Содержание

Вид материала

Доклад

Содержание 2. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Подобный материал:

• Содержание дисциплины наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных занятий, 200.99kb.
• Содержание рабочей программы Содержание обучения по профессиональному модулю (ПМ) Наименование, 139.63kb.
• Заключительный отчет июль 2010 содержание содержание 1 список аббревиатур 3 введение, 6029.85kb.
• 5. Содержание родительского правоотношения Содержание правоотношения, 110.97kb.
• Содержание введение, 1420.36kb.
• Сборник статей Содержание, 1251.1kb.
• Сборник статей Содержание, 1248.25kb.
• Анонсы ведущих периодических изданий содержание выпуска, 806.18kb.
• Вопросы к экзамену по дисциплине «Коммерческая деятельность», 28.08kb.
• Конспект лекций содержание содержание 3 налог на прибыль организаций 5 Плательщики, 795.2kb.

^ 2. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

2.1. Солнечная энергетика

Развитие использования источников энергии приняло ускоренный характер, особенно быстрыми темпами (25-30% рост установленной мощности к предыдущему году) развивается солнечная энергетика: солнечные коллекторы и фотоэлектрические преобразователи.

Солнечная энергетика обладает самым большим потенциалом из нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

В области солнечной энергетики в мире произошел технологический прорыв, в основе которого лежат труды выдающегося российского ученого, лауреата Нобелевской премии, академика Алферова Жореса Ивановича.

Общая мощность нынешней солнечной энергетики – 1 ГВт, согласно оценкам, которые опираются на стандартные технологии, в 2030 году она составит 10 ГВт. Уже сегодня благодаря использованию новых идей Алферова Ж.И. в гетероструктурах удается поднять КПД в два-три раза, в ближайшие 10 лет КПД увеличится до 50-60% (теоретически КПД равен 93%).

Уже сегодня суммарная площадь солнечных коллекторов в мире достигает 50 – 60 млн.м², что эквивалентно 5 – 7 млн. т у.т. в год.

Перспективы развития солнечной энергетики в Украине.

Географическое положение и климатические условия Украины являются благоприятными для использования солнечной энергии.

На фоне быстрого развития всех направлений солнечной энергетики в мире в Украине она находится в настоящее время в нулевом состоянии.

А между тем, первая экспериментальная термодинамическая СЭС была создана в 1985 г именно в Украине, в Крыму мощностью 5 МВт (СЭС-5).

Украина располагает мощным научно-техническим потенциалом,высококвалифицированными учеными и инженерами, всей необходимой ресурсно-сырьевой базой, которые позволяют ускоренно развивать солнечную энергетику на уровне мировых темпов развития этого сектора НВИЭ.

    Проблема практического применения солнечной энергии содержит два основных аспекта: преобразование ее в электроэнергию и тепло. Рассмотрим вначале первое из названных направлений.

В области солнечной энергетики Украина может достигнуть значительных результатов в короткий промежуток времени. Для этого достаточно научно-технические разработки украинских ученых и лучшие образцы техники российской и мировой солнечной энергетики внедрить для практического использования в энергетику страны.


2.1.1. Сетевая солнечная энергетика

2.1.1.1.Солнечные электростанции (СЭС), входящие в энергосистемы

Солнечные электростанции (СЭС) используют обычный парасиловой цикл, но при этом требуется применение концентратора солнечной энергии. Так, в США действует 7 СЭС общей мощностью 354 МВт.

Солнечные электростанции (СЭС), входящие в энергосистемы, не требуют наличия на них значительных аккумулирующих устройств, так как колебания мощности СЭС демпфируются энергосистемой.

Ученые и инженеры ОО ИАУ разработали новый тип концентраторов солнечной энергии и гидропаровую турбину, которые существенным образом упрощают конструкцию термодинамических СЭС и повышают эффективность генерации электрической энергии.

На основе выполненных научных разработок может быть создано новое поколение термодинамических СЭС номинальной мощностью от 5 до 30 МВт.

Опыт многолетней эксплуатации первой экспериментальной термодинамической СЭС в Крыму мощностью 5 МВт (СЭС-5) может быть реальной основой для создания СЭС нового поколения.

2.1.1.2. Комбинированные фото-термодинамические СЭС

Учеными и инженерами ОО ИАУ в последнее время разработана весьма перспекттивная концепция создания комбинированных фото-термодинамических СЭС. Согласно этой концепции, схема такой СЭС основана на комбинированном применении арсенид-галиевых фотопреобразователей, размещаемых в концентрированном потоке солнечного излучения и термодинамическом цикле преобразования теплоты, отводимой от фотопреобразователей при температуре 200-250С.

Данная схема позволяет существенно повысить суммарный КПД преобразования солнечной энергии в электрическую по сравнению с применяемыми до сего времени схемами фотоэлектрических и термодинамических солнечных энергоустановок.

Реализация этой концепции коренным образом изменит эффективность работы СЭС и поставит фотоэлектричество в один ценовой ряд с традиционными генераторами электроэнергии.

2.1.1.3. Солнечные МГД-генераторы

В настоящее время из-за небольшой плотности энергии солнечного излучения актуальна разработка устройств для ее преобразования с применением концентраторов. Использование концентраторов, созданных учеными ОО ИАУ, позволяет обычным паротурбинным способом преобразовать солнечную энергию в электрическую с коэффициентом полезного действия ( КПД ) близким к 40%. Однако для этого более подходит прямое преобразование тепловой энергии, полученной от солнца в МГД-процессе, позволяющее существенно поднять его КПД .

