Текст книги "Основы энергосбережения. Конспект лекций"

1.5. Топливно-энергетические ресурсы мира и Беларуси

Запасы традиционных ТЭР ограничены. По оценкам ряда исследователей и научных организаций разведанные запасы некоторых энергоносителей при существующих темпах их использования могут истощиться уже в ближайшем будущем (табл. 1.5).

Таблица 1.5 Энергетические ресурсы мира [1]

Несмотря на ограниченность запасов нефти и газа, цены на эти энергоносители остаются сравнительно невысокими. Такое положение является следствием политических и экономических механизмов, при помощи которых страны и компании, добывающие, а также активно потребляющие нефть и газ, влияют на мировую экономику.

Наиболее значимы запасы угля и урана. Уголь часто называют топливом XXI века. Ограниченное использование углей в настоящее время связано с проблемами их добычи, транспортировки и использования, которое при наличии дешёвых нефти и газа становится экономически нецелесообразным. Кроме того, сжигание углей ведёт к загрязнению прилегающих территорий радиоактивными веществами. Несмотря на это, доля угля в энергетическом балансе стран Европы часто превышает 50%.

Нужно также отметить, что существующий уровень технологий и цен на энергоносители пока ещё не позволяет активно развиваться альтернативой энергетике, использующей возобновляемые ресурсы. Одним из наиболее перспективных вариантов решения энергетической проблемы считается использование энергии термоядерного синтеза. Однако уже на протяжении десятков лет человечеству не удаётся решить эту проблему.

Потенциал ТЭР в Беларуси по данным межотраслевой научно-технической программы «Энергосбережение и эффективное использование местных топливно-энергетических ресурсов до 2001г.» представлен в таблице.

Месторождения нефти сосредоточены в Припятской впадине, площадь нефтегазоносной области составляет около 30 тыс. км². С начала разработки добыто 100 млн. т нефти и 10,1 млрд. м³ попутного газа, остаточные запасы нефти промышленных категорий составляют 66,0 млн. т, попутного газа – 9,6 млрд. м³.

Неразведанные ресурсы нефти оцениваются на уровне 170 млн. т.

Объёмы добычи нефти (и соответственно попутного газа) в будущем будут постоянно снижаться. Это связано с тем, что разведанные месторождения находятся в заключительной стадии разработки, а вновь осваиваемые характеризуются малыми размерами и небольшими запасами. Кроме того, они относятся к трудноизвлекаемым, и, соответственно, для добычи нефти требуются новейшие технологии и оборудование.

Таблица 1.6 Потенциал ТЭР в РБ (млн. т.у.т.) [1]

Беларусь располагает значительными запасами торфа. В стране разведано более 9000 торфяных месторождений. Основные запасы торфа залегают в месторождениях, используемых сельским хозяйством или отнесённых к природоохранным объектам.

Основными потребителями торфяных брикетов является население. Планируется поддержание их производства на достигнутом уровне.

В Беларуси запасы горючих сланцев оцениваются в 11 млрд. т, промышленные – 3 млрд. т. По своим качественным показателям белорусские горючие сланцы не являются эффективным топливом из-за высокой зольности и низкой теплоты сгорания. Они требуют предварительной термической переработки с выходом жидкого и газообразного топлива. Стоимость получаемых продуктов выше мировых цен на нефть.

В Беларуси известны три месторождения бурых углей (Житковичское, Бринёвское и Тонежское) с общими запасами 151,6 млн. т. Бурые угли – низкокалорийные, поэтому пригодны в основном для использования как коммунально-бытовое топливо после брикетирования совместно с торфом. Разработка угольных месторождений в ближайшей перспективе не рекомендована Республиканской экологической комиссией, поскольку при современном уровне развития технологий их энергетического использования возможный экологический ущерб значительно превысит возможные выгоды замещения экспортируемых энергоресурсов.

В основном энергетика страны ориентирована на импорт энергоносителей: нефти – 90%, угля – 95%, электроэнергии – 25%, природного газа – 100%. Доля угля в энергетике страны в отличие от других стран Европы не велика. Экономика сориентирована на нефть и природный газ.

