Экологические проблемы энергетики

Энергетика
Экологические проблемы производства энергии
Изменение климата и Киотский протокол
Проблема теплового загрязнения
Экологические проблемы тепловой энергетики
Экологические проблемы ядерной энергетики
Альтернативный источник энергии
Возобновляемые источники энергии
Ветроэнергетика
Геотермальная энергетика
Энергия приливов и отливов морей и океанов
Гидроэлектростанции (ГЭС)
Биоэнергия
Ядерная энергетика.
Водородная энергетика
Основные способы получения энергии
Анализ процессов трансформации энергии

Энергия воды и ветра. Использование кинетической энергии воды на гидроэлектростанциях (ГЭС) в настоящее время получило наибольшее развитие из всех возобновляемых источников энергии. Уже в 1970 г на гидроэлектростан­циях было выработано 1175 млрд. кВтч электроэнергии, что составляло 23,7% общей выработки электроэнергии в мире.

Как известно, около 2% от энергии солнечного излучения, достигающей поверхности Земли, пре­вращается в энергию ветра, часть из которой может быть использована в качестве ещё одного возобновляемого источника энергии.

Энергия воздушного потока пропорциональна кубу скорости его движения, однако лишь часть этой энергии может быть преобразована, например, в электрическую энергию. Теоретически возможный коэффициент использования ветровой энергии равен 59,3%. На практике из-за значительной неравномерности ветра и дополнительных потерь, связанных с несовершенством конструкций ветроагрегатов, их среднегодовой КПД не превышает 30%.

Существуют два наиболее развитых направления использования энергии ветра:

сооружение относительно небольших установок с мощностью 5-100 кВт, предназначенных, главным образом, для нужд насосного водоснабжения, и электрификации сельского хозяйства;

разработка ветроагрегатов для производства электроэнергии мощностью от 100 кВт до 5 мВт.

К возобновляемым источникам энергии относятся также энергия морских приливов и волн. Морские приливы и отливы вызываются, как известно, силами притяжения Луны и в некоторой степени Солнца. При вращении Земли вокруг своей оси дважды за сутки происходит прилив и отлив. Величина изменения уровня моря в периоды приливов и отли­вов зависят от географической широты района, глубины моря и степени изрезанности береговой линии. Эти изменения в некоторых местах, например в Канаде, достигают 18 м. В РФ в Пенжской губе Охотского моря перепад высот во время прилива и отлива составляет 13 м.

Еще один возобновляемый источник энергии cвязан с энергией морских волн. Среднегодовая мощность морских волн довольно велика, она измеряется в большинстве случаев десятками киловатт на 1 м направления, перпендикулярного движению волны.

 Геотермальная энергия. Глубинные слои земли, как известно, имеют более высокую температуру, чем поверхность планеты. В ядре Земли продолжается распад радиоактивных элементов, и его температура достигает примерно 5000°С.

Средняя температура верхнего слоя земли равна 15оС. Поэтому тепловой поток постоянно направлен от центра земли к её поверхности. Верхняя часть земной коры имеет температурный градиент, равный 20-30°С в расчёте на 1 км глубины. Общая мощность теплового потока земного ядра примерно в 4000 раз меньше мощности солнечной радиации. В РФ, например, геотермальная энергия используется в сельскохозяйственном производстве для обогрева теплиц. Более 30 лет вырабатывает электроэнергию Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке.

Солнечная энергия. Следует различать три существующих пути в технике использования солнечной энергии:

преобразование солнечной энергии в электрическую;

получение тепловой энергии;

производство биомассы, концентрирование солнечной энергии автотрофными организмами и последующее использование их химической энергии.

Работы по трансформации солнечной энергии в электрическую ведутся по двум направлениям:

создание солнечных электростанций (СЭС), в которых теплоэлектропаровой котел, характерный для ТЭС, заменён на солнечный паровой котёл;

разработка полупроводниковых фотоэлектропреобразова-телей – фотоэлементов, способных превращать солнечную энергию непосредственно в электрическую.

Несмотря на серьёзные трудности, связанные с необходимостью предварительного концентрирования солнечной энергии и создания системы аккумулирования энергии, во всём мире интенсивно разрабатываются проекты СЭС различной мощности.

Другим способом использования энергии солнечного излучения для производства электроэнергии является фотоэлектрическое преобразование. Солнечные элементы, представляющие собой тонкие пластины из кристаллического кремния или тонкие плёнки из сульфида кадмия, способны вырабатывать электрический ток непосредственно при падении на них солнечных лучей.

Перспективный метод преобразования солнечной энергии состоит в использование листа стекла или пластмассы, покрытого люминесцирующими красителями, которые поглощают солнечный свет в узких спектральных диапазонах, а затем испускают фотоны разных энергий во многих направлениях (рис. 15.5). Свет, отражаемый от границ, оказывается «захваченным» внутри листа, поскольку красители уже не могут поглощать его, и он в конце концов попадает к краю листа, где расположен солнечный элемент. Для такой системы не нужно устройство слежения за Солнцем, поскольку красители поглощают свет, падающий под любым углом. Теоретическое значение КПД здесь превышает 50%.

 


Рис 15.5. Накопитель солнечного излучения,

в котором используется люминесцентные красители, поглощающие узкие спектральные полосы солнечного света, а затем испускающие фотоны с различными длинами волн.

Фотоэлектрическое преобразование имеет ряд серьёзных преимуществ по сравнению с получением электрической энергии в парогенераторах: солнечные элементы не имеют движущихся частей, продолжительность их работы может (в принципе) достигать 100 и более лет; уход за ними не требует от обслуживающего персонала высокой квалификации; они эффективно используют как прямое, так и рассеянное излучение; систему можно легко составлять из различных модулей, и она пригодна для создания установок практически любой мощности.