В предлагаемом солнечном МГД-генераторе решены следующие задачи:

-во-первых увеличен КПД преобразования солнечной энергии за счет того, что газ не только нагревается, но и ионизируется солнечным излучением,

-во-вторых уменьшены тепловые потери в МГД-генераторе.

Задачи решены благодаря особой конструкции МГД-генератора с солнечным приводом . В нем концентрированное солнечное излучение проходит через канал генератора. Рабочим веществом в МГД-генераторе является смесь аргона с цезием. Данная смесь позволяет в диапазоне температур 1500 - 3000 К получить наибольшую проводимость.

Разработанный МГД-генератор с солнечным приводом функционирует в замкнутом контуре.

Предлагаемая конструкция МГД-генератора приводит к уменьшению тепловых потерь. Понижается температура ионизированного газа до минимально необходимой для его использования в МГД-генераторе проводимостью. Это достигается за счет непрерывной фотоионизации рабочего газа ультрафиолетовой частью спектра солнечного излучения и снижения потенциала ионизации в результате предварительного возбуждения атомов Cs. При работе МГД-генератора в замкнутом контуре в качестве рабочего газа так же возможно применение других инертных газов ( Ne, He ) в смеси с цезием.

Предлагаемый солнечный МГД-генератор с солнечным приводом позволяет получить большую вырабатываемую мощность и существенный прирост КПД преобразования солнечной энергии в сравнении с паротурбинным способом ее преобразования.

Созданный солнечный МГД-генератор с регенерацией тепловой энергии отличается простой и компактной конструкцией, в генераторе нет ни одной движущейся части.

Солнечный МГД-генератор может стать надежной основой для создания компактных СЭС сверх высокой номинальной мощности.


2.1.2. Автономная солнечная энергетика

2.1.2.1.Фотоэлектрические солнечные установки

Технические задачи в данной области можно считать решенными, опыт эксплуатации таких систем имеется, существует и производство фотопреобразователей и установок в комплекте, однако, надежды на развитие автономной фотоэнергетики, могут быть связаны только с преодолением кризисного состояния и общим оздоровлением экономики Украины.

В области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), сегодня в мире наблюдается настоящий бум. В 2000 году в мире было произведено ФЭП общей мощностью 260 МВт. Больше всего в Японии - 80 МВт. А в Украине пренебрежимо мало - лишь 0,1 МВт. КПД ФЭП достигают 24% для монокристаллических преобразователей, 17% - для поликристаллических и 11% - для аморфных. Основным материалом является кремний. К сожалению, фотоэлектричество сегодня является самым дорогим способом получения электроэнергии. Цена модулей ФЭП достигает 4000 долл./кВт, а установок на их основе - даже до 10000. Самой дорогой является и стоимость производимой электроэнергии: 15-40 центов/кВтч. В области фотоэлектричества наиболее перспективными являются следующие направления: ФЭП с концентраторами солнечной энергии; ФЭП на основе арсенида галлия - арсенида алюминия; тонкопленочные солнечные элементы.

Основная задача создателей новых поколений ФЭП заключается в разработке таких конструкций ФЭП и технологий их производства, которые позволяют существенно снизить их цену и затраты на генерацию производимой ими электроэнергии.

2.1.2.2.Тонкопленочные солнечные установки

Тонкопленочные солнечные элементы представляют наибольший интерес в связи с их относительной дешевизной, связанной с существенно уменьшенным использованием чувствительного материала и более дешевыми технологиями.

Хорошие перспективы открывает разработка ученых и инженеров ОО ИАУ, основанная на плазмохимической технологии формирования тонких пленок аморфного или поликристаллического кремния на нагретой подложке с очень высокой скоростью осаждения.

Длина производственной линии и капитальные вложения в завод по производству ФЭП одной и той же мощности примерно на порядок меньше по сравнению с другими зарубежными технологиями.

2.1.3. Преобразователи солнечной энергии в тепло

Преобразование солнечной энергии в тепло может иметь существенно больший энергетический эффект в смысле замещения традиционных энергоносителей по сравнению с преобразованием в электроэнергию, поскольку наибольшая часть производимой в мире энергии используется в виде теплоты. Кроме того, преобразование солнечной энергии в тепло реализуется с помощью наиболее простых, а следовательно, и относительно дешевых технических устройств. Наибольшее распространение в мире получило преобразование солнечной энергии в тепло невысокого потенциала, достаточного, однако, для горячего водоснабжения и отопления.

2.1.3.1.Плоский солнечный коллектор

Основной вид оборудования для установок и систем солнечного теплоснабжения – плоский солнечный коллектор.

Как показывают результаты расчетов плоских солнечных коллекторов, удельная годовая теплопроизводительность установок солнечного горячего водоснабжения в климатических условиях Украины достаточно высока и составляет 750-1000 кВтч (тепловых) на 1 м² коллектора при коэффициенте замещения нагрузки (доля солнечной энергии в покрытии нагрузки) 0,5-0,7. Для сезонного (только в неотопительный период) солнечного горячего водоснабжения коэффициент замещения нагрузки повышается до 0,6-0,8, но удельная теплопроизводительность снижается.

