Альтернативная энергетика будущего – новые технологии новое мышление. Альтернативные источники энергии.
Альтернативные источники энергии

электронный журнал

Альтернативная энергетика будущего – новые технологии новое мышление.



Во́зобновляемые ист́очники энергии (ВИ́Э) с ка́ждым го́дом ста́новятся все́ бо́лее за́метными в ми́ровой энергетике. В США́ и стра́нах Евр́осоюза до́ля ВИ́Э в общ́ем объ́еме про́изводства в 2010 го́ду со́ставила 11% и 9,6%, со́ответственно. И по́ про́гнозам к 2020 го́ду она впло́тную при́близится к 25%. При́ этом ко́личество энергии, вы́рабатываемой ВИ́О, во́зрастет в стра́нах Евр́осоюза в 3,8 ра́за, а в США́ — в 22,5 ра́за. Ра́звитие во́зобновляемых ист́очников энергии в Ро́ссии на́ходится на́ ра́нних этапах. В 2010 го́ду до́ля во́зобновляемой энергетики в общ́ем объ́еме про́изводства со́ставила 0,9% с уст́ановленной мо́щностью в 2,1 ГВт. К 2020 го́ду до́ля ВИ́Э во́зрастет до́ 4,5% с уст́ановленной мо́щностью в 25 ГВт. Не́смотря на́ се́рьезные про́блемы, огр́аничивающие ро́ст исп́ользования ВИ́Э в Ро́ссии, су́ществуют су́щественные пре́дпосылки для́ их акт́ивного ра́звития. Исп́ользование во́зобновляемых ист́очников энергии игр́ает ва́жную ро́ль в ра́звитии ра́спределенной энергетики. Ра́спределенная энергетика явл́яется при́оритетной сфе́рой экономически эфф́ективного пра́ктического исп́ользования ВИ́Э в Ро́ссии. В этой сфе́ре уст́ановки на́ ВИ́Э уже се́годня мо́гут усп́ешно ко́нкурировать с тра́диционными энергоустановками. По́тенциальные ма́сштабы во́зможного эфф́ективного исп́ользования ВИ́Э в сфе́ре ра́спределенной ге́нерации уже се́годня изм́еряются ги́гаватами. На́ряду с за́конодательной и фи́нансовой по́ддержкой ра́звития ВИ́Э в це́нтрализованной энергетике, го́сударственная по́литика до́лжна учитывать и сти́мулировать ра́звитие ВИ́Э в ре́гионах в сфе́ре ра́спределенной энергетики.

Клю́чевые пре́дпосылки ра́звития ра́спределенной энергетики с исп́ользованием ВИ́Э:

  • 2/3 те́рритории стра́ны ра́сположены вне́ се́тей це́нтрализованного энергоснабжения: на́селение около 20 млн че́л., ра́йоны с на́иболее вы́сокими це́нами и та́рифами на́ то́пливо и энергию (бо́лее 25 ру́б./
  • кВтч);
  • Бо́лее 50% ре́гионов стра́ны энергодефицитны: за́воз то́плива, имп́орт электроэнергии – за́дача по́вышения ре́гиональной энергетической бе́зопасности;
  • Га́зифицировано около 50% на́селенных пу́нктов, а в се́льской ме́стности — ме́нее 35%.
Ра́ссмотрим ра́зличные те́хнологии во́зобновляемой энергетики.

Со́лнечная энергетика

Сре́ди осн́овных про́блем со́лнечной энергетики мо́жно вы́делить не́постоянность и не́предсказуемость осн́овного ист́очника энергии, за́висимость от по́годных и кли́матических усл́овий, и обусловленная этим не́обходимость в на́копителях энергии или до́полнительных ист́очниках энергии. Су́щественными не́достатками явл́яются вы́сокая сто́имость фо́тоэлектрических си́стем (ФЭ́С) с учетом не́обходимости в на́копителях и обр́атных пре́образователях пе́ременного то́ка (до́ 50% от общ́ей сто́имости си́стемы), сра́внительно ни́зкий КПД (от 4-5% до́ 20% для́ тра́диционных фо́тоэлектрических мо́дулей (ФЭ́М), и до́ 40% для́ ко́нцентрирующих ФЭ́М) и ни́зкая энергоемкость (~8-12 м2/кВт), всле́дствие че́го по́д ФЭ́С тре́буются бо́льшие те́рритории (Та́блица 1).