В условиях ограниченности собственной ресурсной базы актуальными являются проблемы энергетической безопасности страны. Под энергетической безопасностью подразумевается гарантия надёжного и бесперебойного энергоснабжения страны в нормальных условиях и в чрезвычайных ситуациях. Необходимыми условиями достижения энергетической независимости и безопасности государства является не только наличие резерва электрической и тепловой мощности, запасов топлива, надёжность оборудования и т.д., но и соблюдение некоторых критериев. Первый – если энергетика страны основывается на импорте топлива, то закупки не должны осуществляться в одной стране. В большинстве европейских стран действуют законы об энергетической безопасности, не позволяющие закупать более 70% энергоносителей из одного источника. Второй – доля каждого вида топлива имеет свою предельную величину, энергетика не должна развиваться только на одном топливе.

Сейчас в Беларуси не соблюдается первый критерий: Беларусь покупает более 80% топлива за рубежом (преимущественно в России) и частично закупает у соседних стран электроэнергию. Такое положение не обеспечивает энергетической безопасности, без которой не может быть и независимости политической.

Вплотную подошла Беларусь и к нарушению второго критерия энергетической безопасности. Согласно ему, доля природного газа не должна превышать 60—65%, так как электростанции на газе работают в режиме непрерывной доставки топлива, а отсутствие альтернативы требует больших и экономически неоправданных запасов резервного топлива (например, мазута) или строительства громадных газовых хранилищ.

Более того, в развитых странах для обеспечения энергетической безопасности государства создаётся резерв – избыток энергетических мощностей не менее 15% по сравнению с пиковой нагрузкой.

Тема 2. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

2.1. Гелиоэнергетика

Гелиоэнергетика – получение энергии от Солнца.

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000К. Электромагнитным излучением солнечная энергия переносится в космическом пространстве и достигает поверхности Земли.

Солнечная энергия достигает Земли в виде направленного и рассеянного (диффузного) лучистых потоков.

Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с веществом используются следующие основные величины.

Поток излучения – величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Измеряется в Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещённость) – величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Измеряется в Вт/м².

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м².

Коэффициент поглощения (поглощательная способность тела) – величина, измеряемая отношением потока излучения, заключённого в узком спектральном интервале частот, поглощаемого поверхностью тела, к потоку излучения, падающему на эту поверхность в том же спектральном интервале. Коэффициент поглощения зависит от температуры тела, частоты (или длины волны) излучения, а также от природы тела. Тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, называется абсолютно чёрным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Близкой по оптическим свойствам к чёрному телу является сажа.

Коэффициент отражения (отражательная способность) тела – величина, равная отношению потока излучения, отражённого поверхностью тела, к падающему на эту поверхность потоку. Для поверхностей, на которые рассеивают падающее солнечное излучение эту величину называют альбедо.

Таблица 2.1 Отражательная способность некоторых поверхностей

Поток солнечной энергии используется для горячего водоснабжения, отопления, получения электрической энергии.

Получение электроэнергии от Солнца не даёт вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых солнечных батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.

Солнечные батареи занимают много места. Однако в сравнении с другими источниками, например углём, они вполне приемлемы. Более того, солнечные батареи могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, а также использоваться в пустынях.

Особенности солнечных батарей позволяют располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции можно легко транспортировать и устанавливать в другом месте. Поэтому солнечные батареи, применяемые в сельской местности и в отдалённых районах, дают более дешёвую электроэнергию.

Жители отдалённых районов используют энергию солнечных батарей для освещения, радиовещания и других бытовых нужд. Практическое значение солнечная энергия имеет при подъёме воды из скважин и на нужды здравоохранения.

Главной причиной, сдерживающей использование солнечных батарей, является их высокая стоимость, которая в будущем должна снизиться благодаря развитию новых технологий. Нынешняя стоимость солнечной электроэнергии равняется 4,5 дол. За 1 Вт мощности и, как результат, цена 1 кВт-ч электроэнергии в 6 раз дороже энергии, полученной традиционным путём сжигания топлива.

В Беларуси 80% энергии Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жильё, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразным.

Одним из показателей, характеризующих радиационное излучение является число часов солнечного сияния, которое для Беларуси и среднеевропейской части России составляет от 1750 до 1850 ч в год в зависимости от региона. Беларусь по продолжительности солнечного сияния имеет близкие значения со странами Западной Европы, а по приходу среднемесячной солнечной радиации даже превосходит северную часть Германии, Швецию, Данию, Великобританию. Эти страны наряду с «солнечными» странами считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования.