Простота и дешевизна плоских солнечных коллекторов позволяет организовать производство этого вида преобразователей в Украине, обеспечить на них устойчивый спрос и использование в объеме до 100 тыс м² в год

2.1.3.2.Трубчатый солнечный коллектор

Трубчатый солнечный коллектор обладает более высоким КПД преобразования солнечной энергии в тепло.

В связи с наличием в трубчатом солнечном коллекторе активных коллекторных систем преобразования солнечной энергии в тепло они обладают более высокой удельной теплопроизводительностью, чем плоские солнечные коллекторы. Трубчатые солнечные коллекторы широко распространены в странах Европы. Климатические условия Украины позволяют широко применять в энергетике страны трубчатые солнечные коллекторы .

2.1.3.3.Трубчатый солнечный коллектор системы “тепловая труба”

Трубчатый солнечный коллектор системы “тепловая труба” является одной из конструктивных разновидностей трубчатого солнечного коллектора.

В трубчатом солнечном коллекторе системы “тепловая труба” применен высокоэффективный промежуточный теплоноситель. Новое конструктивное решение позволяет поддерживать температуру промежуточного теплоносителя на уровне 200-250С только за счет преобразования солнечной энергии в тепло.

В условиях Украины применение трубчатых солнечных коллекторов системы “тепловая труба” имеет широкую перспективу.

2.1.4. Пассивные системы солнечной энергетики

Во многих климатичнских условиях Украины эффективны пассивные системы солнечного отопления, в которых не используется какое-либо специальное оборудование, а поглощение и аккумулирование энергии солнечного излучения осуществляется непосредственно архитектурно-строительными элементами здания.

Эффективность пассивных систем ниже, чем активных, но затраты, по крайней мере, на порядок меньше. Расчеты, проведенные на примере индивидуального жилого дома с отапливаемой площадью 120 м² и простейшей пассивной системой в виде обращенной на юг остекленной коллекторно-аккумулирующей стенки, показали, что коэффициент замещения отопительной нагрузки (доля солнечной энергии в расходе энергии на отопление) в целом за отопительный сезон составляет в различных районах Украины 30-50%. Выполненные архитектурные проекты показали, что некоторая специфика, связанная с застекленным фасадом, не лишает дома с пассивными системами внешней привлекательности и не создает неудобств для проживания.

Пассивные системы солнечной энергетики находят широкое применение в мировой практике.

Ученые и инженеры ОО ИАУ разработали новую концепцию индивидуального жилищного строительства под названием ”Теплый дом”.

Проект ”Теплый дом” включает ряд новых технологических решений в области пассивной солнечной энергетики, которые по энергетической эффективности превосходят мировые образцы.

Пассивные системы солнечной энергетики в Украине до сего времени не применяются.

Целесообразно приступить к внедрению пассивных систем солнечной энергетики в Украине на основе разработок ОО ИАУ.

2.2. Ветровая энергетика

По ветроэнергетике Украина отстает весьма серьезно. В то же время за рубежом эта отрасль развивается ошеломляющими темпами.

По данным Американской (AWEA) и Европейской (EWEA) ветроэнергетических ассоциаций, а это наиболее достоверные данные, на конец 2001 года общая установленная мощность в мире составила 24,390 ГВт. В 2002 году введено новых мощностей 6,868 ГВт и общая мощность ВЭС на конец 2002 года составила 31,128 ГВт.

Эту цифру полезно сопоставить с прогнозом этих ассоциаций, составленным ими в 1997 году. По этому прогнозу к 2006 году общая установленная мощность ВЭУ должна составить 35,897 ГВт. Таким образом, в соответствии с темпами развития ветроэнергетики, уровень 2006 года был достигнут в 2003 году, т. е. на три года раньше. Нам бы так ошибаться в прогнозах. Обращают на себя внимание фантастические годовые объемы ввода мощности ВЭС в Германии - 3,247 ГВт и Испании - 1,493 ГВт.

Таким образом, пятерка стран-лидеров ветроэнергетики на уровне 2002 года выглядит следующим образом: Германия (12,001 ГВт), Испания (4,83 ГВт), США (4,685 ГВт), Дания (2,880 ГВт), Индия (1,702 ГВт).

При таких величинах общей установленной мощности ВЭУ говорить об экзотичности НВИЭ уже не возможно

В Украине сложились к настящему времени благоприятные перспективы для ускоренного развития ветроэнергетики. В Украине сложились успешно работает созданное в декабре 1992 г совместное украинско-американское предприятие "Уиндэнерго Лтд", которое производит на конверсионных предприятиях лицензионные ветротурбины американской компании "Kenetech Windpower, Inc."

В настоящее время в Украине выполнено обследование, ведется проектирование и строительство ВЭС общей мощностью 370 МВТ.

Серийное производство лицензионных ветротурбин предоставляет хорошие возможности для электрификации сельских районов, удаленных от сетевых источников электоэнергии.

Создание ВЭС нового типа – это перспективное поле деятельности для процесса конверсии предприятий военно-промышленного комплекса Украины.

Электрификация на основе ВЭС сельских районов – это перспективное поле деятельности для инженерной Академии Украины.