На́иболее пе́рспе́ктивными из пе́речисленных вы́ше те́хнологий явл́яются:

  • Усовершенствованные не́органические то́нкопленочные ФЭ́М — Сфе́рические ФЭ́М на́ осн́ове се́ленида ме́ди-инд́ия (CIS) и то́нкопленочные по́ликристаллические кре́мниевые ФЭ́М;
  • Орѓанические ФЭ́М (в то́м чи́сле фо́тосенсибилизированные кра́сителем ФЭ́М на́ осн́ове орѓанических по́лимеров);
  • Те́рмо-фо́тоэлектрические (TPV) ячейки с узќой за́прещенной зо́ной (low gap-band).
Осн́овные исс́ледования в обл́асти ра́звития фо́тоэлектрических те́хнологий на́правлены на́ сни́жение се́бестоимости фо́тоэлектрических мо́дулей за́ сче́т:
  • По́вышения КПД фо́тоэлектрических мо́дулей I-го́ и II-го́ по́коления:
  • Сни́жения по́требления ма́териалов – исп́ользования пле́ночных ФЭ́М;
  • По́вышения энергоемкости – уменьшения по́верхности ФЭ́М;
  • Исп́ользования орѓанических ма́териалов вза́мен де́фицитного сы́рья (та́кого ка́к се́ребро, инд́ий, те́ллур, сви́нец и ка́дмий);
  • Сни́жения сто́имости и сро́ков окупаемости ФЭ́М (Ри́сунок 1);
  • Исп́ользования бо́лее то́нких и эфф́ективных фо́тоэлектрических пла́стин;
  • Исп́ользования по́ликремневых за́менителей (на́пример, ме́таллургического кре́мния).

Ве́троэнергетика

Ве́троэнергетика явл́яется одн́им из на́иболее по́пулярных и бы́стро ра́звивающихся на́правлений аль́тернативной энергетики. Те́м не́ ме́нее, её ра́спростра́нение та́к же́ огр́аничивается не́постоянностью ве́тра, ка́к ист́очника энергии, на́рушением эст́етического пе́йзажа вви́ду уст́ановки огр́омных 100-ме́тровых ве́тровых ме́льниц и сло́жностями с по́дключением к су́ществующим се́тям вви́ду отд́аленности на́иболее бла́гоприятных те́рриторий для́ уст́ановки ве́трогенераторов от су́ществующей инф́раструктуры. Сто́имость ве́тряной ту́рбины со́ставляет около 80% от общ́ей сто́имости ве́трогенератора, и по́этому осн́овные усилия по́ сни́жению се́бестоимости ве́тряной энергии на́правлены на́ сни́жение ра́сходов на́ про́изводство ту́рбин.

Сре́ди осн́овных на́правлений ра́звития те́хнологий в ве́троэнергетике вы́деляются сле́дующие:

Увеличение ге́нерирующего по́тенциала:
  • Увеличение ра́змеров ту́рбин (см. ри́с.);
  • Увеличение вы́соты ту́рбинных ба́шен;
  • Исп́ользование офф́шорных ве́тров и ве́тров на́ бо́льших вы́сотах;
Улучшение ма́териалов:
  • Сни́жение за́висимости ба́шенных ко́нструкций от ста́льных элементов;
  • Сни́жение ве́са про́пеллеров (исп́ользование угл́еродных во́локон и вы́сокоинтенсивного угл́епластика);
Улучшение си́стемы при́вода (ре́дуктор, ге́нератор, электроника):
  • Ра́звитие те́хнологии све́рхпроводников для́ бо́лее ле́гких и эфф́ективных электрогенераторов;
  • Исп́ользование по́стоянных электромагнитов в электрогенераторах.

Сре́ди но́вых пе́рспе́ктивных ра́зра́боток вы́деляются:

Ле́тающие ве́тряные ту́рбины: Makani Airborne Wind Turbine — на́ 90% ле́гче тра́диционных ту́рбин, за́пускается с исп́ользованием электрического дви́гателя, спо́собна ге́нерировать электричество на́ ни́зких ско́ростях ве́тра; Altaeros Airborne Wind Turbine — исп́ользует на́полненную ге́лием оболочку для́ по́дъема на́ бо́льшие вы́соты; MagennAirRotorSystem(M.A.R.S.) — MARS улавливает энергию ве́тра на́ вы́соте от 200 до́ 300 ме́тров, а та́кже стру́йные по́токи во́здуха, во́зникающие пра́ктически на́ лю́бой вы́соте; Ге́нерация на́ ве́трах ни́зких ско́ростей Wind Harvester — но́вая мо́дель ве́трогенератора осн́овывается на́ во́звратно-по́ступательном дви́жении с исп́ользованием го́ризонтальных аэродинамических по́верхностей; Ве́тряная ли́нза Ве́тряная ли́нза (Япония, университет Кю́сю) — на́правленное вну́трь изогнутое ко́льцо, ра́сполагающееся по́ пе́риметру окр́ужности, описываемой ло́пастями ту́рбины при́ вра́щении. Увеличивает мо́щность ве́тряной ту́рбины втро́е при́ одн́овременном уменьшении уровня шу́ма, имеет на́ибольший по́тенциал исп́ользования в отќрытом мо́ре; Ве́тряные ту́рбины с ве́ртикальной ось́ю Windspire — ве́ртикальная ту́рбина вы́сотой около 10 ме́тров и ши́риной около по́лутора ме́тров, при́менима к исп́ользованию в го́родских усл́овиях (Ри́сунок 4). На́иболее пе́рспе́ктивными те́хнологиями в ве́троэнергетике ста́нут те́, что́ по́зволят сни́зить за́висимость их эфф́ективности от ра́змеров ту́рбин, ка́к, на́пример, Wind Harvester или Windspire.
Makani Airborne Wind Turbine  
Altaeros Airborne Wind Turbine

Би́оэнергетика

Не́смотря на́ вы́сокое ра́спростра́нение про́изводства те́пловой и электрической энергии из би́омасс, те́хнология вы́работки энергии из ни́х имеет ря́д про́блем:
  • Не́обходимость зе́мельных и во́дных ре́сурсов для́ вы́ращивания, ко́нкурирует с про́изводством пи́щевых про́дуктов;
  • Вре́дные вы́бросы при́ сжи́гании (NOx, са́жа, зо́ла, CO, CO2);
  • Се́зонный ха́рактер ро́ста не́которых ку́льтур;
  • Про́блемы ма́сштабирования ге́нерирующих мо́щностей.
На́иболее пе́рспе́ктивные на́правления ра́звития те́хнологий в би́оэнергетике:
  • Со́вместное сжи́гание сме́сей би́омассы с тра́диционными ви́дами то́плива (на́иболее де́шевая те́хнология на́ да́нный мо́мент — Ри́сунок 6);
  • Исп́ользование но́вых ви́дов то́плива из би́омасс, вклю́чая ра́зличные бы́товые и про́мышленные отх́оды;
  • Пе́реоборудование су́ществующих ге́нерирующих мо́щностей на́ угл́еводородном то́пливе по́д исп́ользование би́омасс;
  • По́вышение те́плоотдачи пе́ллет би́омассы за́ сче́т су́шки;
  • Инт́егрированная га́зификация би́омасс с то́пливными ячейками.

При́ливная и во́лновая электроэнергетика

В при́ливной и во́лново́йэнергетике исп́ользуетсякинетическая энергия во́ды.Осн́овное отл́ичие со́стоитв то́м, что́ в при́ливнойэнергетике исп́ользуетсяэнергия мо́рских при́ливови отл́ивов за́ сче́т пе́репадав уровне во́ды, то́гда ка́к вво́лновой энергетикеиспользуются во́дныетечения и ко́лебания во́лн.

Осн́овные ба́рьеры на́ пу́ти ра́спростра́нения да́нного ви́да аль́тернативной энергетики

  • Вы́сокие ка́питальные за́траты на́ стро́ительство (от 2,5 до́ 7 млн. евр́о за́ 1 МВт уст́ановленной мо́щности);
  • Ге́ографическая при́вязка к бе́реговой ли́нии и удаленность от су́ществующих электрических се́тей;
  • Не́гативное вли́яние на́ окр́ужающую сре́ду;
  • За́висимость от при́родных явл́ений;
  • До́роговизна и сло́жность те́хобслуживания;
  • Бы́стрый изн́ос ге́нерирующего оборудования по́д во́здействием во́ды.

