Традиционные и нетрадиционные энергоносители. Стимулы использования и обшая характеристика возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Стратегия развития энергетики на основе ВИЭ

Содержание лекции:экологические аспекты использования традиционных энергоносителей и ограниченность их запасов, виды нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и актуальность их использования, общая характеристика ВИЭ и технические проблемы использования ВИЭ, основные положения Киотского соглашения, энергетическая программа РК и место ВИЭ в ней, социально-экономические аспекты применения ВИЭ.

Цель лекции: показать основные причины возникновения экологических и социальных проблем, связанных с энергетикой, актуальность вовлечения в энергобаланс ВИЭ для устойчивого развития государств, а также ознакомить студентовс общими характеристиками ВИЭ и техническими проблемами их использования, а также основными положениями Киотского соглашения и законами РК по стратегии развития ВИЭ.

Энергия состоит из частей: живой, активной энергии, способной производить работу и пассивной, не способной производить работу в данных условиях. Живую энергию называют ЭКСЕРГИЕЙ, пассивную энергию называют ЭНТРОПИЕЙ.

Гигантские потоки энергии Солнца, приливов и отливов мирового океана, ветра, энергия рек и поступающее на поверхность внутреннее тепло Земли в итоге превращаются в энтропию околоземного пространства. По отношению к космосу энтропия поверхности и атмосферы Земли является эксергией, она переходит в космос и рассеивается в безграничном космическом пространстве. Благодаря этому на Земле существует тепловое равновесие и возможна Жизнь.

Неуклонное увеличение населения Земли, стремление к высоким стандартам жизни, особенно в развитых странах, ведет к росту потребности в энергии. Энергетика становится главным столпом экономик всё возрастающего числа стран. Это ведет к возникновению глобальных противоречий человека со Средой обитания (так всё чаще называют Природу) и нарушению теплового равновесия Земли с Космосом. Это происходит из–за того, что получение наиболее востребованных видов энергии – электрической (очень удобной для применения, конвертации), тепловой (для обогрева и осуществления многих технологических процессов), а также механической (для обеспечения технологических операций и движения транспортных средств) в настоящее время осуществляется преимущественно путём сжигания различных традиционных первичных углеводородных топлив в кислороде воздуха.

К первичным (стоящим в начале “энергетической цепочки”) относят энергоресурсы в первую очередь:

- традиционные(основные): уголь, нефть, газ, уран и энергии вод;

- нетрадиционные возобновляемые;

- и ранее ограничено применявшиеся нетрадиционные невозобновляемые энергоресурсы.

Путем преобразования (конвертации) первичных получают для непосредственного применении вторичныеэнергоресурсы (чаще всего- это электроэнергия).

Показатель полезного использования химической энергии, содержащейся в углеводородном сырье редко превышает 30%. Остальная часть – 70% - миллиарды гигакалорий – рассеивается в окружающем пространстве и должна уходить в Космос для поддержания теплового баланса Земли. Однако при работе производственных и энергетических объектов, сжигающих ежегодно миллиарды тонн угля, нефти, природного и попутного газа, других видов топлива образуются так называемые «парниковые газы» и другие соединения. Парниковые газы – продукты сгорания и другой техногенной деятельности человека скапливаются в верхних слоях атмосферы и образуют слой обуславливающий изменение её свойств, он “запирает” инфракрасное излучение, образующееся на поверхности Земли. Это препятствует рассеиванию тепловой энергии в космическом пространстве. Возникает “парниковый эффект”, повышается средняя температура планеты.

Существующая практика инвентаризации МГЭИК включает шесть основных парниковых газов:

Двуокись углерода (CO2) - (диоксид углерода, углекислый газ) - высокого давления и низкотемпературную получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Двуокись углерода применяется для создания защитной среды при сварке металлов, для пищевых целей и других целей во всех отраслях промышленности.

Метан (CH4)- гораздо более "сильный" парниковый газ, чем двуокись углерода. Сырьё для получения многих ценных продуктов химической промышленности - формальдегида, ацетилена, сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, сажи. Применяется как топливо.

Закись азота (N2O) - "веселящий газ". Основное применение: обезболивание при выполнении медицинских процедур, требующих отключения сознания.

Гидрофторуглероды - ГФУ (Hydrofluorocarbons – HFCs) - углеводородные производные, состоящие из одного или большего числа галогенов, которые частично замещают водород.

Перфторуглероды – ПФ (Perfluorocarbons - PFCs)- единственным известным основным источником эмиссий этих газов является плавка алюминия. При алюминиевой плавке эмиссии ПФУ возникают в электрической дуге или при так называемых "анодных эффектах".
Гексафторид серы (SF6) - является в 22 200 раз более эффективным парниковым газом, чем CO2, в расчете на килограмм. Он высвобождается из антропогенных источников, чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения.

