Техногенна діяльність з освоєння альтернативних джерел енергії
1. Сонячна енергетика
Енергія сонця досить розсіяна і для її використання потрібна концентрація потоків, що і покладено в основу більшості геліоустановок. Продуктивність сонячних електростанцій (СЕС) залежить від ряду факторів: 1) тривалості сонячного сяйва протягом доби і року; 2) теплової інерції геліоустановок (час розігріву); 3) конструктивних особливостей установок; 4) площі, яку вони займають. Так, в Криму тривалість сонячного сяйва становить
2300…2400 годин в році, а в той ж час на Поліссі вона дорівнює лише 1800…1900 годин. Для розігріву сонячних кухонь потрібно
15...20 хвилин, водонагрівачів – 1,5 години, опріснювачів – 2 години.
Енергія сонця досить розсіяна і для її використання потрібна концентрація потоків, що і покладено в основу більшості геліоустановок. Продуктивність сонячних електростанцій (СЕС) залежить від ряду факторів: 1) тривалості сонячного сяйва протягом доби і року; 2) теплової інерції геліоустановок (час розігріву); 3) конструктивних особливостей установок; 4) площі, яку вони займають. Так, в Криму тривалість сонячного сяйва становить
2300…2400 годин в році, а в той ж час на Поліссі вона дорівнює лише 1800…1900 годин. Для розігріву сонячних кухонь потрібно
15...20 хвилин, водонагрівачів – 1,5 години, опріснювачів – 2 години.
Системи сонячного забезпечення поділяють на пасивні і активні. Пасивні прості за устроєм, дешеві але малопотужні. На рис. 26 зображений приклад будинку зі скляним дахом і більшою частиною скляних стінок, які зорієнтовані на південь, схід і захід. Стінка північної сторони будинку не прозора, а внутрішня її частина покрита чорним теплопоглинаючим матеріалом. Тепло від затемненої стінки за рахунок конвекції переміщується вверх, де розташований збірний колектор, який відводить нагрітий повітряний потік на використання. Тепло також може використовуватись в самому будинку, наприклад, в теплиці для створення кращих температурних умов.
Рис. 26. теплоізольований будинок з прозорими стінками та дахом і однією теплопоглинаючою стороною
До активних установок відносять системи, де збір сонячної енергії і передача її теплоносію здійснюється за допомогою дзеркальних поверхонь під керуванням комп’ютерів.
Ці установки діляться на дві групи: центрально-приймальні і розподільчо-колекторні.
Центрально-приймальна система складається з великої кількості дзеркал, які перехоплюють і спрямовують (фокусують) сонячну радіацію в єдиний великий приймач, де підігрівається до 900˚С робоче тіло (вода і пара). Далі пара спрямовується до парогенератора.
Розподільчо-колекторна система не фокусує сонячне світло в центральний приймач, а перетворює сонячну енергію в тепло в індивідуальному колекторному модулі. Кожний модуль складається з великої циліндричної дзеркальної поверхні, що переспрямовує сонячну радіацію в приймач-адсорбер, який розташований в фокусі дзеркала. При такому устрої робоча рідина циркулює крізь колектор, де вона спочатку нагрівається до великої температури, а потім перекачується по мережі труб до котла або теплообмінника. Далі процес вироблення енергії ідентичний традиційним схемам.
В залежності від виду теплоносія в колекторах розрізняють рідинні та повітряні геліосистеми. Рідина – це вода або суміш її з будь-яким хімічним елементом – етиленом, пропіленгліколем, які виконують роль антифризу. В повітряних системах виключається загроза замерзання і корозії, але технічно ці системи менш ефективні, ніж водні або антифризні.
Сонячні водонагрівачі це сонячний колектор або ящик, всередині якого розміщується світлопоглинаюча панель, а під нею теплоносії (рис. 27). Дно і стінки ізольовані від панелі, зверху ящика покладено 2…3 скла.
Рис. 27. Сонячний водонагрівач: 1 – світло поглинаюча панель; 2 – скло; 3 – теплоносій; 4 – теплоізоляція; 5 – корпус
Такі водонагрівачі дозволяють отримувати температуру 80…90°С з 1 м2 і економити 100…120 кг палива на рік. В даний час в світі нараховується біля 5 млн. сонячних водонагрівачів, які викорис-
товують як в приватних житлових будинках, так і в центральних системах водонагріву і опалення. Налагоджено промислове виробництво цих установок.
товують як в приватних житлових будинках, так і в центральних системах водонагріву і опалення. Налагоджено промислове виробництво цих установок.
Сонячні ставки – водойми глибиною 3…4 м з високо-
концентрованим розчином солей (NaCl, КCl і ін.). Соляні розчини зменшують конвективний перенос тепла, що зменшує до нуля його втрати через поверхню ставка. Найбільш висока температура (до 100°С) утворюється в нижньому (0,30 Н) шарі водойми. Розрахунки свідчать, що з одного ставка за рік можна отримати до 30 млн. кВт-год електроенергії. В каліфорнії (США) споруджується СЕС на частини озера Солтон Сі площею біля 14 км2 і потужністю 600 МВт. В Ізраїлі працює СЕС на сонячному ставку площею 0,25 км2 потужністю 5 МВт. В перші десятиліття XXI століття на мертвому морі планується побудувати серію СЕС із загальною потужністю 2...3 тис. МВт.
концентрованим розчином солей (NaCl, КCl і ін.). Соляні розчини зменшують конвективний перенос тепла, що зменшує до нуля його втрати через поверхню ставка. Найбільш висока температура (до 100°С) утворюється в нижньому (0,30 Н) шарі водойми. Розрахунки свідчать, що з одного ставка за рік можна отримати до 30 млн. кВт-год електроенергії. В каліфорнії (США) споруджується СЕС на частини озера Солтон Сі площею біля 14 км2 і потужністю 600 МВт. В Ізраїлі працює СЕС на сонячному ставку площею 0,25 км2 потужністю 5 МВт. В перші десятиліття XXI століття на мертвому морі планується побудувати серію СЕС із загальною потужністю 2...3 тис. МВт.
СЕС на базі сонячних ставків значно дешевше за СЕС інших типів, так як не потребують вартісних дзеркальних відбивачів. Але їх можна будувати лише в регіонах з жарким кліматом.
В Швеції і Фінляндії розроблена технологія акумуляції теплоти влітку з послідуючим використанням її взимку. В якості акумуляторів використовують підземні резервуари з водою. Це дозволило виконати реконструкцію маяка на Кольському півострові, який до того працював на ядерному паливі.
СЕС дуже зручно використовувати в сільській місцевості для опалення будинків, ферм, теплиць і для потреб в гарячій воді сезонних користувачів: баз відпочинку, дачних поселень, плавальних басейнів і ін.
Найбільша в світі сонячна пічка функціонує з 1970 року на півдні франції в Піренейських горах. Вона надає температуру до 2000°С. В США (Каліфорнія) побудована геліостанція, яка обслуговує 3000 родин.
В Україні (Крим) в 1985 році була введена в експлуатацію СЕС потужністю 5 МВТ.
Недолік геліосистем складається з декількох від’ємних показників. Насамперед це невисокий ККД установок. Їх будівництво на 1 кВт виробленої енергії в 4…6 разів дорожче, ніж вартість АЕС, а також в декілька разів дорожче будівництва ГЕС і ТЕС. Досвід експлуатації показав, що для геліоустановок потрібні великі площі. Так для установки потужністю 30…40 МВт треба площу в 1 км2. для міста з числом жителів 1 млн. потрібно площу розміром 2…5 км2. залежність від кліматичних і метеорологічних умов місцерозташування СЕС вимагає додаткових витрат на акумуляцію теплової енергії.
Створення активних СЕС пов’язано з виготовленням великої кількості дзеркал. Але технологія їх виробництва пов’язана із застосуванням ртуті. При виготовленні фотоперетворювачів використовують з’єднання миш’яка, селена, сурьми, кадмія і інших токсичних елементів. Для виділення їх із стічних вод та викидів в атмосферу треба застосовувати складні і дорогі засоби очищення.
Вітроенергетика
Вітроенергетичні станції (ВЕС) використовують енергію вітра. В деяких державах їх дуже широко застосовують. Так в США працюють декілька десятків тисяч вітроенергоагригатів. У Великобританії вітроенергоустановки (ВЕУ) виробляють 500 МВт, Німеччині і Данії – по 100 МВт, Нідерландах – 140 МВт. Але батьківщиною ВЕС вважають Росію, так як в 1890 році невідомим вченим був винайдений і побудований перший вітровий електрогенератор.
Вітроенергетичні станції (ВЕС) використовують енергію вітра. В деяких державах їх дуже широко застосовують. Так в США працюють декілька десятків тисяч вітроенергоагригатів. У Великобританії вітроенергоустановки (ВЕУ) виробляють 500 МВт, Німеччині і Данії – по 100 МВт, Нідерландах – 140 МВт. Але батьківщиною ВЕС вважають Росію, так як в 1890 році невідомим вченим був винайдений і побудований перший вітровий електрогенератор.
В Україні будують декілька крупних ВЕС, найбільша з яких Донузлавська виробила в 1997 році 2,3 млн. кВт/год електроенергії. В основному ці станції розташовані в південних областях країни.
Застосовують ВЕс для різних цілей – освітлення, помелу зерна, роботи лісопилок, насосів тощо.
ВЕУ складається з вітродвигуна, машинного відділення і опори. Вітровий двигун перетворює енергію вітра в механічну, яка в машинному відділені перетворюється в електричну. Досвід експлуатації ВЄС свідчить, що економічно найвигіднішими є установки потужністю 100…350 кВт. Але є вітроустановки потужністю менше 100 кВт, а також – в декілька тис. кВт.
Інтенсивність роботи двигунів залежить від швидкості вітру. Економічно обгрунтованою мінімальною граничною швидкістю вітру є 5 м/с. в Україні лише в Причорномор’ї, Донбасі та в Карпатах середня швидкість вітру протягом 270…320 діб/рік перевищує цю величину. Тому ці регіони вважаються перспективними для будови ВЕС.
В значній мірі швидкість вітру визначається висотою опори, так як в приземному шарі повітря вона зростає по мірі віддалення від поверхні землі. Але така закономірність існує лише на відкритій місцевості. Тому вітроагрегати повинні розміщуватись на відстані 2…3 км від висотних перешкод сили вітру і, по можливості, на горбах.
Так як ВЕС великої потужності складається з багатьох вітроагрегатів, то щільність їх розміщення на місцевості може бути висока. Тому вони можуть підвищувати жорсткість поверхні землі і, як наслідок, зменшення швидкості вітру. Цей фактор може бути однією з причин зменшення потужності станції.
Позитивною якістю ВЕС є те, що порівняно з незначними витратами коштів на будівництві станцій, з 1 км2 в залежності від району розміщення і конструктивних особливостей можна одержати кількість енергії до 10 МВт. Недоліком ВЕС є залежність від сили вітру і тривалості дії протягом року.
Основними факторами від’ємного впливу вітроустановок на навколишнє середовище є шумові ефекти, висока металоємність конструкцій, знешкодження перельотних птахів лопатями пропелерів.
Шумовий ефект в безпосередній близькості від ВЕс в залежності від її потужності може дорівнювати 50…80 дБ. На великих за потужністю вітроустановках (до 250 квт), коли на кінцях пропелерів швидкість повітряних потоків сягає надзвукових, виникає інфразвуковий ефект, який негативно впливає як на людину, так і на інші біологічні істоти.
Металоємність вітроустановок знаходиться в межах 50…70 кг/кВт, що перевищує інші джерела енергетики. В даний час спостерігається тенденція до заміни металу склопластиком, що полегшує конструкції ВЕС, але підвищує екологічну небезпеку в зв’язку з використанням шкідливих речовин при його виготовленні. Високі опори вітроустановок змінюють пейзаж місцевості, викликають ускладнення для повітряного транспорту, викривляють сигнали телебачення, вимагають будову акумуляторів енергії для перерозподілу її протягом року.
Геотермальні енергетичні установки (ГТЕС)
Перспективним джерелом енергії є глибинна теплота Землі (термальні ресурси), яка акумулюється підземними водами (гідротермальні ресурси) і гірничими породами (петрогеотермальні ресурси) пластового і тріщинно-жильного типу.
Перспективним джерелом енергії є глибинна теплота Землі (термальні ресурси), яка акумулюється підземними водами (гідротермальні ресурси) і гірничими породами (петрогеотермальні ресурси) пластового і тріщинно-жильного типу.
Родовища пластового типу розташовані поряд з водоносними горизонтами або комплексами, гірські породи які мають властивість пропускати крізь себе рідкі та газоподібні флюїди і акумулювати їх у порожньому просторі. Це пористі і тріщинуваті гірські породи називають породними підземними колекторами.
Родовища пластового типу характеризуються великими площами, розміри яких сягають сотень квадратних кілометрів. Родовища тріщинно-жильного типу локальні, їх розміри становлять від одного до десяти квадратних кілометрів і розміщені вони поблизу зон великих тектонічних зрушень.
Інтенсивність нагрівання земної товщі пов’язана з широтою місцевості та зменшується від екватора до полюсів, що обумовлено кутами падіння сонячних променів на землю. Із збільшенням глибини температура води підвищується. Розрахунками встановлено, що рівень її критичного стану повинен знаходитись на глибині 12,5 км, а нижчі вона приймає газоподібну (пароподібну) форму і зі збільшенням тиску не переходить в рідинну форму.
За температурою термальні води ділять на низько потенціальні (від 40 до 100°С) і високо потенціальні (від 100 до 350°С). у гірських районах зустрічаються джерела термальних вод з температурою 70…100°С, а у вулканічних – у вигляді гейзерів і парових струменів. такі виходи існують в районі Камчатки (Росія), Великі Гейзери (США), в Новій Зеландії, Італії тощо.
Експлуатація термальних ресурсів Землі характеризується технічною простотою і екологічною чистотою. Для цього будують свердловини фонтанного або насосного типу. Пластові тиски підтримуються за допомогою зворотного накачування в пласти відпрацьованих термальних вод. Це дає змогу використовувати не тільки теплоту термальних вод, а й теплоту, акумульовану породами, які їх вміщують.
Петрогеотермальні ресурси – теплота, що акумулюється в блоках гірських порід, які мають температуру до 350°С. Технологія вилучення цього виду теплоти Землі ґрунтується на створенні штучних циркулюючих водотеплозворотніх систем.
Використання термальних вод пов’язано як з їх дебітом, так і з температурою. Так, при температурі до 100°С їх краще використовувати для опалювання приміщень, а понад 100°С ‑ для вироблення електричної енергії.
Поклади геотермальних вод в землі іноді знаходяться під високим тиском, який утримується на виході з свердловини. Таку воду або пару зразу можна подавати на турбіну для вироблення електроенергії.
Враховуючи дешевий та незначний негативний вплив на довкілля геотермальних електростанцій (ГТЕс), геотермальні ресурси широко використовуються як за кордоном, так і в країнах СНД. Причому щорічно загальна потужність всіх ГТЕс зростає на 15%. Особливо перспективна будова ГТЕс в тих районах, де відсутні інші джерела енергії. В даний час ГТЕС працюють в 12 країнах світу. Потужність окремих геотермальних станцій становить один мільйон і більше кВт. Так на Філіппінах працює ГТЕС потужністю 900 тис.кВт, в Росії (Ставропольський край) – 2 МВт.
Характерною особливістю геотермальних вод є залежність їх температури від глибини свердловин, за допомогою яких гаряча вода виводиться на поверхню. В світі існують свердловини глибиною до 5 км. Будова глибоких свердловин і відкачка води з таких глибин коштує дуже дорого, що стримує використання геотермальних вод.
Геотермальні води іноді мають велику мінералізацію, яка сягає до 35 г/л. вихід таких вод на поверхню землі у великій кількості без повернення в підземні шари може привести до забруднення ґрунтів, поверхневих, а також підземних вод, що гідравлічно зв’язані з поверхневими.
Відкачка великих об’ємів гарячої води може порушити водний баланс, привести до осідання поверхні землі в даному місці, викликати руйнування близькорозташованих будинків і споруд, зміни ландшафту, появи сейсмічних явищ.
Утворення на поверхні землі водних потоків і водойм з гарячою водою обумовлює надходження в атмосферу з парами води таких небезпечних забруднюючих речовин як сірка, бор, миш’як, аміак, ртуть. Крім того, пари води викликають підвищення вологості повітря.
