Технологии новых и возобновляемых источников энергии

Технологии новых и возобновляемых источников энергии

Учебный год

Лекция 20

Энергосберегающие технологии и освоение новых источников энергии

Возобновляемые источники энергии

Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемыеи возобновляемые. К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, не экологична, и многие из них истощаются.

Возобновляемые источники энергии — это источники, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из природных ресурсов — таких как солнечный свет, ветер, движении воды в реках или морях, приливы, биотопливо и геотермальная теплота — которые являются возобновляемыми, т.е. пополняются естественным путем.

Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.

Примеры использования возобновляемой энергии.

1.Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Использование энергии ветра растет примерно на 30 процентов в год и широко используется в странах Европы и США.

2. На гидроэлектростанциях (ГЭС) в качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока, первоисточником которой является Солнце, испаряющее воду, которая затем выпадает на возвышенностях в виде осадков и стекает вниз, формируя реки. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободнопоточных (бесплотинных) ГЭС.

Особенности этого источника энергии:

— себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций;

— генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии;

— возобновляемый источник энергии;

— значительно меньше воздействует на воздушную среду, чем другие виды электростанций;

— строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое;

— часто эффективные ГЭС удалены от потребителей;

— водохранилища часто занимают значительные территории;

Лидерами по выработке гидроэнергии на человека являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира.

3.Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

— получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

— преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

— гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах);

— термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);

— солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием), преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства солнечной энергетики:

— общедоступность и неисчерпаемость источника;

— теоретически полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной способности ) земной поверхности и привести к изменению климата.

Недостатки солнечной энергетики:

— зависимость от погоды и времени суток;

— как следствие необходимость аккумуляции энергии;

— высокая стоимость конструкции;

— необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли;

— нагрев атмосферы над электростанцией.

4.Приливные электростанции. Электростанциями этого типа являются особым видом гидроэлектростанции, использующим энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.

Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций.

5.Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении. Крупнейшей в мире геотермальной установкой является установка на гейзерах в Калифорнии, с номинальной мощностью 750 МВт.

6.Биотопливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты,топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).

США и Бразилия производят 95 % мирового объёма биоэтанола. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15%.

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива.

Критики развития биотопливной индустрии заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек.

С другой стороны, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн. га из 63,5 млн. га потенциально пригодных земель. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385—472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %.

Читайте также:  Как оттереть монтажную пену с ламината

7.Водородная энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики).

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (

80 %). Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент). В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента. Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:

7.1 Высокий КПД: у топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин. Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42 %, чаще же составляет порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %.

7.2Экологичность. В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. Но это лишь в локальном масштабе. Нужно учитывать экологичность в тех местах, где производятся данные топливные ячейки, так как производство их само по себе уже составляет некую угрозу.

7.3 Компактные размеры. Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях.

Проблемы топливных элементов.

Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта? Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи). Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается.

Класс энергоэффективности прибора должен быть указан на специальной этикетке. Разобраться в условных обозначениях достаточно просто. Самая высокая энергоэффективность у приборов класса А++, А+, А, далее по убыванию следуют классы B, C, D, E, F, G.

Закрыв кастрюлю крышкой, вы сокращаете время приготовления пищи, экономя электроэнергию

Когда вы готовите еду, закрывайте кастрюлю с водой крышкой. Это предотвратит быстрое испарение воды, которое обычно увеличивает время приготовления на 20-30%. Когда вода закипит, убавьте температуру .

Используйте менее мощные лампы для помещений, где вы проводите мало времени

Такие помещения как коридор, туалет, кладовая обычно не требуют яркого освещения. Человек проводит здесь немного времени и не выполняет никакой работы, требующей напряжения глаз. Для таких помещений будет достаточным использование ламп накаливания мощностью 20-30 Вт на 1 м2. Мощность энергосберегающих ламп для этого случая будет в 5 раз меньше.