В результате «парникового эффекта» возникают чрезвычайные, ранее не регистрировавшиеся природные явления – наводнения, цунами и затопления больших территорий и городов Индонезии, Индокитая, Европы, Америки, Индии, Японии…, оползни, сели. Экономический ущерб и людские жертвы при этом бывают огромными. Причиной этих катаклизмов является повышение температуры поверхности Земли на 0,5…1,5⁰С, а в отдельных местах на 3,0⁰С за счет «парниковых газов». В среднем температура атмосферы повышается на 1,5⁰ в десятилетие. Тают и уменьшаются по толщине и площади ледяные покровы Арктики и Антарктики. Уменьшаются запасы влаги в виде вечных снегов высокогорий.

“Большую” гидроэнергетику и “атом” также относят к традиционным источникам энергии. Они также экологически “нечисты”. Атомные электростанции (АЭС) должны строиться и эксплуатироваться по высочайшим стандартам надёжности (вспомним Чернобыль и Фукусиму), серьёзной проблемой является также утилизация отработавшего ядерного топлива. В то же время во Франции, например, 80%, в Бельгии – около 60 %, в России – 15 %. электроэнергии вырабатывается на АЭС..

При строительстве крупных гидроэлектростанций создаются высотные плотины (до 200…300м), затапливаются и выводятся из оборота громадные площади полей- лесов, терпят ущерб сельское и рыбное хозяйство и т.д.

Вместе с тем запасы традиционных энергетических ресурсов (угля, нефти, газа, урана и др.) конечны (кроме энергии вод). Их прогнозные запасы оцениваются, соответственно, в 15 трлн т., 500 млрд. т. и 400 трлн.м³, при разведенных запасах 1685 млрд. т., 137 млрд. т. и 140 трлн.м³. Более или менее достоверные мировые запасы урана оценивается в 1,5 млн.т. .

При современном уровне добычи разведенных запасов угля хватит на 400 лет, нефти - на 42 года и газа – 61 год. Естественно, со временем часть прогнозных ресурсов также будет освоена, но стоимость их добычи будет постоянно расти.

При экстенсивной эксплуатации, по оценкам экспертов, сегодняшних запасов нефти в Казахстане хватит на 70 лет, природного газа – на 85 лет.

Традиционные ископаемые энергоносители даются людям в результате целенаправленных тяжких трудов (порой небезопасных) и громадных капитальных вложений. Считается, что первая треть века пройдёт под знаком традиционной энергетики с постепенным переходом к нетрадиционным энергоресурсам.

Человечеству нужна энергия, причем потребность в ней увеличивается с каждым годом. Всё возрастающая доля энергопотребностей может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных (возобновляемых и невозобновляемых).

Это потоки энергии, постоянно существующие или периодически возникающие в окружающей среде. Атмосфера, Космос, Океаны, Природа, Вселеная пронизаны флуктуирующими потоками энергии. Она вездесуща. И поэтому ценное свойство нетрадиционных источников в том, что фактически в любой точке Планеты найдется какой-либо ресурс (чаще “ветер”,“солнце”), который можно “задействовать по месту”.

В 1978г. Генеральной Ассамблеей ООН был утвержден список нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (резолюция № 33/148). Нетрадиционные (альтернативные) источники энергии (НИЭ)– это:

А) возобновляемые (неистощаемые) источники энергии (ВИЭ), к ним относятся :

- солнечная энергия, ветровая энергия, геотермальная энергия, энергия морских и океанских течений, энергия волн и приливов,-энергия температурного градиента морской воды, энергия текущей и падающей воды рек и каналов, энергии низкопотенциального тепла земли, воздуха, воды, кроме того это энергия биомассы животного и растительного происхождения, торф (при условии их умеренного потребления с воспроизводством);

Б) до сих пор ограниченно применяющиеся энергоресурсы:

- новые виды жидкого и газообразного топлива, представленные синтетической нефтью на основе угля, горючих сланцев и битуминозных пород (дополнительные углеводородные ресурсы); твердые бытовые и прочие отходы; попутный газ (при разработке нефтяных месторождений); а также спирты и топливо для транспортных средств, добываемое из биомассы, и водород.

Нетрадиционная возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека(в этом ее отличительный признак от традиционных ресурсов которые всё труднее людям достаются),она подарена Природой.

Потенциальные возможности НВИЭ составляют в год: солнечная энергия – 2300 млрд.т усл. топл.; ветровая энергия – 26,7 млрд.т усл. топл.; геотермальная энергия; энергия морских и океанских течений – 30 млрд.т усл. топл.; энергия малых рек – 360 млрд.т усл. топл.; энергии низкопотенциальных источников - 530 млрд.т усл. топл.; энергия биомассы - 10 млрд.т усл. топл.

В сценарии Мирового энергетического Совета предусматривается к 2050 г. увеличение доли использования ВИЭ до 40%. Европейский Союз взял на себя обязательства довести данный показатель до 20% к 2020 г. и до 30% - к 2040 г.Это при том, что в данное время нетрадиционные возобновляемые источники в мировой структуре энергопотребления занимают порядка 7%.