Экологически чистая, рентабельная и практически неисчерпаемая энергия ветра – это самое перспективное направление развития возобновляемой энергетики. Ветровые электростанции обладают рядом экономических и экологических преимуществ, что делает их весомой альтернативой при решении глобальных энергетических проблем.

Ученые и инженеры ОО ИАУ предлагают новую оригинальную разработку ветроэнергетической установки с вращающимися цилиндрами. Ее преимущество проявляется при низких скоростях ветра 2-6 м/с.

Большой интерес представляют нетрадиционные технические решения в области ветроэнергетики, которые существенно упрощают систему ветровой энергетики, повышают эффективность ее работы и расширяют географию применения.

Ученые и инженеры ОО ИАУ разработали установки ветроэнергетики не имеющие вращающихся частей, в которых энергия ветра непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

Большинство зарубежных производителей уже освоили ВЭУ мощностью 1 тыс. кВт и более, а в последние годы осваиваются ВЭУ мощностью — 2—3 тыс. кВт и более. На базе этих ВЭУ в Западной Европе, США и странах Азии сделан колоссальный прорыв по наращиванию потенциала ВЭС.

Украина должна принять эффективные меры по преодолению хронического отставания отечественной ветроэнергетики от мирового уровня ее развития.

2.3. Низкопотенциальная энергия земли, воздуха и воды

Запасы низкопотенциальных источников энергии неисчерпаемы.

Низкопотенциальные источники энергии создают минимум экологических проблем, выработка электрической и тепловой энергии с их помощью рассматривается в перспективе как главнейшее направление развития мировой энеретики.

2.3.1.Тепловой насос

Наиболее важным устройством нетрадиционной энергетики и энергоресурсосбережения является тепловой насос.

Особенность теплового насоса состоит в том, что произведенное тепло всегда больше подведенной энергии от энергоисточника высокого потенциала. Суть заключается в том, что тепло производится не только за счет энергии энергоисточника (газа, угля, электрической энергии или пара), но и за счет дополнительной тепловой энергии, отбираемой от низкопотенциального источника, то есть источника с более низкой температурой (геотермального источника, жидких промышленных или бытовых стоков, воздуха, грунта, реки). В промышленно выпускаемых установках экономия топлива составляет 20-70%. Возможный диапазон температур низкопотенциального источника очень широкий (от +80°С до -17°С).

Во многих развитых странах тепловые насосы являются основой энергосберегающей политики. Так, в Швеции 22% домов (350 тысяч) обогреваются тепловыми насосами. В мире насчитывается около 40 млн штук тепловых насосов. Планируется, что к 2020 году вклад тепловых насосов в теплоснабжение в развитых странах составит 75%.

В Украине тепловым насосам не уделяется никакого внимания.

В жилищно-коммунальном хозяйстве Украины в настоящее время эксплуатируется свыше 100 тыс. (включая ведомственные) котельных, которые вырабатывают около 600 тыс. Гкал тепловой энергии в год.

Состояние оборудования большинства котельных неудовлетворительное, требует реконструкции и замены.

Основным видом топлива для этих котельных является природный газ – 53-58% (мазут 12 - 15%, уголь – 27 - 30%).

Около 50% объектов и инженерных сетей требует замены, не менее 15% находится в аварийном состоянии.

В большинстве городов Украины сложилась крайне неблагоприятная обстановка с содержанием энергетического хозяйства, где свыше 40% бюджета города расходуется на теплоснабжение.

Причин такого состояния коммунальной энергетики много. Это дефицит финансов, износ оборудования и тепловых сетей, слабое разграничение зон полномочий, а также отсутствие перспективных схем развития систем теплоснабжения с разработкой и внедрением высокоэффективных технологий использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

В существующих условиях требуются новые подходы к решению проблемы снижения затрат на теплоснабжение, требуется разработка комплексной программы теплоснабжения в сфере ЖКХ, ориентированной на реализацию потенциала экономии ТЭР, новые научные разработки, внедрение новых энергосберегающих технологий и оборудования, основанных на вовлечение в процесс получения тепловой энергии ВЭР. Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии в сфере ЖКХ может быть достигнуто на основе применения теплонасосоных установок (ТНУ), позволяющих трансформировать низкопотенциальную теплоту ВЭР и возобновляемых природных источников до более высоких температур, пригодных для целей теплоснабжения. Кроме того, применение ТНУ дает возможность приблизить тепловые мощности к местам потребления, минимизировать протяженность тепловых сетей и получать в системах отопления 3-8 кВт эквивалентной тепловой энергии в зависимости от температуры низкопотенциальных источников, затрачивая при этом 1 кВт электрической энергии.

Украина не производит тепловых насосов, но может приступить к реконструкции тепловой энергетики ЖКХ на основе применения тепловых насосов, изготовленных в Росийской Федерации.

Основные разработчики и производители тепловых насосов в России располагаются в Новосибирске. Институт теплофизики СО РАН создал новое поколение тепловых насосов - абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы (АБТН).

АБТН являются высокоэффективным энергосберегающим оборудованием для теплоснабжения различных объектов и предназначены для нагрева воды до 50 - 80 ^оС, с использованием в качестве источника энергии теплоты греющего пара с давлением до 0,75 МПа или топлива - природного газа, а также низкопотенциальной сбросной или природной теплоты от различных источников с температурой 20-40 ^оС. Доля дешевой низкопотенциальной теплоты, используемой в АБТН для выработки полезной теплоты составляет около 40 %.

