Возобновляемые виды энергии и энергоустановки на их основе

1. Источники возобновляемых видов энергии и их особенности

Возобновляемые источники энергии: источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Типичный пример – солнечное излучение с характерным периодом 24 часа.
Невозобновляемые источники энергии: это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Пример – уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате действий человека.

Источники энергии:

Энергия солнца

Солнечная энергия занимает лидирующее положение среди ВИЭ и повсеместно доступна. Солнечное излучение, вследствие того, что оно исходит от источника с яркостной температурой около 6000°С, с термодинамической точки зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии с высоким КПД.

Плюсы: широкая территориальная область применения; низкая стоимость обслуживания

Минусы: высокая стоимость; нестабильность и изменчивость источника энергии; загрязнение окружающей среды при изготовлении солнечных панелей.
Энергия ветра

Ветроэнергетические установки обеспечивают преобразование энергии ветрового потока в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию. Мощность ВЭУ пропорциональна площади, ометаемой ветроколесом или ротором, и кубу скорости ветра. Столь сильная зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра является критической и существенно ограничивает районы эффективного практического использования ВЭУ. Это обстоятельство требует *тщательного выбора места строительства ветровой электростанции с учетом фактических характеристик местного ветрового режима.

Плюсы: чистота вырабатываемой энергии; малая площадь, занимаемая под электростанцию; дешевизна получаемой энергии; вариативность установки.

Минусы: изменчивость и нестабильность скорости и направления ветра; высокая начальная стоимость возведения ВЭУ.
Геотермальная энергия

Под геотермальной энергией понимают физическое тепло глубинных слоев Земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. В качестве носителей этой энергии могут выступать как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине.

Плюсы: большие запасы энергии; экономичность эксплуатации.

Минусы: сложность проектирования; нестабильность энергетических потоков; вредные атмосферные выбросы при отсутствии дополнительной фильтрации.
Энергия водных потоков

Наиболее подготовленными к экономически эффективному практическому использованию являются относительно новые технологии преобразования энергии водных потоков: микро-, мини- и малые гидроэлектростанции, а также энергоустановки, использующие энергию морских приливов, и волновые энергоустановки.

Плюсы: легко контролировать производительность; отсутствие выбросов

Минусы: большая занимаемая площадь; затопление близлежащих областей
Приливные электростанции

Приливные электростанции используют энергию морских приливно-отливных течений, связанных с взаимодействием гравитационных полей Земли, Луны и Солнца. Основные периоды приливов составляют около 1 суток и около полусуток (∼ 12 ч 25 мин). В течение года на характеристики приливных течений оказывает влияние взаимное расположение указанных космических объектов. Весной силы притяжения Луны и Солнца действуют в одном направлении, обеспечивая максимальную интенсивность приливных течений.

Плюсы: низкая себестоимость энергии, продолжительный срок эксплуатации

Минусы: высокие затраты на строительство, малая мощность
Волновые энергоустановки

Весьма перспективным энергоносителем являются морские волны, которые способны развивать наибольшую для возобновляемых источников удельную мощность. Так, средняя величина потока энергии набегающей волны, зависящей от амплитуды и частоты волн, при периоде 7–10 с и сравнительно небольшой высоте 2 м в расчете на 1 м фронта волны составляет 40–50 кВт. В отдельных акваториях на средних широтах обоих полушарий Земли волновая активность характеризуется величинами удельных потоков 70–100 кВт/м.

Плюсы: относительно невысокая стоимость энергоустановок; незаметность в ландшафте; отсутствие вредного воздействия на флору и фауну

Минусы: производительность нулевая при спокойной водной поверхности

2. География энергоресурсов

Теоретический потенциал солнечной энергетики в России оценивается более чем в 2300 млрд тонн условного топлива, экономически эффективный к использованию потенциал — в 12,5 млн т.у.т.

По причине большой площади России, уровень солнечной радиации изменяется от 810 кВт·ч/м² в год в северных районах страны до 1400 кВт·ч/м² в год в южных районах. Большое влияние на величину солнечной радиации оказывают сезонные колебания, вследствие высокоширотного расположения территории России, в частности на 55 градусов с. ш. солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт·ч/м², а в июле — 11,41 кВт·ч/м² в день.

Наибольший потенциал солнечной энергии находится на Северном Кавказе, районах прилегающих Чёрному и Каспийскому морям, в Южной Сибири и на Дальнем Востоке: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия.

Большая часть ветровых зон России — это степи на юге России (Нижняя и Средняя Волга, Дон), морские побережья (побережье Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, побережья Каспийского, Чёрного, Азовского, Балтийского и Охотского морей) и некоторые отдельные ветровые зоны (Карелия, Алтай, Тыва, Байкал). Максимальная средняя скорость ветра приходится в этих районах на осень и зиму.

Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % — в Северном экономическом районе, около 16 % — в Западной и Восточной Сибири (при этом, плотность населения во многих ветровых зонах не превышает 1 чел. на 2 км²[5]). Технический потенциал ветроэнергетики России составляет 80 000 ТВтч/год, из которых экономически выгодными являются 6218 ТВтч/год.

Технически достижимый уровень использования гидроэнергоресурсов составляет без малых рек около 1 670 ТВт·ч (около 70 % от валового гидроэнергопотенциала).

Экономический потенциал был определен в начале 60-х годов в размере 852 ТВт·ч в целом по России (без малых рек) на основе обобщения многочисленных проектных материалов предыдущих лет. Порядка 80 % этой величины приходится на восточные районы страны (Сибирь, Дальний Восток). Из потенциала европейской части России около 70 % приходится на районы Севера, Поволжья и Северного Кавказа.

Освоенность гидроэнергетических ресурсов России невелика. Суммарная выработка электроэнергии действующими ГЭС России в 2013 году по данным Минэнерго РФ равна 186,7 млрд кВтч, что составляет около 20 % от величины экономического потенциала. В настоящее время это один из самых низких уровней использования гидропотенциала не только среди развитых, но и среди развивающихся стран. В большинстве государств использование этого бестопливного ресурса превысило 50–60 % экономического потенциала, а европейские страны практически полностью освоили все свои ресурсы.

3. Основные понятия и определения в практике исследования и использования возобновляемых видов энергии

Альтернативные (нетрадиционные) источники энергии: возобновляемые и невозобновляемые источники, использование энергии которых на современном этапе развития энергетики приобретает хозяйственную значимость. Такие невозобновляемые источники энергии, как шахтный метан, свалочный газ являются в настоящее время нетрадиционными источниками для энергетической практики нашей страны.
Возобновляемые (неистощаемые) источники энергии (ВИЭ): источники энергии, образующиеся на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества.

В современной мировой практике к возобновляемым источникам энергии относят гидро-, солнечную, ветровую, геотермальную, гидравлическую энергии; энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, разности температур между воздушной массой и океаном; биомассу животного, растительного и бытового происхождения; низкопотенциальное тепло вентиляционных выбросов, воды естественных и искусственных водоемов промышленных и бытовых стоков.

Невозобновляемые (истощаемые) источники энергии: Природные запасы вещества и материалов, которые могут быть использованы для производства энергии.
Возобновляемая энергетика: область хозяйства, науки и техники, охватывающая производство, передачу, преобразование, накопление и потребление электрической, тепловой и механической энергии, получаемой за счет использования возобновляемых источников энергии.
Вторичные энергоресурсы: энергоресурсы, получаемые как отходы или побочные продукты производственных процессов и хозяйственной деятельности.
Низкопотенциальное тепло: низкотемпературная тепловая энергия возобновляемых и вторичных ресурсов, которую используют в виде тепла или для получения электроэнергии.
Ресурс (потенциал) возобновляемого источника энергии: объем энергии, заключенной или доступной для извлечения при определенных условиях из возобновляемого источника энергии в течение года.
Валовый потенциал ВИЭ: Годовой объем энергии, содержащийся в данном виде ВИЭ при полном ее превращении в полезно используемую энергию.
Технический потенциал ВИЭ: часть валового потенциала, преобразование которого в полезно используемую энергию возможно при данном уровне развития технических средств и при соблюдении требований по охране окружающей среды в течении года.
Солнечная энергетика: область энергетики, связанная с преобразованием солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию.
Ветроэнергетика: отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию.
Биоэнергетика: Отрасль энергетики, основанная на использовании биотоплива. Возникла на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в биомассу и ее трансформацию в биотопливо.
Геотермальная энергетика: энергетика, основанная на использовании геотермальной энергии – тепловой энергии недр Земли.
Гидроэнергетика: раздел энергетики, основанный использовании энергии водных ресурсов для получения электрической энергии.

Рустамов Н.А., Андреенко Т.И., Горнов В.Ф., Городничев Р.М., Киселева С.В., Коробкова Т.П., Нефедова Л.В., Рустамов Н.А., Тугов А.Н., Чернова Н.И., Усачев И.Н. // Возобновляемые источники энергии: термины и определения. - 2-е изд. - Москва: ООО «Франтера», 2019. - 114 с.

4. Параметры возобновляемых видов энергии и методы их измерения

Основными энергетическими параметрами установок на основе ВИЭ являются: установленная мощность станции (установки) и объем произведенной энергии за год. При обосновании и проектировании энергетических установок, использующих ВИЭ, кроме отмеченных, необходимы показатели, определяющие режимы работы энергоустановки, характеристики прихода энергии, параметры воздействия на окружающую среду.

