Традиционные способы получения электрической и тепловой энергии: Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?

Содержание

Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 28 Апреля 2015 в 23:31, реферат

Описание работы

Тепловая электрическая станция (ТЭС) – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. В Республике Беларуси более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС.
По назначению тепловые электростанции делятся на два типа:
1. конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии;
2. теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии.
На рисунке 1 представлена схема тепловой электростанции.

Содержание работы

Тепловые электростанции 3
Гидроэлектростанции 5
Атомные электростанции 6
Список литературы: 8

Файлы: 1 файл

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт бизнеса и менеджмента технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии

 

 

 

 

 

 

студентки 2 курса

группа 211

Маер С. Е.

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

 

Оглавление

 

 

 

К традиционным источникам электроэнергии относятся: тепловая, атомная и энергия потока воды.

Тепловые электростанции

Тепловая электрическая станция (ТЭС) – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. В Республике Беларуси более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС.

По назначению тепловые электростанции делятся на два типа:

  1. конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии;
  2. теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии.

На рисунке 1 представлена схема тепловой электростанции.

Рисунок 1.

Как видно из схемы, основное оборудование ТЭС – котел-парогенератор, турбина, генератор, конденсатор пара и циркуляционный насос.

В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине Т водяной пар превращается в механическую энергию вращения – турбина со скоростью 3000 оборотов в минуту (50 Герц) вращает электрогенератор Г, который превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины или котла. На рисунке, кроме основного оборудования ТЭС, показаны конденсатор пара К, где отработанный пар охлаждается внешней водой и конденсируется (при этом от пара отводится некоторое количество теплоты и выбрасывается в окружающую среду) и циркуляционный насос Н, который подает конденсат снова в котел. Таким образом, цикл замыкается. Схема ТЭЦ отличается тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.

Процесс производства электроэнергии ТЭС можно разделить на три цикла:

В качестве топлива чаще всего используются уголь, сланцы, природный газ и мазут.

Однако использование газа и особенно мазута в перспективе должно сокращаться, так как это слишком ценные вещества, чтобы их использовать в качестве котельного топлива.

Тепловые электростанции Беларуси:

Лукомльская ГРЭС — расположена в городе Новолукомль, установленная мощность станции – 2459,5 МВТ, что составляет более 30% от установленной мощности всей энергосистемы Беларуси;

Минская ТЭЦ-3 – расположена в юго-восточной части Минска, установленная электрическая  мощность составляет 542 МВт;

Минская ТЭЦ-5 – располагается в поселке Дружный (Минская область), установленная электрическая мощность – 330 МВт;

Мозырьская ТЭЦ – расположена в 17 км от города Мозыря, установленная электрическая мощность составляет 195 МВт;

Светлогорская ТЭЦ – расположена в городе Светлогорске, установленная мощность – 155 МВт. 


Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции (ГЭС) представляет комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоемов преобразуется в электрическую энергию.

Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:

    • создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;
    • превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;
    • превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.

Несмотря на снижение доли ГЭС в общей выработке, абсолютные значения производства электроэнергии и мощности ГЭС непрерывно растут вследствие строительства новых крупных электростанций. В 1969 в мире насчитывалось свыше 50 действующих и строящихся ГЭС единичной мощностью 1000 МВт и выше, причем 16 из них – на территории бывшего Советского Союза.

Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами – их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии.

На данный момент крупнейшей в Беларуси гидроэлектростанцией является Гродненская ГЭС, введенная в эксплуатацию в сентябре 2012 года и расположенная недалеко от Гродно на реке Неман. Ее мощность составляет 17 МВт. Второй по величине ГЭС в Беларуси является Солигорская гидроэлектростанция, ее мощность составляет 150 кВт. 


Атомные электростанции

Атомные электростанция (АЭС) – электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генераторами энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию.

В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт/ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн кВт/ч электроэнергии.

Первичной энергией на АЭС является внутренняя ядерная энергия, которая при делении ядра выделяется в виде колоссальной кинетической энергии, которая, в свою очередь, превращается в тепловую. Установка, где идут эти превращения, называется реактором.

Через активную зону реактора проходит вещество теплоноситель, которое служит для отвода тепла (вода, инертные газы и т.д.). Теплоноситель уносит тепло в парогенератор, отдавая его воде. Образующийся водяной пар поступает в турбину. Регулирование мощности реактора производится с помощью специальных стержней.

Они вводятся в активную зону и изменяют поток нейтронов, а значит, и интенсивность ядерной реакции.

Принципиальная схема атомной электростанции

1 — реактор; 2 — парогенератор; 3- турбина;

4 — генератор; 5 — трансформатор; б — электролинии

Для предохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружают биологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода, песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью герметичным. Предусматривается система контроля мест возможной утечки теплоносителя, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контура не приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружающей местности.

АЭС, являющиеся наиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования они абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде, новые энергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней ГЭС.

Однако коэффициент использование установленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.

На данный момент в Беларуси ведется строительство новой атомной электростанции, которая будет расположена в 17 км от городского поселка Островец (Гродненская область). Согласно планам первый блок АЭС должен быть введен в 2017 году, второй – не позднее 2018 года. Предполагаемая мощность АЭС составляет 2,4 тыс. МВт.

 

Список литературы:

1 Курс лекций «Основы Энергосбережения» 4-е издание, стереотипное. Минск 2006 удк 620. http://rudocs.exdat.com/docs/

index-410435.html?page=7

2. Основы энергосбережения: Учебное пособие/ Б.И. Врублевский, С.Н. Лебедева, А.Б. Невзорова и др. – Гомель, 2002 . – 190 с.

3. Современные способы получения электрической энергии. http://referat.yabotanik.ru/

tehnologiya/sovremennye-sposoby-polucheniya-jelektricheskoj-jenergii/244534/229859/page3. html

 

 

 


Информация о работе Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии

Тепловая энергия, потребление, использование теплоэнергии

  1. Как используется теплоэнергия

Тепловая энергия – одна из форм энергии, которая образуется в результате движения частиц, составляющих предмет.

Сегодня в мире используются различные способы получения тепловой энергии:

  • Сжигание органических расходных материалов
  • Использование тепла грунта
  • Использование солнечной теплоэнергии
  • Получение тепла в результате естественных химических реакций
  • Использование биореакторов

В случае со сжиганием органических материалов, тепловая энергии – один из продуктов процесса горения. Теплоэнергия, полученная таким образом, может преобразовываться в электроэнергию на специальных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и теплоэлектростанциях (ТЭС). Чаще всего в качестве расходного материала используется уголь или газ. Также могут использоваться в данных целях различные биомассы. Нефть практически не используется для получения тепловой энергии и преобразования её в электрическую. Традиционные способы получения теплоэнергии хоть и являются наиболее распространёнными, всё же активно критикуются в современном обществе. В основе критики находятся постулаты о необходимости бережного отношения к природе и недопустимости иссякания природных ресурсов.

Использование тепла непосредственно Земли – достаточно экологичный способ добычи теплоэнергии. Геотермальные источники бывают двух типов:

  • Естественные
  • Искусственные

В процессе получения теплоэнергии используются паровые турбины и иные тепловые машины.

Получение тепла от солнечных лучей не стало популярным в глобальных масштабах. Тем не менее, работы в данном направлении продолжают вестись, и инженеры активно сотрудничают с архитекторами и экологами при создании энергопроизводящих домов и иных сооружений.

Получение тепла в результате естественных химических реакций (гниение, брожение и пр.), а также получение тепловой энергии с помощью биореакторов тоже пока не получили значительной популярности в мире. Количество теплоты, получаемой в результате такого производства, крайне мало в сравнении с другими способами получения теплоэнергии.

Источником тепловой энергии является специальная энергоустановка. Для увеличения тепловой энергии может различным образом использоваться сила трения.

«Жизненный цикл» тепловой энергии выглядит следующим образом:

  1. производство
  2. передача
  3. потребление

В случае, если тепловая энергия не перерабатывается в электрическую, она используется для следующих нужд:

  • Отопление жилых и нежилых помещений
  • Горячее водоснабжение

Единицей измерения теплоэнергии является гигакалория (Гкал).

Для расчёта тепловой энергии, используемой для нужд отопления, используется следующая формула:

Q = V * ( T1 – T2 ) / 1000

Q – количество теплоэнергии

V – количество использованной горячей воды (в кубах)

Т1 – температура горячей воды

Т2 – температура холодной воды

В Беларуси основным способом получения теплоэнергии является сжигание природных ископаемых, там не менее, ведутся активные работы по экологизации данной отрасли энергетики. Что касается использования геотермальных ресурсов, то потенциал Беларуси в данной области достаточно низок – термальные воды расположены глубоко, из температура недостаточно высока, зато высок уровень минерализации. Использование солнечных батарей в промышленных масштабах не представляется эффективной методикой из-за особенностей климата Беларуси и относительно небольшого количества солнечных дней в году.

Экологические проблемы энергетического обеспечения человечества

Экологические проблемы энергетического обеспечения человечества

Введение. Энергия – проблемы роста потребления

    Энергетический кризис – явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Его причины могут находиться в области логистики, политики или физического дефицита.

    Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продол­жительности и улучшения условий его жизни.
    История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.
    Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, – оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.
    В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.
    В то же время энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).
    Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.
    Считается, что одной из главных причин этого изменения является энергетика. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ.
    Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии, в том числе России. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера-океан. Корректный анализ проблемы возможен лишь с учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления.

Современные тенденции развития энергетики


 Рис. 5.37. Мировое потребление коммерческой энергии Е и численность населения Р во второй половине XX столетия
    Общепринятая классификация подразделяет источники первичной энергии на коммерческие и некоммерческие.
    Коммерческие источники
энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и первичное электричество (электроэнергия, произведенная на ядерных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых станциях).
    К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека).
    Мировая энергетика в целом на протяжении всей индустриальной фазы развития общества основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (около 90% общего потребления энергии). Хотя следует отметить, что существует целая группа стран (экваториальная зона Африки, Юго-Восточная Азия), многочисленное население которых поддерживает свое существование почти исключительно за счет некоммерческих источников энергии.
    Различного рода прогнозы потребления энергии, базирующиеся на данных за последние 50-60 лет предполагают, что примерно до 2025 г. ожидается сохранение современного умеренного темпа роста мирового потребления энергии – около 1.5% в год и проявившая себя в последние 20 лет стабилизация мирового душевого потребления на уровне 2.3-2.4 т усл.топл./(чел.-год). После 2030 г. по прогнозу начнется медленное снижение среднемирового уровня душевого потребления энергии к 2100 г. При этом общее потребление энергии обнаруживает явную тенденцию к стабилизации после 2050 г. и даже слабого уменьшения к концу века.
    Одним из важнейших факторов, учитывавшихся при разработке прогноза, является обеспеченность ресурсами мировой энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого органического топлива.
    В рамках рассматриваемого прогноза, безусловно, относящегося к категории умеренных по абсолютным цифрам потребления энергии, исчерпание разведанных извлекаемых запасов нефти и газа наступит не ранее 2050 г., а с учетом дополнительных извлекаемых ресурсов – после 2100 г. Если принять во внимание, что разведанные извлекаемые запасы угля значительно превосходят запасы нефти и газа, вместе взятые, то можно утверждать, что развитие мировой энергетики по данному сценарию обеспечено в ресурсном отношении более чем на столетие.
    Вместе с тем, результаты прогнозов дают значительный разброс, что хорошо видно из подборки некоторых опубликованных данных прогнозов на 2000 г.

Таблица 5.7. Некоторые недавние прогнозы энергопотребления на 2000 г.
(в скобках – год публикации) и его действительное значение.

Прогностический центр Потребление первичной энергии,
Гт усл.топл./год
Институт атомной энергии (1987) 21.2
Международный институт прикладного системного анализа (IIASA) (1981) 20.0
Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) (1981) 18.7
Окриджская национальная лаборатория (ORNL) (1985) 18.3
Международная комиссия по изменению климата (IPCC) (1992) 15. 9
Лаборатория глобальных проблем энергетики ИБРАЭ РАН–МЭИ (1990) 14.5
Действительное энергопотребление 14.3

    Уменьшение энергопотребления по отношению к прогнозируемому связаны, прежде всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии.
    Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, стабилизация запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире.

Табл.5.8. Стоимость электроэнергии от различных источников в США в 2000 г. (долл. /кВт.ч).
Источник электроэнергии Стоимость
АЭС 0.14–0.15
ТЭС (уголь) 0.07–0.09
ГЭС (большие) 0.04
ГЭС (малые) 0.10–0.12
ТЭС (газовые) 0.04–0.06
ТЭС (биомасса) 0.07–0.10
ТЭС (геотермальные) 0.04
ВЭС (ветроустановки) 0.06–0.10
ГТЭС (гелиоустановки) 0.10–0.20

    Вместе с тем, говоря о потреблении энергии, следует отметить, что в постиндустриальном обществе должна быть решена еще одна основополагающая задача – стабилизация численности населения.
   
Современное общество, не решившее эту проблему или, по крайней мере, не предпринимающее усилий для ее решения, не может считаться ни развитым, ни цивилизованным, поскольку совершенно очевидно, что бесконтрольный рост населения ставит непосредственную угрозу существования человека как биологического вида.
    Итак, потребление энергии на душу населения в мире обнаруживает явную тенденцию к стабилизации. Следует отметить, что этот процесс начался еще около 25 лет тому назад, т.е. задолго до нынешних спекуляций на глобальном изменении климата. Такое явление в мирное время наблюдается впервые с начала индустриальной эпохи и связано с массовым переходом стран мира в новую, постиндустриальную стадию развития, в которой потребление энергии на душу населения остается постоянным. Указанный факт имеет весьма важное значение, поскольку в результате и величина общего потребления энергии в мире растет гораздо более медленными темпами. Можно утверждать, что серьезное замедление темпов роста энергопотребления оказалось полной неожиданностью для многих прогнозистов.