Производство АБТН освоила компания “Теплосибмаш”.

ЗАО “Энергия” и СКБ “ИПИ” выпускают парокомпрессионные тепловые насосы мощностью до 5 МВт.

В России основным производителем тепловых насосов в течение 15 последних лет является ЗАО “Энергия” г.Новосибирск. На ее счету 126 запущенных тепловых насосов и теплонасосных станций в России и ближнем зарубежье, что составляет 84% от общего числа тепловых насосов, произведенных в нашей стране. Общая тепловая мощность их составляет около 54 мегаватт.

2.3.2. Многоконтурные термодинамические тепловые машины

Группа ученых и инженеров ОО ИАУ накопила значительный научно-технический потенциал в области низкотемпературной энергетики. Для того, чтобы исключить загрязнение среды и сделать энергетические установки экологически чистыми был проведен цикл фундаментальных исследований, позволивший эффективно применить низкопотенциальное тепло окружающей среды или солнечный нагрев. Были разработаны многоконтурные термодинамические циклы с разнородными чистыми газами. Газы раздельно в контурах адиабатически сжимаются, к ним подводится теплота окружающей среды, а затем смешиваются в газовом эжекторе с образованием газовых смесей с необходимыми теплофизическими свойствами и термодинамическими параметрами. После эжектора смеси расширяются с получением положительной работы, и потом разделяются не первоначальные компоненты.

Таким образом, газы в энергетической установке попеременно то смешиваются после сжатия и подвода тепла, то разделяются, и процесс повторяется снова. В энергетической установке нет продуктов сгорания, загрязняющих атмосферу, а нагрев газов производится за счет низкопотенциального тепла окружающей атмосферы (или солнечного нагрева).

В качестве рабочих тел в данной энергетической установке могут быть использованы следующие газы: водород + аргон, водород + азот, гелий + СО₂, азот + аргон и др.

Проведенные фундаментальные исследования и накопленный научно-технический потенциал позволяют приступить к созданию тепловых насосов нового типа, имеющих коэффициент преобразования (СОР) на 20% выше, чем у традиционных тепловых насосов.

На основе многоконтурных термодинамических циклов могут быть созданы тепловые насосы с большой тепловой мощностью до 50 МВт в одном агрегате и более.

Тепловые насосы с такой тепловой мощностью предоставляют самые широкие возможности в сфере модернизации тепловой энергетики ЖКХ и теплоснабжении промышленных объектов.

2.3.3. Бестопливные генераторы электроэнергии

В окружающей нас природной среде: в земле, воздухе и воде содержиться колоссальный запас тепловой и магнитной энергии, вполне достаточный для непрерывного удовлетворения всех энергетических потребностей человека.

Рассеянная в природной среде энергия является низкопотенциальной, использование ее в качестве источника энергии очень затруднено. Для использования низкопотенциальной энергии окружающей среды необходимо создание совершенно новых энергетических систем, основанных на нетрадиционных принципах преобразования и концентрации рассеянной энергии.

Большой практический интерес для развития нетрадиционной энергетики представляют работы ученых ОО ИАУ по созданию бестопливных генераторов электрической энергии.

В качестве таких разработок прежде всего необходимо указать следующие:

-квантовые генераторы электроэнергии;

-матричные генераторы электроэнергии;

-ионные генераторы электроэнергии.

Создание бестопливных генераторов электроэнергии – это новый путь развития мировой энергетики, который может реально привести в недалеком будущем к энергетическому изобилию.

Создание бестопливных генераторов электроэнергии – это сложный наукоемкий процесс.

Создание бестопливных генераторов электроэнергии требует постоянного внимания и финансовой поддержки со стороны государства.

2.4. Энергия малых рек.

Гидроресурсы – дешевый, экологически чистый источник энергии. Но строительство крупных гидроэлектростанций и каскадов не эффективно с экономической и экологической позиции. Преимущество в развитии гидроэнергетики должно быть отдано строительству бесплотинных, наплавных, малых и мини ГЭС, русловых проточных установок.

Группа ученых и инженеров ОО ИАУ разработала проект “Строительство наплавных гидроэлектростанций бесплотинного типа”.

Разработана конструкция бесплотинных, наплавных ГЭС (БНГЭС).

Разработан номенклатурный ряд БНГЭС номинальной мощностью от 1 МВт до 30 МВт.

БНГЭС изготавливаются в виде отдельных плавучих блоков полной заводсткой готовности.

Блоки устанавливаются на малых, средних и крупных реках.

Для эксплуатации БНГЭС не требуется создания плотин и водохранилищ, себестоимость выработанной ими электроэнергии ниже, чем на других электростанциях, эти электростанции являются экологически чистыми.

Установка БНГЭС возможна и на крупных реках Украины: Днепр, Дунай, Днестр и других.

Разработана ”Программа реконструкции существующих гидроэлектростанций путем установки гидроэнергоблоков в верхнем бъефе (БНГЭСвб) и создания гидроэнергоблоков в нижнем бъефе (БНГЭСнб), в частности, на Кременчугской ГЭС”. В результате осуществления Программы мощность Кременчугской ГЭС может быть увеличена на 100 МВт.

