Нетрадиционная энергетика

Введение

Нетрадиционная энергетика, исходя из названия, соответствует получению энергии нетрадиционными методами. Наибольшее применение этих методов освоено среди возобновляемых источников энергии, к которым относятся энергии солнца, ветра, геотермальная энергия, биотопливо, энергии морских волн, водородная энергетика.

Широкое применение нетрадиционной энергетики находят не во всех странах по сравнению с традиционными методами, однако представляют интерес с точки зрения неограниченного ресурса энергии.

Предметом работы является нетрадиционные источники энергии.

Объектом исследования является нетрадиционные источники энергии в современной энергетике [1, с. 90].

Цель работы изучить нетрадиционные источники энергии, это достигается путем решения следующих задач:

• изучить общие тренды нетрадиционной энергетики;
• проанализировать тренды развития российской возобновляемой энергетики.

В данном исследовании используются следующие методы: изучение и анализ научной литературы, сравнение различных точек зрения, а так же ознакомление со статистическими данными и их анализ.

В ходе написания реферативной работы автор изучил фундаментальные научные исследования отечественных и зарубежных ученых по обозначенной теме.

Общие тренды нетрадиционной энергетики

Энергетику условно можно разделить на традиционную, под которой понимается так называемая большая энергетика крупных электростанций различного типа (ТЭС, АЭС, ГЭС больших рек), и нетрадиционную или альтернативную энергетику, основанную, прежде всего, на использовании потоков энергии природного характера, существенно распределенных в пространстве и времени (энергии Солнца, ветровых потоков, геотермальной энергии, биомассы и ряда других).

Альтернативная энергетика — совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены, не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии района.

Особенностью альтернативной энергетики, основанной на использовании энергетических природных потоков, является возможность непрерывного совмещения, поступления и потребления энергии, а также малое вредное воздействие на окружающую среду [2, с. 3030].

Доминирование большой энергетики в энергобалансе стран базируется на значительных удельных мощностях, выделяемых при физико-химических процессах деструкции вещества (топлива), например, при освобождении энергии химических связей в процессе горения топлив или еще более, чем в миллион раз мощных ядерных сил при расщеплении атомов в ядерных процессах цепного деления, на чем основана атомная энергетика [3, с. 130].

Эффективность преобразования первичной энергии в большой энергетике Значительные мощности электрической энергии, вырабатываемые на крупных ГЭС мегаваттного уровня, связаны с большими объемами массы воды в гравитационном поле, потенциальная гравитационная энергия которой освобождается благодаря ряду превращений сначала в кинетическую, при сбросе воды в нижний бьеф реки, и затем в электрическую энергию в гидротурбинных агрегатах.

C энергетической точки зрения нетрадиционная и возобновляемая энергетика имеют существенно меньшие удельные потенциалы, что и определяет их использование как малой, распределенной энергетики с единичными энергоустановками до 5 МВт. Энергетический кризис стран Европы в конце 70-х годов 20-го века дал существенный прогресс развитию альтернативной энергетики, возобновляемым источникам энергии (НВИЭ), в том числе техногенной природы, таким как биоэнергетика, источники прямого преобразования.

Структура энергетики в странах различная и определяется как природными запасами энергетического топлива, природно-климатическими условиями так и техническим уровнем развития.

Энергетика на основе возобновляемых природных потоков энергии доступна практически для всех стран, но значительное внимание к их использованию уделяется в развитых и развивающихся экономиках мира.

Один из сравнительных прогнозов возрастания роли НВИЭ показан на рис. 2 а-б. Например, в США доля выработки на ВИЭ примерно 20% с темпом роста в последние годы не менее 2%, в Китае общий показатель в районе 17% и еще c более высокими темпами роста доли ВИЭ. В США основным ВИЭ является ветроэнергетика, а в Китае гидроэнергетика.

Несомненно, мировая добыча углеводородного топлива будет постепенно сокращаться и удорожаться, что заставит человечество обращаться к другим источникам энергии, и даже к другим принципам энергопроизводства [4, с. 50].

Вместе с тем нельзя не отметить и трудности освоения в промышленных масштабах, например, нетрадиционной и возобновляемой энергетики (НВИЭ).

Рис. 1. Мировая электроэнергетика и место в ней ВИЭ

Рис. 2. Мировая электроэнергетика в прогнозе до 2050 г.

Одним из негативных факторов является низкая величина удельной мощности природных энергетических потоков, которые в настоящее время используются (до 1000 Вт/м2 для солнечной и средний ветровой потенциал 3 кВт/м2 ), это, в частности, в сотни раз меньше плотности теплового потока в топке котла.

Кроме того, их потенциал зависит от климатических условий на данной территории, что затрудняет прогнозирование выработки полезной энергии, работу диспетчерских служб энергосистем. Нельзя полностью согласиться с распространенным мнением о полностью экологически чистом производстве электроэнергии на их основе.

Так ветровые энергоустановки единичной мощностью 1-2 МВт при вращении ветротурбин (колес) диаметром несколько десятков метров создают в ветропотоке ультранизкие акустические колебания вредные для живой природы и не только человека, а сама установка создает широкий спектр электромагнитных шумов.

Это подтверждается многочисленными исследованиями. Вынос на поверхность большого объема минерализованных вод в геотермальной энергетике также приводит к определенной загрязненности окружающей среды. Но в целом, конечно, малая альтернативная энергетика, является более щадящей к внешней среде, чем традиционная – топливная.

Особый интерес в мире в настоящее время вызывает перспектива использования ядерной энергетики ввиду ее колоссальной энергетической эффективности по сравнению со всеми остальными источниками, что связано с мощными ядерными силами взаимодействия.

В известном смысле, при учете достаточно высокой экологичности АЭС, это будущее энергетики на конец 21 века. Конечно, как известно, здесь есть проблема борьбы с аварийной радиационной опасностью данной технологии энергетики. Последние разработки российских ученых по реакторам 4-го поколения с замкнутым топливным циклом практически решают эту проблему.

Тренды развития российской возобновляемой энергетики

Российская энергетика по своей структуре представляется достаточно оптимальной.

Примерно 65% это топливная энергетика, остальное распределяется примерно поровну между гидроэнергетикой и атомной (ядерной) энергетикой. Российская энергетика на ВИЭ менее 1% (рис. 3). Поэтому вопросы экологичности ТЭС и повышения их энергоэффективности в нашей стране актуальны.

Рис. 3. Структура энергетического сырья и ВИЭ энергетики в России

Несомненно, мировые тенденции освоения альтернативных источников энергии не могут обойти Россию. Несмотря на российские большие природные запасы углеводородного топливного сырья (нефть, газ, уголь), а также, учитывая нарастающие затраты на их добычу на ближайшие 30-50 лет, придется развивать технологии производства как тепловой, так и электрической энергии на основе возобновляемых (ВИЭ) и нетрадиционных источников энергии. Проблемы их освоения лежат как в социально-экономической, так и в технологической сфере [5, с. 86].

В социально-экономическом плане – это вполне объяснимое отсутствие активных действий в этом направлении на государственном уровне ввиду отлаженной технологии освоения и дальнейшей разведки огромных топливных ресурсов, низких темпов роста всей экономики, а в технологической сфере низкой удельной энергоемкостью ВИЭ источников (солнечно-ветровой, биомассы, геотермальной и т.д.) и отсутствием развитого отечественного рынка производства и потребления оборудования для данной энергетики.

В отличие от развитых западных стран, где государство и крупные энергетические компании инвестируют средства в так называемую «зеленую» энергетику, наш крупный энергобизнес мало заинтересован в этой технологии производства [2].

На рис. 2-4 показаны сравнительные данные и прогнозы развития отраслей энергетики в мире и России, в том числе возобновляемой энергетики, которые в отношении возобновляемой энергетики явно не в нашу пользу.

Рис. 4. Возможный сценарий развития ВИЭ в России

Можно констатировать, что мировая энергетика будет развиваться с нарастающим темпом использования атомной энергии, природных энергетических потоков, к которым относятся ветер, солнечное излучение, гидроэнергия, водородная энергетика, биомасса и другие основанные на новых физических принципах альтернативные источники энергии.

Существуют разные оценки будущего вклада альтернативной энергетики. За ней есть определенное будущее, но оно наступит не так скоро в нашей стране и даже в мире. Даже через 30 лет по разным видам альтернативной энергетики с известными технологиями можно будет вырабатывать не более 15-20% всей необходимой человечеству энергии.

Так, согласно прогнозам Международного энергетического агентства, доля альтернативной энергетики к 2035 г. в общем мировом энергетическом балансе составит 16%, в то время как доля энергии, получаемой при использовании традиционных видов топлива (нефти, газа и угля) – 74%.

Остальные 7 и 3% отнесутся соответственно на атомную энергетику и гидроэнергетику. Тем не менее в нашей стране можно ожидать некоторый рост гибридных автоматизированных солнечно-ветровых энергоустановок низкого диапазона мощностей (0.5-10 кВт) для питания контрольно-измерительной аппаратуры в нефтегазовой отрасли, дорожном освещении и для территориально удаленных потребителей в сельской местности.