Кризис топливных ресурсов

    В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: «Энергетический кризис!», «Надолго ли хватит органического топлива?», «Конец нефтяного века!», «Энергетический хаос». Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации – печать, радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и развивать новые способы её преобразования.
    Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет.
    Человек всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Но, как показывает историческое развитие, обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям ещё более быстрыми шагами.
    Тем не менее, пока проблема истощения энергетических ресурсов остается. Ресурсы, которыми обладает Земля, делятся на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов, леса. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов различаются более чем в 50 раз. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недрах Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. Оценка запасов и потребления основных из них приведена в табл.5.44. В таблице приведены потенциальные ресурсы. Поэтому при существующих сегодня методах добычи из них можно извлечь только около половины. Другая половина остается в недрах. Именно поэтому, часто утверждают, что запасов хватит на 120-160 лет. Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа, которого (по имеющимся оценкам) может хватить всего на 40-60 лет.
    С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка – дело весьма трудоемкое. Так в России, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление – в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.
    В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде было одно – внедрение атомной энергетики. Запасы уранового сырья тоже ограничены. Однако если говорить о современных тепловых реакторах усовершенствованного типа, то для них, вследствие достаточно большой их эффективности, можно считать запасы урана практически безграничными.
    Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет, а в резерве ещё ядерное?
    Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. в недрах земли ещё много, но их добыча Нефти, газа стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива.
    Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а, скорее из-за экономии и сохранения на будущее нефти и газа, а также из-за возможности уменьшения экологической нагрузки на биосферу.
    Существует распространенное мнение, что стоимость электроэнергии АЭС значительно ниже стоимости энергии, вырабатываемой на угольных, а в перспективе – и газовых электростанциях. Но если подробно рассмотреть весь цикл атомной энергетики (от добычи сырья до утилизации РАО, включая расходы на строительство самой АЭС), то эксплуатация АЭС и обеспечение ее безопасной работы оказываются дороже, чем строительство и работа станции такой же мощности на традиционных источниках энергии (табл.5.8 на примере экономики США).
    Поэтому в последнее время все больший акцент делается на энергосберегающих технологиях и возобновляемых источниках – таких как солнце, ветер, водная стихия. Например, в Европейском союзе поставлена цель к 2010-2012 гг. получать 22% электроэнергии с помощью новых источников. В Германии, например, уже в 2001 г. энергия, производимая от возобновимых источников, была равносильна работе 8 атомных реакторов, или 3.5% всей электроэнергии.
    Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Однако, оказывается и здесь все не так просто. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость.
    Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения таких источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий пока минимум в два-четыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в недалеком будущем. По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
    Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее экологичным источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более удобный источник энергии.
    На рис.5.38 приведен график роста мощности АЭС в мире и производства электроэнергии за 1971-2006 гг., и прогнозы развития на 2020-30 гг. Помимо упомянутых выше, несколько развивающихся стран, таких, как Индонезия, Египет, Иордания и Вьетнам, заявили о возможности создания АЭС и сделали первые шаги в этом направлении.


Рис.5.38. (наверху) Рост мощности АЭС и производства электроэнергии за 1971-2006 гг. по данным МАГАТЭ и прогнозы мощности АЭС в Мире на 2020-2030 гг. (внизу)

Экологический кризис энергетики

    Основные формы влияния энергетики на окружающую среду состоят в следующем.

  1. Основной объем энергии человечество пока получает за счет использования невозобновимых ресурсов.
  2. Загрязнение атмосферы: тепловой эффект, выделение в атмосферу газов и пыли.
  3. 3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов, выбросы загрязняющих веществ.
  4. Загрязнение литосферы при транспортировке энергоносителей и захоронении отходов, при производстве энергии.
  5. Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами окружающей среды.
  6. Изменение гидрологического режима рек гидроэлектростанциями и как следствие загрязнение на территории водотока.
  7. Создание электромагнитных полей вокруг линий электропередач.

    Согласовать постоянный рост энергопотребления с ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива, можно, по-видимому, двумя способами

  1. Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70 годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
  2. Развитие экологически более чистых видов производства энергии. Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, особенно базирующихся на использовании возобновляемых источников. Однако пути реализации данного направления пока не очевидны. Пока возобновимые источники дают не более 20 % общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика.

Экологические проблемы традиционной энергетики

    Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). Далее обычно идут гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).

    1) Тепловые электростанции
   
В большинстве стран мира доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС больше 50%. В качестве топлива на ТЭС обычно используются уголь, мазут, газ, сланцы. Ископаемое топливо относится к невозобновимым ресурсам. Согласно многим оценкам угля на планете хватит на 100-300 лет, нефти на 40-80 лет, природного газа на 50-120 лет.
    Коэффициент полезного действия ТЭС составляет в среднем 36-39%. Наряду с топливом ТЭС потребляет значительное количество воды. Типичная ТЭС мощностью 2 млн. кВт ежесуточно потребляет 18 000 т угля, 2500 т мазута, 150 000 м3 воды. На охлаждение отработанного пара на ТЭС используются ежесуточно 7 млн. м3 воды, что приводит к тепловому загрязнению водоема-охладителя.
    Для ТЭС характерно высокое радиационное и токсичное загрязнение окружающей среды. Это обусловлено тем, что обычный уголь, его зола содержат микропримеси урана и ряда токсичных элементов в значительно больших концентрациях, чем земная кора.
    При строительстве крупных ТЭС или их комплексов загрязнение еще более значительно. При этом могут возникать новые эффекты, например, обусловленные превышением скорости сжигания кислорода над скоростью его образования за счет фотосинтеза земных растений на данной территории, или вызванные увеличением концентрации углекислого газа в приземном слое.
    Из ископаемых источников топлива наиболее перспективным является уголь (его запасы огромны по сравнению с запасами нефти и газа). Основные мировые запасы угля сосредоточены в России, Китае и США. При этом основное количество энергии в настоящее время вырабатывается на ТЭС за счет использования нефтепродуктов. Таким образом, структура запасов ископаемого топлива не соответствует структуре его современного потребления при производстве энергии. В перспективе – переход на новую структуру потребления ископаемого топлива (угля) вызовет значительные экологические проблемы, материальные затраты и изменения во всей промышленности. Ряд стран уже начал структурную перестройку энергетики.


Рис.5.39. Дивногорская ГЭС.

    2) Гидроэлектростанции
   
Основные достоинства ГЭС – низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии, быстрая окупаемость (себестоимость примерно в 4 раза ниже, а окупаемость в 3-4 раза быстрее, чем на ТЭС), высокая маневренность, что очень важно в периоды пиковых нагрузок, возможность аккумуляции энергии.
    Но даже при полном использовании потенциала всех рек Земли можно обеспечить не более четверти современных потребностей человечества. В России используется менее 20 % гидроэнергетического потенциала. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов в 2-3 раза выше, т.е. здесь у России есть определенные резервы. Однако сооружение ГЭС (особенно на равнинных реках) приводит ко многим экологическим проблемам. Водохранилища, необходимые для обеспечения равномерной работы ГЭС, вызывают изменения климата на прилегающих территориях на расстояниях до сотен километров, являются естественными накопителями загрязнений.
    В водохранилищах развиваются сине-зеленые водоросли, ускоряются процессы эфтрофикации, что приводит к ухудшению качества воды, нарушает функционирование экосистем. При строительстве водохранилищ нарушаются естественные нерестилища, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод.
    Более перспективным является сооружение ГЭС на горных реках. Это обусловлено более высоким гидроэнергетическим потенциалом горных рек по сравнению с равнинными реками. При сооружении водохранилищ в горных районах не изымаются из землепользования большие площади плодородных земель.


Рис.5.40. Балаковская АЭС.

    3) Атомные электростанции
   
АЭС не вырабатывают углекислого газа, объем других загрязнений атмосферы по сравнению с ТЭС также мал. Количество радиоактивных веществ, образующихся в период эксплуатации АЭС, сравнительно невелико. В течение длительного времени АЭС представлялись как наиболее экологически чистый вид электростанций и как перспективная замена ТЭС, оказывающих влияние на глобальное потепление. Однако процесс безопасной эксплуатации АЭС еще не решен. С другой стороны, замена основной массы ТЭС на АЭС для устранения их вклада в загрязнение атмосферы в масштабе планеты не осуществима из-за огромных экономических затрат.
    Чернобыльская катастрофа привела к коренному изменению отношения населения к АЭС в регионах размещения станций или возможного их строительства. Поэтому перспектива развития атомной энергетики в ближайшие годы неясна. Среди основных проблем использования АЭС можно выделить следующие.
    1. Безопасность реакторов. Все современные типы реакторов ставят человечество под угрозу риска глобальной аварии, подобной Чернобыльской. Такая авария может произойти по вине конструкторов, из-за ошибки оператора или в результате террористического акта. Принцип внутренней самозащищенности активной зоны реактора в случае развития аварии по худшему сценарию с расплавлением активной зоны должен быть непреложным требованием при проектировании реакторов. Ядерная технология сложна. Потребовались годы анализа и накопленного опыта, чтобы просто осознать возможность возникновения некоторых типов аварий.
    Неопределенности в отношении безопасности никогда не будут полностью разрешены заранее. Большое их количество будет обнаружено только во время эксплуатации новых реакторов.
    3. Снижение эмиссии диоксида углерода. Считается, что вытеснение тепловых электростанций атомными поможет решить проблему снижения выбросов диоксида углерода, одного из главных парниковых газов, способствующих потеплению климата на планете. Однако, на самом деле, электростанции с комбинированным циклом на природном газе не только намного экономичнее, чем АЭС, но и при одних и тех же затратах достигается значительно большее снижение выбросов диоксида углерода, чем при использовании атомной энергии с учетом всего топливного цикла (потребление энергии при добыче и обогащении урана, изготовлении ядерного топлива и других затрат на «входе» и «выходе»).
    4. Снятие с эксплуатации реакторов на АЭС. К 2010 г. половина из работающих в мире АЭС имела возраст 25 лет и более. После этого предполагается процедура снятия с эксплуатации реакторов. По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), более 130 промышленных ядерных установок уже выведены из эксплуатации, либо ожидают этой процедуры. И во всех случаях возникает проблема утилизации радиоактивных отходов, которые надо надежно изолировать и хранить длительный срок в специальных хранилищах. Многие эксперты считают, что эти расходы могут сравняться с расходами на строительство АЭС.
    5. Опасность использования АЭС для распространения ядерного оружия. Каждый реактор производит ежегодно плутоний в количестве, достаточном для создания нескольких атомных бомб. В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), которое регулярно выгружается из реакторов, содержится не только плутоний, но и целый набор опасных радиационных элементов. Поэтому МАГАТЭ старается держать под контролем весь цикл обращения с отработавшим ядерным топливом во всех странах, где работают АЭС.
    Примитивную атомную бомбу можно сделать из отработавшего ядерного топлива любой АЭС. Если для создания бомбы необходимы сложное производство, специальное оборудование и подготовленные специалисты, то для создания так называемых грязных ядерных взрывных устройств – все намного проще, и здесь опасность очень велика. При использовании такой «самоделки» ядерного взрыва, конечно, не будет, но будет сильное радиоактивное заражение. Такие устройства террористы и экстремисты могут изготовить самостоятельно, приобретя на ядерном черном рынке необходимые расщепляющие материалы. Такой рынок, как это ни прискорбно, существует, и атомная промышленность является потенциальным поставщиком таких материалов.

Эколого-экономическая характеристика основных возобновимых и альтернативных источников энергии

    Считается, что возобновимые источники энергии (ветровые, солнечные, геотермальные, волновые и др.), модульные станции на природном газе с использованием топливных элементов, утилизация сбросного тепла и отработанного пара, как и многое другое,– реальные пути защиты от изменения климата без создания новых угроз для ныне живущих и будущих поколений. Рассмотрим эти вопросы более подробно.

    1) Прямое использование солнечной энергии
   
Мощность солнечной радиации, поглощенной атмосферой и земной поверхностью, составляют 105 ТВт (1017 Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Поэтому ее считают наиболее перспективным видом нетрадиционной (альтернативной) энергетики.
    К основным методам преобразования солнечной энергии относятся, прежде всего, методы прямого использования солнечной энергии – фотоэлектрическое преобразование и термодинамический цикл, а также биоконверсия.
    Фотоэлектрический метод
преобразования солнечной энергии основан на особенностях взаимодействия полупроводниковых материалов со световым излучением. В фотоэлектрическом преобразователе свободные носители образуются в результате поглощения светового кванта полупроводником, разделение зарядов производится под действием электрического поля, возникающего внутри полупроводника. Теоретически КПД преобразователя может достигать 28%.
    Низкая плотность солнечного излучения является одним из препятствий его широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фотоэлектрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – тех­нологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности, необходимость разработки сложных методов очистки батарей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей.
    Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических преобразователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределительных электрических сетей. Например, система такого типа обеспечивает электроэнергией жителей Кокосового острова, расположенного в Торресовом проливе.


Рис.5.41. Схема термодинамического преобразователя солнечной энергии: а – схема с теплообменником, б – схема без теплообменника.

   Энергию получают из солнечной энергии методом термодинамического преобразования практически так же как из других источников. Однако такие особенности солнечного излучения как низкая мощность, суточная и сезонная изменчивость, зависимость от погодных условий, накладывают определенные ограничения на конструкцию термодинамических преобразователей.
    Обычный термодинамический преобразователь солнечной энергии содержит (рис.5.41) систему улавливания солнечной радиации, которая предназначена частично скомпенсировать низкую плотность солнечного излучения; приемную систему, которая преобразует солнечную энергию в энергию теплоносителя; систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к теплообменнику; тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение зависимости от суточной изменчивости и погодных условий; теплообменники, образующие нагревательный и охладительный источники тепловой машины.
    Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 5500С) используются гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 5500С) осуществляется с помощью обратимых экзо-эндотермических реакций.
    В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.
    На гелиостанции башенного типа энергия от каждого гелиостата передается оптическим способом. Управление гелиостатами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составляет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в установках башенного типа оказывается очень дорогой. Поэтому такие установки не получили широкого распространения. В Мексике, США, работают установки такого типа мощностью 10 Мвт.
    Станции с распределенными приемниками солнечной энергии оказались более перспективными. Концентраторы параболического типа, вращающиеся вокруг оси, передают энергию трубчатым приемникам, находящимся на фокальной линии. В качестве теплоносителя обычно используется масло. Нерешенной проблемой в гелиостанциях является вопрос о длительном хранении электроэнергии. Правда следует отметить, что этот вопрос не решен не только в солнечной энергетике, но и вообще в энергетике.


Рис. 5.42. Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей по регионам мира за 2000-2009 гг.