На БНГЭС Правительство Украины должно обратить самое серьезное внимание. Это направление может быть эффективным для создания новых энергогенерирующих мощностей в Украине.

Конструктивное устройство БНГЭС очень простое. Разработана специальная гидравлическая турбина, которая приводится во вращение током воды, движущейся со скоростью 0,6-0,8 м/с. Гидравлическая турбина соединена с генератором электрической энергии. Эти два агрегата установлены на плавучем средстве.

В целом получена простая и компактная конструкция, имеющая только 2 движущиеся части, для которой не требуется постоянного обслуживания.

Проектной срок службы 30 лет.

По данным НАН Украины, развитие малой гидроэнергетики может дать стране до 4 млрд. кВт^•ч.

Освоение этого значительного потенциала в Украине пока началось. Из экономически целесообразного для освоения гидропотенциала малых рек пока используется только 7—8%.

Особая ценность энергии малых рек заключается в том, что они рассредоточены по всей территории Украины и преобладают в западных регионах, являющихся энергодефицитными. Дополнительные плюсы — наличие профессиональной школы гидроэнергетиков, одной из лучших в мире; значительный потенциал турбомашиностроения и большой опыт строительства гидроэлектростанций как в Украине, так и за рубежом

Существует и серийно изготавливается большое количество установок, преобразующих энергию малых водных потоков, не требующих создания плотин и водозаборных устройств с водозаборными трубопроводами, использующих кинетическую энергию потока реки. Работая полностью в автономном режиме, такие установки могут обеспечить питание электроэнергией от маломощных бытовых приборов до снабжени дачных участков, поселков и сельской местности.

Мощность таких малых мини ГЭС может быть от 20-40 Вт до 1 МВт, скорость течения водопотока от 0,6 м/с, напор воды (если требуется) от 3 метров.

Использование деривационных и русловых ГЭС в сочетании с возможностью комплектования их генераторами различной мощности позволяет подобрать для каждого конкретного случая оптимальную комбинацию по цене и производительности.

Преимущество малых и мини ГЭС в том, что они не требуют постоянного присутствия обслуживающего персонала при эксплуатации.

Исключительно благоприятными возможностями для развития БНГЭС, малых и мини ГЭС обладает Одесская область.

Реки Дунай и Днестр обладают неисчерпаемыми гидроресурсами.

На основе БНГЭС, малых и мини ГЭС, установленных на реках Дунай и Днестр и на их притоках, может быть эффективно решена проблема электро и теплоснабжения таких городов, как Вилково, Килия, Белгород-Днестровский, Овидиополь и других районных центров Одесской области и сельской местности.

2.5. Энергия биомассы

Биомасса представляет собой древнейший источник энергии, однако ее использование до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию либо в открытых очагах, либо в печах и топках, но также с весьма низким КПД. В последнее время внимание к эффективному энергетическому использованию биомассы существенно повысилось, причем в пользу этого появились и новые аргументы:

-использование растительной биомассы при условии ее непрерывного восстановления (например, новые лесные посадки после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации СО₂ в атмосфере;

-в промышленно развитых странах в последние годы появились излишки обрабатываемой земли, которую целесообразно использовать под энергетические плантации;

-энергетическое использование отходов (сельскохозяйственных, промышленных и бытовых) решает также экологические проблемы;

-вновь созданные технологии позволяют использовать биомассу значительно более эффективно.

Потенциал биомассы, пригодный для энергетического использования в большинстве стран достаточно велик, и его эффективному использованию уделяется значительное внимание.

В США в 1990 г. благодаря использованию биомассы было произведено 31 млрд. кВтч электроэнергии, кроме того, за счет твердых бытовых отходов (ТБО) еще 10 млрд. кВтч. На 2010 г. планируется выработать соответственно 59 и 54 млрд. кВтч. Оценка технического потенциала различных видов биомассы, выполненная в Германии, дает: остатки лесной и деревоперерабатывающей промышленности — 142 млн. ГДж/год; солома — 104 млн. ГДж/год; биогаз — 81 млн. ГДж/год.

Потенциальное использование биомассы в США может позволить заменить всю нефть, расходуемую сейчас в качестве горючего для легковых автомобилей, а также уголь, сжигаемый для производства электричества. При этом число выбросов углекислого газа сократится наполовину.

Современные биотехнологии, высокоэффективные методы переработки и утилизации растительного сырья позволяют осуществить экономически рентабельную переработку биомассы в этанол.

Биодизель и биобензин, изготовленные из этанола, будут конкурентноспособными с нефтяным бензином и дезельным топливом.

Украина располагает значительным потенциалом растительного сырья, пригодного для производства этанола и изготовления из него биотоплива.

Источником растительного сырья могут быть растительные отходы сельского хозяйства и лесной промышленности. Современные биотехнологии ферментативного гидролиза позволяют извлекать глюкозу практически из любых растительных отходов.

К отходам переработки сельскохозяйственных культур, которые экономически рентабельно перерабатывать в этанол, следует отнести следующие растительные отходы: солома зерновых, зерно-бобовых и масленичных культур, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, отруби, мездра, рисовая, гречневая, просяная и сорговая шелуха, отходы виноделия, костра, обрезь веток фруктовых деревьев и виноградной лозы.

