Возобновляемая энергия



Скачать 102.17 Kb.
Дата21.04.2013
Размер102.17 Kb.
ТипДокументы
Возобновляемая энергия

Мир переключается на возобновляемую энергию. Россия продолжает «распиливать» недра

Возобновляемая энергия – энергия, запасы которой восполняются естественным путем за счет потока солнечного излучения, поступающего на поверхность Земли. Возобновляемая энергия во все времена развития человеческой цивилизации удовлетворяла основные потребности человека (тепло, пища, топливо). В течение очень короткого периода развития человечества (19-20 вв.) в этот естественный процесс стали вносить заметный вклад дополнительные источники «законсервированной» в течение прошлых миллионов лет солнечной энергии в виде угля, нефти, газа. В последние десятилетия к ним также присоединилась ядерная энергия, освоение которой началось во второй половине прошлого века.

Мировая история эксплуатации углеводородов в глобальном историческом масштабе столь же коротка сколь и драматична: уже ко второй половине 20 века стали очевидны ограничения традиционной топливной углеводородной энергетики, и мир обратил пристальное внимание на возобновляемые источники энергии. Основные причины были обусловлены истощением ископаемых ресурсов и значительным экологическим ущербом от традиционной энергетики. Одним из первых на это указал Нобелевский лауреат академик Н.Н. Семёнов (1974 г.).

Все возобновляемые источники энергии (солнечное излучение, ветровая энергия, энергия водяных потоков) характеризуются сравнительно невысокими плотностями энергетического потока. Предельные значения потока солнечного излучения достигают 1,0 кВт/м2 в яркий солнечный день, среднегодовое с учетом сезонных и суточных колебаний не превышает 350 Вт/м2. Плотности энергии ветровых и водяных потоков, имеющих практическое значение, лежат в диапазоне 300 – 600 Вт/м2.

Относительно невысокие плотности энергетических потоков представляют технологические трудности для использования возобновляемой энергии. Тем не менее, получение электроэнергии с использованием водяных потоков на современных гидроэлектростанциях – достаточно традиционный метод промышленного получения электроэнергии. Технологическая процедура, обеспечивающая человечество продуктами питания – сельское хозяйство, практически целиком базируется на энергии солнца. До настоящего времени сельское хозяйство остается безальтернативной отраслью энергетики, в широком понимании этого термина, где в технологическом режиме осуществляется синтез энергоемких соединений, которые обеспечивают энергетику и животных и человека.

Указанные методы утилизации солнечной энергии получили распространение в силу того, что человеком были разработаны удобные и практически достижимые методы ее использования, то есть были созданы соответствующие современные гидроэнергетические и сельскохозяйственные технологии. В последние десятилетия значительное развитие получили новые технологически значимые направления использования солнечной энергии.
Это получение электроэнергии путем прямой трансформации энергии света в электричество (фотовольтаические преобразователи, солнечные панели), конверсия ветровой энергии, получение электроэнергии в концентрированных потоках света через тепловые машины, получение биотоплив (биогаз, биоэтанол, биодизель). Уже сегодня эти методы использования возобновляемой энергии коммерциализируются в больших масштабах и становятся реальными конкурентами традиционной энергетике.

Рассмотрим производство электроэнергии. Какие типы электрогенерирующих мощностей вводятся в эксплуатацию в мире в настоящее время? На Рис. 1 приведены данные по объемам введенных и выведенных из эксплуатации в 2009 году в Европе мощностей производства электроэнергии. Видно, что наиболее популярными являются ветропреобразователи, электростанции на природном газе и фотовольтаические преобразователи.


Рис. 1. Распределение объемов вновь введенных и выведенных из эксплуатации в 2009 г. в Европе мощностей по производству электричества по видам источника энергии.
Следует подчеркнуть одну из особенностей сегодняшнего дня: объемы введенных в 2009 годы мощностей на возобновляемой энергии (ветер, солнечные панели, гидроэлектростанции, биомасса, концентрированное солнце) в 1,35 раза превышают введенные мощности, основанные на традиционных энергоносителях (газ, нефть, уголь, ядерная энергия). Мы являемся свидетелями переломного момента, когда суммарный ввод новых мощностей, основанных на использовании возобновляемой энергии, превысил суммарный ввод мощностей, связанных с традиционной энергетикой, основанной на ископаемом топливе.