Уже установлены и действуют достаточно мощные, мегаваттного уровня солнечные фотоэлектрические станции в Крыму (после перехода Крыма к России), в Алтайском крае, Челябинской области. В перспективных планах развития энергетики России предполагается достичь в 2020 году 4% уровня вклада ВИЭ в энергетику.

Производство подобных энергоустановок должно сопровождаться созданием цифровых беспроводных систем мониторинга и контроля эксплуатационных показателей.

Автономная ВИЭ энергетика в сочетании с беспроводными сенсорными сетями, в частности, для нефтяной отрасли позволяет быстро и экономично внедрять современные системы электроснабжения, сбора, обработки и управления в дистанционном режиме технологическими процессами при модульной архитектуре ВИЭ комплексов, например, в стандарте Zigbee [5, с.88].

Подобные практически полностью автоматизированные энергокомплексы могут быть использованы для систем контроля и управления парками нефтехранилищ, утечками нефтегазопроводов, в других распределенных объектах нефтяной отрасли. Такое направление можно назвать локальной интеллектуальной минигенерацией на основе возобновляемой энергетики, фактически создавая новую энергетическую интернет сеть, которая дополняет традиционную распределенную сеть энергоснабжения.

Такая тенденция диктуется неизбежной диверсификацией производства в нефтегазовой отрасли, необходимости вкладывать средства в технологии, повышающие энергоэффективность при добыче углеводородного сырья, отрасли переработки, сопутствующие отрасли и в инновационные технологические разработки.

Основными социально-экономическими условиями в развитии альтернативной энергетики являются:

• ограниченность доступных и экономически обоснованных запасов топливных углеводородов;
• экологичность технологии использования ВИЭ;
• снижение угрозы тяжелых техногенных аварий;
• доступность локализации объектов использования ВИЭ энергетики;
• высокая автоматизация и низкая эксплуатационная себестоимость выработки энергии.

Сдерживающими факторами развития ВИЭ являются относительно низкие ее удельные энергоемкости. Поэтому для «большой» энергетики на ВИЭ требуются большие территории, например, СЭС мощностью 5МВт занимает площадь около 20Га, кроме того, энергия этих потоков поступает неравномерно, носит характер случайной величины.

Но в то же самое время в России существуют актуальные проблемы электроснабжения удаленных населенных пунктов, где характерны:

• высокая стоимость привозного дизельного топлива для ДВС и, соответственно, производимой электроэнергии;
• технологическая изолированность и отсутствие связи с объединенной энергосистемой;
• эксплуатация оборудования в сложных природно-климатических условиях, что приводит к ускоренному износу электрических сетей и электрооборудования;
• отсутствие автоматизированных современных маневренных мощностей, способных обеспечить эффективное регулирование мощности в условиях высокой неравномерности годового графика потребителей электроэнергии.

Заключение

Учитывая обширность территории России с различными климатическими и петрографическими условиями, просто необходимо развивать технологии НВИЭ, например, более активно использовать низкопотенциальное тепло Земли (с температурой 35-40С на глубинах до 1 км.) с применением тепловых насосов, дополняя тем самым геотермальную энергетику (ГеоТЭС).

Существенной проблемой в развитии альтернативной энергетики и ВИЭ как ее составляющей является практически не работающий механизм субсидирования, основанный на использовании рынка электроэнергии, что доступно только для крупных энергокомпаний и госкорпораций и трудно осуществимо для малых предприятий, тем более физическим лицам разрабатывающих или использующих эти новые энергетические технологии.

Преодолеть низкий уровень вклада ВИЭ энергетики в общем энергобалансе страны можно только реальной, а не декларативной, государственной политикой и приемлемыми для предпринимателей кредитными процентами финансовых средств.

По существу, необходима продуманная, всесторонняя стратегия и многолетняя отдельная Программа развития возобновляемой энергетики. До этих пор последняя практически будет оставаться «нишевой», догоняющей передовой мир составляющей энергетики страны.

Список использованных источников

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Нетрадиционная и возобновляемая энергетика (конспект лекций)// Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 12-1. С. 90-91.
2. Китери С.К. Нетрадиционные источники энергии - состояние и перспективы солнечной энергетики// В сборнике: Образование, наука, производство. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2015. С. 3028-3031.
3. Бартенев О.А., Липаев А.А. Техносфера нетрадиционной энергетики// Управление техносферой. 2018. Т. 1. № 1. С. 119-130.
4. Рамазанова Б.М. Традиционная и нетрадиционная энергетика на современном этапе// News of Science and Education. 2018. Т. 12. № 7. С. 49-53.
5. Котеленко С.В., Рябов А.С. Преимущества и недостатки нетрадиционной энергетики// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 12. С. 84-88.