Сре́ди общ́их на́правлений те́хнологических исс́ледований в обл́асти при́ливной энергетики вы́деляются сле́дующие:

Усовершенствование при́ливных пло́тин:
  • По́вышение эфф́ективности ге́нераторов на́ при́ливных пло́тинах;
  • Улучшение ант́икоррозийных сво́йств ма́териалов;
Исп́ользование при́ливного те́чения:
  • Ге́нерация электроэнергии не́посредственно от те́чения во́ды во́ вре́мя
  • при́ливов (а не́ от пе́репада в уровне во́ды ме́жду при́ливами и
  • отл́ивами);
  • Исс́ледования в обл́асти ра́зличных ви́дов ту́рбин (го́ризонтальных и
  • ве́ртикальных) для́ пре́образования энергии при́ливного те́чения;
  • Исс́ледований но́вых, не́ ту́рбинных те́хнологий;
Мо́дернизация фи́ксаторов пре́образователей при́ливного те́чения: Якорная сто́янка на́ гра́витационном фу́ндаменте или за́бивных сва́ях, пла́вающие пла́тформы, за́крепленные с по́мощью при́чальных ли́ний.

На́иболее пе́рспе́ктивные но́вые те́хнологии и ра́зра́ботки в обл́асти при́ливной энергетики:

  • Исп́ользование мо́стов в ка́честве при́ливных электростанций, на́пример, про́ект ко́мпании Bluenergy (см.ри́с.);
  • Ко́леблющееся по́дводное кры́ло (при́меняет вме́сто вра́щающихся элементов пла́вники (кры́лья), ко́торые при́водятся в дви́жение те́чением);
  • Си́стемы с исп́ользованием тру́бки Ве́нтури (на́пример, Rotech Tidal Turbine – дву́сторонняя ту́рбина с го́ризонтальной ось́ю, ра́сположенная вну́три си́мметричной ко́ническо́й тру́бки Ве́нтури, пре́образует энергию океанического те́чения в электроэнергию);
  • Ма́гнитогидродинамические си́стемы (MHD) (Ко́нцептуальная те́хнология, исп́ользующая кри́огенно охл́ажденную све́рхпроводящую электромагнитную ка́тушку, ра́змещенную на́ мо́рском дне́, где́ про́ходящие при́ливные во́лны исп́ользуются для́ вы́работки энергии).

В во́лново́й энергетике бо́льшинство исс́ледуемых те́хнологий все́ еще на́ходится на́ ста́дии ра́зра́ботки или экс́периментальных исп́ытаний:

  • Усовершенствование те́хнологий осц́иллирующих во́дяных ко́лонн (OWC) (на́пример, сни́жение ко́лебаний вы́рабатываемой электроэнергии за́ сче́т при́менения ма́ховиков и си́ловой электроники);
  • Ра́звитие те́хнологии уровневых уловителей (point absorber) на́ пла́вучих бу́ях (в т.ч. при́менение ра́зличных спо́собов отб́ора мо́щности (ме́ханических, ги́дравлических, электромагнитных));
  • Усовершенствование те́хнологий пе́реливных ту́рбинных ге́нераторов ти́па WaveDragon (По́вышение КПД и сни́жение ко́лебаний вы́рабатываемой электроэнергии).

Сре́ди но́вых и уже исп́ытуемых те́хнологий мо́жно вы́делить сле́дующие на́иболее пе́рспе́ктивные про́екты:

  • Во́лновые атт́енюаторы (на́пример, Pelamis Wave Energy – пре́образователь во́лново́й энергии в ви́де зме́евидных уст́ройств, на́половину по́груженных в во́ду — см. ри́с.)
  • Во́лновые ге́нераторы на́ при́нципе обр́атного ма́ятника (Inverted Pendulum, на́пример, bioWAVE™, в ко́тором ря́д по́плавков или ло́пастей вза́имодействует с ко́леблющейся мо́рской по́верхностью (по́тенциальной энергией) и по́дводными те́чениями (ки́нетической энергией), ко́нвертируя энергию во́лн в электричество спе́циальным ко́нвертирующим мо́дулем);
  • Ге́нераторы с жи́дким/га́зообразным ра́бочим те́лом (вклю́чая SDE Wave Power, исп́ользующий ги́дродинамическую энергию во́лн для́ при́ведения в дви́жение пи́стонов в ги́дравлическом мо́торе или Archimedes Wave Swing-III ря́д уст́ройств из мно́жества уловителей во́лновых ко́лебаний на́ ги́бкой ме́мбране, ко́нвертирующих энергию во́лн в пне́вматическую энергию по́средством сжа́тия во́здуха в ка́ждом уст́ройств).
По́ ма́териалам ко́мпанииBranan

Статьи