Підрозділ 2. Найпоширеніші альтернативні джерела електроенергії
Сонячна енергетика має дещо обмежені можливості використання (залежить від погоди, широти розташування території та ін.), але розвивається досить інтенсивно (до 50 % в рік). Україна має всі умови розвитку сонячної енергетики. Інтенсивність сонячної радіації на території України див. додаток Б.
Сонячне випромінювання - екологічно чистий і поновлюване джерело енергії. Запаси сонячної енергії величезні. До початку XXI століття людство розробило і освоїло ряд принципів перетворення теплової енергії в електричну. Їх можна умовно розділити на машинні і безмашінние методи. Останні часто називають методами прямого перетворення енергії, оскільки в них відсутня стадія перетворення теплової енергії в механічну роботу
Серед машинних перетворювачів найбільш відомі паро і газотурбінні установки, що працюють на всіх наземних теплових і атомних електростанціях. Принципова схема замкнутої газотурбінної установки виглядає так. Сонячна радіація, зібрана концентратором на поверхні сонячного котла, нагріває робоче тіло - інертний газ до температур порядку 1200 - 1500 градусів Кельвіна і під тиском, створюваним компресором, подає гарячий газ на лопатки газової турбіни, яка приводить в дію електрогенератор змінного струму. Відпрацювавши у турбіні газ надходить спочатку в регенератор, де підігріває робочий газ після компресора. Тим самим він полегшує роботу основного нагрівача - сонячного котла. Потім газ охолоджується в холодильнику-випромінювачі.
У енергоустановки з паротурбінних перетворювачем зібрана концентратором сонячна енергія нагріває в сонячному котлі робочу рідину, що переходить в насичену, а потім і в перенасичену пару, що розширюється в турбіні, поєднаної з електрогенератором. Після конденсації в холодильнику-випромінювачі відпрацьована в турбіні пара, її конденсат, стискається насосом та знову поступає в котел. Оскільки підвід і відвід тепла в цій установці здійснюються ізохорично, середні температури підведення та відведення виявляються вищими ніж у газотурбінної установки, а питомі площі випромінювача і концентратора можуть виявитися менше. У подібної установки, що працює на органічному робочому тілі, коефіцієнт корисної дії становить 15-20 % при порівняно невисоких температурах підвода тепла – всього 600-650 градусів Кельвіна.
Сполучаючи між собою окремі термоелементи, можна створювати досить потужні термобатареї. Електростанція потужністю 10 ГВт може важити до 200 тисяч тонн. Зниження ваги енергоустановки прямо пов'язане з підвищенням коефіцієнта корисної дії перетворення сонячної енергії в електрику. Цього можна досягти двома шляхами: збільшенням термічного коефіцієнта корисної дії перетворювача і зниженням необоротних втрат енергії у всіх елементах енергоустановки.
У першому випадку концентроване випромінювання дозволяє отримувати дуже високі температури. Але при цьому вельми зростають вимоги до точності систем спостереження за Сонцем, що для величезних за розмірами концентрують систем малоймовірно. Тому зусилля дослідників незмінно прямували на зниження необоротних втрат. Вони спробували зменшити перетікання тепла з гарячих спаїв на холодні теплопровідністю. Для вирішення цього завдання потрібно домогтися збільшення добротності напівпровідникових матеріалів.
Тепер розглянемо фотоелектричний метод перетворення енергії. У сонячних батареях використовується явище зовнішнього фотоефекту, що проявляється на р-п-перехід в напівпровіднику при висвітленні його світлом. Створюють р-п (або п-р)-перехід шляхом введення в монокристалічний напівпровідниковий матеріал-базу домішку з протилежним знаком провідності. При попаданні на р-п-перехід сонячного випромінювання відбувається збудження електронів валентної зони і утворюється електричний струм у зовнішній частині ланцюга. Коефіцієнт корисної дії сучасних сонячних батарей досягає 13-15%.
У сонячних електростанцій є одна, але вельми істотна проблема. Отримувати і використовувати "чисту" сонячну енергію на поверхні Землі заважає атмосфера. А що якщо розмістити сонячні енергостанції в космосі, на навколоземній орбіті. Там не буде атмосферних перешкод, невагомість дозволить створювати багатокілометрові конструкції, які необхідні для "збору" енергії Сонця. У таких станцій є велика перевага. Перетворення одного виду енергії в інший неминуче супроводжується виділенням тепла, і скидання його в космос дозволить запобігти небезпечне перегрівання земної атмосфери.