Енергія морів і океанів
Можливістю перетворення енергії хвиль в електроенергію доведено вже давно. Даними проблемами займаються в Японії, Англії, країнах Скандинавії. Перевага хвильової енергетики в тому, що дана енергія достатньо сильно сконцентрована, доступна для перетворення і, на будь-який проміжок часу, може прогнозуватись в залежності від погодних умов.
Можливістю перетворення енергії хвиль в електроенергію доведено вже давно. Даними проблемами займаються в Японії, Англії, країнах Скандинавії. Перевага хвильової енергетики в тому, що дана енергія достатньо сильно сконцентрована, доступна для перетворення і, на будь-який проміжок часу, може прогнозуватись в залежності від погодних умов.
Під час приливів і відливів рівні води у берегів змінюються в межах 0,5…10 м. Водні маси між островами або рифами рухаються зі швидкістю до 5 м/с. Враховуючи стабільність приливного процесу (1…2 рази на добу) і великі витрати потоків, можна мати потужні і екологічно безпечні електростанції. Це такі станції як Рамсел (Франція) ‑ 240 МВт, Кемберленд (Канада) – 1,4 ГВт; Северн (Англія) – 8,45 ГВт, Кобекуїд (Канада) – 4,5 ГВт; Тугур (Росія)…6,5 ГВт; Гаролім (Корея) – 0,2 Гвт і інші.
Недоліками приливних електростанцій є: 1) нерівномірність надходження води на турбіни обумовлює нерівномірність вироблення енергії протягом доби; 2) великі витрати і малі напори вимагають встановлення значної кількості турбін; 3) велика вартість.
Біоенергія
Біомаса як акумулятор енергії має велике значення.
Біомаса як акумулятор енергії має велике значення.
Відходи неенергетичних виробництв (харчова і лісова промисловості), а також сільськогосподарські культури є цінними джерелами органічного палива. Вони мають енергію, яку можна отримати за допомогою фізичних, хімічних або мікробіологічних способів. Внаслідок цих процесів біомаса може бути трансформована в один з таких видів палива: газоподібний метан, рідкий метанол, тверде деревне вугілля.
Наприклад, за рахунок відходів виробництва цукру в країнах, що його постачають, покривається 40% палива. Використання біопалива у вигляді дров, гною та бадилля рослин має велике значення більш ніж для 50% населення планети.
Світовий досвід показує, що найбільш ефективним напрямком використання енергії біомаси – це анаеробна переробка з одержанням біогазу-метану і добрив. Одночасно вирішується важлива екологічна проблема з знезаражування відходів.
Очевидно, що розглянуті альтернативні джерела енергії екологічно чисті, але територіально досить диференційовані. Безлісові гірські райони придатні для розвитку потужної вітроенергетики, у пустельних і сонячних районах доцільно розвивати сонячну енергетику, а в районах сучасного вулканізму - енергію гейзерів тощо. Територіальна їх диференціація не дає змоги виділити пріоритетні напрямки розвиту альтернативних джерел енергії; треба розглядати їх у комплексі.
Аналіз показує, що частка участі альтернативних джерел у покритті світової потреби в енергії досить незначна; відсутня тенденція інтенсивного її збільшення в найближчому майбутньому. Тому не має підстав очікувати, що розвиток енергетики на їх базі будь-якою мірою знизитъ гостроту проблеми захисту навколишнього середовища від впливу традиційних джерел енергії.
Необхідність переходу на нові види енергії визначається як проблемою вичерпання запасів палива, так і проблемою охорони навколишнього середовища. Використання джерел енергії, які відновлюється, з урахуванням їх практичної невичерпності, відсутності забруднення навколишнього середовища і необхідності видобування, переробки, доставки палива на даний час досить актуальне. Недолік джерел енергії, які відновлюються, пов’язаний з несталістю їх потужності, може бути скомпенсований їх комплексним застосуванням, створенням енергосистем з нетрадиційними видами енергії, об’єднанням з діючими енергосистемами. Очевидно, що на найближчу перспективу розглянуті альтернативні джерела енергії матимуть переважно локальне значення і їх частка у світовому енергобалансі не перевищить 10%.
Коментарі (0)