   Более широкому внедрению солнечной энергетики пока препятствует более высокая стоимость производства на солнечных электростанциях по сравнению с традиционными источниками энергии. Солнечная энергетика имеет особенности, которые существенно затрудняют ее широкое использование. Это, прежде всего низкая плотность потока энергии и ее непостоянство, т.к. интенсивность солнечного излучения зависит от времени года, суток и метеоусловий. Тем не менее, в настоящее время, наблюдается тенденция значительного роста, как вводимых мощностей, так и инвестиций в данную отрасль по всему миру. В 2008-2009 гг. новые инвестиции превысили половину всех инвестиций в общее производство энергии. В 2010 г. впервые прирост мощностей, основанных на возобновляемых источниках энергии, превысил ввод в действие мощностей традиционных. По показателям имеющихся мощностей и инвестиций по многим параметрам лидируют Китай, США, Германия, Индия и Бразилия. На фоне этого российская цель – 1.5 % к 2010 г. и 4.5 % ВИЭ в производстве электроэнергии к 2020 г. – выглядит очень скромно.
    Кроме того, использование энергии солнца предполагает обязательное наличие накопителей электроэнергии достаточной емкости. Как правило, это обычные аккумуляторы. Поэтому, если рассматривать солнечную энергетику полного цикла (с учетом производства датчиков-преобразователей солнечной энергии и, особенно, аккумуляторных батарей), то суммарное влияние такой энергетики на загрязнение окружающего пространства оказывается не таким уж и незначительным.

    2) Биоконверсия солнечной энергии
    Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы.
    Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. Прежде всего – это возобновимый источник энергии. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза.
    Энергию биомассы можно получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения этилового спирта (например, сахарный тростник). В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.


Рис.5.43. Водорослевая плантация в тепличном комплексе.

    Широко распространенный способ получения энергии из биомассы заключается в получении биогаза путем анаэробного перебраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биометаногенез был открыт еще в 1776 году Вольтой, который обнаружил содержание метана в болотном газе. Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теплоэнергетики. Для производства биогаза используются органические отходы сельского хозяйства и промышленности. Это направление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских районов. Например, из 300 т сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 т нефтяного эквивалента.
    Биомассу для последующего получения биогаза, можно выращивать в водной среде, культивируя водоросли и микроводоросли. Во многих научных лабораториях, например в Лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ им. М. В. Ломоносова, сейчас занимаются разработкой технологий выращивания микроводорослей для биоконверсии солнечной энергии.

    3) Волновая энергетика
    Волновая электростанция
– установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.
    В последнее время пристальное внимание ученых и конструкторов привлекает использование различных видов энергии Мирового океана. Построены первые приливные электростанции. Разрабатываются методы использования тепловой энергии океана, связанной, например, со значительной разницей температур поверхностного и глубинного слоев океана, достигающей в тропических областях 20°С и более. В настоящее время накоплен значительный объем инструментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет районы с наиболее интенсивным и постоянным волнением.


Рис.5.44. Конвертеры волновой энергии первой в мире волновой электростанции Pelamis P-750 (Португалия).

   Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега (рис.5.44). Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 г. заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции. Стоимость контракта составила 8 млн. евро. В 2009 г. волновая электростанция была введена в эксплуатацию на Оркнейских островах. В Великобритании строится волновая электростанция мощностью в 20 МВт. Строят такие электростанции и некоторые другие прибрежные государства.
    В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления. Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды. Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой. Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости.
    В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны по­добно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м. Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, распо­ложенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии.
    Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорос­ти. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт.
    Сила, с которой волны воздействуют на сооружения в береговой зоне, достигает нескольких тонн на квадратный метр. Это силовое воздействие тоже может быть использовано для преобразования волновой энергии.
    Волновая энергетика не использует ископаемое топливо, стоимость которого непрерывно растет, а запасы ограничены. Перед волновой энергетикой не стоит в острой форме проблема воздействия на окружающую среду. Однако в настоящее время производство 1 кВт электроэнергии на волновых электростанциях в 5-10 раз выше, чем на АЭС или ТЭС. Кроме того, если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к неприятным экологическим последствиям, так как волны играют важную роль в газообмене атмосферы и океана, в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения.
    Поэтому волновую энергетику следует рассматривать только как дополнительный к традиционным источник энергии, который может иметь значение только в некоторых районах мира.

    4) Приливные электростанции
    В прибрежной зоне приливные волны проявляются в периодическом подъеме и опускании уровня. В узостях приливы часто проявляются в виде мощных течений. В некоторых местах высота прилива достигает значительной величины – 12-20 м. Энергия приливных волн огромна.


Рис.5.45. Приливная электростанция «Аннапорлис» (Канада).

    Человек уже давно начал использовать энергию приливов. Так, приливные мельницы использовались в 15 веке в Англии, были широко распространены на северо-восточном побережье Канады в 17 веке.
    Для концентрации водного напора на станции плотина отделяет часть акватории. В теле плотины размещаются гидрогенераторы, водопропускные сооружения, здание станции. Величина напора зависит от колебаний уровня по обе стороны плотины. Колебания во внешнем бассейне определяются местным приливом, колебания во внутреннем бассейне определяются расходами воды при работе станции. Приливные станции относятся к низконапорным гидротехническим сооружениям, в которых водяной напор не более 15-20 м.
    Первая в мире приливная гидроэлектростанция мощностью 320 МВт была запущена в 1966 г. устье реки Ранс (Франция). Первая приливная электростанция в нашей стране, имеющая два гидроагрегата по 400 кВт каждый, была построена в Кислой губе на Баренцевом море в 1968 г. Несколько приливных станций проектируется и уже построено в заливе Фанди, который характеризуется самыми высокими приливами в мире. Опыт строительства и эксплуатации подобных станций показал, что они экономически оправданы, и издержки их эксплуатации гораздо ниже, чем при эксплуатации обычных ГЭС. Наиболее развитым в мире рынком электроэнергии, выработанной посредством волн и приливов, является Шотландия, где установлены самые большие приливные турбины.


Рис.5.46. Кислогубская ПЭС (СССР), вид с моря, 1968 год.

    Использование энергии приливов ограничивается, в основном, высокой стоимостью сооружения. Кроме того, как оказалось, приливные станции характеризуются отрицательным влиянием на окружающую среду. Сооружение плотины приведет к увеличению амплитуды прилива. Даже небольшое повышение амплитуды прилива вызовет значительное изменение распределение грунтовых вод в береговой зоне, увеличит зону затопления, нарушит циркуляцию водных масс, изменит ледовый режим в части бассейна за плотиной и т.д.
    Сооружение плотины должно вызвать и важные биологические последствия. В бассейне за плотиной работа станции будет оказывать воздействие на литораль (зона между наивысшей точкой затопления во время прилива и нижней, обнажающейся при отливе). Плотина может оказать вредное воздействие не только на местные сообщества, но и на мигрирующие виды. Например, по оценкам биологов строительство плотины в Пенжинской губе Охотского моря нанесет непоправимый вред популяции охотоморской сельди. При строительстве плотин в зоне умеренного климата возможно образование зоны сероводородного заражения, подобной тем, которые наблюдаются в заливах и бухтах, имеющих естественные пороги. Фиорды Скандинавского полуострова, имеющие естественный порог, представляют собой классический пример такого естественного сероводородного заражения.

    5) Градиент-температурная энергетика
   
Данный способ получения энергии основан на разности температур. Не слишком распространен. Посредством него можно получать достаточно большое количество энергии при небольшой ее себестоимости. Наибольшее число градиент-температурных электростанций располагается на морском побережье и для работы использует морскую воду. Почти 70% солнечной энергии поглощает мировой океан. Перепад же температур между водами на глубине в сотни метров и водами на поверхности океана – огромный источник энергии, который оценивается в 20-40 тыс. ТВт, из них можно использовать только 4 ТВт.
    Недостатки: выделение большого числа углекислоты, нагрев и снижение давления глубинных вод, и остывание поверхностных вод. Данные процессы негативно влияют на климат, флору и фауну региона.
    В настоящее время разрабатывается новая концепция таких энергетических установок, которая даёт основания ожидать от теплоэнергетического модуля эффективной работы не только в наиболее прогретой части тропического океана, но и по всей акватории, где средний градиент температуры составляет примерно 17ºС. Ожидается, что КПД будет отличным от нуля даже при разности температур, стремящейся к нулю. По предварительным расчётам расходы на строительство такой гидроэлектростанции вполне соотносятся с расходами на традиционную ГЭС.


Рис. 5.47. Ветровые электростанции.
    6) Ветровая энергетика
    Человечество давно использует энергию ветра. Парусные суда – основной вид транспорта, который в течении столетий обеспечивал связь людей различных континентов, представляют наиболее яркий пример использования ветровой энергии.
    Другой, хорошо известный пример эффективного использования ветровой энергии, – ветряные мельницы. Ветряки широко использовались для откачки воды из колодцев. В конце прошлого века наступил новый этап использования ветровых установок – они начали применяться для выработки электроэнергии. В тридцатые годы нашего века миллионы ветровых электрогенераторов мощностью около 1 кВт использовались в сельской местности Европы, Америки, Азии. По мере развития центрального электроснабжения распространение ветровых электрогенераторов резко упало. С ростом стоимости ископаемого топлива и осознания экологических последствий его применения надежды многих исследователей опять стали связываться с ветровой энергетикой.
    Действительно ветровой потенциал огромен – около 2000 ТВт составляет мощность ветрового потока в атмосфере. Использование даже небольшой части этой мощности привело бы к решению энергетических проблем человечества.
    Ветровая энергетика не потребляет ископаемое топливо, не использует воду для охлаждения и не вызывает теплового загрязнения водоемов, не загрязняет атмосферу. И, тем не менее, ветровые электрогенераторы имеют широкий спектр отрицательных экологических последствий, выявленных только после того, как в 1970 годы начался период возрождения ветровой энергетики.
    Главные недостатки ветровой энергетики – низкая энергетическая плотность, сильная изменчивость в зависимости от погодных условий, ярко выраженная географическая неравномерность распределения ветровой энергии. Обычно рабочий диапазон скоростей ветра крупных ветровых установок составляет от 5 до 15 м/с. При скорости ветра меньшей 5 м/с эффективность работы установки падает, при скоростях ветра больших 15 м/с велика вероятность поломки конструкции, прежде всего лопастей. Размещение генераторов на больших высотах (там, где больше скорость) выдвигает повышенные требования к прочности конструкции высотных мачт, которые должны обеспечивать удержание при мощной ветровой нагрузке ротора, коробки передач и генератора. Разработка и создание более надежных конструкций значительно удорожает стоимость ветровых установок, хотя себестоимость ветровой электроэнергии примерно в 1.5-2 раза ниже себестоимости электроэнергии, полученной в фотоэлектрических преобразователях.
    Еще одной важной проблемой использования ветровых генераторов являются сильные вибрации их несущих частей, которые передаются в грунт. Значительная часть звуковой энергии приходится на инфразвуковой диапазон, для которого характерно отрицательное воздействие на организм человека и многих животных.
    Так как скорость вращения лопастей ветровых генераторов близка к частоте синхронизации телевидения ряда стран, то работа ветровых генераторов нарушает прием телепередач в радиусе 1-2 км от генератора. Ветровые генераторы являются также источниками радиопомех. Вращение лопастей ветровых генераторов губит птиц. Так как обычно ветровые установки располагаются в больших количествах в районах сильных ветров (хребты, морское побережье), то они могут приводить к нарушению миграции перелетных птиц. Модуляция ветрового потока лопастями создает некоторое подобие регулярных структур в воздухе, которые мешают ориентации насекомых. В Бельгии установили, что это приводит к нарушению устойчивости экосистем полей, расположенных в зоне ветровых установок, в частности наблюдается падение урожайности.
    Наконец, ветровая энергетика требует больших площадей для размещения установок. Поэтому системы ветровых установок стараются размещать в безлюдной местности, что в свою очередь удорожает стоимость передачи энергии.
    В настоящее время в мире начался период перехода от исследовательских работ в области ветровой энергетики к их широкому внедрению. Темпы развития ветровой энергетики в таких странах как США, Бельгия, Великобритания, Норвегия, имеющих высокий ветроэнергетический потенциал, остаются очень высокими.

7) Геотермальная энергетика

Геотермальная энергия – это энергия, внутренних областей Земли, запасенная в горячей воде или водяном паре. В 1966 г. на Камчатке в долине реки Паужетка была пущена первая в СССР геотермальная тепловая станция мощностью 1,1 МВт. В отдаленных районах стоимость энергии, получаемой на геотермальных станциях, оказывается ниже стоимости энергии, получаемой из привозного топлива. Геотермальные станции успешно функционирует в ряде стран – Италии, Исландии, США. Первая в мире геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Италии. Геотермальная энергия в Исландии начала использоваться в 1944 г. Однако интерес и использование геотермальной энергии резко выросли в 60-70 годы.

Рис.5.48. Схемы получения энергии за счет геотермальных ресурсов: А — использование сухого пара, Б — использование горячей воды, В — использование горячей воды путем нагревания рабочей жидкости.

    В США в Калифорнии в начале 90 годов действовало около 30 станций общей мощностью 2400 МВт. Пар для этих станций извлекался с глубин от 300 до 3000 м. В этом штате США за 30 лет мощность геотермальных станций возросла почти в 200 раз. Таковы темпы развития геотермальной энергетики. Наиболее доступна геотермальная энергетика в зонах повышенной вулканической деятельности и землетрясений. Такая привязка к определенным районам является одним из недостатков геотермальной энергетики. Гейзеры – это хорошо известная форма поступления на поверхность Земли горячей воды и пара. По оценке Геологического управления США разведанные источники геотермальной энергии могли бы дать 5-6% современного потребления электроэнергии в стране. Оценка перспективных источников дает величину примерно в 10 раз большую. Однако эксплуатация некоторых этих источников пока нерентабельна. Наряду с этими ресурсами, которые могут быть использованы для выработки электроэнергии, в еще большем количестве имеется вода с температурой 90-1500С, которая пригодна как источник тепла для обогрева. В перспективе для извлечения энергии из недр Земли можно использовать не только запасы горячей воды и пара, но и тепло сухих горных пород (такие области сухих горных пород с температурой около 3000С встречаются значительно чаще, чем водоносные горячие породы), а также энергию магматических очагов, которые в некоторых районах расположены на глубинах в несколько километров.
    Наиболее оптимальная форма – сухой пар. Прямое использование смеси пара и воды невозможно, т.к. геотермальная вода содержит обычно большое количество солей, вызывающих коррозию, и капли воды в паре могут повредить турбину. Наиболее частая форма поступления энергии – просто в виде горячей воды, прежде всего для получения тепла. Эта вода может быть использована также для получения пара рабочей жидкости, имеющей более низкую температуру кипения, чем вода. Так как геотермальный пар и вода имеют сравнительно низкую температуру и давление, КПД геотермальных станций не превышает 20%, что значительно ниже атомных (30%) и тепловых работающих на ископаемом топливе (40%).
    Использование геотермальной энергии имеет и отрицательные экологические последствия. Строительство геотермальных станций нарушает «работу» гейзеров. Для конденсации пара на геотермальных станциях используется большое количество охлаждающей воды, поэтому геотермальные станции являются источниками теплового загрязнения. При одинаковой мощности с ТЭС или АЭС геотермальная электростанция потребляет для охлаждения значительно большее количество воды, т.к. ее КПД ниже. Сброс сильно минерализованной геотермальной воды в поверхностные водоемы может привести к нарушению их экосистем. В геотермальных вода в больших количествах содержится сероводород и радон, который вызывает радиоактивные загрязнения окружающей среды.