У вітроенергетичному секторі на даний час працюють біля 70 країн світу. Серед країн з найбільшими потужностями вітроенергетики – Німеччина, США, Іспанія, Індія, Китай, Данія. Україна також має власні розробки вітроенергетичних установок (ВЕУ) та власне промислове виробництво, є і ліцензійні ВЕУ. Працюють вісім вітрових електростанцій (ВЕС) в Криму, Приазов’ї та в Карпатському регіоні.
Що ж таке енергія вітру? Частина сонячної енергії, яка досягає зовнішніх шарів земної атмосфери, перетворюється на кінетичну енергію частинок повітря, які рухаються, тобто вітру. Кінетична енергія вітрового потоку дорівнює
Е=(m·v2)/2,
де m - маса повітря, що рухається, кг; v - швидкість вітру, м/с.
Енергія вітру має ряд специфічних особливостей: малу концентрацію, віднесену до одиниці об'єму повітряного потоку; випадковий характер зміни швидкості; з другого боку, повсюдне розповсюдження цього джерела енергії, надто досконалі технічні засоби вітроенергетики і їх економічна ефективність дозволяють розглядати його як доповнення до "великої" енергетики, насамперед для забезпечення енергією споживачів у важкодоступних районах, віддалених від джерела централізованого енергопостачання.
Вітрове колесо, розміщене в потоці повітря, може у кращому випадку теоретично перетворювати на потужність на його валу 16/27 = 0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, що проходить через площу перерізу, охоплювану вітровим колесом Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним ККД ідеального вітрового колеса. Насправді ККД нижчий і досягає для найкращих вітряних колес приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопаті 10 м за швидкості вітру 10 м/с у найкращому випадку може мати потужність на валу 85 кВт. Вітроустановки виробляють електроенергію практично без забруднення довкілля, але вплив на нього мають: відведення під будівництво значних територій та зміни ландшафту, шумові ефекти, радіоперешкоди.
Проблема зменшення шумів розв'язується шляхом розташування вітроустановок на значних відстанях (допустимих за рівнем шуму - 40-50 децибелів) від житла. Отже, відстань від вітроагрегату до житла має становити 150 м, вітростанції - 250 м.
Теоретичні ресурси, тобто кінетична енергія вітру в межах території України, перевищують нинішнє виробництво електроенергії приблизно в 150 разів, а ресурси суші, які реально можна використовувати на сучасному рівні розвитку вітротехніки, перевищують ці обсяги вдвічі. Значно більші ресурси можливо залучити, використовуючи вітроелектричні станції водного базування, насамперед на морі, де вітри сильніші та стабільніші. Приміром, лише вітровий потенціал Сиваша дозволяє виробляти електроенергії в 1,5-2 рази більше, ніж сучасні обсяги її виробництва в Україні.
Геотермальна енергетика є досить перспективним джерелом енергії для України. Найбільш сприятливі умови для використання геотермальних вод існують у Закарпатті і в Криму, але навіть в цих районах використовується не більше 2 % потенціалу. Геотермальною вважається енергія, перенесена із глибин Землі за допомогою різних видів теплообміну (теплопровідністю та конвекцією). Припускається, що тепло магми переноситься теплопровідністю крізь структурні шари Землі.
Для того, щоб визначити, чи має певна місцевість потенціал постачання геотермальної теплоти для промислових та побутових потреб, потрібен попередній пошук, що є ризикованим, але необхідним. Ця особливість є однією з головних відмінностей геотермальної енергії від інших поновлюваних джерел енергії.
Підземні геотермальні резервуари поділяються на:
заповнені в основному парою (перегрітою чи насиченою);
заповнені в основному гарячою водою (з невеликим вмістом насиченої пари).
П
Рис.1 Схема геотермальної електростанції з паровою турбіною
ринципову схему геотермальної електростанції з паровою турбіною наведено на рис. 1, при цьому використовується резервуар сухої пари, яка зі свердловин подається в турбіну для вироблення електроенергії.
На станціях іншого типу використовуються геотермальні води з температурою, вищою за 190°С. Вода, яка природним чином підіймається вгору по свердловині, подається в сепаратор, де частина її кипить та перетворюється на пару. Пара використовується для одержання електроенергії.