В Казахстане на сегодняшний день доля возобновляемых источников составляет около 15% топливно-энергетического баланса и представлена практически только “большой” гидроэнергетикой. Доля альтернативных (нетрадиционных) источников составляет 0,3-0,4%. Подобная ситуация не может считаться приемлемой, учитывая огромный потенциал и значительную целесообразность развития НВИЭ в РК.

Из сказанного проистекает первый и главный стимул к переходу на альтернативные нетрадиционные источники энергии - быть готовыми к окончанию “века пара” (фактически он всё ещё продолжается“в лице” циклопических ТЭС- основе современной энергетики- по всему миру).

Второй стимул к переходу на “зеленую” энергетику с использованием неисчерпаемых возобновляемых энергетических ресурсов - предотвратить экологическую катастрофу и сохранить природу для будущих поколений

По данным ЮНЕСКО миллиарды сельских жителей в мире не имеют доступа к электричеству и цивилизации. Это создаёт большие социальные проблемы и ведёт к уходу людей в города, “разбуханию” больших городов. В Казахстане большое количество малых поселений в сельской местности оторваны от систем электроснабжения.

Отсюда - третий стимул развития“зеленой” энергетики на базе использования неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов - обеспечение энергией людей, проживающих в регионах, удалённых от существующих систем энергоснабжения.

Для создания местных энергетических систем, обслуживающих посёлки, аулы, крупные фермы используются комплексные энергетические установки мощностью 50 – 250 кВт – ветровые, солнечные и дизельные агрегаты.

Четвертый стимул развития энергетики на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии (НВИЭ)- снижение уровня политических интриг и военных акций за владение традиционными энергетическими ресурсами – нефтью, природным газом, углем.

Пятый стимул - неисчерпаемые энергетические ресурсы Ветра и Солнца не являются объектом монопольного владения и торговли, они даны поровну всем и каждому.

Широкое внедрение технологий НВИЭ позволит решить проблемы:

- снижения существенного отрицательного воздействия повсеместно превалирующей традиционной теплоэнергетики (“стационарной” и транспорной) на окружающую среду (читай Природу);

- удовлетворения потребностей в энергии значительной части населения, в первую очередь проживающих в сельской местности и в районах, расположенных вдали от линий электропередач (ЛЭП);

- ограничения применения органического топлива в тепловых процесах и сохранение его как сырья для химической промышленности.

Экспертное сообщество считает что, по крайней мере, до 2030г. потребление традиционных первичных ресурсов будет только возрастать.

Поэтому НВИЭследует рассматривать на достаточно продолжительный период (по крайней мере на первую треть XXI в.)не как альтернативу традиционной энергетике, а как дополнительный источник энергии, решающий важные экологические и социально-экономические задачи.

Основное преимущество НВИЭ — неисчерпаемость и экологическая чистота (по крайней мере сравнительная). Потенциальные возможности НВИЭ практически не ограничены. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты.

Общими свойствами и признаками возобновляемых энергетических ресурсов являются следующие:

1) цикличность – суточная и сезонная (весна, лето, осень, зима), связанные с вращением Земли и изменением наклона оси ее вращения, Солнечными 11-летними циклами;

2) зависимость интенсивности проявления энергетической активности этих источников от состояния атмосферы – ее оптической плотности, связанной с наличием в ней влаги – облаков, твердых частиц – дыма, пыли, а также от рельефа местности, загруженности территорий строениями разной величины, создающими затенения, формирующими воздушные течения в приземном пространстве;

3) низкая концентрация (плотность) энергии, что требует вовлечения бóльших площадей, объёмов, масс в процесс преобразования ВИЭ .

4) необходимость использования накопителейстихийно поступающей энергии для энергетических установок малой и средней мощности для использования ее по мере необходимости в разное время. В качестве накопителей энергии наиболее доступными являются электрические аккумуляторы;

5) мощные преобразователи ветровой и солнечной энергии должны объединятьсяс энергетическими системами, способными поглотить всю вырабатываемую ими энергию по любому режиму и графику её поступления

6) Преобразование ВИЭ в наиболее пригодные формы ее использования – электричество или тепло – на уровне современных знаний и технологий обходится довольно дорого.

В настоящее из-за технических проблем использования НВИЭ, а именно, несовершенства техники и технологии НВИЭ, отсутствия необходимых конструкционных и других материалов пока не удаетсяшироко вовлекать НВИЭ в энергетический баланс.

Вместе с тем особенно заметен в мире научно-технический прогресс в сооружении НВИЭ-установок и в первую очередь: фотоэлектрических преобразований солнечной энергии (фотовольтаики), ветроэнергетических агрегатов и в переработке биомассы.

Стратегию развития энергетики на неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсах определяют Международные соглашения. Большую роль здесь играет Киотский протокол, к выполнению принципов которого подключилось большинство стран мира, в том числе Республика Казахстан.