Минимальное число дней без солнца приходится на декабрь. По данным многочисленных наблюдений, таких дней бывает один или два. Напротив, в июле наибольшее количество солнечных дней – 19—22.

В Беларуси целесообразны три варианта использования солнечной энергии:

– пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов «солнечной архитектуры». Расчёты показывают, что количество энергии, падающей на южную сторону крыши домов площадью 100м² на широте Минска, вполне хватает даже для отопления зимой (при том, что 10% солнечной энергии аккумулируется летом и затраты на отопление квадратного метра в отопительный сезон составляют 70 кВт-ч при хорошей теплоизоляции стен, полов, потолков). Размеры дешёвого гравийного теплового аккумулятора приемлемы: 10 х 10 х 1,5 м³. Однако в настоящее время полностью игнорируются даже принципы пассивного солнечного отопления. Единственное здание в Беларуси, построенное с использованием этого принципа – немецкий Международный образовательный центр (IBB) в Минске;

– использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов;

– использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок.

В настоящее время финансируется создание отечественной установки на фотоэлементах. Одна солнечная электростанция установлена в Беловежской пуще и отапливает два дома, ещё несколько установлено в Чернобыльской зоне. Солнечные коллекторы, вырабатывающие тепло, рекомендуется устанавливать в коттеджах и загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы и теплонакопители. Оптимальный для местного климата вариант – система с четырьмя коллекторами – позволяет обеспечить потребности в горячем водоснабжении семьи из 4—5 человек. Стоимость оборудования в пределах 900—3500 дол. США.

Кроме того, в Беларуси организовано производство гелиосистем для нагрева воды. Основой гелиосистем является плёночно-трубочный адсорбирующий коллектор. Он обладает высокой адсорбирующей способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения превращаются в полезную тепловую энергию. Пробные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в вагонах-бытовках и т. д. Гелиоустановки могут подключаться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой ёмкости. Приблизительная цена систем 400 дол. США.

Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в тёплой воде в летний период на 90%, в переходный период – на 55—65%, в зимний – на 30%.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоустановки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции.

2.2. Тепловые гелиоустановки

Наиболее простым способом использования солнечной энергии для бытовых и промышленных нужд является её преобразование в тепловую энергию.

Простейшим накопителем энергии в форме теплоты является ёмкость, заполненная водой. Если ёмкость не изолирована и открыта – эффективность аккумулирования теплоты наименьшая, если закрыта и установлена на теплоизолирующей площадке – эффективность будет выше.

Тепловая гелиоустановка включает в себя: приёмник, в котором происходит поглощение и преобразование солнечного излучения в тепловую энергию; передающее устройство с теплоносителем; теплоаккумулятор и другие элементы. В качестве приёмника используют коллекторы различных типов и конструкций.

Плоский гелиоколлектор. В основе его функционирования лежит парниковый эффект, суть которого заключается в следующем. Солнечное излучение попадает в теплоизолированный через прозрачное для солнечного излучения покрытие и нагревает поглотитель (нагреваемое тело) с циркулирующим внутри его теплоносителем.

Нагретый поглотитель, имеющий большую площадь, должен также отдавать энергию в виде инфракрасного излучения обратно через стекло. Однако этого не происходит благодаря тому, что прозрачное для коротковолнового солнечного излучения покрытие не пропускает инфракрасное излучение с большой длиной волны, которое исходит от поглотителя. Отбор тепловой энергии обеспечивается за счёт постоянной циркуляции теплоносителя (охлаждённого на входе и нагретого с выхода). Плоские коллекторы предпочтительны при нагреве теплоносителя до температуры не выше 100˚С, а эффективность их работы зависит от светопропускающих и теплоизолирующих свойств покрытия, а также поглощающих свойств нагреваемого тела.

Концентрирующие коллекторы (концентраторы) используют в случаях, когда возможные приложения тепловых гелиоустановок требуют более высоких, чем 100˚С, температур. Концентрирующие коллекторы включают в свой состав приёмник (поглотитель) солнечного излучения и концентратор. Конструктивно концентратор выполняется в виде фокусирующей оптической системы. Функционально концентратор обеспечивает сбор солнечного излучения с большой площади и его концентрацию на приёмнике с небольшой площадью поверхности. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приёмник солнечного излучения.