Робоча рідина, нагріта геотермальною водою, перетворюється на пару, яка надходить у теплообмінник та використовується для обертання турбіни. Оскільки обидва контури замкнені, немає практично ніяких викидів, що робить систему екологічно чистою. Робоча рідина випаровується при більш низькій температурі, ніж вода, тому бінарні станції працюють при значно нижчих температурах, ніж інші типи геотермальних станцій (100-190°С). А оскільки джерела геотермальної води з температурою нижчою за 190°С найбільш поширені, то в майбутньому цей тіні станцій матиме перевагу.
Біомаса відіграє домінуючу роль серед інших видів нетрадиційних джерел електроенергії, формуючи біля 46 % ринку відновлюваних джерел енергії. Вона може забезпечувати виробництво тепла, електроенергії та різних видів газоподібного (біогаз), рідкого (біоетанол, біодизель) та твердого палива. Технології переробки біомаси дозволяють також вирішувати проблему утилізації шкідливих побутових та промислових відходів, одержувати як побічні продукти високоякісні добрива, будівельні та інші корисні матеріали, так за рахунок біогазу вже сьогодні в країнах ЄС отримується щороку понад 10 млн МВт/год електричної та близько 10 млн Гкал теплової енергії. Лідерами з використання біогазових технологій є такі країни як: Німеччина, Велика Британія, США, Канада, Бразилія, Данія, Китай, Індія та інші.
Біоенергетика в Україні має широкий спектр сировинних ресурсів які можна використовувати як шляхом прямого спалювання, так і для виробництва біогазу, біодизелю, біоетанолу, твердих паливних брикетів та ін. Це і відходи лісового господарства, сільгоспгосподарства, побутові відходи і, нарешті, спеціально вирощувана біомаса, зокрема – ріпак, сприятливі умови для вирощування якого є в багатьох регіонах України.
Розділ 2. Використання біогазу
Підрозділ 1. Основні відомості про біогази та фактории, що впливають на його отримання
Що ж таке біогаз? Цим терміном позначають газоподібний продукт, що отримується в результаті анаеробної, тобто такої, що відбувається без доступу повітря, ферментації (перепрівання) органічних речовин різного походження. У будь-якому селянському господарстві протягом року збирається значна кількість гною, бадилля рослин, різних відходів. Зазвичай після розкладання їх використовують як органічне добриво. Однак мало хто знає, яка кількість біогазу та тепла виділяється при ферментації. Адже ця енергія теж може послужити гарну службу сільським мешканцям.
Біогаз - суміш газів. Його основні компоненти: метан (CH4 - 55-70%, вуглекислий газ (СО2) - 28-43%, а також у дуже малих кількостях інші гази, наприклад - сірководень (H2S).
У середньому 1 кг органічної речовини, біологічно розклавшись на 70%, виробляє 0,18 кг метану, 0,32 кг вуглекислого газу, 0,2 кг води і 0,3 кг нерозкладного залишку.
Оскільки розкладання органічних відходів відбувається за рахунок діяльності певних типів бактерій, істотний вплив на нього робить навколишнє середовище. Так, кількість газу, що виробляється, значною мірою залежить від температури: чим тепліше, тим вища швидкість і ступінь ферментації органічної сировини. Саме тому перші установки для отримання біогазу з'явилися в країнах з теплим кліматом. Однак застосування надійної теплоізоляції, а іноді і підігрітої води дозволяє освоїти будівництво генераторів біогазу в районах, де температура взимку опускається до -20°С. Існують певні вимоги і до сировини: вона повинна бути придатною для розвитку бактерій, містити органічну речовину, яка здатна до біологічного розкладу, і воду у великій кількості (90-94%). Бажано, щоб середовище було нейтральним і без речовин, які заважають дії бактерій: наприклад, мила, пральних порошків, антибіотиків.
Для отримання біогазу в домашніх умовах можна використовувати рослинні та господарські відходи, гній, стічні води і т. п. У процесі ферментації рідина в резервуарі має тенденцію до поділу на три фракції. Верхня - кірка, утворена з великих частинок, які захоплюються та піднімаються бульбашками газу. Через деякий вона час може стати досить твердою і буде заважати виділенню біогазу. У середній частині ферментатора накопичується рідина, а нижня, брудоподібна фракція випадає в осад.
Бактерії найбільш активні в середній зоні. Тому вміст резервуара необхідно періодично перемішувати - хоча б один раз на добу, а бажано - до шести разів. Перемішування може здійснюватися за допомогою механічних пристроїв, гідравлічними засобами (рециркуляція під дією насоса), під натиском пневматичної системи (часткова рециркуляція біогазу) або за допомогою різних методів самоперемішування.