Наиболее энергоёмкие ресурсные возможности связаны с применением солнечных панелей, в которых солнечное излучение напрямую конвертируется в электроэнергию. Производящие энергию солнечные станции представляют собой комплекс из солнечных панелей, каждая из которых состоит из отдельных соединенных вместе солнечных элементов. Эффективность или кпд преобразования солнечной энергии в электрическую, в зависимости от типа материала и технологии изготовления солнечного элемента, лежит в диапазоне 10-45%.

Промышленно значимые преобразователи имеют кпд 10-15% и могут быть использованы на любых широтах и в любых условиях (автономные солнечные электростанции, покрытие крыш, инкорпорация в строительные материалы и др.). На Рис. 2 приведены данные по динамике роста ежегодного мирового производства солнечных панелей в энергетических единицах. Время удвоения мощностей составляет около 2-х лет. Наиболее быстрыми темпами эти технологии развиваются в Китае, Тайване, Германии, Японии. Если предположить, что имеющиеся тенденции освоения фотоэлектричества в ближайшие десятилетия сохранятся, то уже через 15-20 лет фотоэлектричество может стать основным мировым источником получения электроэнергии.


Рис. 2. Рост объемов мирового производства солнечных батарей.
На Рис. 3 приведена в логарифмическом масштабе динамика роста мировых мощностей для производства электроэнергии с экстраполяцией на ближайшие десятилетия (прямая А). Для сравнения, на том же рисунке приведена динамика роста мировых мощностей по производству фотоэлектричества (B) и проведена экстраполяция их роста с учетом различных сценариев. Видно, что производственные мощности на основе фотоэлектрических преобразователей в ближайшие десятилетия могут обеспечить мировые потребности в электроэнергии.

На самом деле, процессы развития производства электричества на основе возобновляемой энергетики еще динамичнее. Приведенный рисунок не учитывает возможный вклад ветроэнергетики и новых технологий, основанных на использовании концентрированного солнечного света для тепловых машин. В последнем случае достигнутый кпд преобразования солнечной энергии оценивается в 31,5%.


Рис. 3. Динамика роста мировых производственных мощностей электричества (A) и рост производственных мощностей имеющихся в мире солнечных батарей (B). Пунктирами показаны экстраполяции двух возможных сценариев будущего роста глобальных мощностей солнечных батарей.
Аналогичные тенденции наблюдаются в глобальном производстве топлив. Большая часть нефти в мире идет на получение жидкого топлива для автомобилей. Потребности в этом виде энергоносителей постоянно растут в связи с «автомобилизацией» Китая, Индии, Южной Америки. Продолжают экспоненциально развиваться технологии производства автомобильного топлива из биоресурсов. Источники сырья становятся все более разнообразными (некондиционное зерно, отходы сельскохозяйственного производства, лигноцеллюлозные материалы, микроскопическое водоросли и др.). Биотоплива представляют собой энергоемкие соединения, используемые как топлива, но получаемые из возобновляемого сырья химическими и биотехнологическими методами. Этот широкий круг веществ включает водород, метан, этанол, биодизель, бутанол, биокетали, бионефть (продукты пиролиза биомассы), бионитрилы и др. Общее мировое производство биотоплив для автомобилей удваивается каждые 2,5-3,5 года. На Рис. 4 приведены данные по динамике мирового производства нефти (кривая А) и биотоплив (кривая B). Общее, суммарное производство биоэтанола и биодизеля в ближайшие 15-25 лет может сравняться в объемом общего мирового производства нефти.

Россия, безусловно, должна учитывать эти мировые тенденции в стратегических планах своего развития. Бурный, экспоненциальный рост освоения возобновляемых источников энергии не может не сказаться на ценовых характеристиках. Цены на нефть, газ и электричество будут существенно демфироваться ростом возможностей возобновляемой энергетики.



Рис. 4. Данные по динамике мирового производства нефти (А) и биотоплив (B). Пунктирами показаны экстраполяции двух возможных сценариев роста производства биотоплив.
Следует постоянно помнить, что объемы ископаемых топлив ограничены. Кроме того, добыча ископаемого углеводородного сырья становится все дороже. Тенденции таковы, что потребности в углеводородном сырье в мире стабилизируются и пойдут на убыль, При этом все это произойдет не в неопределенном будущем, а уже в ближайшие 10-15 лет.