В последнее время наблюдается расширение исследований и разработок дешёвых плоскопанельных, а также тонкоплёночных солнечных батарей, систем концентраторов и многих новых идей. Следует ожидать, что в ближайшем будущем стоимость отдельного солнечного элемента и комплектуемых на его основе больших солнечных батарей снизится настолько, что окажется экономически выгодным использование солнечной энергии в больших масштабах. Кроме того, использование солнечной энергии экологически наиболее оправдано: нет вредных выбросов и нет нарушения баланса энергии, так как сколько энергии попадает на её приёмник (например, панель солнечной батареи), ровно столько энергии будет выделено, в конце концов, в пространство Земли, т.е. не имеет значения, поглощается ли энергия поверхностью Земли напрямую или после её использования. 

В настоящее время мощность фотоэлектрических преобразователей ограничивается мощностью в несколько киловатт. Однако, область их применения быстро расширяется. В отдалённых районах промышленно развитых стран, а также в сельских районах развивающихся стран они широко применяются в качестве источника электропитания. Типичными примерами являются работающие на солнечной энергии космические аппараты и станции, сиг­нальные световые устройства вокруг аэропорта в Медине (Саудовская Аравия), маяк в Индонезии, а также солнечные панели для зарядки батарей, солнечные водяные насосы, устройства дальней связи, бытовые электроприборы, (холодиль­ники, освещение, средства малой вычислительной техники и т.д.).

Первая солнечная газотурбинная установка (СГТУ) для Международной космической станции разработана РКК «Энергия» совместно с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша. КПД установки может достигать 30% и выше (рис. 15.6). Основные характеристики солнечной газотурбинной установки приведены в табл. 15.1.

Рис. 15.6. Принципиальная схема солнечной газотурбинной установки

Таблица 15.1

Основные характеристики солнечной газотурбинной установки

 

Характеристики

Значение

Среднесуточная мощность, кВт

10

 

Выходное напряжение, В

120

 

Диаметр зеркала, м

9,5

 

Теплоаккумулирующее вещество

80% LiF + 20% CaF2

 

Рабочее тело газотурбинного преобразователя

32% He + 68% Xe

 

Температура газа, оС

на входе в солнечный приёмник-аккумулятор и

на выходе из солнечного приёмника-аккумулятора

538

750

 

КПД солнечного приёмника-аккумулятора, %

> 85

 

КПД преобразования тепловой энергии в электрическую, %

30

 

Масса, т

5,5

 

Энергетические установки, использующие солнечную энергию для получения тепла, делят на активные и пассивные.

В пассивных системах солнечного энергоснабжения теплота передаётся с помощью радиации, теплопроводности или естественной конвекции. Их отличает простота и экономичность. С развитием систем аккумулирования и их комбинированного применения с источниками тепла на природном топливе использование пассивных солнечных преобразователей энергии приобрело и определённую надёжность как средство отопления помещений.

К активным системам преобразования солнечной энергии в тепловую относят системы с принудительной циркуляцией теплоносителя, контак­тирующего с поверхностью, нагреваемой при попадании на неё солнечного излучения. Аппараты, в которых происходят процессы активного теп­лообмена, называют коллекторами. В настоящее время коллекторы под­разделяют на две большие категории: солнечные коллекторы без кон­центраторов (плоские коллекторы) и солнечные коллекторы с концен­траторами. При использовании коллекторов с концен­траторами солнечной энергии может быть достигнута значительно более высокая температура теплоносителя. Так, напри­мер, во Франции, (в Пиренеях), построена солнечная печь для получения особо чистых металлов. Использование концентраторов в этом случае позволило получить температуру свыше 3000°С.

Коллекторы без концентраторов дешевле и широко используются в качестве отопительных установок, опреснителей воды, бытовых водонагревателей, сушки сельскохозяйственных продуктов, устройств для приготовления пищи.

Ещё одно из важнейших направлений использования солнечной энергии связано с живыми (в первую очередь растительными) организмами. Автотрофные организмы ежегодно ассимилируют в результа­те процесса фотосинтеза около 200 млрд. т углерода, превращая его в органические соединения. Общее энергосодержание образующейся при этом биомассы оценивается в 31021 Дж. Эта величина примерно в 10 раз превышает ежегодное мировое потребление энергии и в 200 раз больше энергосодержания ежегодно потребляемой человечеством пищи. Эффективность фотосинтеза с точки зрения трансформации солнечной энергии крайне низкая, в среднем 0,1% от теоретической (равной 15%). Однако имеются растения, которые используют 1 и даже 3% солнечной энергии (некоторые растения на севере). Так что имеются громадные возможности для селекционеров (Это ведь резерв пищи!). Общее количество энергии солнечного излучения, получае­мое поверхностью Земли за год, более чем в 20000 раз превышает современный уровень мирового производства энергии.

Особенностью вышеприведенных реакций является значительное влияние кислорода на скорость ее протекания. При изменении концентрации О2 от 0,1 до 1,0 % скорость восстановления резко увеличивается на различных катализаторах (рис.2).

Основные области применения методов СКВ - это очистка отходящих газов от NОХ в производстве азотной кислоты и дымовых газов при сжигании топлива.

Эти факторы значительно сокращают срок службы катализатора, снижают степень очистки от NOX.

Смешение аммиака с потоком очищаемого газа оказывает значительное влияние на эффективность процесса очистки. Обращает на себя внимание использование распределенного ввода аммиака.

Можно выделить два вида катализаторов: формованные и пластинчатые.

По данным немецких специалистов, средние капитальные затраты на установку СКВ для угольной ТЭС составляют от 5 до 6 млн.

Метод СКВ является в настоящее время наиболее распространенным способом удаления NOX из дымовых газов в Японии и Германии.

Экологические проблемы энергетики