Правильно настроенный на компьютере режим энергосбережения позволяет сэкономить до 50% электроэнергии

Режим энергосбережения поддерживают все современные компьютеры. Если пользователь не совершает никаких действий в течение заданного времени, в режим ожидания сначала переходит монитор, а потом и сам компьютер, если работа не возобновилась. Режим ожидания у компьютера намного экономичнее его обычного режима работы . Эта функция незаменима, если вы работаете за компьютером не постоянно, а с некоторой периодичностью, оставляя его включенным в течение всего дня. Правильно настроив режим энергосбережения, вы снизите расход электроэнергии до 50%.

В доме, оборудованном современными стеклопакетами, будет теплее на 4-5 С°

Через окна в холодное время года уходит 40% тепла. Вместо того, чтобы заставлять электроприборы интенсивно работать на обогрев, расходуя большое количество электроэнергии, рекомендуется утеплить окна специальными энергосберегающими материалами или заменить на современные стеклопакеты. То же самое относится к вопроса утепления дверей, стен, пола и потолка.

Уходя, гасите свет!

Это самый простой и, пожалуй, самый эффективный способ сэкономить значительное количество электроэнергии. Приучите себя всегда выключать свет, выходя из комнаты или из кабинета на более или менее длительное время, даже если вы собираетесь вернуться. Мы нажимаем кнопку выключателя автоматически, не прилагая существенных усилий, а энергии экономим при этом существенно.

Системы автоматического управления освещением упрощают процесс экономии электроэнергии

Различные системы автоматического управления освещением являются эффективным способом бережного расхода энергии. Особенно для помещений, где человеку трудно уследить за ее рациональным использованием. В зависимости от заданного сценария, эти системы могут самостоятельно включать, отключать и регулировать освещение, меняя его интенсивность. Для этого используются специальные датчики, которые реагируют, к примеру, на дневной свет, звук шагов или просто движение. Человек может забыть включить или выключить свет, но запрограммированная система никогда не ошибется. Такие системы сейчас успешно внедряются в подъездах, производственных помещениях, коридорах административных зданий.

Критическая технология

«Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику»

1. Наименование Критической технологии (КТ):

Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику

2. Основное назначение и краткая характеристика КТ

Создание новых и повышение эффективности существующих энергетических установок, использующих возобновляемые источники энергии, включая ветроагрегаты, гидроэнергетических установок, в том числе для малых рек. Разработка компактных и мобильных энергетических установок для децентрализованного автономного энергоснабжения на базе малых ветроэнергетических и гидроэнергетических установок. Создание энергетических установок, использующих отходы тепла. Создание термоэлектрических преобразователей для прямого преобразования в электроэнергию различных видов тепла. Поиск и создание эффективных преобразователей энергии солнечного излучения на основе фотосинтезирующих биологических комплексов. Повышение эффективности и радиационной стойкости космических солнечных батарей.

Разработка технологий водородной энергетики, направленных на снижение загрязнения окружающей среды за счет применения водорода, получаемого из органического сырья и воды с помощью возобновляемых и атомных источников энергии, и его использования в двигателях транспортных средств, в энергетике, в том числе в децентрализованном энергоснабжении.

3. Состав КТ (тематические области, методы, технологические решения)

Данная технология охватывает следующие основные направления:

гидроэнергетические установки, в том числе для малых рек;

технологии ветроэлектрических агрегатов;

блочно-модульные геотермальные станции;

системы теплонасосного теплохладоснабжения;

термохимические газогенераторы для переработки твердых органических отходов;

динамические электрохимические генераторы электрической и тепловой энергии;

ветроэнергетические установки (не только электрические), использующие энергию ветра для механических приводов, например, насосов;

Читайте также:  Как смонтировать унитаз видео

преобразователи энергии солнечного излучения на основе фотосинтезирующих биологических комплексов;

создание эффективных технологий крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и других видов водородсодержащего органического топлива, воды, в т. ч. морской, а так же при газификации углей;

технологии децентрализованного производства водорода, включая технологии производства водорода на борту транспортных средств;

технологии хранения, транспортировки водорода;

технологии использования водорода в энергетике, промышленности, на транспорте;

создание систем водородной безопасности.