В России исследования по возобновляемой энергетике в настоящее время сосредоточены в основном в Институтах Российской академии наук и в Московском государственном университете. Стратегия этих работ была заложена в 70-е годы прошлого века Нобелевским лауреатом по химии академиком Н.Н. Семёновым. В 1978 году в структуре Академии наук СССР им был создан “Научный совет по изысканию новых путей использования солнечной энергии”. Уже в то время были понятны основные контуры современных технологий использования возобновляемой энергии. В структуре совета работала секция по фотоэлектричеству, руководимая членом-корреспондентом АН СССР Ж.И. Алфёровым, в последствии академиком и Нобелевским лауреатом по физике. Работали секции по биотопливу, ветровой энергии, по исследованию возможностей преобразования солнечной энергии тепловыми машинами.

В те годы в СССР были разработаны солнечные фотоэлектрические преобразователи, обеспечивающие энергией орбитальные космические станции, была создана уникальная промышленность по получению биоэтанола путем трансформации лигноцеллюлозного сырья, сконструированы производственные установки по получению биогаза из отходов сельскохозяйственного производства. К сожалению, этот потенциал в значительной степени утерян. В стране сохранились лишь единичные лаборатории, работающие в области возобновляемой энергии. В силу потери и распада прикладных институтов практически отсутствуют отечественные инженерные работы в данной области. При этом в мире в последнее время объемы инвестирования в научные разработки и развитие мощностей, связанных с возобновляемыми источниками энергии, составляют ежегодно около 100 миллиардов долларов.

Россия обладает достаточными ресурсами по производству фотоэлектричества и биотоплив. На Рис. 5 приведена карта страны с идентификацией зон с различной усредненной плотностью потока солнечной энергии. Южные регионы страны достаточно обеспечены солнцем. Даже ряд северных областей (район Якутска) не уступают югу по потенциалу солнечной энергии.


Сумма годовой продолжительности солнечной инсоляции



Рис. 5. Распределение суммарной годовой солнечной инсоляции по регионам России.

Обладая относительно благоприятным климатом для сельскохозяйственного производства, для культивирования лесов, Россия имеет уникальные возможности для производства биотоплив. Только одни отходы современного сельского хозяйства способны по энергосодержанию обеспечить в стране многократное увеличение производства автомобильного топлива. Россия ежегодно производит около 100 млн. тонн зерна, при этом образуется 120-200 млн. тонн отходов в виде растительной биомассы. По энергоемкости этот источник биомассы соответствует 55-95 млн. тонн бензина. Общий объем ежегодно производимых в стране сельскохозяйственных отходов и отходов лесной промышленности оценивается в 300-350 млн. тонн. Для сравнения в России ежегодно потребляется 30-33 млн. тонн бензина.

Возобновляемая энергия – ключ к освоению гигантских территорий Сибири и Дальнего Востока. По этому пути идет Китай, ориентируя свои северо-западные области на использование именно возобновляемых источники энергии.

Рост производства возобновляемой энергии определяется в первую очередь ее экономической востребованностью. Биотоплива уже сейчас сопоставимы по цене с традиционными автомобильными топливами. Так цена топливного этанола в США и Европе ровна 0,5-0,7 $/литр, биодизеля, соответственно, 0,5-0,8 $/литр. Показано, что при цене нефти выше 60 долларов за баррель, производство биотоплив становится экономически выгодным.

Аналогичная ситуация имеет место и с производством фотоэлектричества. Принято считать, что работа фотовольтаических станций рентабельна только в южных широтах с интенсивной солнечной инсоляцией и большим количеством солнечных дней. Цифры однако говорят о другом: годовое количество солнечной энергии, получаемое квадратным метром поверхности в средней полосе Европейской части России составляет 1200 кВт.ч, в то время как в южных районах Европы (Турция, Испания) это 1600 кВт.ч. Разница в 30% между этими величинами не является критичной: при использовании в средних широтах России более эффективных или менее дорогих солнечных модулей, рентабельность эксплуатациии солнечных станций в районах средней полосы и, напремер, юга Испании окажется вполне сопоставимой. Вопрос широкомасштабного использования солнечной фотовольтаики связан, в первую очередь, со стоимостью одного Ватта выходной мощности солнечного модуля, что составляет на сегодняшний день около 4 $/Вт. Это орииентировочная коммерческая цена, на основании которой можно рассчитать стоимость стандартной солнечной панели. Сейчас наиболее распространены солнечные панели на основе моно- и поликристаллического кремния, на долю которых приходится около 80% мирового рынка. При этом интенсивно внедряются новые инновационные технологии производства различных типов тонкопленочных солнечных элементов, которые требуют в сотни раз меньшее количество полупроводникового материала, что в скором времени приведет к понижению удельной стоимости солнечных модуля до 1 $/Вт. Себестоимость электроэнергии, генерируемой солнечными панелями, по разным оценкам, колеблется сейчас в пределах 0,5–1 $ за кВт.ч. Ожидается, что уже через 10 лет эта величина уменьшится примерно в 5 раз и составит в мировых ценах около 0,1 $ за кВт.ч мощности, сравнявшись таким образом с сегодняшней средней рыночной стоимостью электричества.