К отходам лесного производства, имеющим в Украине промышленное значение, могут быть отнесены следующие: растительные отходы от лесозаготовок, щепа, опилки, стружки, неделовая древесина, обрезь пиломатериалов.

По оценкам специалистов Украина располагает не утилизируемыми растительными отходами в объеме 20 млн. тонн в год.

Это значительный объем растительных отходов, из которых может быть произведено 50 млн. декалитров этанола, который будет преобразован в 3,3 млн. тонн биобензина и биодизеля.

Украина располагает почвенно-климатическими условиями, исключительно благоприятными для выращивания специальных видов энергетической биомассы.

Рассмотрим условия выращивания в Украине тех видов сельскохозяйственных культур, которые могут стать постоянным источником энергетической биомассы.

2.5.1. Плазмохимическая технология производства биотоплива из сахарного сорго

Группа ученых и инженеров ОО ИАУ разработала принципиально новую плазмохимическую технологию производства биотоплива из сахарного сорго. В основу новой технологии положены результаты фундаментальных научных исследований свойств плотной неравновесной плазмы, позволившие обеспечить максимальную концентрацию электрофизического воздействия на объект обработки.

По новой технологии осуществляется полная переработка этанола, произведенного из сахарного сорго, в углеводороды с числом атомов углерода большим, чем в исходном спирте.

Для плазмохимической технологии производства биотоплива из сахарного сорго создан специальный высокоактивный полифункциональный гетерополикислотный катализатор.

Новый катализатор представляет собой твердую суперкислоту, модифицированную электронодонорами.

Процесс каталитической конверсии спиртов в углеводороды осуществляется в плазмохимическом реакторе, который представляет собой стальной вертикальный аппарат колонного типа. В корпусе реактора размещен стационарный слой катализатора необходимой высоты.

Спирт при комнатной температуре подается в колонну снизу. В колонну сверху подается мощный поток микроволнового излучения. В объеме катализатора генерируется плотная неравновесная плазма, катализатор и спирт разогреваются до рабочей температуры, в слое катализатора осуществляется каталитическая дегидратация спирта. В верхнюю зону колонны поступает смесь углеводородов в газообразном виде, которая по фракционному составу аналогична высокооктановому бензину или дизельному топливу. Углеводороды выводятся из колонны и подаются на последующую стадию приготовления моторного топлива.

В результате осуществления одностадийного процесса каталитической конверсии спиртов в углеводороды из одного сырьевого компонета – этилового спирта, осуществляется синтез высокооктанового бензина или дизельного топлива.

Синтезированный высокооктановый бензин по качественным показателям соответствует нефтяному бензину, но значительно превосходит последний по экологической чистоте.

Синтезированное дизельное топливо по качественным показателям соответствует нефтяному дизельному топливу, но значительно превосходит его по экологической чистоте.

Новый вид бензина, синтезированного из этилового спирта, можно с полным основанием назвать биобензином.

По условиям применения биобензина на автотранспорте он ничем не отличается от нефтяного бензина. Его применение не требует модификации автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Применение биодизеля на автотранспорте также не требует модификации автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

В плазмохимическом реакторе протекают химические процессы, которые не осуществимы в традиционных технологических системах. Благодаря этому отличию в плазмохимическом реакторе осуществлен ряд синтезов этанола с различными углеводородами. Конечными продуктами синтезов стали алкилаты, представляющие собой высокооктановые добавки к бензинам.

Температура каталитических преобразований, осуществляемых в плазмохимическом реакторе, снижена в среднем в 2 раза. Каталитическая конверсия спиртов в углеводороды осуществляется в диапазоне температур от комнатной до 300С и атмосферном давлении, что существенно снижает энергоемкость производственных процессов.

Новая технология исключает затраты на проведение ряда технологических процессов, неизбежных в традиционных технологиях производства моторного топлива. За счет этого капитальные и эксплуатационные затраты снижаются в среднем в 10 раз.

Плазмохимическая технология конверсии спиртов в углеводороды по совокупности параметров мировых аналогов не имеет.

Основные технологические процессы новой технологии исследованы и испытаны на пилотных установках.

Украина располагает значительным потенциалом растительного сырья, пригодного для производства этанола и изготовления из него биотоплива.

Постоянным источником растительного сырья может быть биомасса сельскохозяйственных культур, специально выращиваемых для производства биотоплива.

Настоящий проект предусматривает использование в качестве сахаросодержащего сырья в производстве этанола сахарного сорго.

Сахарное сорго – это засухоустойчивая, неприхотливая зерновая культура, отличающаяся высокой отзывчивостью на орошение. Сахарное сорго является источником сахарного сырья. В соке ряда сортов и гибридов сахарного сорго содержится 19-24% сахара.

В Селекционно-генетическом институте УААН (г.Одесса) созданы высокотехнологичные сорта сахарного сорго, обладающие рекордной урожайностью.

Почвенно-климатические условия Украины исключительно благоприятны для выращивания сахарного сорго.

Высокоурожайные гибриды сахарного сорго в суходольных условиях обеспечивают урожай до 80 т/га зеленой массы, а при орошении за 2-3 укоса до 150 т/га.

Выход сока из зеленой массы составляет 70-85%, средний выход сахара, достигнутый в условиях сельскохозяйственных предприятий, составляет 17 т/га. Из произведенного сахара при его дальнейшей переработке было получено этилового спирта в количестве 12,2 тонны, из которого можно изготовить 8,0 тонн биотоплива.