4. Области применения КТ

охрана окружающей среды;

энергообеспечение космических аппаратов;

электроника, миниатюрная энергетика;

химическая, газовая и нефтяная промышленность;

производство минеральных удобрений, металлургия;

5. Состояние исследований и разработок, ведущие исследовательские центры

Наиболее перспективные разработки в данной области, превышающие мировой уровень или соответствующие ему:

разработка высокоэффективных термоэлектрических материалов на основе соединений кремния;

солнечные фотоэнергоустановки на основе гетероструктурных каскадных фотопреобразователей и концентраторов излучения;

каскадные радиационно-стойкие фотопреобразователи для космических солнечных батарей;

системы электролиза воды.

Перспективные направления, по которым имеется наибольшее отставание в России от мирового уровня:

малая ветро- и гидроэнергетика;

разработка термоэлектрических материалов на основе наноструктур.

Научные задачи, требующие первоочередного решения для успешного развития данной КТ

разработка конструктивной теории малых ветро- и гидроэнергетических установок (адекватное описание взаимодействия движущегося тела как с внешней средой (вода, воздух), так и с электромагнитным полем, использующее современные малопараметрические модели гидродинамики);

создание компьютерного виртуального полигона для поиска и отработки устойчивого отъема энергии ветра в различных условиях функционирования ветроагрегатов, в том числе с помощью активного управления;

повышение эффективности фотоэлектрического преобразования прямого и концентрированного солнечного излучения до значений более 40%.

Ведущие российские центры:

ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН; Гидропроект; ГУП ВЭИ; ОАО ВНИИЭ; ОАО ЭНИН; ОАО НИИПТ; МЭИ; ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова; ГНЦ РФ «НПО ЦНИИТМАШ»; НИИ механики МГУ; МГТУ им. Баумана; ИМаш РАН; ДГТУ; ИАПУ ДВО РАН; ИСАН; ИТ СО РАН; ОАО «НИИ Гириконд»; РНЦ "Курчатовский институт"; РФЯЦ-ВНИИТФ (Снежинск); ФГУП "Центр Келдыша"; РКК "Энергия"; ФГУП ОКБМ (Нижний Новгород); ГНЦ РФ ФЭИ (Обнинск); Институт катализа им. Борескова РАН; Институт высоких температур РАН; ФГУП ГНЦ НАМИ; ГИАП; ГНЦ РФ ВНИИНМ; ФГУП УрЭК; Институт высокотемпературной электрохимии; УрО РАН; НИИГрафит; ФГУП КБХА; ФГУП ЦНИСЭТ.

6. Характеристика технологических заделов и производственного потенциала, ведущие производственные центры

Наиболее перспективные разработки/опытные образцы

опытные образцы солнечных фотоэнергоустановок с концентраторами излучения;

опытные образцы каскадных фотопреобразователей для космических солнечных батарей;

высококачественные энергонакопительные конденсаторы (ионисторы), в том числе твердоэлектролитные.

Инженерные задачи, требующие первоочередного решения:

разработка и оптимизация конструкционных узлов для малых ветро- и гидроэнергетических установок, обеспечивающих надежность, долговременную прочность, износостойкость и безопасное функционирование этих установок, а также снижение внутренних потерь энергии;

организация серийного производства солнечных фотоэнергоустановок на основе гетероструктурных каскадных фотопреобразователей и концентраторов излучения;

организация серийного производства космических солнечных батарей на основе высокоэффективных и радиационно-стойких каскадных фотопреобразователей.

Ведущие производственные центры:

НПП «Квант»; ИПФ «Криотерм»; ОАО «Сатурн» (г. Краснодар); ЗАО «Диаконт» (г. Санкт-Петербург); ОАО «Светлана» (г. Санкт-Петербург); НИФХИ им. Л.Я. Карпова; НПО "Криогенмаш"; ФГУП "Красная звезда"; ОАО "Пластполимер".