«Зеленое» будущее: мир на пороге внедрения новых энергетических технологий

Плюсы и минусы альтернативных технологий генерации энергии, их преимущества перед традиционной энергетикой обсудят на XX ПМЭФ. О ситуации в сфере энергетики и ее возможном будущем – в материале ТАСС

Сегодня никто не знает ответа на вопрос, каким будет полноценный облик энергетики будущего. Казалось бы, передовые технологии получения электрической и тепловой энергии на основе возобновляемых источников (ВИЭ) постепенно выталкивают на обочину истории так называемую классическую генерацию с углеводородным топливом.

В то же время альтернативная генерация до сих пор так и не избавилась от проблем, которые мешают ее масштабному внедрению, что сильно повышает шансы на продолжение самого широкого использования (как минимум в обозримой перспективе) ископаемого топлива для генерации энергии.

Уже появились новые идеи и новые технологии, реализуются уникальные проекты, которые в перспективе могут не только сделать ненужными газовые и угольные электростанции, но и сильно сократить использование альтернативной генерации.

Поэтому в настоящий момент человечество находится в начале трудного пути преобразования энергоотрасли, финал которого только лишь проступает сквозь туман технологической перспективы.

«Зеленое» будущее?

Как минимум одну характеристику энергетики будущего мы знаем уже сегодня. Совсем недавно мир обсуждал в Париже важнейшую проблему изменения климата на планете, и более 170 стран подписались под новым климатическим соглашением.

По мнению экспертов,  для достижения поставленных в документе целей необходимо развивать «зеленую» мировую генерацию, поскольку сейчас на производство энергии приходится две трети глобальных выбросов парниковых газов. Таким образом, будущее за экологически чистой генерацией, и Россия здесь может сыграть ключевую мировую роль.   

В ближайшие десятилетия потребление энергии человечеством будет только расти. В Международном энергетическом агентстве (МЭА) считают, что мировой спрос на энергию к 2040 году увеличится на 37%. Существенно изменится и структура мирового потребления – к этому сроку в лидеры выйдут страны Азии (прежде всего Китай), Африки и Ближнего Востока, где ожидается бурный экономический рост, для обеспечения которого и потребуются колоссальные энергоресурсы.

Ископаемые виды топлива сохранят свое доминирование, этому послужил современный «сланцевый прорыв», отодвинувший на несколько десятилетий угрозу исчерпания эффективно добываемых нефтегазовых ресурсов.

Как отмечается в докладе аналитического центра при правительстве РФ, доля нефти и газа в мировом потреблении первичной энергии к 2040 году останется практически неизменной – 51,4% (53,6% в 2010 году).

Согласно прогнозам экспертов, газ к 2040 году станет основным топливом в энергобалансе стран ОЭСР. К 2040 году вырастет на 15% мировой спрос и на уголь, основным потребителем которого будет Китай. Как известно, именно тепловые электростанции являются главными источниками эмиссии парниковых газов в атмосферу. Мировые запасы угля колоссальны, но надеяться на то, что современные технологии позволят свести на нет парниковые выбросы угольных ТЭС, не приходится.

В последние годы заметно расширяется использование альтернативных источников энергии. По словам главы «Роснано» Анатолия Чубайса, это связано с экологической чистотой ВИЭ, отсутствием эмиссии углекислого газа при их использовании и отсутствием риска техногенных аварий, которые могут повлечь загрязнение окружающей среды.

На ВИЭ в 2014 году пришлась почти половина от всех новых генерирующих мощностей в электроэнергетике, лидерами в развитии ВИЭ стали Китай, США, Япония и Германия, инвестировавшие в эту сферу $270 млрд.

В настоящее время в России мощность всех источников альтернативной генерации в общем энергобалансе достигает максимум 1%. Надо сказать, что Минэнерго РФ в ближайшие 20 лет планирует в 10 раз увеличить производство электрической энергии на основе возобновляемых источников. К примеру, после того, как в Крыму к концу 2017 года подключат солнечную электростанцию мощностью 110 МВт, ВИЭ займут 50% от общей мощности выработки энергии в этом российском регионе.

Ставка на солнце

Берлин несколько лет назад сделал ставку на масштабное развитие солнечной генерации, решив постепенно отказаться от атомных объектов для выработки электроэнергии. Определенных успехов в этой области Германия достигла в июле 2015 года, когда солнечные батареи, установленные по всей стране, произвели столько же электроэнергии, что и атомные электростанции: объем генерации и тех, и других составил по 5,18 ТВт/час.

Уже в 2014 году ветер, солнце, биомасса и вода обеспечили 26,2% всей произведенной в Германии электроэнергии, впервые обогнав по этому показателю традиционного для отрасли лидера – бурый уголь, на долю которого пришлось 25,4%.

Некоторые эксперты считают, что к 2030 году страна может полностью перейти на ВИЭ при производстве электроэнергии, уйдя от всех ископаемых, а также ядерных источников получения энергии.

На примере Германии видно, к каким последствиям способно привести чисто политическое решение по отказу от стабильного источника энергии, в данном случае атомной генерации. В числе внутренних последствий – рост стоимости электрической энергии для конечных потребителей, в числе внешних – потеря важнейших компетенций в высокотехнологичной атомной отрасли, и это на фоне того, что в мире вновь бурно развивается строительство АЭС и все новые страны заявляют о планах создания собственной атомной генерации.

Высокая зависимость ВИЭ от государственной поддержки делает «зеленую» энергетику уязвимой в кризисной экономической ситуации. К тому же ВИЭ имеют те самые родовые недостатки, заключающиеся в том, что объем производства энергии на объектах альтернативной генерации сильно зависит от погоды, в случае с солнечной генерацией – еще и от времени суток.

Для обеспечения энергоснабжения крупного промышленного производства солнечной генерацией надо покрыть панелями колоссальную территорию в десятки квадратных километров. К тому же солнечная генерация не работает в вечерние, пиковые часы потребления, а значит необходимо аккумулировать в огромных объемах энергию, полученную в течение светового дня, что приведет к еще большему удорожанию и так далеко не дешевой фотовольтаики.

Сторонники альтернативной генерации называют ее экологически чистой, критики в ответ на это подчеркивают несколько существенных моментов: строительство крупных ГЭС приводит к затоплению огромных территорий, уничтожению флоры и фауны и необратимому изменению климата в регионе, ветроэлектростанции являются реальной угрозой для птиц и причиной эрозии почвы из-за постоянной вибрации, а производство пластин для фотовольтаики не только очень дорогое и энергозатратное, но и крайне токсичное.

Инвестиции растут

Но очевидно, что все эти проблемы представляют собой технологические задачи, решаемые в обозримой перспективе, тем более что поток инвестиций в ВИЭ постепенно растет.

Мировые инновационные гиганты, такие как Apple и Google, активно вкладываются в совершенствование технологий альтернативной генерации, в частности компания Apple инвестировала в 2015 году больше $800 млн в развитие солнечной фермы в Сан-Франциско.

В то же время инвестиции Евросоюза в ВИЭ в прошедшем году упали на 21%, с $62 млрд до $48,8 млрд. В других регионах мира инвестиции растут. К примеру, страны Ближнего Востока и Африки увеличили вложения в ВИЭ на 58% – до $12,5 млрд.

И это не могло не сказаться на росте альтернативной генерации в мире: согласно данным британской BP, доля ВИЭ в производстве электроэнергии в 2015 году уже достигла 2,8% мирового потребления энергоресурсов.

Активное развитие ВИЭ не заставило ЕС, где эксплуатируется 131 АЭС общей мощностью около 121 ГВт, отказаться от атомной генерации. Европейский союз намерен инвестировать в атомную энергетику, в том числе в разработку и строительство современных реакторов для мини-АЭС, первую из которых предполагается ввести в эксплуатацию не позднее 2030 года.

Дело в том, что при всех сложностях в использовании атомной генерации она обладает важной особенностью – вклад АЭС в выбросы парниковых газов близок к нулю. Замещение с помощью АЭС тепловой генерации приводит к ожидаемому снижению эмиссии СО2.

Поэтому постепенная замена выбывающих старых атомных мощностей на новые ядерные энергоблоки в странах, давно эксплуатирующих «мирный атом», и вхождение все новых государств в мировой атомный клуб – это естественная тенденция как минимум нескольких ближайших десятилетий. Обусловлена она как задачей обеспечения стабильного и надежного энергоснабжения, так и необходимостью ввода новых, экологически безопасных объектов генерации.

Проекты будущего

На фоне «дележа пирога» мирового энергобаланса между классической генерацией и ее молодой соперницей в лице ВИЭ, особняком стоят проекты, которые в итоге могут сыграть ключевую роль в формировании энергетики будущего. Человечество ищет надежный, безопасный и дешевый источник энергии, который бы не только не загрязнял окружающую среду, но и решал накопившиеся проблемы.

В этом плане надо обратить внимание на Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР), строительство которого идет во французском Кадараше. Это крупнейший мировой научный проект, на территории Франции реактор возводят практически всем миром: участвуют ЕС, Швейцария, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Россия и США. Страны Европы вносят около 50% объема финансирования проекта, на долю России приходится примерно 10% от общей суммы, которые будут инвестированы в форме высокотехнологичного оборудования.

В основе реактора отечественная технология токамака, и это будет первая крупномасштабная попытка использовать для получения электроэнергии термоядерную реакцию, подобную той, что происходит на Солнце. Если ИТЭР будет успешным (появления первого прототипа коммерческой термоядерной электростанции мир ожидает к концу века), все участники получат полный доступ к технологиям для строительства объектов термоядерной генерации. Запасы топлива для такой станции на планете практически неисчерпаемы, к тому же термоядерная генерация экологически безопасна.

«ИТЭР – это ворота в термоядерную энергетику, через которые мир должен пройти», – говорил почетный президент НИЦ «Курчатовский институт», академик РАН Е.П. Велихов.

Еще один проект, способный повлиять на формирование облика энергетики будущего, – «Прорыв», реализуемый в Росатоме. Он предусматривает создание ядерных энергетических технологий нового поколения на базе замкнутого ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах (БН). Развитие атомной генерации на основе реакторов БН позволит решить проблему накопленных радиоактивных отходов, топлива для таких реакторов человечеству должно хватить на очень длительный период.

«Цель проекта «Прорыв» – это не только уникальный результат научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ, но и создание конкурентоспособной технологии, с помощью которой атомная отрасль России сможет не только сохранить, но и усилить свое лидерство на мировом рынке в ближайшие 30 лет», – считает генеральный директор Росатома Сергей Кириенко.

В мире поиском генерации будущего занимаются не только государства и крупные корпорации, но и частные инвесторы, вкладывающие свои средства в передовые проекты. К примеру, компания TRI ALFA ENERGY разрабатывает компактную термоядерную электростанцию – возможного конкурента ИТЭР.

Билл Гейтс инвестировал в компанию TerraPower, которая создает инновационный ядерный реактор на бегущей волне и планирует построить его прототип к 2020 году.

Активно совершенствуются системы аккумулирования энергии – Илон Маск в 2015 году представил новую компактную систему Tesla Powerwall, которая способна днем накапливать электроэнергию от солнечных панелей для использования в ночном режиме. Подобные аккумуляторы не являются чем-то новым, но важен сам факт совершенствования и удешевления данных систем для того, чтобы их можно было использовать в домашних условиях.

Скупые очертания будущей мировой энергетики можно увидеть в планах развития распределенной генерации, в повышении энергоэффективности и проектах модернизации действующих объектов тепловой генерации, а также вывода старых мощностей из эксплуатации.

У России сегодня сильные позиции в ряде энергетических направлений, в том числе в атомной сфере, мы и в перспективе точно должны оставаться в лидерской группе стран, создающих инновационные технологии энергогенерации, которые и определят  энергетическое будущее человечества.      

Андрей Ретингер, независимый эксперт в энергетической отрасли

Тепловая энергия окружающей среды — Vaillant

Альтернативные источники энергии становятся все более привлекательными. Одной из причин является постоянно растущие цены на традиционные виды топлива. Природа предлагает нам многочисленные возможности для экологически чистого и экономного производства теплой энергии. Тепловые насосы используют энергию, которую природа дает нам бесплатно.

Тепловые насосы — использование энергии окружающей стреды

Земля, в частности, обладает гигантскими запасами энергии. В нескольких метрах ниже ее поверхности она сохраняет солнечное тепло. Из ядра Земли температуры величиной 6500 градусов Цельсия излучаются в ее внешние слои. Тепловые насосы используют геотермальное тепло или тепло грунтовых вод в зависимости от технологии. Энергия, накопленная в окружающем воздухе, также подходит для обогрева помещений и производства горячей воды. Тепловые насосы могут использовать эти ресурсы и, таким образом, существенно снижают затраты на производство тепловой энергии.

Не зависимо от того, какая технология используется, тепловые насосы эффективно работают даже при низких температурах окружающей среды. До 75 процентов ваших потребностей в тепловой энергии могут быть получены непосредственно из окружающей среды и бесплатно. Только 25 процентов должны быть добавлены в виде электрической энергии. В зависимости от технологии, тепловые насосы могут подключаться к трем различным источникам тепла

Преимущества использования тепла окружающей среды в качестве источника энергии:

  • Отсутствие эмиссии СО2
  • Неисчерпаемый источник энергии
  • Независимость от поставщиков энергии
  • Низкая стоимость отопления

Требования к использованию тепла окружающей среды:

  • Большие радиаторы для низкотемпературной системы
  • Хорошая изоляция здания

Геотермальная энергия

Тепловые насосы могут использовать энергию земли. Доставка энергии осуществляется двумя различными способами. Либо используется тепло, близкое к поверхности земли там, где температура одинакова почти круглый год. На поверхности земли на глубине 1,5 м устанавливается земляной коллектор в качестве нагревательного контура, который извлекает тело из земли.

Или же, возможна регенерация тепла с помощью малогабаритного геотермального зонда. Геотермическое тепло выводится с помощью специальных грунтовых зондов, которые заглублены до 100 метров в землю. Температура является постоянной в течение всего года и составляет примерно 10 °C, что достаточно для извлечения тепла.