Концентратор может быть также выполнен в виде системы плоских зеркал, каждое из которых направляет солнечное излучение на один приёмник в виде линзы и др. При использовании таких коллекторов в приёмнике достигается температура до нескольких сотен или даже тысяч градусов по Цельсию.

Объёмные коллекторы используют для нагрева с помощью солнечного излучения больших объёмов воздуха, воды, почвы, строительных конструкций и других поглотителей тепла. Простейшим примером объёмного коллектора может служить плёночная или застеклённая теплица, расположенная с южной стороны здания.

Тепловая гелиоустановка с плоским коллектором для обеспечения более надёжного теплоснабжения должна оборудоваться тепловым аккумулятором. Для обеспечения циркуляции теплоносителя используется насос. Однако если бак-аккумулятор расположить выше гелиоколлектора, то прокачка теплоносителя может осуществляться за счёт естественной циркуляции.

Для условий Беларуси при использовании воды в качестве теплоаккумулирующей массы ёмкость бака-аккумулятора выбирается в пределах 50…100 литров на 1 м² поверхности гелиоколлектора. Использование современных материалов позволяет создавать гелиоустановки без передающего и аккумулирующего устройств, функцию которых выполняет надёжно изолированный коллектор.

2.3. Солнечные электростанции

Одним из путей преобразования солнечной энергии в электрическую является строительство гелиотепловых электростанций. При этом необходимая температура парообразования достигается с помощью концентрирующих коллекторов. Важной особенностью данного процесса является необходимость постоянной ориентации системы коллектор-теплоприёмник на солнце, что усложняет и удорожает конструкцию этих устройств. В качестве рабочей жидкости в таких системах может использоваться вода или другие жидкости, обладающие более низкой температурой парообразования.

Более рациональным способом получения электроэнергии является прямое преобразование солнечной энергии в фото электрических установках, использующих явление фотоэффекта.

Фотоэффектом называют электрические явления в веществах, происходящие при их взаимодействии со световым потоком. Так, при освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-п), между ними возникает разность потенциалов (фото-ЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом и относится, по сути, к внутреннему фотоэффекту. Вентильный фотоэффект положен в основу действия солнечных элементов, преобразующих солнечное излучение в электрический ток. Основной материал для изготовления солнечных элементов – кремний.

Важнейшим параметром солнечного элемента является коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую (Ксв), равный отношению мощности вырабатываемой им электрической энергии к падающему на элемент потоку излучения.

где Рэ – электрическая мощность (максимальная) на выходе элемента; Ризл=Еосв х Sэ – мощность светового потока, падающего на поверхность элемента площадью Sэ, расположенную перпендикулярно потоку (Вт); Еосв – освещенность элемента (Вт/м²).

Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования равный 10…15%. Это значит: при освещённости, равной 0,1 кВт/м² они могут вырабатывать электрическую мощность 1…1,5 Вт с каждого квадратного дециметра площади при создаваемой разности потенциалов около 1 В. Солнечные элементы последовательно соединяют в солнечные модули, которые в свою очередь соединяются в солнечные батареи.

Солнечная фотоэлектрическая установка имеет электрический аккумулятор, что обусловлено непостоянством потока солнечного излучения в течение суток и преобразователь, который необходим для получения переменного тока промышленных параметров (220 В, 50 Гц).

Сдерживающим фактором массового использования фотоэлектрических гелиоустановок является пока что, относительно высокая стоимость, которая для солнечных батарей составляет около 3 долларов США за 1 Вт установленной мощности плюс 2 доллара за 1 Вт вспомогательного оборудования (аккумулятор и преобразователь). Однако при сроке службы солнечных батарей 20 лет и облучённости местности 20 МДж/м² в день стоимость 1 кВт-ч электроэнергии составит примерно 16 центов, что конкурентоспособно с электроэнергией, вырабатываемой дизель-генератором. Уже сейчас фотоэлектрические установки используются для питания электроизгородей, переносной радиоэлектронной аппаратуры, в микрокалькуляторах. В странах СНГ и Западной Европы разработаны и внедряются водонасосные установки для пастбищного водоснабжения с питанием от солнечных батарей мощностью от сотен ватт до нескольких киловатт. Весьма перспективно использование солнечных фотоэлектрических станций для нужд энергоснабжения бытовых производственных объектов, удалённых от линий электропередач.