7. Рынки инновационных продуктов и услуг, создаваемых (оказываемых) с использованием данной КТ

Важнейшие инновационные продукты, создаваемые с использованием данной технологии:

автономные (в том числе мобильные и переносные) и сетевые источники тепло- и электроснабжения малой и средней мощности на базе возобновляемых источников;

устройства и системы, обеспечивающие снижение нагрузки энергетических установок на окружающую среду;

системы безопасности гидроэнергетических установок с использованием компьютерных технологий;

котельные установки небольшой мощности (менее 5МВт) для высокоэффективного сжигания низкокачественных твердых топлив (углей и биомассы);

пиролиз (газификация) твердых бытовых отходов с последующим использованием очищенного генераторного газа в энергоустановках;

автономные термоэлектрические источники тока мощностью более 500 Вт;

высокоэффективные системы преобразования солнечной энергии в электричество на основе гетеропереходов, создание преобразователей солнечной энергии различной мощности на их основе;

преобразовательные устройства для подсоединения к электросистемам и нагрузкам нетрадиционных источников электроэнергии (топливных элементов, солнечных электростанций, термоэлектрических источников тепла, электроустановок);

термоэлектрические источники тока, предназначенные для утилизации отходов тепла;

системы концентрирования и преобразования солнечной энергии наземного, морского и космического базирования;

автономные энергоустановки для использования гидрогеотермального и петрогеотермального тепла;

тонкопленочные преобразователи солнечной энергии с эффективностью преобразования энергии не менее 20%;

системы теплоснабжения на основе тепловых насосов с использованием низкопотенциального тепла морской и речной воды, геотермальных и сточных вод;

топливные элементы неводородного типа;

высокотемпературные реакторы для производства водорода и энергоснабжения технологических процессов;

плазменные, каталитические, электрохимические и термохимические установки для локального и централизованного производства водорода;

безопасные и эффективные системы хранения, транспортировки и снабжения потребителей водородом;

электрохимические генераторы (макро-, мини- и микро-) на водороде для транспорта, автономных потребителей, специальной энергетики;

топливные элементы на основе твердополимерного электролита для транспортного и стационарного использования;

безопасные установки для производства водорода и синтетического газа из природного газа;

энерготехнологические системы на основе водорода для выравнивания графика нагрузки электросетей;

топливные элементы на основе твердооксидных электролитов для транспортного и стационарного применения, в том числе, работающих на углеводородных топливах;

топливные элементы высокой энергоплотности мощностью от 100 кВт;

высокотемпературные топливные элементы, работающие на угле (газе);

одноразовые картриджи для водородных топливных элементов, используемых в сотовых телефонах, ноутбуках и другой электронике;

тепловые и атомные энергоустановки для производства конвертируемого газа на базе парометановой конверсии с целью получения водорода и использования его в энергоемких производствах;

оборудование для получения водорода с помощью тлеющего разряда в углеводородной плазме.

Эффекты от внедрения данной технологии:

обеспечение устойчивого энергоснабжения изолированных пунктов в труднодоступных районах, удаленных и автономных потребителей электрической энергии;

повышение производительного потенциала малых хозяйств;

уменьшение загрязнения окружающей среды, экономия органических топлив;

рост производительности труда за счет снижения себестоимости наземных и космических солнечных батарей;

активизация импортозамещения по наземным и космическим солнечным батареям;

создание принципиально новых продуктов – солнечных концентраторных фотоэнергоустановок и каскадных космических солнечных батарей;

выход на внешние рынки с наземными солнечными концентраторными фотоэнергоустановками и с каскадными космическими солнечными батареями;

повышение оборонного потенциала за счет создания отечественных космических батарей на основе каскадных фотопреобразователей с увеличенными энергосъемом и ресурсом функционирования на орбите.

8. Специальные меры поддержки данного направления

федеральные целевые и ведомственные программы;

создание специальных механизмов финансовой поддержки (долгосрочное финансирование, долевое финансирование с участием государства и др.);

разработка государственных стандартов и процедур сертификации соответствующих устройств;

подготовка кадров и обеспечение материально-технической базы для проведения исследований;

долгосрочное финансирование в рамках Федеральной Программы по возобновляемой энергетике, по Программам Роснауки и Президиума РАН;

долевое финансирование с участием ГК Роснанотех, Роснауки и Роспрома;

совершенствование (в ряде случаев создание) нормативно-правовой базы, определяющей развитие данного направления;

создание бизнес ориентированных центров передовых технологий, включающих ГНЦ, отраслевые НИИ и КБ, университеты, промышленные комбинаты;

разработка механизмов финансовой поддержки (специальное долгосрочное финансирование, долевое финансирование, в том числе с участием государства и др.);

государственная поддержка на внешнем рынке.