Для оценки ресурсов солнечной энергии и потенциальной производительности станций при проектировании солнечных фотоэлектрических и водонагревательных систем и отдельных установок необходимы исходные данные о приходящей солнечной радиации. Точность проектирования определяется репрезентативностью значений радиации, достаточностью их номенклатуры, территориальной и временной частоты, т.е. разрешающей способности во времени и в пространстве.

Определить падающую солнечную радиацию в заданной точке можно несколькими методами:

аналитическим, когда приход солнечной радиации в конкретной географической точке определяется расчетным путем;
многолетними наземными измерениями в заданной точке;
математическим моделированием распространения солнечной энергии в атмосфере на основе спутникового мониторинга и наземных данных.

Основными источниками данных о скорости ветра, значимых для ветровой энергетики являются:

результаты многолетних измерений на метеорологических и аэрологических станциях;
реанализы как результат математического моделирования, проводимого с использованием данных спутниковых и наземных наблюдений;
краткосрочный ветромониторинг непосредственно на площадке предполагаемого размещения ВЭУ.

Методика определения ресурсов, валового и технического потенциалов биоэнергетики включает:

определение источников биомассы и объёмов ее производства (или образования), которые теоретически могут быть использованы для производства энергии (например, урожай);
определение доли биомассы, которая в соответствии с территориальными физико-географическими и социально-экономическими факторами может быть использована для получения энергии (например, доля отходов от урожая сельскохозяйственных культур, норма отходов различных видов скота, количество отходов жизнедеятельности населения)
определение энергосодержания указанной доли биомассы;
определение количества тепловой, электрической энергии или топлива, которое может быть получено с учетом современных технологических возможностей, экологических и иных ограничений.

С.В. Киселева, Ю.Ю. Рафикова, Т.И. Андреенко, Б.А. Новаковский, А.И. Прасолова // Ресурсы возобновляемой энергетики: методы оценки и картографирование. — Москва: Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, 2019. — 196 с.

5. Расчета основных категорий потенциала

6. Современное состояние и перспективы использования возобновляемых видов энергии

В настоящее время в качестве одного из приоритетных направлений инновационного развития России является повышение энергоэффективности. Внимание Правительства РФ к этому направлению было обозначено Распоряжением Правительства «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.» от 8 января 2009 г., устанавливающим принципы государственной политики, комплекс мер по развитию и целевые показатели. Именно в этом документе была поставлена цель довести долю альтернативных источников энергии в общем топливно-энергетическом балансе страны к 2020 г. до 4,5%.

Значительные перспективы несет в себе использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и их включение в систему энергообеспечения стран. ВИЭ – это важнейшие виды природных ресурсов, рациональное использование которых может стать основой российской инновационной экономики. Благодаря технологическим инновациям в энергетической сфере можно будет, с одной стороны, добиться нового уровня энергоэффективности, а с другой стороны, занять прочные рыночные позиции в инновационной экономике будущего.

Экологическая чистота, безопасность и неисчерпаемость ВИЭ делают их использование очень перспективным и выгодным. Использование ВИЭ в энергетике – это именно рациональный подход к использованию природных ресурсов. Данный подход в настоящее время успешно реализуется в мировой экономике.

В современной мировой экономике использование ВИЭ уже давно перестало быть «экзотикой» и рассматривается как ключевая перспектива энергетического развития стран и регионов. Особенно важно то, что таким образом рассматривают ВИЭ не только развитые страны, но и развивающиеся. Так, в 2009 г. США и Китай стали, согласно оценкам компании «Эрнст энд Янг», самыми привлекательными странами с точки зрения инвестирования в проекты по ВИЭ. В 2009 г. в структуре топливноэнергетического баланса стран мира доля ВИЭ составляла 7,7. В целом по миру доля ВИЭ невысока, но это вызвано тем, что ВИЭ развиваются не во всех странах мира.

В некоторых странах ВИЭ используются слабо или не используются вовсе. Однако существуют страны и регионы (Европа, Новая Зеландия, США, Канада и др.), в которых с использованием ВИЭ производится около 20% всей электроэнергии. Доли ВИЭ в общем объеме вырабатываемой энергии в различных странах мира в настоящее время значительно различаются.

Вместе с тем практически все страны планируют увеличение использования ВИЭ к 2020 г. С 2008 г. в ЕС действует программа «20-20-20», обязывающая все страны ЕС увеличить к 2020 г. долю возобновляемой энергии в топливно-энергетическом балансе не менее чем до 20%. В ряде других стран – Японии, США, Канаде – также приняты государственные программы по повышению энергоэффективности и увеличению доли ВИЭ в общем объеме производимой энергии.

Миролюбова Т.В. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в системе рационального природопользования в регионе // Вестник Пермского университета. Серия: Экономика 2010. № 4 (7). С. 78-86.