Возобновляемая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ, а именно:

- практически бесконечный ресурсный объем и доступность в любом регионе мира;

- экологическая чистота, принципиальное решение вопросов, связанных с глобальным перегревом планеты и выбросом парниковых газов;

- независимость от нефте- и газодобывающих стран;

- распределенный характер энергетических устройств, отсутствие необходимости использовать системы с экстремально высокими плотностями энергии;

- отсутствие материалоемких и уязвимых систем транспорта энергии (линии энергопередач, трубопроводы и др.).

Последние два фактора имеют принципиальное значение для безопасности любого государства. Достаточно вспомнить Чернобыльскую катастрофу, события на Саяно-Шушенской гидроэлектростанции, процесс полной энергетической блокировки Сербии путем графитового короткого замыкания высоковольтных линий электропередач.

Преимущества делают возобновляемую энергию единственно необходимой и безальтернативной, при этом переход на новые полномасштабные источники энергии происходит в мире уже сегодня. Россия не может остаться в стороне от этого процесса.

С.Д. Варфоломеев, член-корреспондент РАН, директор Института биохимической физики РАН, заведующий кафедрой МГУ
О.И. Шевалеевский, д.ф.-м.н., зав. лабораторией солнечных фотопреобразований Института биохимической физики РАН


Похожие:

Возобновляемая энергия iconНовые источники энергии и безопасная ядерная энергетика
На сегодняшний день среди альтернативных источников доминируют основанные на энергии природы: ветряные, солнечные, водные, биоэнергетические...
Возобновляемая энергия iconВозобновляемая, неиссякаемая энергия энергия Земли Елена Петровна Блаватская “Тайная доктрина”
Елена Петровна Блаватская “Тайная доктрина” “эксмо” Москва “фолио” Харьков 2003 том 1, ст
Возобновляемая энергия iconГрафик проведения Международных выставок ite uzbekistan на 2013
Узбекская Международная выставка "Отопление, Вентиляция, Кондиционирование, Водоснабжение, Сантехника, Технологии по охране окружающей...
Возобновляемая энергия iconЗадание Группа №1 «Энергия ветра»
Откройте файл «Энергия ветра» (Сетевое окружение – d на Computer00 – Альтернативная энергетика – Энергия ветра xslx)
Возобновляемая энергия iconЯдерный парк. Nz-диаграмма стабильных и долгоживущих ядер. Масса ядер и их энергия связи. Энергия отделения нуклона
Удельная энергия связи. Источники ядерной энергии. Некоторые свойства ядерных сил
Возобновляемая энергия iconРэйки. Восточная школа
Рэй святой Дух, Бог, Истина, Космос, Космический Разум и т п., Ки энергия жизненной силы Вселенной, она же Ци в китайской медицине,...
Возобновляемая энергия iconБилеты по физике для студентов заочного отделения
В этом положении потенциальная энергия колеблющегося тела достигает максимального значения. Для груза на горизонтально расположенной...
Возобновляемая энергия icon1. План реферата Вступление Что такое энергия ? Энергия солнца

Возобновляемая энергия icon2. Молекулярная (статистическая) физика и термодинамика 2 Средняя энергия молекул
Средняя кинетическая энергия молекул газа при температуре т зависит от их структуры, что связано с возможностью различных видов движения...
Возобновляемая энергия iconПрограмма курса лекций В. А. Никерова «Физика для бакалавров»
Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Консервативные и диссипативные силы
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org