Меры необходимой поддержки исследований и разработок в России:

увеличение государственного финансирования;

развитие материально-технической базы и инфраструктуры науки;

Меры поддержки для обеспечения высокой конкурентоспособности и выхода на внутренний и внешний рынки:

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) с каждым годом становятся все более заметными в мировой энергетике. В США и странах Евросоюза доля ВИЭ в общем объеме производства в 2010 году составила 11% и 9,6%, соответственно. И по прогнозам к 2020 году она вплотную приблизится к 25%. При этом количество энергии, вырабатываемой ВИО, возрастет в странах Евросоюза в 3,8 раза, а в США — в 22,5 раза.

Развитие возобновляемых источников энергии в России находится на ранних этапах. В 2010 году доля возобновляемой энергетики в общем объеме производства составила 0,9% с установленной мощностью в 2,1 ГВт. К 2020 году доля ВИЭ возрастет до 4,5% с установленной мощностью в 25 ГВт.

Несмотря на серьезные проблемы, ограничивающие рост использования ВИЭ в России, существуют существенные предпосылки для их активного развития.

Использование возобновляемых источников энергии играет важную роль в развитии распределенной энергетики.

Распределенная энергетика является приоритетной сферой экономически эффективного практического использования ВИЭ в России. В этой сфере установки на ВИЭ уже сегодня могут успешно конкурировать с традиционными энергоустановками.

Читайте также:  Котлеты из калуги рецепт

Потенциальные масштабы возможного эффективного использования ВИЭ в сфере распределенной генерации уже сегодня измеряются гигаватами. Наряду с законодательной и финансовой поддержкой развития ВИЭ в централизованной энергетике, государственная политика должна учитывать и стимулировать развитие ВИЭ в регионах в сфере распределенной энергетики.

Ключевые предпосылки развития распределенной энергетики с использованием ВИЭ:

  • 2/3 территории страны расположены вне сетей централизованного энергоснабжения: население около 20 млн чел., районы с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (более 25 руб./
  • кВтч);
  • Более 50% регионов страны энергодефицитны: завоз топлива, импорт электроэнергии – задача повышения региональной энергетической безопасности;
  • Газифицировано около 50% населенных пунктов, а в сельской местности — менее 35%.

Рассмотрим различные технологии возобновляемой энергетики.

Солнечная энергетика

Среди основных проблем солнечной энергетики можно выделить непостоянность и непредсказуемость основного источника энергии, зависимость от погодных и климатических условий, и обусловленная этим необходимость в накопителях энергии или дополнительных источниках энергии. Существенными недостатками являются высокая стоимость фотоэлектрических систем (ФЭС) с учетом необходимости в накопителях и обратных преобразователях переменного тока (до 50% от общей стоимости системы), сравнительно низкий КПД (от 4-5% до 20% для традиционных фотоэлектрических модулей (ФЭМ), и до 40% для концентрирующих ФЭМ) и низкая энергоемкость (

8-12 м2/кВт), вследствие чего под ФЭС требуются большие территории (Таблица 1).

Наиболее перспективными из перечисленных выше технологий являются:

  • Усовершенствованные неорганические тонкопленочные ФЭМ — Сферические ФЭМ на основе селенида меди-индия (CIS) и тонкопленочные поликристаллические кремниевые ФЭМ;
  • Органические ФЭМ (в том числе фотосенсибилизированные красителем ФЭМ на основе органических полимеров);
  • Термо-фотоэлектрические (TPV) ячейки с узкой запрещенной зоной (low gap-band).

