Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) с каждым годом становятся все более заметными в мировой энергетике. В США и странах Евросоюза доля ВИЭ в общем объеме производства в 2010 году составила 11% и 9,6%, соответственно. И по прогнозам к 2020 году она вплотную приблизится к 25%. При этом количество энергии, вырабатываемой ВИО, возрастет в странах Евросоюза в 3,8 раза, а в США — в 22,5 раза.
Развитие возобновляемых источников энергии в России находится на ранних этапах. В 2010 году доля возобновляемой энергетики в общем объеме производства составила 0,9% с установленной мощностью в 2,1 ГВт. К 2020 году доля ВИЭ возрастет до 4,5% с установленной мощностью в 25 ГВт.
Несмотря на серьезные проблемы, ограничивающие рост использования ВИЭ в России, существуют существенные предпосылки для их активного развития.
Использование возобновляемых источников энергии играет важную роль в развитии распределенной энергетики.
Распределенная энергетика является приоритетной сферой экономически эффективного практического использования ВИЭ в России. В этой сфере установки на ВИЭ уже сегодня могут успешно конкурировать с традиционными энергоустановками.
Потенциальные масштабы возможного эффективного использования ВИЭ в сфере распределенной генерации уже сегодня измеряются гигаватами. Наряду с законодательной и финансовой поддержкой развития ВИЭ в централизованной энергетике, государственная политика должна учитывать и стимулировать развитие ВИЭ в регионах в сфере распределенной энергетики.
Ключевые предпосылки развития распределенной энергетики с использованием ВИЭ:
- 2/3 территории страны расположены вне сетей централизованного энергоснабжения: население около 20 млн чел., районы с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (более 25 руб./
- кВтч);
- Более 50% регионов страны энергодефицитны: завоз топлива, импорт электроэнергии – задача повышения региональной энергетической безопасности;
- Газифицировано около 50% населенных пунктов, а в сельской местности — менее 35%.
Рассмотрим различные технологии возобновляемой энергетики.
Солнечная энергетика |
---|
Среди основных проблем солнечной энергетики можно выделить непостоянность и непредсказуемость основного источника энергии, зависимость от погодных и климатических условий, и обусловленная этим необходимость в накопителях энергии или дополнительных источниках энергии. Существенными недостатками являются высокая стоимость фотоэлектрических систем (ФЭС) с учетом необходимости в накопителях и обратных преобразователях переменного тока (до 50% от общей стоимости системы), сравнительно низкий КПД (от 4-5% до 20% для традиционных фотоэлектрических модулей (ФЭМ), и до 40% для концентрирующих ФЭМ) и низкая энергоемкость (~8-12 м2/кВт), вследствие чего под ФЭС требуются большие территории (Таблица 1).
Наиболее перспективными из перечисленных выше технологий являются:
- Усовершенствованные неорганические тонкопленочные ФЭМ — Сферические ФЭМ на основе селенида меди-индия (CIS) и тонкопленочные поликристаллические кремниевые ФЭМ;
- Органические ФЭМ (в том числе фотосенсибилизированные красителем ФЭМ на основе органических полимеров);
- Термо-фотоэлектрические (TPV) ячейки с узкой запрещенной зоной (low gap-band).
Основные исследования в области развития фотоэлектрических технологий направлены на снижение себестоимости фотоэлектрических модулей за счет:
- Повышения КПД фотоэлектрических модулей I-го и II-го поколения:
- Снижения потребления материалов – использования пленочных ФЭМ;
- Повышения энергоемкости – уменьшения поверхности ФЭМ;
- Использования органических материалов взамен дефицитного сырья (такого как серебро, индий, теллур, свинец и кадмий);
- Снижения стоимости и сроков окупаемости ФЭМ (Рисунок 1);
- Использования более тонких и эффективных фотоэлектрических пластин;
- Использования поликремневых заменителей (например, металлургического кремния).
Ветроэнергетика |
---|
Ветроэнергетика является одним из наиболее популярных и быстро развивающихся направлений альтернативной энергетики. Тем не менее, её распространение так же ограничивается непостоянностью ветра, как источника энергии, нарушением эстетического пейзажа ввиду установки огромных 100-метровых ветровых мельниц и сложностями с подключением к существующим сетям ввиду отдаленности наиболее благоприятных территорий для установки ветрогенераторов от существующей инфраструктуры. Стоимость ветряной турбины составляет около 80% от общей стоимости ветрогенератора, и поэтому основные усилия по снижению себестоимости ветряной энергии направлены на снижение расходов на производство турбин.
Среди основных направлений развития технологий в ветроэнергетике выделяются следующие:
Увеличение генерирующего потенциала:
- Увеличение размеров турбин (см. рис.);
- Увеличение высоты турбинных башен;
- Использование оффшорных ветров и ветров на больших высотах;
Улучшение материалов:
- Снижение зависимости башенных конструкций от стальных элементов;
- Снижение веса пропеллеров (использование углеродных волокон и высокоинтенсивного углепластика);
Улучшение системы привода (редуктор, генератор, электроника):
- Развитие технологии сверхпроводников для более легких и эффективных электрогенераторов;
- Использование постоянных электромагнитов в электрогенераторах.
