Виды возобновляемых источников энергии (виды ВИЭ)

Возобновляемые источники энергии. Солнечная энергетика. Ветровая энергия. Геотермальная энергия

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика обладает самым большим потенциалом из возобновляемых источников. В солнечной энергетике выделяют 3 направления: солнечные водонагревательные установки, солнечные электростанции и фотоэлектрические преобразователи. Солнечные водонагревательные установки обычно представляют собой плоский солнечный коллектор, в котором нагревается вода, воздух или другой теплоноситель. Эти устройства характеризуются величиной площади нагрева.

Суммарная площадь солнечных коллекторов в мире достигает 50-60 млн м2, что эквивалентно 5-7 млн т у. т. в год. В России их применение незначительное. Хотя даже для условий Сибири возможен полезный эффект. В частности, в Новосибирске работа по солнечным коллекторам для индивидуального домостроения ведется в рамках программы «ЭКОДОМ». В строящемся ЭКОпоселке вблизи Академгородка уже сооружаются разного вида солнечные коллекторы, в том числе с подземными аккумуляторами тепла.

Солнечные электростанции (СЭС) используют обычный паросиловой цикл, но при этом требуется применение концентратора солнечной энергии. Так, в США действует 7 СЭС общей мощностью 354 МВт. Но для России такие устройства считаются неэффективными.

Что касается фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), то сегодня в мире наблюдается настоящий бум в этой области. В 2000 году в мире было произведено ФЭП общей мощностью 260 МВт. Больше всего в Японии - 80 МВт. А в России пренебрежимо мало - лишь 0,5 МВт. КПД ФЭП достигают 24% для монокристаллических преобразователей, 17% - для поликристаллических и 11% - для аморфных. Основным материалом является кремний. К сожалению, фотоэлектричество сегодня является самым дорогим способом получения электроэнергии.

Цена модулей ФЭП достигает 4000 долл./кВт, а установок на их основе - даже до 10000. Самой дорогой является и стоимость производимой электроэнергии: 15-40 центов/кВтч. В области фотоэлектричества наиболее перспективными считаются следующие направления: ФЭП с концентраторами солнечной энергии; ФЭП на основе арсенида галлия - арсенида алюминия; тонкопленочные солнечные элементы.

По нашему мнению, тонкопленочные солнечные элементы, может быть, даже представляют наибольший интерес в связи с их относительной дешевизной, связанной с существенно уменьшенным использованием чувствительного материала и более дешевыми технологиями. В качестве примера приведем разработку Института теплофизики СО РАН, основанную на высокоскоростном струйном плазмохимическом методе.

Суть его заключается в том, что создается сверхзвуковая струя моносилана в атмосфере аргона, которая облучается пучком электронов, вследствие чего на нагретой подложке формируется тонкая пленка аморфного или поликристаллического кремния с очень высокой скоростью осаждения. Скорость осаждения кремния до 500 раз превышает скорость осаждения в диффузионных методах. Кроме того, в разработанном методе достигается максимальная энергоэффективность. В итоге ожидается, что в силу этих и других факторов стоимость получаемых материалов будет достаточно низкой с точки зрения массового производства и применения солнечных элементов. В частности, по оценкам, длина производственной линии и капитальные вложения в завод по производству солнечных элементов одной и той же мощности в нашем проекте примерно на порядок меньше по сравнению с другими зарубежными проектами. Планируется производство солнечного кремния с использованием данного метода в Новосибирске на базе ПО «Север».

Ветровая энергия

К ветровой энергии как возобновляемому источнику энергии наибольший интерес проявляется в Германии, США, Дании. В 2002 году суммарная мощность ветроэнергетических установок в мире составила 31,1 ГВт. Это достаточно большая величина, и ожидается дальнейший существенный рост в будущем, хотя есть ряд экологических проблем, связанных с сильным шумом от установок и большой площадью отчуждения земель.

В России использование ветра в энергетике незначительно и основано преимущественно на зарубежном оборудовании. Тем не менее в СО РАН (ИТПМ) есть оригинальная разработка ветроэнергетической установки с вращающимися цилиндрами. Ее преимущество проявляется при низких скоростях ветра 2-6 м/с. Запланировано промышленное производство.

Геотермальная энергия

Использование другого вида ВИЭ - геотермальной энергии - в России может быть весьма существенно, поскольку Россия обладает высоким потенциалом геотермальной энергии, а Западная Сибирь является самым богатым регионом страны по ее запасам.

Считается, что если температура геотермальных источников превышает 100°С, то выгодна генерация электрической энергии на ГеоЭС. Если температура немного меньше 100°С, то горячая вода может быть использована для теплоснабжения, а при пониженных температурах необходимо использование тепловых насосов. Следует заметить, что в Сибирском отделении имеется очень хороший опыт использования геотермальной энергии в энергетике.

В 1970 году была сооружена на Камчатке Паратунская ГеоЭС по проекту ИТФ СО АН СССР, где впервые в мире была применена фреоновая турбина мощностью 815 кВт, она работала на горячей воде с температурой всего 80°С. Сейчас в мире общая мощность систем геотермального теплоснабжения составляет 17 ГВт, а мощность ГеоЭС - 10 ГВт. В России на Камчатке функционируют Верхнемутновская ГеоЭС (12 МВт) и первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт с перспективой до 220 МВт. Подчеркнем, что температура геотермальных источников в Новосибирской области достигает 39°C, а в Томской области - даже 85°С. Есть опыт применения тепловых насосов для теплоснабжения сельских объектов. Одним из новых способов получения электрической энергии с использованием горячей воды от геотермальных источников является гидропаровая турбина, которая была недавно разработана независимо на ЗАО «ЭНЕРГИЯ» и НПВП «ТУРБОКОН» и принцип действия которой основан на применении Сегнерова колеса.

Вторичные возобновляемые источники энергии

Горючие твердые бытовые отходы

Из вторичных возобновляемых источников энергии особое внимание обратим на горючие твердые бытовые отходы (ТБО). Бытовые и другие отходы - это одна из крупных экологических проблем современного общества. Особенность ТБО заключается в том, что их можно использовать для получения тепловой электрической энергии. Наибольшее количество ТБО производят США - 250 млн тонн в год. При этом 10% отходов сжигаются, и вырабатывается тепловая и электрическая энергия. Количество мусоросжигательных заводов США составляет 125 единиц (1993 год).

В Японии функционируют 1800 мусоросжигательных установок, на которых сжигается 72% бытовых отходов. В ряде стран приняты национальные программы по переработке отходов и получению из них значительного количества тепловой и электрической энергии.

Россия производит 60 млн тонн ТБО в год, но действует всего около 5 мусоросжигательных заводов, и только 2 из них построены на современном уровне с использованием импортного оборудования. Тем не менее в Москве планируется, что к 2010 году только 1/3 отходов будет подвергаться захоронению, а почти половина будет сжигаться с одновременным получением энергии. В Новосибирске производится достаточно много отходов - 0,5 млн тонн в год. Здесь тоже неоднократно поднимался вопрос о разных способах переработки отходов, включая сжигание с выработкой энергии.

Возможны различные способы получения энергии из ТБО, один из них - получение биогаза, который является продуктом анаэробного брожения в свалках и представляет собой примерно равную смесь метана и углекислого газа. Далее биогаз подвергается очистке и используется для сжигания в различных установках. Но в России действуют только 2 демонстрационные установки.

Другой способ заключается в переработке отходов в термической плазме, то есть при высоких температурах, которые позволяют радикально переработать всю органику и не допустить образования особо опасных веществ типа диоксинов и фуранов. В частности, разработаны методы пиролиза, газификации и сжигания бытовых и промышленных отходов с получением синтез-газа и тепла на установках с использованием электродугового плазмотрона (ИТ СО РАН, ИТПМ СО РАН), а также плазмотрона с жидкометаллическими электродами (ИТ СО РАН).

Это довольно дорогие и сложные технологии и их надо использовать для уничтожения опасных отходов или специальных целей. Для массовой переработки муниципальных отходов больше подходит, как мы считаем, проект, который называется КРТС - комплексная районная тепловая станция. Этот проект разработан специалистами ИТ СО РАН, Техэнергохимпрома и ВНИПИЭТа. Проект основан на использовании барабанной вращающейся печи с последующим дожиганием горючих газов в вихревом дожигателе. Предусмотрена глубокая очистка дымовых газов в соответствии с требованиями ЕС по вредным выбросам. Особенность проекта состоит в том, что предусмотрено производство тепловой и электрической энергии, а также строительных материалов. Станция рассчитана на переработку 40 тысяч тонн ТБО в год, что соответствует городскому району с населением 100 тысяч жителей, с одновременной выработкой тепловой энергии в количестве 100 тыс. Гкал. Такого количества тепла достаточно для обогрева более половины институтов Новосибирского научного центра. Капитальные вложения составляют 200-300 млн рублей, что в несколько раз меньше аналогичных зарубежных проектов. Сейчас подготовлены проекты и предложения для двух площадок - Советского района, Гусинобродской свалки - города Новосибирска, г. Бердска и Сахалинской области.