Основные исследования в области развития фотоэлектрических технологий направлены на снижение себестоимости фотоэлектрических модулей за счет:

  • Повышения КПД фотоэлектрических модулей I-го и II-го поколения:
  • Снижения потребления материалов – использования пленочных ФЭМ;
  • Повышения энергоемкости – уменьшения поверхности ФЭМ;
  • Использования органических материалов взамен дефицитного сырья (такого как серебро, индий, теллур, свинец и кадмий);
  • Снижения стоимости и сроков окупаемости ФЭМ (Рисунок 1);
  • Использования более тонких и эффективных фотоэлектрических пластин;
  • Использования поликремневых заменителей (например, металлургического кремния).

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика является одним из наиболее популярных и быстро развивающихся направлений альтернативной энергетики. Тем не менее, её распространение так же ограничивается непостоянностью ветра, как источника энергии, нарушением эстетического пейзажа ввиду установки огромных 100-метровых ветровых мельниц и сложностями с подключением к существующим сетям ввиду отдаленности наиболее благоприятных территорий для установки ветрогенераторов от существующей инфраструктуры. Стоимость ветряной турбины составляет около 80% от общей стоимости ветрогенератора, и поэтому основные усилия по снижению себестоимости ветряной энергии направлены на снижение расходов на производство турбин.

Среди основных направлений развития технологий в ветроэнергетике выделяются следующие:

Увеличение генерирующего потенциала:

  • Увеличение размеров турбин (см. рис.);
  • Увеличение высоты турбинных башен;
  • Использование оффшорных ветров и ветров на больших высотах;

Улучшение материалов:

  • Снижение зависимости башенных конструкций от стальных элементов;
  • Снижение веса пропеллеров (использование углеродных волокон и высокоинтенсивного углепластика);

Улучшение системы привода (редуктор, генератор, электроника):

  • Развитие технологии сверхпроводников для более легких и эффективных электрогенераторов;
  • Использование постоянных электромагнитов в электрогенераторах.

Среди новых перспективных разработок выделяются:

Летающие ветряные турбины:

Makani Airborne Wind Turbine — на 90% легче традиционных турбин, запускается с использованием электрического двигателя, способна генерировать электричество на низких скоростях ветра;

Altaeros Airborne Wind Turbine — использует наполненную гелием оболочку для подъема на большие высоты;

Magenn Air Rotor System (M.A.R.S.) — MARS улавливает энергию ветра на высоте от 200 до 300 метров, а также струйные потоки воздуха, возникающие практически на любой высоте;

Генерация на ветрах низких скоростей

Wind Harvester — новая модель ветрогенератора основывается на возвратно-поступательном движении с использованием горизонтальных аэродинамических поверхностей;

Ветряная линза

Ветряная линза (Япония, университет Кюсю) — направленное внутрь изогнутое кольцо, располагающееся по периметру окружности, описываемой лопастями турбины при вращении. Увеличивает мощность ветряной турбины втрое при одновременном уменьшении уровня шума, имеет наибольший потенциал использования в открытом море;

Ветряные турбины с вертикальной осью

Windspire — вертикальная турбина высотой около 10 метров и шириной

около полутора метров, применима к использованию в городских

условиях (Рисунок 4).

Наиболее перспективными технологиями в ветроэнергетике станут те, что

позволят снизить зависимость их эффективности от размеров турбин,

как, например, Wind Harvester или Windspire.


Makani Airborne Wind Turbine


Altaeros Airborne Wind Turbine

Биоэнергетика

Несмотря на высокое распространение производства тепловой и электрической энергии из биомасс, технология выработки энергии из них имеет ряд проблем:

  • Необходимость земельных и водных ресурсов для выращивания, конкурирует с производством пищевых продуктов;
  • Вредные выбросы при сжигании (NOx, сажа, зола, CO, CO2);
  • Сезонный характер роста некоторых культур;
  • Проблемы масштабирования генерирующих мощностей.

Наиболее перспективные направления развития технологий в биоэнергетике:

  • Совместное сжигание смесей биомассы с традиционными видами топлива (наиболее дешевая технология на данный момент — Рисунок 6);
  • Использование новых видов топлива из биомасс, включая различные бытовые и промышленные отходы;
  • Переоборудование существующих генерирующих мощностей на углеводородном топливе под использование биомасс;
  • Повышение теплоотдачи пеллет биомассы за счет сушки;
  • Интегрированная газификация биомасс с топливными ячейками.