Преимущество использования геотермального тепла:

Хорошее сбережение тепла: круглый год постоянные температуры 7-13 °C

Требования к использованию геотермального тепла:

  • Большие площади земли с открытым доступом (земляной коллектор)
  • Может требоваться разрешение

Атмосферный воздух как источник энергии

Тепловые насосы могут использовать для отопления окружающий воздух и запасенную в нем энергию. Наши современные тепловые насосы работают экономно и осуществляют нагрев даже при температуре наружного воздуха до -20 ° С.

Преимущества использования атмосферного воздуха:

  • Отличная доступность из-за свободного доступа к источнику энергии без переоснащения
  • Не требуется разрешения
  • Самые низкие инвестиционные затраты
  • Особенно подходит для модернизации

Требования к использованию атмосферного воздуха:

  • Площадка для установки наружного блока

Грунтовые воды как источник энергии

Тепловые насосы могут извлекать тепловую энергию из грунтовых вод. Их температура постоянная независимо от времени года и внешней температуры. Для извлечения грунтовых вод необходим колодец.

Преимущества использования грунтовых вод:

  • Высокая эффективность
  • Хорошая аккумуляция тепла: в морозный зимний день поддерживается температура 7-12 °C

Требования к использованию грунтовых вод:

  • Качество и количество грунтовых вод: грунтовая вода с низким содержанием минералов и извести

Наилучший источник энергии для ваших целей

То, какой источник энергии и, следовательно, какой тип тепловой насосной системы наилучшим образом подходит для вашего применения, зависит от многих факторов. Следует принять во внимание различные закупочные цены и эксплуатационные расходы.

Однако, отдельные типы тепловых насосов также отличаются друг от друга с точки зрения разрешений, продвижения и требований к зданию.

При выборе нужной системы обогрева стандартного решения не существует. Однако нетрудно найти ту систему, которая удовлетворяет вашим требованиям. Поговорите со специалистами-теплотехниками компании Vaillant. Они могут помочь вам в планировании оптимальной системы обогрева.

Сравнительная характеристика различных способов производства электроэнергии (часть первая)

«Необходим объективный подход к ядерной энергетике. Обе стороны должны осознать неотъемлемое право на объективную, а не тактическую информацию, выгодную одной из сторон. Каждый должен сознательно идти на риск.

Обычно риск считается приемлемым, если при сравнении серьезности последствий его теоретическая вероятность намного ниже вероятности природных катастроф, которые рассматриваются как неизбежные и никогда не принимаются в расчет в повседневной жизни … Я не знаю другой области человеческой деятельности кроме атомной энергетики, где было бы так много сделано для оценки риска и гарантии безопасности».

          Кардинал Х. Шверк  (Швейцария) .

Введение.

Среди величайших достижений ХХ века наряду с генной и полупроводниковой технологиями открытие атомной энергии и овладение ею занимает особое место.

Человечество получило доступ к громадному и потенциально опасному источнику энергии, который нельзя ни закрыть, ни забыть, его нужно использовать не во вред, а на пользу человечеству.

У атомной энергии две «родовые» функции – военная, разрушительная и энергетическая – созидательная. По мере уничтожения устрашающих ядерных арсеналов, созданных в период холодной войны, атомная энергия будет проникать внутрь цивилизованного общества в виде тепла, электричества, медицинских изотопов, ядерных технологий, нашедших применение в промышленности, космосе, сельском хозяйстве, археологии, судебной медицине и т.д.

В XXI веке истощение энергоресурса уже не будет первым ограничивающим фактором. Главным становится фактор ограничения предела экологической емкости среды обитания.

Прогресс, достигнутый в превращении атомной энергии в безопасное, чистое и действенное средство удовлетворения растущих глобальных энергетических потребностей, не может быть достигнут никакой другой технологией, несмотря на привлекательность энергии ветра, солнца и других, «возобновляемых» источников энергии.

Однако бытующее в обществе представление об атомной энергии по-прежнему окутано мифами и страхами, которые абсолютно не соответствуют фактическому положению дел, и, в основном, опираются исключительно на чувства и эмоции.

В том случае, Когда голосованием предлагается решать вопросы об опасности там, где действуют законы природы  ( по терминологии В.И.Вернадского, когда «общественное мнение» опережает «общественное понимание» ) , как это ни парадоксально , происходит преуменьшение экологической опасности.

Поэтому одной из важнейших задач, стоящих в настоящее время перед учеными, является задача достижения «общественного понимания» экологических проблем, в том числе – атомной энергетике.

Активность экологических движений должна приветствоваться, но она должна быть конструктивной, а не разрушительной.

Хорошо организованный и цивилизованный диалог между специалистами и общественностью, безусловно, полезен.

Цель нашего проекта – анализ информации, необходимой для выработки собственного осознанного отношения к проблемам развития энергетики вообще и атомной энергетики в частности.

Научно-технический прогресс, энергия и человеческое общество. Источники энергии.

Человечество живет в едином, взаимосвязанном мире, и наиболее серьезные энергетические, экологические и социально-экономические проблемы приобрели глобальный масштаб.

Развитие энергетике связано с развитием человеческого общества, научно-техническим прогрессом, который, с одной стороны, ведет к значительному подъему уровня жизни людей, но с другой оказывает воздействие на окружающую человека природную среду. К  числу важнейших глобальных проблем относятся:

  • рост численности населения Земли и обеспечение его продовольствием;
  • обеспечение растущих потребностей мирового хозяйства в энергии и природных ресурсов;
  • охрана природной среды, в том числе и здоровья человека, от разрушительного антропогенного воздействия технического прогресса.

Такие экологические угрозы, как парниковый эффект и необратимые изменения климата, истощение озонового слоя, кислотные дожди (осадки ), сокращение биологического разнообразия, увеличение содержания токсичных веществ в окружающей среде, требуют новой стратегии развития человечества, предусматривающей согласованное функционирование экономики и экосистемы. Разумеется, потребности современного общества должны удовлетворяться с учётом потребности будущих поколений. Потребление энергии является одним из важных факторов развития экономики и уровня жизни людей. За последние 140 лет потребление энергии во всём мире возросло примерно в 20 раз, а  численность населения планеты – в 4 раза (24).

С учётом темпов нынешнего роста численности населения и необходимости улучшения уровня жизни будущих поколений Мировой Энергетический  Конгресс прогнозирует рост глобального потребления энергии на 50-100% к 2020 году и на 140-320% к 2050г. (3,25).

Что же такое энергия вообще? Согласно современным научным представлениям, энергия-это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии.

Энергия может проявляться в различных формах : кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, тепловая, ядерная.

Для удовлетворения нашей потребности в энергии существуют возобновляемые и невозобновляемые источники.

Солнце, ветер, гидроэнергия, приливы и некоторые другие источники энергии называют возобновляемыми потому, что их использование человеком практически не изменяет их запасы. Уголь, нефть, газ, торф, уран относятся к невозобнавляемым источникам энергии, и при переработке они теряются безвозвратно.

По прогнозам Международного энергетического агентства потребности в первичных энергоносителях в первом десятилетии ХХ1-го века будут удовлетворены в следующих соотношениях : нефть- не более 40%, газ- менее 24%, твёрдые виды топлива (в основном уголь ) – менее 30%, ядерная энергия -7%, гидроэнергетика – 7%, возобновляемые виды энергии – менее 1%. Региональное потребление первичных энергоносителей может иметь отклонения от мировых тенденций .

Основное количество энергии человечество получает и будет получать в ближайшем будущем, расходуя невозобновляемые источники.

Такие природные ресурсы, как: уголь, нефть, газ –практически невосстанавливаемые, не смотря на то, что их запасы на сегодняшний день во всем мире очень велики, но они все равно когда-либо закончатся. Самое главное то, что при работе ТЭС происходит отравление окружающей среды.

Широко бытующее утверждение об экологической «чистоте» возобновляемых источников энергии справедливо, лишь, если иметь в виду только конечную стадию – энергопроизводящую станцию. Из всех этих видов возобновляемых источников энергии только гидроэнергия          в настоящий момент вносит серьёзный вклад во всемирное производство электроэнергии (17% ).

Гидроэнергетика.

В большинстве промышленно развитых стран незадействованным на сегодня остался лишь незначительный по объёму гидроэнергетический потенциал.

Так,в европейской части страны с наиболее напряжённым топливным балансом использование гидроэнергетических ресурсов достигло 50%, а их экономический потенциал практически исчерпан.

Гидроэнергетические сооружения в потенциале несут в себе опасность крупных катастроф. Так, в 1979 году авария на плотине в Морви (Индия) унесла около 15 тысяч жизней. В Европе в 1963 году авария плотины в Вайонт (Италия) привела к гибели 3 тысячи человек.

Неблагоприятное воздействие гидроэнергетики на окружающую среду, в основном, сводится к следующему : затопление с/х угодий и населённых пунктов, нарушение водного баланса, что ведёт к изменению существования флоры и фауны, климатические последствия (изменение теплового баланса, увеличение количества осадков, скорости ветра, облачности и т.д.).

Перегораживание русла реки приводит к заливанию водоёма и эрозии берегов, ухудшению самоочищения проточных вод и уменьшению содержания кислорода, затруднения свободное движение рыб.

С увеличением масштабов гидротехнического сооружения растёт и масштаб воздействия на окружающую среду.

Энергия ветра.

Энергия ветра в больших масштабах оказалась ненадёжной, неэкономичной и, главное, неспособной давать электроэнергию в нужных количествах.

Строительство ветряных установок усложняется необходимостью изготовления лопастей турбины больших размеров. Так, по проекту ФРГ установка мощностью 2-3 МВт должна иметь диаметр ветрового колеса 100м, причём она производит такой шум, что возникает необходимость отключения её в ночное время.

В штате Огайо была построена крупнейшая в мире ветросиловая установка 10МВт. Проработав несколько суток, была продана на слом по цене 10дол. За тонну. В радиусе нескольких километров жить стало невозможно из-за инфразвука, совпадающего с альфа-ритмом головного мозга, что вызывает психические заболевания.

К серьёзным негативным последствиям использование энергии ветра можно отнести помехи для воздушного сообщения и для распространения радио-и телеволн, нарушения путей миграции птиц, климатические изменения вследствие нарушения естественной циркуляции воздушных потоков.

Солнечная энергия.

Солнечная энергия. Техническое использование солнечной энергии осуществляется в нескольких формах: применение низко – и высокотемпературного оборудования, прямое преобразование солнечной энергии в электрическую на фотоэлектрическом оборудовании.

Принципиальными особенностями солнечного излучения являются огромные потенциальные ресурсы (в 4000 раз превышает прогнозируемые энергопотребности человечества в 2020 году ) и низкая интенсивность. Так, среднесуточная интенсивность солнечного излучения для средней полосы европейской части России составляет 150Вт/м , что в 1000раз меньше тепловых потоков в котлах ТЭС.

К сожалению, пока не видно, какими путями эти огромные потенциальные ресурсы можно реализовать в больших количествах. Одним из наиболее важных препятствий является низкая интенсивность солнечного излучения, что проблему необходимости концентрирования солнечной энергии в сотни раз ещё до того, как она превратится в тепло. Практическая реализация концентрации солнечной энергии требует отчуждения огромных земельных площадей. Для размещения солнечной электростанции (СЭС) мощностью 1000МВт (Эл) в средней полосе европейской части необходима площадь при 10%к.п.д. в 67км2. К этому надо добавить ещё и земли, которые потребуются отвести под различные промышленные предприятия, изготавливающие материалы для строительства и эксплуатации СЭС.

Следует подчеркнуть, что материалоёмкость, затраты времени и людских ресурсов в солнечной энергетике в 500 раз больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе и в атомной энергетике.

Действующая в Крыму СЭС мощностью 5 МВт потребила в 1988 году на собственные нужды в 20 раз больше энергии, чем произвела.

Геотермальная энергия

Отрицательными экологическими последствиями использования геотермальной энергии подземных источников горячей воды является возможность пробуждения сейсмической активности в районе электростанции, опасность локального оседания грунтов, эмиссия отравляющих газов (пары ртути, сероводорода, аммиака, двуокиси и окиси углерода, метана ), которые представляют опасность для человека, животных и растений.

Проведенные исследования показали, что возможная роль возобновляемых источников энергии не выходит за пределы вспомогательного энергоресурса, решающего региональные проблемы. Ресурсы таких источников, как гидроэнергетика, энергия ветра, морских волн и приливов, недостаточны. Солнечная энергетика и энергия  геотермальная с теоретически неограниченными ресурсами характеризуются чрезвычайно низкой интенсивностью поступающей энергии.

Кроме того необходимо помнить, что с использованием новых видов энергии возникает и новый тип экологических последствий, которые могут привести к изменению природных условий в глобальных масштабах и которые пока в полной мере трудно представить. Исследования последних лет показали, что на определенные планы с термоядерным синтезом ( проект ИТЭР ) преждевременно рассчитывать.

Тепловые электростанции.

Тепловые электростанции (ТЭС) появились в конце 19-ого века почти одновременно в России, США и Германии, а вскоре и в других странах. Первая центральная электрическая станция  была введена в эксплуатацию в Нью-Йорке в 1882 году для осветительных целей. Первая крупная тепловая электростанция с паровыми турбинами вступила в строй в 1906 году в Москве. Сегодня ни один более или менее крупный город не обходится без собственных электростанций. Тепловая электростанция – сложное и обширное хозяйство, порой она занимает территорию в 70 га, помимо главного корпуса, где размещаются энергоблоки, здесь располагаются различные вспомогательные производственные установки и сооружения, электрические распределительные устройства, лаборатории, мастерские, склады и т.д. Генераторы тепловых электростанций вырабатывают ток напряжением в десятки киловольт. Мощность теплоэлектростанций сегодня достигает сотен МВт. В США существует ТЭС мощностью 1,2-1,5 млн. кВт и более. В нашей стране от них поступает к потребителям наибольшая часть получаемой электроэнергии (69%). Особый вид тепловых электростанций – теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Эти предприятия производят энергию и тепло одновременно, поэтому коэффициент полезного действия используемого топлива у них достигает 70%, а у обычных тепловых электростанций лишь 30-35%. ТЭЦ всегда размещают вблизи потребителей – в крупных городах, так как передавать тепло (пар, горячую воду) без больших потерь можно максимум на 15-20 километров.

Размещение электростанций зависит от двух основных факторов – топливно-энергетических ресурсов и потребителей энергии, поэтому тепловые электростанции размещаются в районах топливных баз при наличии малокалорийного топлива – его не выгодно далеко перевозить. Например, Канско-Ачинский уголь использует Берёзовская ГРЭС-1 (ГРЭС – государственная районная электростанция). На попутном нефтяном газе работают две Сургутские электростанции. Если же электростанции используют высококалорийное топливо, которое выдерживает дальние перевозки (природный газ), они строятся ближе к местам потребления электроэнергии.

Тепловая энергетика оказывает огромное влияние на окружающую среду, загрязняет воду и атмосферный воздух. Самая грязная и экологически опасная – угольная электростанция. При мощности в 1 млрд. Вт она ежегодно выбрасывает в атмосферу 36,5 млрд. куб. метров горячих газов, содержащих пыль, вредные вещества и 100 млн. куб. метров пара. В отходы идут 50 млн. куб. метров сточных вод, в которых содержится 82 тонны серной кислоты, 26 тонн хлоридов, 41 тонна фосфатов и 500 тонн твёрдой извести. Ко всем этим выбросам необходимо добавить углекислый газ – результат сгорания угля. Наконец, остаётся 360 тысяч тонн золы, которую приходится складировать. В целом для работы угольной электростанции ежегодно требуется 1 млн. тонн угля, 150 млн. кубических метров воды и 30 млрд. кубических метров воздуха. Если учесть, что такие электростанции работают десятилетиями, то их воздействие на окружающую среду можно сравнить с вулканической деятельностью. Каждый         крупный город имеет несколько подобных «вулканов». Например, энергией и теплом Москву обеспечивает 15 теплоэлектроцентралей. В течение 20-ого века тепловые электростанции существенно повысили концентрацию ряда газов в атмосфере. Так, концентрация углекислого газа выросла на 25% и продолжает ежегодно увеличиваться на 0,5%, вдвое выросла концентрация метана и увеличивается на 0,9% в год, постоянно растут концентрации оксидов азота и двуокиси серы. Насыщенный парами воздух разъедает здания и сооружения, ранее устойчивые соединения становятся неустойчивыми, нерастворимые вещества переходят в растворимые и т.д. Избыточное поступление питательных веществ в водоёмы ведёт к их ускоренному «старению», заболевают леса, повышается уровень напряжения электромагнитных полей. Всё это чрезвычайно негативно сказывается на здоровье людей, риск преждевременной смерти увеличивается. Кроме того, повышенное содержание углекислого газа и метана в атмосфере является одной из причин возникновения парникового эффекта.

Парниковый эффект.

Есть несколько точек зрения на эту проблему. Согласно недавним решениям ООН для улучшения климата Земли наиболее развитый государства, такие как США, Япония  и страны Европейского союза, обязаны сократить к 2012 году объём выброса тепличных газов на 6% по сравнению с 1990 годом. Однако многие специалисты считают, что и этого недостаточно. Они настаивают  на 60%,  по их мнению, в борьбу должны включиться не только развитые страны, но и все остальные. Но есть и другая точка зрения: В 1997 году почти 1700 американских учёных подписали обращение к президенту страны, где поставили под сомнение сам подход к решению проблемы. Выбрасываемый промышленностью углекислый газ практически не влияет на климат, считают они. Вулканические извержения, другие природные катаклизмы поставляют подобных соединений куда больше. Например, учёные обратили внимание, что из подпочвенных слоёв тундры в последнее время стало выделяться больше углекислого газа и метана, чем прежде, а по оценкам учёных здесь содержится примерно треть всех земных  углесодержащих газов. Было установлено, что с каждого кв. метра тундры вода уносит 5 граммов углесодержащих веществ, примерно половина из них растворяется в реках, озёрах, ручьях, а затем поступает в атмосферу, остальные уходят в Северный Ледовитый океан. Средняя температура поверхности Земли за последний год поднялась на полградуса, но, по словам экспертов, им потребуется несколько лет,

чтобы определить, свидетельствуют ли данные показатели об ускорении глобального потепления. По мнению учёных, парниковых эффект – результат того, что климат Земли постоянно меняется. Возможно, сейчас происходит потепление, так как заканчивается последний ледниковый период, а колебания климата связаны с солнечной активностью, появлением пятен, увеличением излучаемого тепла. Опасности, связанные с повышением концентрации углекислого газа в атмосфере состоят в повышении температуры Земли. Но общепринятые оценки метеорологов показывают, что повышение  содержания углекислого газа в атмосфере приведёт к повышению температуры практически только в высоких широтах, особенно в Северном полушарии, причём в основном это потепление произойдёт зимой. По оценки специалистом Института сельхозметеорологии Роскомгидромета повышение концентрации этого газа в атмосфере в два раза приведёт к удвоению полезной сельскохозяйственной площади России, с 5 до 11 млн. кв. километров. В различных источниках также указываются  возможные повышения уровня Мирового океана в пределах от 0,2 до 1,4м, многие утверждают, что скоро нас ожидает великий потоп. Но почти все ледники Северного полушария растаяли около 9 тысяч лет назад, осталась только Гренландия. Но и она вместе  со льдами Северного Ледовитого океана не повысит при таянии уровень Мирового океана даже на 1мм.

Основные показатели  стран, развивающих теплоэнергетику

Показатель

 

Франция

Швеция

Япония

Германия

Великобритания

США

Россия

На душу населения, т

Диоксид углерода CO2

5.6

6.74

1.5

1.8

1.28

2.56

0.7

Оксид серы, SO2

0,13

0,16

0,04

0,04

0,02

0,06

0,01

Оксид азота, NOx

0,08

0,1

0,02

0,02

0,02

0,03

0,005

Зола

0,42

0,4

0,13

0,12

0,1

0,17

0,06

Шлаки

0,08

0,08

0,02

0,02

0,02

0,03

0,01

Зола, не улавливаемая фильтрами

0,004

0,004

0,001

0,001

0,001

0,001

0,0006

Высвобождённые радионуклиды, Ки

13,7

15,1

3,4

3,9

2,8

5,8

1,75

Из таблицы совершенно очевидно, что все ведущие страны, даже при очень развитой технологии, не могут избавиться от огромных выбросов, отравляющих атмосферу. Оксид серы, диоксид углерода, способствуют развитию сердечнососудистых и онкологических заболеваний, которые по смертности являются ведущими в мире. Обращает на себя внимание тот факт, что при работе ТЭС так же, как и при работе АЭС, образуются радионуклиды, которые на ТЭС никак не улавливаются.

Приливные электростанции.

Уровень воды в течение суток меняет 4 раза, такие колебания особенно заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. ПЭС двустороннего действия (турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно) способны вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 часов с перерывами в 1-2 часа четыре раза в сутки.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2,5 раза превосходит расходы на возведение ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной электростанции оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется. В 1968 году на Баренцевом море вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место её строительства – Кислая губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется также использовать огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м. В 1985 году была пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м.

С точки зрения экологии ПЭС имеют бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

Солнечные космические электростанции.

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности  Земли мешает атмосфера, поэтому появляются проекты размещения  солнечных электростанций в космосе, на околоземной орбите. У таких станций  есть несколько достоинств: невесомость позволяет создать  многокилометровые конструкции, которые необходимы для получения энергии; преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается  выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

К проектированию солнечных космических электростанций (СКЭС) конструкторы приступили ещё в конце 60-ых годов 20-ого века. Было предложено несколько вариантов транспортировки энергии из космоса на Землю, но наиболее рациональным было признано предложение использовать её  на месте выработки, для этого необходимо перенести основных потребителей электроэнергии (металлургия, машиностроение, химическая промышленность) на спутник Земли Луну или астероиды. Любой вариант СКЭС предполагает, что это колоссальное сооружение, причём не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей.

Строительство солнечных космических электростанций сейчас кажется фантастикой, но в скором времени, возможно, появится  первая СКЭС, которая даст начало новому уровню развития энергетики.

Современные способы получения электрической энергии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

 ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра технологии важнейших  отраслей промышленности

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

На тему:

СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫПОЛНИЛА:

Студентка ФМк,                                                                             Д.И. Кирейчук

1 курс, ДМЦ

 

 

Проверила                                                                                       М.В. Михадюк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2012

Содержание

Введение………………….…………………………………………………………………………………..3

1. История возникновения  электроэнергетики………….…………………………………….4

2. Традиционные способы  получения электроэнергии…………………………………….5

2.1 Тепловые электростанции…….………………………………………………………………5

2.2 Гидроэлектростанции………..…………………………………………………………………6

2.2 Атомные электростанции……..………………………………………………………………7

3. Нетрадиционные способы  получения электроэнергии…………………………………8

3.1 Ветровая энергия…………..…………………………………………………………………….8

3.2 Энергия солнца……………………………………………………………………………………9

3.3 Геотермальная энергия…………………………………………………………………………9

3.4 Морская энергия……………………………………………………………………………………9

3.5 Космическая энергия………..…………………………………………………………………10

3.6 Водородная энергия……………………………………………………………………………10

Заключение………………..………………………………………………………………………………..11

Список использованных источников………………..…………………………………………..12

 

 

Введение

 

Возрастающие с каждым годом выработка и потребление  энергии в мире  создают все  необходимые условия для ускорения  научно-технического прогресса, который  позволяет улучшать благосостояние людей планеты. Но вместе с тем возрастающие объемы потребления энергии требуют все больших объемов углеводородного сырья, запасы которого не безграничны. Электроэнергетика является важнейшей отраслью экономики любой страны, поскольку ее продукция (электрическая энергия) относится к универсальному виду энергии. Ее легко можно передавать на значительные расстояния, делить на большое количество потребителей. Без электрической энергии невозможно осуществить многие технологические процессы, как невозможно представить нашу повседневную жизнь без отопления, транспорта, телевизора, компьютера, которые также потребляют электроэнергию. Потребность человечества в электроэнергии растет с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа) ограничены. Ограничены также и запасы ядерного топлива. Поэтому на сегодняшний день важно найти выгодные  источники  электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения  дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции, долговечности станций.

Цель работы – ознакомиться с современными способами получения  электроэнергии, как традиционными, так и не традиционными, а также  рассмотреть, какие именно способы  получения электроэнергии наиболее широко распространены в пределах Республики Беларусь.

 

1. История возникновение электроэнергетики

 

Прежде чем приступить к раскрытию основного вопроса, я бы хотела уделить некоторое  внимание историческому процессу становления  электрической энергии как энергоресурса, проследить тот путь, по которому прошла электроэнергетика за столь непродолжительный  период времени.

Электрическая энергия долгое время была лишь объектом экспериментов  и не имела практического применения. Первые попытки полезного использования  электричества были предприняты  во второй половине XIX века, основными  направлениями использования были недавно изобретённый телеграф, гальванотехника, военная техника (например, были попытки создания судов и самоходных машин с электрическими двигателями; разрабатывались мины с электрическим взрывателем). Источниками электричества поначалу служили гальванические элементы. Существенным прорывом в массовом распространении электроэнергии стало изобретение электромашинных источников электрической энергии — генераторов. По сравнению с гальваническими элементами, генераторы обладали большей мощностью и ресурсом полезного использования, были существенно дешевле и позволяли произвольно задавать параметры вырабатываемого тока. Именно с появлением генераторов стали появляться первые электрические станции и сети (до того источники энергии были непосредственно в местах её потребления) — электроэнергетика становилась отдельной отраслью промышленности. Первой в истории линией электропередачи (в современном понимании) стала линия Лауфен — Франкфурт, заработавшая в 1891 году. Протяжённость линии составляла 170 км, напряжение 28,3 кВ, передаваемая мощность 220 кВт. В то время электрическая энергия использовалась в основном для освещения в крупных городах. Электрические компании состояли в серьёзной конкуренции с газовыми: электрическое освещение превосходило газовое по ряду технических параметров, но было в то время существенно дороже. С усовершенствованием электротехнического оборудования и увеличением КПД генераторов, стоимость электрической энергии снижалась, и, в конце концов, электрическое освещение полностью вытеснило газовое. Попутно появлялись новые сферы применения электрической энергии: совершенствовались электрические подъёмники, насосы и электродвигатели. Важным этапом стало изобретение электрического трамвая: трамвайные системы являлись крупными потребителями электрической энергии и стимулировали наращивание мощностей электрических станций. Во многих городах первые электрические станции строились вместе с трамвайными системами.

Начало XX века было отмечено так называемой «войной токов» —  противостоянием промышленных производителей постоянного и переменного токов. Постоянный и переменный ток имели  как достоинства, так и недостатки в использовании. Решающим фактором стала возможность передачи на большие  расстояния — передача переменного  тока реализовывалась проще и  дешевле, что обусловило его победу в этой «войне»: в настоящее время  переменный ток используется почти повсеместно, вследствие чего объем производства электроэнергии  ежегодно возрастает. Так в 1890 году показатель мирового производства электроэнергии был на отметке всего лишь 9 млрд кВт·ч, в то время как в 2007 году этот показатель значительно увеличился до 19,9 трлн кВт·ч.

 

2. Традиционные  способы получения электроэнергии

2.1 Тепловые электростанции

 

Тепловая электрическая станция (ТЭС) – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. В Республике Беларусь более 95% энергии вырабатывается на ТЭС.

По назначению тепловые электростанции делятся на два типа:

  • конденсационные тепловые электростанции (КЭС),предназначенные для выработки только электрической энергии;
  • теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии.

На рис. 2.1 представлена схема тепловой электростанции.

 

Как видно из схемы, основное оборудование ТЭС – котел-парогенератор, турбина, генератор,  конденсатор пара и циркуляционный насос.

В котле парогенератора при  сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется  в энергию водяного пара. В турбине  энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения. Генератор превращает механическую энергию вращения в электрическую. Таким образом, процесс производства электроэнергии ТЭС можно разделить на три цикла: химический – процесс горения, в результате которого теплота передается пару; механический  – тепловая энергия пара превращается в энергию вращения; электрический – механическая энергия превращается в электрическую. Схема ТЭЦ отличается тем, что по ней, помимо электрической энергии, вырабатывается и тепловая путем отвода части пара и нагрева с его помощью воды, подаваемой в тепловые магистрали.

В качестве топлива чаще всего используются уголь, сланцы, природный  газ и мазут. Однако использование  природного газа и особенно мазута в перспективе должно сокращаться, так как это слишком ценные вещества, чтобы их использовать в  качестве котельного топлива.

Коэффициент полезного действия (КПД) ТЭС находится в пределах 36—39%. Это означает, что 64—61% топлива используется «впустую», загрязняя окружающую среду тепловыми выбросами в атмосферу. КПД ТЭЦ примерно в 2 раза выше, чем КПД ТЭС (60—70%), поэтому использование ТЭЦ является существенным фактором энергосбережения.

