Использование морских - возобновляемых ресурсов в производстве электроэнергии

Некото рые возобновляемые виды энергии уже сегодня стоят не дороже энергии, получаемой за счет использования ископаемого топлива, и практически все они дешевле ядерной энергии. 'Чистая' энергия становится еще более приемлемой в сравнении с энергией, получаемой на базе ископаемого топлива, если в его сто имость включить цену ущерба, наносимого окружающей среде и здоровью людей при его добыче и использовании. А это может быть сделано путем введения соответствующего налога на невозобновля емые топливно-энергетические ресурсы. Не случайно главы восьми государств, в том числе и России, в 2000 г. в Японии обсудили проблемы использования возобновляе мых источников энергии. Более того, образовали рабочую группу для выработки рекомендаций по развертыванию рынка этой энергетики. В данном реферате рассмотрено возможности использования возобновляемых источников электроэнергии на мировом рынке. 1. Малые электростанции на базе возобновляемых источников энергии К возобновляемым источникам энергии, как известно, относятся солнечное излучение, энергия ветра, рек, водотоков, приливов и волн , биомассы, геотермальная энергия, рассеянная тепловая энергия воздуха и воды.

Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире оценивается примерно в 20 млрд т. условного топлива (у.т) в год, т.е. в 2 раза превышает годовой объем добычи всех видов органического топлива. В настоящее время по данным Международного Энергетического Агентства производство электроэнергии за счет нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) оценивается более чем в 200 млрд кВт • ч, что составляет около 2 % общего ее производ ства, к 2005 г. оно достигнет 5 %, к 2020 г. - 13 %, к 2060 г. -33 %. Причем, вопреки общепринятому мнению, энергии солнца, вет ра и малых гидростанций может хватить для удовлетворения потреб ностей всего мира.

Каждый год Земля получает от Солнца энергии и 100 раз больше, чем ее содержится во всех запасах ископаемого топлива, вместе взятых.

Варианты прогнозов вклада возобновляемых источников энергии, поданным Мирового Энергетического Совета, представлены в табл. 1. В США доля производства электроэнергии на базе нетради ционных источников энергии, в общем ее объеме составляет 1 %, в Дании — 20 %. В Нидерландах доля производства электроэнергии на их базе к 2010 г. возрастет с З до 10 %, в Германии — с 5,9 до 12 %. Причем большая часть потребности в энергии будет удовлетворя ться за счет солнечных элементов, ветроустановок, малых гидро станций и использования биомассы остатков урожая и отходов дере вообрабатывающей промышленности. Что касается геотермального тепла, энергии волн и приливов, то в некоторых районах мира эти источники энергии также могут оказаться значительными.

Согласно оценке Агентства по охране окружающей среды США через 20 лет возобновляемые источники энергии смогут удовлетво рить 1/3 мировой потребности в энергии по сравнению с 1/17 частью сегодня. Еще через 20 лет — 2/3 потребности в энергии. Но в этих це лях процесс развития нетрадиционной энергетики должен быть существенно ускорен. А для этого нужна воля правительств и энергетиков всех стран и в первую очередь, индустриально развитых.

Таблица 1. Прогноз вклада возобновляемых энергоисточников в общее энерго потребление, млн т нефтяного эквивалента

Причем значительными возобновляемыми ресурсами располага ют большинство регионов страны, в том числе и проблемные, сточ ки зрения энергоснабжения.

Соответствующие данные приведены в табл. 2. Т а 6 л и ц а 2 . Ресурсы возобновляемых источников энергии России

Причин к тому много: это возможность решения проблем обеспечения энергией от даленных и труднодоступных районов меньшими силами и средствами; это необходимость сокращения объемов дорогостоящего строи тельства линий электропередачи, особенно в труднодоступных и от даленных регионах ; это использование электростанций на базе НВИЭ для оптимизации графиков загрузки оборудования на других электростанциях; это необходимость снижения вредных выбросов от энергетики ( CO 2 , NO x и других) в экологически напряженных регионах.

Таблица 4. Экономия топлива за счет строительства нетрадиционных станций РАО “ЕЭС России'

Приливная энергия океана вызвана гравитационным взаимодействием Земли с Луной и Солнцем.

Приливообразующая сила Луны в данной точке земной поверхности определяется как разность местного значения силы притяжения Луны и центробежной силы от вращения системы Земля - Луна вокруг общего центра тяжести. В результате действия этой силы на поверхности Земли возникают приливные колебания уровней воды, сопровождаемые наступлением волны прилива на берег.

Приливные колебания уровня чаше всего имеют периодичность равную половине лунных суток, т.е. 12ч 24 мин. (полусуточные приливы), либо целым лунным суткам, т.е. 24 ч 48 мин. (суточные приливы). Чаше они носят смешанный характер.

Разность уровней колебания волы - это разность уровней между максимальным приливом и минимальным отливом.

Наивысших прилив (17.3м) наблюдается в вершине залива Фанли (Канада). В Европе высокие приливы наблюдаются н Англии (устье р.

Северн. Бристоль) -14,5 ч, во Франции (устье р. Ране. Сен-Мало) - 14,7 ч. У берегов России высокие приливы наблюдаются в Пенжинском (14,5 м) и Тугурском (10 м) заливах Охотского моря и Мезенском заливе (10м) Белого моря. На Мурманском побережье Баренцева моря прилив достигает 7,2 м.

Мировые энергетические ресурсы приливной энергии оцениваются в 1 трлн кВт ч.

Однако, использование этой энергии затрудняется ее пульсирующим прерывистым характером.

Наиболее распространена в настоящее время одно-бассейновая схема приливной электростанции (ПЭС). Мощность ПЭС вследствие изменения напора волн возрастает от нуля до некоторого максимального значения и затем вновь снижается до нуля. В современных условиях при работе ПЭС в достаточно мошной энергосистеме прерывистый характер выдачи электроэнергии приливной электростанцией не имеет важного значения.

Гораздо важнее получить от нее мощность в часы наибольшей нагрузки в энергосистеме, что позволит обеспечить наиболее рациональный режим работы агрегатов ТЭС и АЭС. Ценное качество приливной энергии заключается в неизменности ее среднемесячного значения в любой сезон и любой по водности год, что важно при использовании ПЭС в целях экономии топлива в системе. Но при работе ПЭС на изолированного потребителя необходимо ее резервирование другим источником энергии. Кроме того, учитывая неравномерность работы ПЭС, для эффективного использования целесообразно ее объединять с ГАЭС или ГЭС, имеющими водохранилища для аккумулирования энергии ПЭС. В России использование приливной энергии в прибрежных районах морей бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов возможно, но изначально требует больших капиталовложений и предполагает высокую себестоимость электроэнергии. На сегодня энергия приливов является наиболее освоенным видом энергии морей и океанов. В настоящее время действуют промышленная ПЭС Ране но Франции (240 МВт), опытные ПЭС Аннаполис в Канаде (20 МВт) и Кислогубская - в России (0,4 МВт). Построены также три опытных ПЭС и Китае и одна - в Корее. Во многих странах мира ведется проектирование промышленных приливных электростанций. 35-летний опыт эксплуатации первой в мире промышленной приливной электростанции Ране во Франции и 33-летний опыт работы Кислогубской ПЭС в России доказали, что приливные электростанции устойчиво работают в энергосистемах как в базовой, так и к пиконом частях графика нагрузок. а) б) Здание Кислогубской ПЭС: а – продольный разрез ( I – вид со стороны бассейна; II – вид со стороны моря); б - поперечный разрез. На рис. показана экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 450 кВт. На электростанции длительное время проводятся исследования по отработке режимов работы станции, изучению ее воздействия на окружающую среду, материаловедческие исследования.

Гидропроектом разработан новый тип так называемой ортогональной гидротурбины, которую предполагается испытать на Кислогубской ПЭС. Создание этого эффективного и технологически простого гидроагрегата позволит значительно снизить стоимость строительства ПЭС. В России в настоящее время разработано технико-экономическое обоснование Тугурской ПЭС мощностью 8 МВт и Пенжинской ПЭС мощностью 87 М Вт на Охотском море и Мезенской ПЭС мощностью 11,4 МВт на Белом море.

Начато проектирование Кольской опытно-промышленной ПЭС мощностью 32 МВт.

Наплавная российская технология строительства ПЭС, апробированная на Кислогубской ПЭС и на защитной дамбе от наводнения С.-Петербурга, позволяет на 1/3 снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехнических сооружений за перемычками.

Обоснования проектов ПЭС в России осуществляются на базе исследований НИИЭС на Кислогубской ПЭС, где испытываются морские материалы, конструкции, оборудование и антикоррозионные технологии.

Комплекс проектных и научно-исследовательских работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и на шельфе, проводимых в условиях Крайнего Севера, позволяет в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.

Однако следует констатировать, что из-за отсутствия финансовых средств все эти работы, как и работы по другим направлениям малой энергетики, в нашей стране фактически сворачиваются. 2.2. Энергия волн морей и океанов.

Мощность ветровых волн Мирового океана оценивается примерно в 10 - 90 млрд кВт, однако мощность, которая может быть реально использована, значительно ниже — всего 2,7 млрд кВт. Пока же достигнутый технический уровень позволяет использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где она превышает 80 кВт/м. В омывающих Россию морях мощности еще ниже и составляют для Черного моря 6 — 8 кВт/м, Каспийского -7-11 кВт/м, Баренцева 22 - 29 кВт/м, Охотского 12- 20кВт/м. Что касается удельной плотности волновой энергии, т.е. мощности, приходящейся на единицу поверхности, то она примерно в 10 раз больше плотности ветровой энергии и значительно превышает плотность солнечной энергии.

