ρAR)gR/2 Средняя потенциальная мощность за период прилива W=E/τ На практике наблюдаются следующие проблемы: Часть потенциальной энергии (при низкой воде) не может быть преобразована Необходимы специальные (реверсивные) турбины под условия ПЭС Невозможно обеспечить равномерную выработку электроэнергии Реально ПЭС может работать и при наполнении бассейна с реверсивной турбиной. При оптимизации можно перерабатывать до 90% потенциальной энергии прилива

97 Раздел 8 Крупнейшая в Европе: снимаемая мощность – 240 МВт (24 турбины). Дамба 750 м, площадь бассейна 22.5 км 2. Стоимость строительства – 100 млн., окупилось за 15 лет, стоимость энергии – /кВт ч (на АЭС Франции – /кВт ч) Крупнейшая в мире – Сихва, Ю.Корея, запущена в 2011 г. 254 МВт. Стоимость: $646 млн – дамба, $382 млн – все остальное. Макет приливной станции в Рансе

98 Раздел 8 Поведение и параметры приливов хорошо известны благодаря навигации. Поэтому приливная энергия – надежная форма возобновляемой энергии. Проблемы: Технические сложности и большие финансовые затраты Потенциальные нарушения экосистемы Недостаток потребителей по размещению в России (Север, Дальний Восток) Кислая Губа, Мурманская обл. Построена в 1968 году, 1 генератор производства Франции работал до 1994 г. для исследования возможности применения французского опыта в наших условиях (возможное сильное обледенение). Открыта снова в 2004, 2 агрегата «ПО Севмаш»: 200 к Вт и 1.5 МВт. Места возможного строительства ПЭС в России Разработаны проекты для Охотского моря: Тугурская ПЭС (8 ГВт, срок строительства – 11 лет, стоимость - ~$1100/к Вт (столько же, сколько и на сложную ГЭС), срок окупаемости – 8 лет.); Пенжинская ПЭС (могла быть крупнейшей в мире, 87 ГВт – приливы 5-13 метров, суточный проход воды км 3 – Амазонок). Проекты заморожены в 1990-х. ПЭС в России

99 Раздел 8 Преобразователи энергии течений: а) напор вращение, б) прочие решения Водяное колесо и его разновидности: надводное и подводное, простое и ленточное, оптимизированное по форме лопастей и холостому ходу, и т.д. Рабочее колесо с горизонтальной осью в насадке – наиболее перспективно. Насадка (3) уменьшает возмущение потока в целом и турбулентность внутри себя. Увеличение размеров крыла – критично разрушение давлением потока, а не собственным весом. Тестовый экземпляр уже работает. Оценка размера предполагаемых турбин: диаметр 200 м (стадион на зрителей) на 700 МВт – могут быть построены уже сейчас! Прочие решения: например, сопло Вентури (водный поток подхватывается течением и затем направляется на турбину) Другие источники: например, океанские водовороты. Постоянный вихрь у Огасавара (Япония): диаметр 200 км на глубину до 3 км. Удельные энергетические характеристики его лучше, чем у течений! Общая характеристика технических решений