Тепловые электростанции Беларуси:

  • Лукомльская ГРЭС – расположена в городе Новолукомль, установленная мощность станции — 2459,5 МВт, что составляет более 30 % от установленной мощности всей энергосистемы Беларуси;
  • Минская ТЭЦ-3 – расположена в юго-восточной части Минска, установленная электрическая мощность составляет 542 МВт;
  • Минская ТЭЦ-5 – располагается в посёлке Дружный (Минская область), установленная электрическая мощность – 330 МВт;
  • Мозырская ТЭЦ – расположена в 17 км от города Мозыря, установленная электрическая мощность составляет 195 МВт;
  • Светлогорская ТЭЦ – расположена в городе Светлогорске, установленная мощность – 155 МВт.

 

2.2 Гидроэлектростанции

 

Гидроэлектростанция (ГЭС) представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоемов преобразуется в электрическую энергию.

Технологический процесс  получения электроэнергии на ГЭС  включает:

  • создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;
  • превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;
  • превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.

Несмотря на снижение доли ГЭС в общей выработке, абсолютные значения производства электроэнергии и мощности ГЭС непрерывно растут вследствие строительства новых крупных электростанций. В 1969 в мире насчитывалось свыше 50 действующих и строящихся ГЭС единичной мощностью 1000 Мвт и выше, причём 16 из них — на территории бывшего Советского Союза.

Важнейшая особенность гидроэнергетических  ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими  ресурсами — их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии.

На данный момент крупнейшей в Беларуси гидроэлектростанцией является Гродненская ГЭС, введенная в эксплуатацию в сентябре 2012 года и расположенная недалеко от Гродно на реке Неман. Ее мощность составляет 17 МВт. Второй по величине ГЭС в Беларуси является Солигорская гидроэлектростанция, ее мощность составляет 150 кВт.

 

2.3 Атомные электростанции

 

Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.)  существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт·ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн кВт·ч электроэнергии.

Первичной энергией на АЭС  является внутренняя ядерная энергия, которая при делении ядра выделяется в виде колоссальной кинетической энергии, которая, в свою очередь, превращается в тепловую. Установка, где идут эти превращения, называется реактором.

Через активную зону реактора проходит вещество теплоноситель, которое  служит для отвода тепло (вода, инертные газы и т.д.). Теплоноситель уносит тепло в парогенератор, отдавая  его воде. Образующийся водяной пар  поступает в турбину. Регулирование  мощности реактора производится с помощью  специальных стержней. Они вводятся в активную зону и изменяют поток  нейтронов, а значит, и интенсивность  ядерной реакции.

Для предохранения персонала  АЭС от радиационного облучения  реактор окружают биологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода, песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью герметичным. Предусматривается система контроля мест возможной утечки теплоносителя, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контура не приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружающей местности.

Powering A Generation: Производство электроэнергии

Генерация Электроны

Есть много способов производить электричество. Электроны может течь между некоторыми различными материалами, обеспечивая ток, как в обычная батарея. Будучи надежными и портативными, химические батареи работают вниз быстро. Для обеспечения большого количества стабильной мощности, необходимой для построены современные общества, большие электростанции. Большинство электростанций производить электричество с помощью машины, называемой генератором.

Ротор турбины 1925 г. для генератора Westinghouse, Изображение № 21.035, Коллекция исторических изображений Science Service, Национальный музей американской истории

Генераторы

состоят из двух важных частей: ротор (который вращается) и статор (который остается неподвижным). Генераторы использовать принцип электромагнитной индукции, который использует соотношение между магнетизмом и электричеством. В больших генераторах переменного тока внешняя оболочка с мощными магнитами вращается вокруг неподвижной «арматуры» который обмотан тяжелой проволокой.При движении магниты вызывают электрический разряд. ток в проводе.

Важно понимать, что электричество не добывается и не заготавливается, его нужно производить. И поскольку это не так легко хранится в больших количествах, он должен быть изготовлен по мере необходимости. Электричество это форма энергии, но не источник энергии. Различные электростанции использовать различные источники энергии для производства электроэнергии. Два самых распространенных типы — «Тепловые растения» и «Кинетические растения».

Тепловой Генерирующие установки

Тепловые станции используют энергию тепла для производства электроэнергии.Вода нагревается в бойлере до состояния высокотемпературного пара. Этот затем пар проходит через турбину, к которой прикреплено множество лопастей вентилятора. к валу. Когда пар движется по лопастям, он заставляет вал вращаться. Этот вращающийся вал соединен с ротором генератора, и генератор производит электричество.

Схема термического (масляного сжигание) в системе Hydro-Québec
Copyright, Hydro-Québec

На ископаемом топливе растения

Ископаемое топливо — остатки растений и животный мир, который жил очень давно.Подвержены воздействию высоких температур и давлений за миллионы лет под землей эти останки были преобразованы в формы углерода: уголь, нефть и природный газ. В отличие от самого электричества, ископаемое топливо можно хранить в больших количествах. После 100 лет исследований и развития, установки, работающие на ископаемом топливе, в целом надежны, а проблемы которые действительно происходят, обычно ограничиваются определенной территорией. Многие электроэнергетические компании на протяжении десятилетий эксплуатировали установки, работающие на ископаемом топливе, и эти установки (теперь полностью оплачены) очень выгодно запускать.Это не только увеличивает прибыль утилита, но снижает прямые затраты для пользователей.

Однако электростанции, работающие на ископаемом топливе, могут создавать серьезные экологические проблемы. При сжигании этого топлива образуется диоксид серы. и загрязнение воздуха оксидом азота, требующее дорогих скрубберов. Сточные Воды из отработанного пара может уносить загрязняющие вещества в водосборники. Даже с очень хороший контроль загрязнения, все еще образуются отходы. Углекислый газ газ и зола являются текущими проблемами.

Кроме того, ископаемое топливо невозобновляемо.На их создание ушли миллионы лет, и в какой-то момент они закончатся. Их извлечение и транспортировка для использования создало экологические проблемы. Открытая добыча угля и разливы нефти в море могут иметь катастрофические последствия. по экосистемам.

Когенерация

Нефть стала слишком дорогой для большинства электростанции. Уголь и природный газ в настоящее время дешевы в США и стоят используется чаще. Эти два вида топлива используются более эффективно в «когенерационных» установках.Когенерация — это не новая идея, и использует преимущества того, как работают многие крупные потребители электроэнергии. Многие фабрики в производственном процессе используют пар. Коммунальные предприятия часто производят и продают пар для этих клиентов, а также для запуска собственных генераторов.

Вместо того, чтобы просто сгущать и истощать отработанный пар после прохождения через турбину, «верхний цикл» когенераторы подают этот полезный товар ближайшим потребителям. «Нижний цикл» когенераторы работают в обратном направлении и используют отработанный пар из промышленных обработка для привода турбин.За счет повторного использования пара тепловой КПД при когенерации растения могут превышать 50%.

Недавно разработанные когенерационные установки использовать новые материалы и конструкции для повышения надежности и контролировать оба термическое и атмосферное загрязнение. Поскольку эти новые технологии разработаны в растения с самого начала, они дешевле в установке. Экономика а возможности когенерационной технологии позволяют многим станциям возвращаться сжигать уголь без превышения стандартов качества воздуха. «Циркулирующий Котлы с псевдоожиженным слоем, селективно-каталитические (и некаталитические) «Редукция» и «Без сброса» систем очистки воды. являются примерами технологий, используемых для контроля различных экологических проблемы.

Комбинированный цикл и биомассы

Некоторые газовые установки могут производить электроэнергию без Стим. Они используют турбины, очень похожие на те, что используются на реактивных самолетах. Вместо сжигания реактивного топлива и создания тяги, однако эти агрегаты сжигают естественный газ и мощность генератора. Газотурбинные генераторы были популярны много лет, потому что их можно быстро запустить в ответ на временные скачки спроса на электроэнергию.Более новый поворот — «Комбинированный цикл». завод, который использует газовые турбины таким образом, но затем направляет горячие выхлопной газ в котел, который заставляет пар вращать другой ротор. Этот существенно повышает общий КПД электростанции.

В дополнение к этим нововведениям некоторые тепловые станции проектируются для сжечь «биомассу». (Показан завод по производству биомассы во Флориде, авторское право на изображение: US Generating). Термин применяется к древесным отходам. или какой-либо другой возобновляемый растительный материал.Например, Okeelanta Cogenration. Завод во Флориде сжигает отходы переработки сахарного тростника операций в течение одной части года, а древесные отходы во время выращивания сезон.

Ядерная Растения

Хотя есть некоторые важные технические (и социальные) отличия, атомные электростанции — это тепловые станции, которые производят электроэнергию во многом так же, как и на заводах, работающих на ископаемом топливе. Разница в том, что они генерировать пар, используя тепло атомного деления, а не сжигая уголь, нефть или газ.Затем пар вращает генератор, как и в других тепловых растения.

Схема атомной станции в Гидро-Квебеке система
, авторское право, Hydro-Québec

Атомные станции не используют большое количество топлива и не часто заправляются топливом, в отличие от угольной электростанции, которая должна иметь железнодорожные составы. топлива, поставляемого регулярно. Тот факт, что парниковые газы и взвешенные в воздухе частицы минимальны при нормальной эксплуатации, что делает атомную энергетику привлекательной для многих, кто обеспокоен качеством воздуха.Сточные Воды горячее, чем на ископаемом заводе, и большие градирни предназначены для решения этой проблемы.

Однако стремление к полевой ядерной власть в США пошатнулась перед лицом озабоченности общественности вопросами безопасности, окружающей среды и экономики. Поскольку было указано больше механизмов безопасности, стоимость строительства и система сложности росли. Кроме того, на заводах обнаружены неожиданные причуды, например преждевременный износ котельных труб. Инженеры-ядерщики утверждают, что ранние проблемы с ядерной заводов подлежат техническим исправлениям, и работают над новыми «по своей сути безопасные »конструкции заводов.Противники утверждают, что простое использование урана и плутоний в качестве топлива создает слишком много проблем и рисков, не стоящих никакой пользы от технологии должно быть.

Пока что одна проблема, которая не решена проблема утилизации отработавших ядер топлива и загрязненных принадлежностей. которые могут оставаться опасными в течение тысяч лет. Постоянное захоронение в геологически стабильные местоположения — это план, который реализуется в настоящее время, хотя это все еще очень спорно.

Громкие аварии на Три Майл Остров в 1979 г. и Чернобыль в 1986 г. атомная промышленность, общественные катастрофы.Сохраняющиеся экономические проблемы сделали атомные станции менее привлекательными для инвестиций. Несмотря на то, что он произвел 22% электроэнергии Америки в 1996 г. будущее атомной энергетики в этой стране было неопределенным и горячо обсуждаемым.

кинетическая Генерирующие установки

Гидроэлектростанции и ветряки также преобразовывать энергию в электричество. Вместо тепловой энергии используют кинетическая энергия или энергия движения. Движущийся ветер или вода (иногда называемый «белый уголь») вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает ротор генератора.Поскольку топливо не сжигается, не происходит загрязнения воздуха. произведено. Ветер и вода — возобновляемые ресурсы, и, хотя есть было много последних технических инноваций, у нас есть долгая история использования эти источники энергии. Однако проблемы существуют даже с этими технологиями.

Гидроэлектрический Растения

В эксплуатации находятся два основных типа гидроэлектростанций. Один тип, завод «русла реки», потребляет энергию от быстро движущегося объекта. ток раскручивать турбину.Расход воды в большинстве рек может быть разным. широко в зависимости от количества осадков. Следовательно, есть несколько подходящих площадки для русловых растений.

Мост гидроэлектрический растения используют резервуар для компенсации периодов засухи и для повысить давление воды в турбинах. Эти искусственные озера покрывают большие территории, часто создавая живописные спортивные и развлекательные объекты. Массивные плотины также необходимы для борьбы с наводнениями. Раньше мало кто задавал вопросы распространенное предположение, что выгоды перевешивают затраты.

Эти расходы связаны с потерей земли. затоплен водохранилищем. Плотины вытеснили людей и уничтожили дикую природу среда обитания и археологические памятники. Прорыв дамбы может иметь катастрофические последствия. Некоторые экологические затрат можно избежать за счет продуманного дизайна; используя рыболовные лестницы, чтобы разрешить Одним из хороших примеров является обход плотины рыбой. Однако остаются другие расходы, и протесты против некоторых недавних гидроэнергетических проектов стали столь же злыми как антиядерные протесты.

Особый вид гидроэнергетики называется «ГАЗ».Некоторые негидравлические станции могут использовать периоды низкой потребности (и низких затрат) за счет откачки воды в резервуар. Когда спрос возрастает, часть этой воды проходит через гидротурбину. для выработки электроэнергии. Поскольку энергоблоки с «пиковой нагрузкой» (б / у для удовлетворения временных скачков спроса), как правило, их эксплуатация обходится дороже, чем блоки «базовой нагрузки» (которые работают большую часть времени), гидроаккумулирующие установки это один из способов повысить эффективность системы.

Ветер Мощность

Ветроэлектростанции не нуждаются в резервуарах и не создают загрязнения воздуха.Небольшие ветряные мельницы могут обеспечить энергией отдельные дома. Воздух несет гораздо меньше энергии, чем вода, однако, гораздо больше нужно вращать роторы. Нужны либо несколько очень больших ветряных мельниц. или много маленьких для эксплуатации коммерческой ветряной электростанции. В любом случае конструкция затраты могут быть высокими.

Как и русловые гидроэлектростанции, там это ограниченное количество подходящих мест, где ветер дует предсказуемо. Даже на таких объектах часто приходится проектировать турбины со специальной зубчатой ​​передачей, чтобы ротор вращался с постоянной скоростью в несмотря на переменную скорость ветра.Некоторые находят меньше технических проблем с инсталляциями, способными превратить живописный хребет или перейти в некрасивую сталь лес, или это может сказаться на птицах.

Альтернатива Поколение

Электростанции других типов не использовать традиционное оборудование для производства электроэнергии. Геотермальные установки заменяют котлы с самой Землей. Фотогальваника («PV») и топливо Ячейки идут дальше, полностью отказываясь от турбогенераторов. Эти альтернативные энергетические технологии разрабатывались уже несколько десятилетий, и защитники считают, что техническая и политическая ситуация теперь принесет их на рынок.