Важной особенностью морского волнения является его неравномерность во времени, максимальное значение в 5 — 11 раз выше средних значений.

Удельная мощность волн, образующихся на больших глубинах при значительной удаленности от побережья на порядок выше, чем в прибрежной зоне. В волновых установках энергия волн может или непосредственно преобразовываться в энергию вращения вала генератора, или служит основой привода турбины, на одном валу с которой (или через редуктор) находится генератор. Все известные волновые установки состоят из четырех основных частей: рабочего органа, рабочего тела, силового преобразователя и системы креплений.

Волновые установки, располагаемые в береговой зоне морей, в результате отбора ими энергии волн снижают их размывающую способность и тем самым делают ненужными громоздкие и дорогостоящие берегозащитные сооружения.

Процесс преобразования волновой энергии в электрическую не связан с отрицательным экологическим воздействием на природу.

Однако при расположении волновых энергетических установок некоторых типов в открытом море есть опасность, что в результате преобразования энергии волн может произойти отрицательное воздействие на жизнь моря, поскольку волны способствуют обогащению поверхностного слоя воды кислородом и питательными веществами.

Использование энергии волн пока не вышло из стадии создания экспериментальных установок.

Предложено много различных конструкций — 'Утка Солтера', различные поплавковые конструкции и т.п.

Подобные установки испытывались в США, Англии, Дании и Японии. В середине 90-х годов установка мощностью З кВт испытывалась Дагестанским филиалом ЭНИНа на Каспийском море близ Махачкалы. 2.3. Тепловая энергия морей и океанов. Как известно.

Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, причем нагретая вода не опускается вниз, поскольку плотность ее меньше холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается всего до 25 – 30 ° С. В то же время, температура воды на глубине 1 км не превышает 5 С. Получающийся тепловой градиент создает запасы тепловой энергии, равные 3,4 - I 0 24 Дж/год или 95 - 10'- кВт - ч/год.

Разность температур слоев морской воды в энергетических целях можно использовать в схеме двухконтурной электростанции.

Теплая морская (океанская) вода из верхних слоев используется для испарения жил-кости, точка кипения которой не превышает 25 — 30 °С (фреона, пропана, аммиака). Пар этой жидкости срабатывается в турбогенераторе.

Отработавший пар после выхода из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле.

Проведенные расчеты и опытные работы показывают, что себестоимость электроэнергии на океанических ТЭС (ОТЭС) примерно соответствует этому показателю на современных ТЭС и АЭС. Однако развитию создания ОТЭС препятствует нерешенность некоторых технических проблем, среди которых — отсутствие достаточно эффективных и экономически приемлемых средств борьбы с коррозией и биологическим обрастай нем оборудования и трубопроводов. В экологическом отношении ОТЭС безвредны. Но если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то это может нанести вред морской флоре и фауне. 2.4. Энергия океанических течений. В океанических течениях (поверхностных и глубинных) сосредоточены огромные запасы кинетической энергии (около 7,2 - 10 12 кВт ч/год), которую можно преобразовать в электрическую. Всю акваторию Мирового океана пересекают течения, имеющие различные направления и скорости.

Некоторые из них описывают огромные окружности. Под поверхностными течениями есть и другие – глубинные. В США с 1973 г. разрабатывается 'Программа Кориолиса', которая предусматривает установку во Флоридском проливе 242 подводных установок суммарной мощностью 20000 МВт.

Рассматривается также возможность использования в качестве первичного двигателя таких установок прямоточной турбины диаметром 168 ч с частотой вращения 1 об/мин.

Расстояние между лопастями турбины будет таково, что обеспечит безопасный проход самых крупных рыб. Вся установка будет погружена на 30 м под уровень океана с тем, чтобы не препятствовать судоходству. В Японии исследуется возможность использования энергии теплого течения Куросиво, в котором расход воды оценивается 55- 10 6 м 3 /с, а скорость у восточного побережья страны 1.5 м/с. Используемые для этого трехлопастные гидротурбины будут иметь диаметр рабочего колеса 53 м.

Разработан схематический проект использования течения в Гибралтарском проливе, в котором расход воды (20 – 40)· 10 3 м 3 /с может обеспечить получение электроэнергии в количестве 150 млрд кВт·ч/год.

Анализ экономических показателей морских и океанических электростанций показывает, что по мере совершенствования схем преобразования энергии, конструкций и технологии сооружения этих энергоустановок, их материалои капиталоемкость будет снижаться.