Приливная и волновая электроэнергетика

В приливной и волновой энергетике используется кинетическая энергия воды. Основное отличие состоит в том, что в приливной энергетике используется энергия морских приливов и отливов за счет перепада в уровне воды, тогда как в волновой энергетике используются водные течения и колебания волн.

Основные барьеры на пути распространения данного вида альтернативной энергетики

  • Высокие капитальные затраты на строительство (от 2,5 до 7 млн. евро за 1 МВт установленной мощности);
  • Географическая привязка к береговой линии и удаленность от существующих электрических сетей;
  • Негативное влияние на окружающую среду;
  • Зависимость от природных явлений;
  • Дороговизна и сложность техобслуживания;
  • Быстрый износ генерирующего оборудования под воздействием воды.

Среди общих направлений технологических исследований в области приливной энергетики выделяются следующие:

Усовершенствование приливных плотин:

  • Повышение эффективности генераторов на приливных плотинах;
  • Улучшение антикоррозийных свойств материалов;

Использование приливного течения:

  • Генерация электроэнергии непосредственно от течения воды во время
  • приливов (а не от перепада в уровне воды между приливами и
  • отливами);
  • Исследования в области различных видов турбин (горизонтальных и
  • вертикальных) для преобразования энергии приливного течения;
  • Исследований новых, не турбинных технологий;

Модернизация фиксаторов преобразователей приливного течения:

Якорная стоянка на гравитационном фундаменте или забивных сваях, плавающие платформы, закрепленные с помощью причальных линий.

Наиболее перспективные новые технологии и разработки в области приливной энергетики:

  • Использование мостов в качестве приливных электростанций, например, проект компании Bluenergy (см.рис.);
  • Колеблющееся подводное крыло (применяет вместо вращающихся элементов плавники (крылья), которые приводятся в движение течением);
  • Системы с использованием трубки Вентури (например, Rotech Tidal Turbine – двусторонняя турбина с горизонтальной осью, расположенная внутри симметричной конической трубки Вентури, преобразует энергию океанического течения в электроэнергию);
  • Магнитогидродинамические системы (MHD) (Концептуальная технология, использующая криогенно охлажденную сверхпроводящую электромагнитную катушку, размещенную на морском дне, где проходящие приливные волны используются для выработки энергии).

В волновой энергетике большинство исследуемых технологий все еще находится на стадии разработки или экспериментальных испытаний:

  • Усовершенствование технологий осциллирующих водяных колонн (OWC) (например, снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии за счет применения маховиков и силовой электроники);
  • Развитие технологии уровневых уловителей (point absorber) на плавучих буях (в т.ч. применение различных способов отбора мощности (механических, гидравлических, электромагнитных));
  • Усовершенствование технологий переливных турбинных генераторов типа WaveDragon (Повышение КПД и снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии).

Среди новых и уже испытуемых технологий можно выделить следующие наиболее перспективные проекты:

  • Волновые аттенюаторы (например, Pelamis Wave Energy – преобразователь волновой энергии в виде змеевидных устройств, наполовину погруженных в воду — см. рис.)
  • Волновые генераторы на принципе обратного маятника (Inverted Pendulum, например, bioWAVE™, в котором ряд поплавков или лопастей взаимодействует с колеблющейся морской поверхностью (потенциальной энергией) и подводными течениями (кинетической энергией), конвертируя энергию волн в электричество специальным конвертирующим модулем);
  • Генераторы с жидким/газообразным рабочим телом (включая SDE Wave Power, использующий гидродинамическую энергию волн для приведения в движение пистонов в гидравлическом моторе или Archimedes Wave Swing-III ряд устройств из множества уловителей волновых колебаний на гибкой мембране, конвертирующих энергию волн в пневматическую энергию посредством сжатия воздуха в каждом устройств).

По материалам компании Branan

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector