3.3.2.1. Малые гидроэлектростанции

Экономический потенциал гидравлической энергии в мире оценивается в 8100 ТВт*ч. Установленная мощность всех гидростанций составляет 669 ГВт, а вырабатываемая электроэнергия — 2691 ТВт*ч. Таким образом, экономический потенциал используется на 33%. В России экономический потенциал гидроэнергии составляет 600 ТВт*ч и используется на 26% (157,5 ТВт*ч).³ В основном, потенциал гидроэнергии используется посредством крупных ГЭС. Возможности дальнейшего развития крупной гидроэнергетики ограничены рядом экологических, социальных и экономических препятствия, а также соображениями безопасности.

Малые ГЭС лишены всех этих недостатков.

Экологические преимуществами МГЭС являются:

• минимальное затопление земель или их отсутствие (русловые МГЭС);

• улучшение гидрологических условий реки;

• минимальное климатическое воздействие;

• минимальное ландшафтное преобразование;

• не препятствуют водообмену, способствуют аэрации воды;

• не могут спровоцировать землетрясения;

• дают минимальный вклад в эмиссию парниковых газов по сравнению со всеми способами производства энергии.

Малые ГЭС классифицируются:

• по мощности:

• в России – от 0,1 до 30 МВт

• в Европе – до 10 МВт

• по классификации ООН:

• микроГЭС - до 0,1 МВТ

• мини-ГЭС - от 0,1 до 1 МВТ

• малые ГЭС - от 1 до 10 МВт

• по способу создания напора:

• плотинные;

• деривационные;

• смешанные (плотинно-деривационные);

• малые ГЭС при готовом напорном фронте (на перепадах каналов, в системах водоснабжения и др.).

• по типу водотока:

• в малых реках;

• в озерных водосбросах;

• в оросительных и питьевых водоводах;

• в технологических водотоках и продуктопроводах предприятий;

• в водосбросах ТЭЦ и АЭС;

• в промышленных и канализационных стоках.¹

Малая гидроэнергетика может обеспечить гарантированное и сравнительно дешевое энергоснабжение предприятий, фермерских хозяйств, леспромхозов и других потребителей, особенно в зонах, удаленных от линий электропередач. Современный уровень технических возможностей позволяет экономически эффективно использовать потенциал низких напоров (от 2м) типичных для малых равнинных рек.

Мировым лидером в малой гидроэнергетике является Китай. В ближайшее время в Китае планируется строительство более 40 000 малых ГЭС с ежегодным вводом до 1000 MBt.

3.3.2.2. Солнечная энергия

Реакция термоядерного синтеза в глубинах Солнца порождает колоссальную энергию солнечного излучения. Средняя интенсивность солнечной энергии за пределами земной атмосферы равна 1,35 кВт/м². Локальные значения лучистой энергии Солнца, приходящей к поверхности литосферы или гидросферы, зависят от ориентации к Солнцу (освещенности), облачности, запыленности воздуха, высоты над уровнем моря, времени года и суток. В средних широтах днем интенсивность солнечного излучения достигает 800 Вт/м² летом и 200…350 Вт/м² зимой, уменьшаясь до нуля с заходом Солнца.¹

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики Использование всего лишь 0,015% энергии Солнца могло бы полностью обеспечить совокупные потребности мировой энергетики. Лидерами по использованию солнечной энергии являются Япония, страны Западной Европы (прежде всего ФРГ) и США.²

Фотоэлектрические преобразователи

В фотоэлектрических преобразователях энергия солнечного излучения подвергается прямому преобразованию в электрическую энергию. В основе установок этого типа лежит принцип выбивания электронов из полупроводниковых материалов световыми квантами. В современной солнечной энергетике широко применяются полупроводниковые преобразователи из химическичистого чистого кристаллического кремния.

Источники энергии на солнечных элементах уникальны в том, что охватывают широчайший спектр величин мощности: от милливатт (мВт) для часов и карманных калькуляторов, 1 ватта для уличных фонарей и солнечных систем для домашних нужд в бедных деревнях, киловатты для использования в зданиях; до мегаватт и гигаватт — на уровне централизованных электростанций.

В каждом конкретном случае показатель вырабатываемой мощности зависит от особенностей климата, наличия поворотного (вращающегося вслед за солнцем) модуля и других условий.

Основные преимущества фотоэлектрических модулей:

• простота в изготовлении и обслуживании;

• долговечность;

• экологическая чистота в процессе эксплуатации;

• возможность применения в городских условиях.

Основные недостатки фотоэлектрических модулей:

• относительно высокая стоимость модульных установок;

• низкий КПД промышленных модулей;

• выбросы при производстве кремниевой пыли, кадмиевых и арсенидных соединений, опасных для здоровья людей.

В конкурентоспособности солнечных установок по сравнению с ключевыми поставщиками электроэнергии в последнее время наступил перелом. Солнечные батареи способны составить реальную конкуренцию атомной энергии. Например, планируемые к пуску в Великобритании атомные электростанции не смогут обеспечить энергию по цене ниже, чем цены на электричество от солнечных установок.¹

Паротурбинные солнечные электростанции

В 70-е годы ХХ века Советским Союзом в Крыму и Соединенными Штатами в Калифорнии построены паротурбинные СЭС. Основой таких СЭС является башня, на которой установлен котел. На нем фокусируется солнечное излучение, собираемое с нескольких гектаров земной поверхности зеркалами-гелиостатами. Для паротурбинных СЭС характерны высокие капитальные затраты.

Экономичнее оказалось другое техническое решение, реализованное в США в 1985 году - вогнутые зеркала фокусирующие солнечное излучение на проходящую трубу, в которой нагревается и испаряется питательная вода паротурбинной установки. Стоимость одного киловатт-часа произведенной энергии приближается к характерной для традиционных ТЭС. Ряд паротурбинных СЭС различной мощности построен во Франции и в Италии.¹

Роль солнечной энергетики в мировом электроснабжении

За последние 30 лет мировой рынок солнечной энергетики ежегодно рос в среднем не меньше чем на 130%. Более 80% мощности солнечных батарей установлено в Европе. В 2012 общая мощность установок по всему миру должна составить 65 ГВт.

Германия сейчас покрывает 3% потребности в электроэнергии за счет солнечных электростанций общей мощностью 17,3 ГВт, что превышает мощность девяти существующих в стране АЭС (12 ГВт).

Италия занимает 2-е место по использованию солнечной энергии с показателем 7 ГВт общей мощности оборудования. Вклад солнечной энергии в национальное потребление электроэнергии в Италии составляет 2,5%. Аналогичный показатель характерен и для Испании.

В Японии из генераторов обшей мощностью 991 МВт подавляющее большинство (803 МВт) было установлено в 200 тыс. частных домовладений.²

В США в штате Калифорния количество солнечных батарей на крышах домов составляет 50 тыс. Властями штата установлена цель в миллион солнечных батарей к 2017 году.¹

В основном солнечные электростанции сегодня подсоединены к низковольтным сетям. Благодаря локальному производству и потреблению энергии не требуется ее передача на дальние расстояния. Это позволяет избежать потерь при транспортировке энергии.

Примером относительно крупных проектов электростанций являются «Sarnia» мощностью 97 МВт (Онтарио, Канада) и итальянский проект «Montalto di Castro» (85 МВт). В штате Аризона (США) в Агуа-Кальенте весной 2011 г. начат монтаж установки в 290 МВт, а Китай планирует поэтапный пуск установки в 2 ГВт в течение ближайших нескольких лет.²

Крупнейшая энергокомпания Франции «Electricite de France» выделяет 430 млн. евро на строительство крупнейшей во Франции солнечной электростанции, которая разместится на площади в 415 га в департаменте Мёрт и Мозель в Лотарингии. Станцию введут в строй в 2012 — 2013 гг.

Крупнейшую в мире солнечную электростанцию планируется разместить в Сахаре (DESERTEC) - 100 ГВт солнечной энергии при затратах более 400 млрд. евро. Сахара занимает около 3,5 млн. км², так что энергия солнечных батарей, размещенных всего на 1% этой площади, удовлетворила бы энергетические потребности всего мира. К 2050 г. электростанция сможет обеспечить от 15 до 20% потребностей Европы в электроэнергии.³

При текущей ежегодной эффективности солнечных элементов в 10% и на основании величины среднего глобального солнечного излучения примерно 100 000 км² модулей солнечных батарей понадобилось бы, чтобы произвести всю энергию, нужную планете. Эта площадь - малая часть территории, застроенной домами, на которых можно было бы установить такие модули.¹

Солнечное теплоснабжение

Солнечные водонагреватели применяются в целях отопления и горячего водоснабжения с начала XX века. К настоящему времени в ряде стран (США, Германия, Норвегия), при государственной поддержке по программам энергосбережения, широко распространены установленные на крышах или на застекленных верандах солнечные коллекторы из полимерных пластмасс с застеклением.

Все большее распространение получают системы, способные удовлетворить потребности многоквартирного дома или даже жилого района. Такие системы состоят из центрального блока теплоснабжения, распределительной сети и тепловых аккумуляторов.

По оценкам норвежских энергетиков, годовая экономия энергии от систем солнечного теплоснабжения в северной Европе составляет 250…300кВт*ч на квадратный метр площади коллектора водонагревателя.²

Электричество из космоса

Преобразование солнечной энергии в электричество в открытом космосе уже давно рассматривалось как одно из направлений гелиоэнергетики. В космосе солнечным батареям не мешает атмосфера, и их КПД оказывается гораздо выше. Однако основной преградой на пути реализации подобных проектов до недавнего времени оставалась их непомерная стоимость.

В проекте компании «Solaren» (Япония) планируется использовать спутники с надувными зеркалами, которые будут фокусировать свет на сравнительно небольших по площади батареях. Это позволит добиться высокой производительности при небольших размерах аппаратов. В Японии к 2030 г. планируют создать систему орбитальных солнечных батарей.

Поставки энергии, мощность которых составит примерно по 200 МВт должны начаться уже в 2016 г.

Японское космическое агенство JAXA занимается этой разработкой с 1998 г., теперь к нему присоединились и отобранные правительством крупные компании: NEC, «Sharp», «Mitsubishi Electric» и «Fujitsu».¹