Выход сахара с одного гектара площади, засеянной посевами сахарного сорго, в 5 раз превышает аналогичный показатель для свеклы.

Себестоимость производства сахара и этанола из сахарного сорго значительно ниже, чем из свеклы.

Высокая урожайность сахарного сорго предопределяет низкую себестоимость этанола, изготовленного из сока сахарного сорго.

Себестоимость этанола составляет ориентировочно 50 долл США за одну тонну.

Сахарное сорго – это новая молодая сельскохозяйственная культура. Агротехнология возделывания сахарного сорго в условиях промышленного производства в сельскохозяйственных предприятиях еще будет совершенствоваться.

При условии совершенствования агротехнологии возделывания сахарного сорго его урожайность будет возрастать.

Высокогетерозисные гибриды сахарного сорго при орошении за 2-3 укоса будут давать урожай зеленой массы до 200 т/га.

В этих условиях реальный выход биобензина или биодизеля, изготовленного из этанола, будет составлять 13,0 тонн биотоплива с одного гектара.

Себестоимость этанола будет снижена ориентировочно до 30 долл США за одну тонну.

Урожайность семян рапса гораздо ниже. С одного гектара посевов технических сортов рапса можно собрать 2,5 тонны семян. Выход масла составит до 1 т/га.

При этерификации из 1 тонны рапсового масла и 110 литров метанола получается 1 тонна биодизеля.

При изготовлении биотоплива из сахарного сорго с одного гектара посевов сахарного сорго можно изготовить 8,0 тонн биобензина или 8,0 тонн биодизеля.

Изготовленнный из сахарного сорго биобензин или биодизель по себестоимости будут ниже, чем все другие виды моторного топлива, изготовленного из нефтяного или ненефтяного углеводородного сырья.

Украина без ущерба для производства продовольствия может передать на энергетические нужды 500 тыс. га сельскохозяйственных площадей.

Это количество площадей, занятых под возделывание сахарного сорго, позволит производить биобензин или биодизель в количестве 4,0 млн. тонн в год.

Использование сахарного сорго с высоким содержанием сахаров в качестве исходного сырья для биотехнологического производства этанола и одновременного получения кормовой биомассы позволяет организовать в Украине крупнотоннажное производство экологически чистого биобензина и биодизеля.

Удельные затраты на выращивание сахарного сорго составляют 240 долл. США на один гектар площадей.

Себестоимость биобензина или биодизеля ниже, чем себестоимость моторного топлива, изготовленного из нефти, что будет эффективно стимулировать производство и потребление нового вида биотоплива.

Таким образом, нет ни технических, ни экономических препятствий для продвижения биобензина и биодизеля на рынок топливных материалов стран Европы. Содержание биобензина и биодизеля в топливно-энергетическом балансе будет определяться только одним фактором – сырьевым потенциалом каждой страны.

В последние годы человечество все чаще сталкивается с негативными последствиями изменения климата Земли. Человеческая деятельность оказывает влияние на эти изменения. По мере увеличения мирового промышленного производства это воздействие усиливается. Одна из отчасти антропогенных причин воздействия на глобальный климат - выброс парниковых газов.

Наиболее полно решение проблем изменения климата нашло отражение в Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). Государства - Стороны Конвенции разработали к ней в 1997 году Киотский протокол (КП), содержащий обязательства Сторон по конкретным объемам сокращения выбросов парниковых газов.

Плазмохимическая технология производства биотоплива из сахарного сорго позволяет осуществить конкретные и эффективные действия по снижению выбросов парниковых газов в самом неблагоприятном сегменте энергетического спроса.

Поскольку 2/3 мирового потребления нефти приходится на долю транспортного сектора и потребление топлива здесь опережает общий рост энергопотребления, этому сегменту энергетического спроса должно быть уделено особое внимание. Транспорт должен стать более экономичным, транспорт должен потреблять экологически чистые виды топлива, изготовленные из возобновляемых биологических энергоресурсов.

В решение проблем повышения экологичности транспорта, проблем снижения выбросов парниковых газов транспортными средствами предлагаемая технология производства биобензина и биодизеля из сахарного сорго не имеет конкурирующих технологий на мировом рынке.

Сжигание одной тонны биобензина или биодизеля исключает поступление в атмосферу 2, 68 тонн CO₂ - е.

Производство и потребление биобензина и биодизеля снижает парниковый эффект и решает глобальную проблему изменения климата.

Принимаем объем производства биобензина и биодизеля по предлагаемой технологии на уровне 18,0 млн тонн в год.

Если мы топливо, произведенное из нефти, заменим на биобензин, биодизель и другие виды биотоплива, снижение выбросов составит

18 000 000 тонн х 2,68 = 48 240 000 тонн CO₂ -е

Сопоставление возможного уровня снижения выбросов, достигаемого при реализации предлагаемого проекта (48,0 млн.тонн СО₂-е), показывает, что это снижение может стать заметной составляющей глобального снижения от проектов совместного осуществления и механизма чистого развития.

Такой объем производства биобензина и биодизеля может быть легко достигнут при условии возделывания сахарного сорго в Украине, России, странах Балтии и странах Европы.

2.6. Энергия торфа