Среди новых перспективных разработок выделяются:
Летающие ветряные турбины:
Makani Airborne Wind Turbine — на 90% легче традиционных турбин, запускается с использованием электрического двигателя, способна генерировать электричество на низких скоростях ветра;
Altaeros Airborne Wind Turbine — использует наполненную гелием оболочку для подъема на большие высоты;
Magenn Air Rotor System (M.A.R.S.) — MARS улавливает энергию ветра на высоте от 200 до 300 метров, а также струйные потоки воздуха, возникающие практически на любой высоте;
Генерация на ветрах низких скоростей
Wind Harvester — новая модель ветрогенератора основывается на возвратно-поступательном движении с использованием горизонтальных аэродинамических поверхностей;
Ветряная линза
Ветряная линза (Япония, университет Кюсю) — направленное внутрь изогнутое кольцо, располагающееся по периметру окружности, описываемой лопастями турбины при вращении. Увеличивает мощность ветряной турбины втрое при одновременном уменьшении уровня шума, имеет наибольший потенциал использования в открытом море;
Ветряные турбины с вертикальной осью
Windspire — вертикальная турбина высотой около 10 метров и шириной
около полутора метров, применима к использованию в городских
условиях (Рисунок 4).
Наиболее перспективными технологиями в ветроэнергетике станут те, что
позволят снизить зависимость их эффективности от размеров турбин,
как, например, Wind Harvester или Windspire.
Makani Airborne Wind Turbine
Altaeros Airborne Wind Turbine
Биоэнергетика |
---|
Несмотря на высокое распространение производства тепловой и электрической энергии из биомасс, технология выработки энергии из них имеет ряд проблем:
- Необходимость земельных и водных ресурсов для выращивания, конкурирует с производством пищевых продуктов;
- Вредные выбросы при сжигании (NOx, сажа, зола, CO, CO2);
- Сезонный характер роста некоторых культур;
- Проблемы масштабирования генерирующих мощностей.
Наиболее перспективные направления развития технологий в биоэнергетике:
- Совместное сжигание смесей биомассы с традиционными видами топлива (наиболее дешевая технология на данный момент — Рисунок 6);
- Использование новых видов топлива из биомасс, включая различные бытовые и промышленные отходы;
- Переоборудование существующих генерирующих мощностей на углеводородном топливе под использование биомасс;
- Повышение теплоотдачи пеллет биомассы за счет сушки;
- Интегрированная газификация биомасс с топливными ячейками.
Приливная и волновая электроэнергетика |
---|
В приливной и волновой энергетике используется кинетическая энергия воды. Основное отличие состоит в том, что в приливной энергетике используется энергия морских приливов и отливов за счет перепада в уровне воды, тогда как в волновой энергетике используются водные течения и колебания волн.
Основные барьеры на пути распространения данного вида альтернативной энергетики
- Высокие капитальные затраты на строительство (от 2,5 до 7 млн. евро за 1 МВт установленной мощности);
- Географическая привязка к береговой линии и удаленность от существующих электрических сетей;
- Негативное влияние на окружающую среду;
- Зависимость от природных явлений;
- Дороговизна и сложность техобслуживания;
- Быстрый износ генерирующего оборудования под воздействием воды.
Среди общих направлений технологических исследований в области приливной энергетики выделяются следующие:
Усовершенствование приливных плотин:
- Повышение эффективности генераторов на приливных плотинах;
- Улучшение антикоррозийных свойств материалов;
Использование приливного течения:
- Генерация электроэнергии непосредственно от течения воды во время
- приливов (а не от перепада в уровне воды между приливами и
- отливами);
- Исследования в области различных видов турбин (горизонтальных и
- вертикальных) для преобразования энергии приливного течения;
- Исследований новых, не турбинных технологий;
Модернизация фиксаторов преобразователей приливного течения:
Якорная стоянка на гравитационном фундаменте или забивных сваях, плавающие платформы, закрепленные с помощью причальных линий.
Наиболее перспективные новые технологии и разработки в области приливной энергетики:
- Использование мостов в качестве приливных электростанций, например, проект компании Bluenergy (см.рис.);
- Колеблющееся подводное крыло (применяет вместо вращающихся элементов плавники (крылья), которые приводятся в движение течением);
- Системы с использованием трубки Вентури (например, Rotech Tidal Turbine – двусторонняя турбина с горизонтальной осью, расположенная внутри симметричной конической трубки Вентури, преобразует энергию океанического течения в электроэнергию);
- Магнитогидродинамические системы (MHD) (Концептуальная технология, использующая криогенно охлажденную сверхпроводящую электромагнитную катушку, размещенную на морском дне, где проходящие приливные волны используются для выработки энергии).
В волновой энергетике большинство исследуемых технологий все еще находится на стадии разработки или экспериментальных испытаний:
- Усовершенствование технологий осциллирующих водяных колонн (OWC) (например, снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии за счет применения маховиков и силовой электроники);
- Развитие технологии уровневых уловителей (point absorber) на плавучих буях (в т.ч. применение различных способов отбора мощности (механических, гидравлических, электромагнитных));
- Усовершенствование технологий переливных турбинных генераторов типа WaveDragon (Повышение КПД и снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии).
Среди новых и уже испытуемых технологий можно выделить следующие наиболее перспективные проекты:
- Волновые аттенюаторы (например, Pelamis Wave Energy – преобразователь волновой энергии в виде змеевидных устройств, наполовину погруженных в воду — см. рис.)
- Волновые генераторы на принципе обратного маятника (Inverted Pendulum, например, bioWAVE™, в котором ряд поплавков или лопастей взаимодействует с колеблющейся морской поверхностью (потенциальной энергией) и подводными течениями (кинетической энергией), конвертируя энергию волн в электричество специальным конвертирующим модулем);
- Генераторы с жидким/газообразным рабочим телом (включая SDE Wave Power, использующий гидродинамическую энергию волн для приведения в движение пистонов в гидравлическом моторе или Archimedes Wave Swing-III ряд устройств из множества уловителей волновых колебаний на гибкой мембране, конвертирующих энергию волн в пневматическую энергию посредством сжатия воздуха в каждом устройств).
По материалам компании Branan