Геотермальная энергия Растения

Давление, радиоактивный распад и подстилающая Расплавленная порода действительно нагревает глубины земной коры. Яркий Пример тепла, доступного под землей, наблюдается, когда гейзеры извергаются, отправляя пар и горячая вода высоко в воздухе. Природные источники пара и горячей воды привлекали внимание энергетиков с начала нынешнего века.

При нажатии на эту естественную тепловую энергии, геотермальные электростанции вырабатывают электричество с низким уровнем загрязнения.Есть несколько разных сортов растений, и продукт из геотермальная площадка используется как для отопления, так и для производства электроэнергии. Найти подходящие сайты может быть сложно, хотя из-за технических новшеств происходят, больше сайтов становятся практичными. Использование геотермальных источников также может имеют эффект «выключения» природных гейзеров, и эта возможность необходимо учитывать на этапе планирования.

Солнечная Мощность

Солнечные элементы или «фотоэлектрические батареи» не используйте генератор; они генератор.Обычно собираются панелями, эти устройства используют способность света вызывать ток течь в некоторых веществах. Ряд ячеек соединены вместе, и ток течет от панели, когда на нее попадает солнечный свет. Они не производят загрязнение во время работы, и большинство ученых предсказывают, что запас топлива прослужит не менее 4 миллиардов лет.

Солнечные панели были относительно дорогими сделать, а ночью и в непогоду они конечно работать не будут. Некоторые процессы, необходимые для их производства, недавно были поставлены под сомнение с точки зрения экологии.Не весь солнечный свет, падающий на солнечную батарею, превращается в электричество, и повышение эффективности было медленной работой. Тем не менее, идея использования всего этого свободного солнечного света остается мощным двигателем солнечной энергии. власть.

Топливо Ячейки

Ценится за их полезность на космических кораблях, топливные элементы химически объединяют вещества для выработки электроэнергии. В то время как это может звучать очень похоже на батарею, топливные элементы питаются от непрерывный поток топлива.В американском космическом корабле «Шаттл», например, топливные элементы объединить водород и кислород для производства воды и электричества.

Топливные элементы обычно были дорогими для изготовления и не очень хорошо подходят для больших инсталляций. Однако они представляют «модульная» технология в этом качестве может быть добавлена ​​в небольшие приращения (5-20 МВт) по мере необходимости, позволяя коммунальным предприятиям сократить капитальные расходы и сроки строительства. Исследования кажутся многообещающими; одна испытательная установка в Йонкерсе, штат Нью-Йорк, может производить 200 кВт с использованием газа, образующегося при работе водоочистных сооружений.Кроме того, в Японии в качестве центрального источника энергии используются установки на топливных элементах.

Децентрализованная генерация

Максимальная полезность топливных элементов или фотоэлектрических элементов не может лежать в крупных центральных электростанциях. В эпоху, предшествовавшую великой сети проводов, охватывающие весь континент, небольшая генерирующая станция на помещения имели экономический смысл для многих деловых и промышленных потребителей. Поскольку двигатели и оборудование были усовершенствованы и спроектированы с учетом новое энергоснабжение, больше клиентов электрифицировали свой бизнес и дома.

В начале 20-го -го -го века, консолидированных малых генерирующих компаний и независимых растения медленно исчезли. Просто стало экономнее покупать энергия от централизованного коммунального предприятия, а не вырабатывается на месте. Крупные региональные энергетические пулы выросли, поскольку компании объединили свои передачи системы и разделяемые резервные мощности. «Экономия масштаба» стала часы-слова.

Это может измениться в 21 st Века.По мере совершенствования технологии производства электроэнергии и защиты окружающей среды растут опасения, сама концепция крупных централизованных генерирующих станций ставится под сомнение. Например, в большинстве случаев это неэкономично. для обогрева домов и предприятий из центра. Индивидуальные печи обеспечивать теплом отдельные здания за счет топлива, обеспечиваемого сопутствующими системы транспортировки и распределения. Бензиновые или дизельные генераторы обеспечивать децентрализованное электроснабжение зданий в чрезвычайных ситуациях, хотя они не экономичен для штатного питания.Продолжение технических улучшений в топливные элементы или фотогальваника могут изменить эту экономику. Эта возможность особенно привлекателен, учитывая стоимость и возражения против строительства. большие линии электропередач.

Производство тепловой энергии — обзор

12.9.4 Оптимизация ремонта в поисках здания nZEB

При комплексной реконструкции зданий необходимо продолжить совместную (и одновременную) установку и оптимизацию оболочки. Мы представим модель, Итурриага и др.2017 [52], что позволяет выбрать лучшую альтернативу реабилитации между различными технологиями установки и различными типами ограждающих конструкций. Таким образом, оптимизация решает, в какой степени более выгодно повысить эффективность оборудования и в какой степени — в пределах диапазона.

Это математическая модель простой и гибкой оптимизации, которая позволяет выбрать лучший проект из набора квазибесконечных решений. Что касается объектов, модель включает двоичные переменные для представления рабочего состояния тех технологий, которые имеют ограничения на регулирование нагрузки, включая включение и выключение оборудования.Этот аспект, хотя он значительно увеличивает вычислительные затраты, позволяет учесть реальное поведение, которое имеет большое значение для получения оптимальных результатов.

Что касается энергетических объектов, модель основана на определении общей надстройки, которая представляет все возможные технологии, режимы интеграции и рабочие стратегии для энергоснабжения здания. Математическая модель разделяет систему энергоснабжения на различные модули (подсистемы), которые взаимосвязанно образуют общую надстройку.Это предназначено для включения всех технологий, доступных на рынке, настоящих и будущих, позволяющих взаимодействие потоков энергии между этими модулями и окружающей средой здания (например, электрические сети, отопление или централизованное охлаждение). Временной горизонт был разделен на набор опорных дней, что позволяет проводить оптимизацию с помощью решающих программ последнего поколения с приемлемым временем вычислений. Модель в целом объединяет энергетическую модель, экономическую модель и саму проблему оптимизации.Читатели, желающие узнать больше, могут ознакомиться с докторской диссертацией Итурриага 2017 [53].

Модель в основном продумана с точки зрения инсталляции. Следовательно, теоретической основой для реализации любого решения для конвертов является предложение технологии virtual для выработки тепловой энергии, эквивалентной сэкономленной. В частности, указанная виртуальная технология будет производить в каждом временном интервале без какого-либо расхода топлива такое же количество тепловой энергии, которое могло бы сэкономить реализация указанного решения.Принимая это во внимание, внедрение указанной виртуальной технологии должно осуществляться на том же тепловом уровне, на котором возникает потребность в тепловом нагреве. Необходимо учитывать, что реабилитационные действия не являются аддитивными, то есть при выборе определенного решения для конверта любое другое решение автоматически отбрасывается. Этот факт отличает конверты как технологий производства тепла, технологий по сравнению с остальными рассматриваемыми технологиями.

Любая система энергоснабжения может быть понята как сумма различных интегрированных энергетических модулей для удовлетворения потребностей (отопление, ГВС, , охлаждение и электричество). По этой причине в модели выделены следующие модули: высокотемпературный ( HT ) нагревательный модуль, работающий в диапазоне 110–130 ° C, среднетемпературный ( MT ) нагревательный модуль, работающий в диапазоне 60 ° C. –80 ° C, низкотемпературный ( LT ) модуль нагрева в диапазоне 40–55 ° C, модуль охлаждения и модуль электричества.Эти модули интегрируются по-разному в зависимости от различных рассматриваемых технологий.

Различные требования к зданию являются выходами различных модулей. Таким образом, потребности в охлаждении и электроэнергии являются выходами модулей охлаждения и электричества, потребность в горячей воде является выходом модуля нагрева MT , а потребность в тепле является выходом модуля нагрева LT , который общая тенденция в настоящее время с учетом продвижения отопительных систем LT В любом случае надстройку можно адаптировать к существующим старым зданиям, разместив потребность в отоплении на выходе модулей MT или HT .Считается, что топливо разделено на два типа: управляемое и неуправляемое. Возобновляемые источники, такие как солнце или ветер, относятся ко второй группе, поскольку их работу нельзя оптимизировать.

Все модули имеют двунаправленное соединение с окружающей средой здания. Это позволяет покупать (или продавать) часть продукции другим пользователям или подключаться к сети централизованного теплоснабжения или охлаждения, или к любому другому источнику или поглотителю энергии. В случае электрического модуля это соединение представляет собой соединение с электрической сетью.Представление предлагаемой надстройки пытается включить все возможные конфигурации систем энергоснабжения для каждого из модулей, основанные на существующих технологиях. Модель включает двоичные переменные для представления рабочего состояния тех технологий, которые представляют ограничения для регулирования нагрузки, включая включение и выключение оборудования.

Технологии, рассматриваемые для оптимизации, показаны в таблице 12.1, сгруппированные по различным модулям. Были рассмотрены только достаточно зрелые технологии, которые реализованы на рынке.Инвестиционные затраты и эффективность, учитываемые в модели для каждой технологии, основаны на данных, опубликованных различными производителями оборудования.

Таблица 12.1. Типы технологий, рассматриваемых в модели.

Высокотемпературный нагревательный модуль (HT) Среднетемпературный нагревательный модуль (MT) Низкотемпературный нагревательный модуль (LT) Электрический модуль
Солнечный коллектор Солнечный коллектор Солнечный коллектор Фотоэлектрическая панель
Органический цикл Ренкина (ORC) Двигатель внутреннего сгорания Конденсационный котел на природном газе
Накопитель тепловой энергии (TES) Газовая турбина
Накопитель тепловой энергии (TES)

Кривые, характеризующие работу этих технологий, нелинейны, и их рассмотрение как таковые в модели повлечет за собой большую математическую сложность при решении проблемы и необходимость значительной вычислительной мощности.Чтобы избежать появления этих нелинейностей, непрерывная кривая тренда каждой технологии была дискретизирована до конечного числа номинальных мощностей. Короче говоря, общая модель, основанная на целочисленном и смешанном линейном программировании MILP , была разработана как для оптимизации оболочки и систем энергоснабжения в здании, так и в рабочих рамках здания с почти нулевым потреблением энергии ( nZEB ) стандарт,

Экономическая модель разработана с учетом того, что экономический эффект от внедрения систем энергоснабжения является результатом учета постоянных и переменных затрат.Эта модель учитывает методологию, предложенную BPIE [54] [E.31], которая основана на методе чистой приведенной стоимости, определенной в EN15459 [55] [E.32].

Целевая функция — это годовые затраты на удовлетворение различных требований модуля. Таким образом, задача оптимизации интегрирует энергетическую модель и экономическую модель целостным образом. Оптимизация заключается в нахождении переменных, которые минимизируют годовые затраты

minCannual

с учетом: (a) баланса энергии на технологическом уровне; (б) ограничения систем энергоснабжения; (c) ограничения на уровне здания; (г) пределы переменных.

MatLab R2014a [56] и CPLEX v12.6.2 [57] используются в качестве решателя последнего поколения MILP для оптимизации. Matlab — очень мощная среда в качестве интегратора; он имеет множество расчетных библиотек, специальные пакеты для проектирования и легко подключается к другому программному обеспечению, например, Excel и CPLEX . Его использование широко распространено в отделах НИОКР, инженерных компаний и технологических центров, хотя у него есть недостаток, заключающийся в том, что это платная программа.Бесплатная альтернатива — это программа R [58], которая активно разрабатывается и вскоре может стать альтернативой, сравнимой с Matlab с точки зрения эффективности. Со своей стороны, CPLEX — это современная библиотека оптимизации, разработанная IBM , которая имеет то преимущество, что она кроссплатформенная и многоязычная ( C , Python , Matlab , Excel ).

Преобразование энергии | технология | Britannica

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность выполнять работу.Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; эргон , «рабочий». Энергия может быть связана с материальным телом, как в спиральной пружине или движущемся объекте, или она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, пересекающее вакуум. Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Измерения энергии — это измерения работы, которые в классической механике формально определяются как произведение массы ( м ) и квадрата отношения длины ( l ) ко времени ( t ): мл 2 / т 2 .Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое он перемещается, или чем меньше времени требуется для перемещения массы, тем больше будет проделанная работа или больше затраченной энергии.

Развитие концепции энергии

Термин энергия не применялся как мера способности выполнять работу до довольно позднего периода развития науки механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к концепции энергии.Однако идея энергии восходит к Галилею 17 века. Он признал, что, когда груз поднимается с помощью системы шкивов, прилагаемая сила, умноженная на расстояние, через которое эта сила должна быть приложена (произведение, по определению называемое работой), остается постоянной, даже если любой из факторов может меняться. Концепция vis viva, или живой силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы и квадрата скорости, была введена в 17 веке. В 19 веке термин «энергия» применялся к концепции vis viva.

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что тогда интерес представляет интегральный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла силы, действующей на массу, которые можно определить. Один — это интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой — интеграл силы за время ее действия на массу или временной интеграл.

Вычисление пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь используется для представления изменения кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину от vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения количества движения массы в результате действия силы. Некоторое время велись споры о том, какая интеграция привела к надлежащей мере силы: немецкий философ-ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц утверждал, что пространственный интеграл является единственной истинной мерой, в то время как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную шкалу. интеграл.В конце концов, в XVIII веке физик Жан Д’Аламбер из Франции показал законность обоих подходов к измерению силы, действующей на массу, и что полемика велась только по номенклатуре.

Итак, сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия или энергия, возникающая в результате движения, является результатом пространственной интеграции силы, действующей на массу; импульс — это результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия — это мера способности выполнять работу.Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Сохранение энергии (см. Ниже) было независимо признано многими учеными в первой половине XIX века. Сохранение энергии как кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом.Кроме того, при более внимательном рассмотрении обнаруживается, что трение, которое служит ограничением для классической механики, выражается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях блока, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трения». Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. Джоуль также экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией в это время.Поскольку возникла необходимость в более подробном описании различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и соответствующий ему энергетический баланс в систему. представляет интерес, при условии общей потребности в сохранении энергии. Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, выделяющейся при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для работы машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.

Преимущества ТЭЦ | Агентство по охране окружающей среды США

ТЭЦ предлагает ряд преимуществ по сравнению с традиционным производством электроэнергии и тепловой энергии, в том числе:

Повышение эффективности

ТЭЦ требует меньше топлива для выработки заданной мощности и позволяет избежать потерь при передаче и распределении, которые возникают, когда электричество проходит по линиям электропередач.

Средняя эффективность электростанций, работающих на ископаемом топливе, в США составляет 33 процента. Это означает, что две трети энергии, используемой для производства электроэнергии на большинстве электростанций в Соединенных Штатах, тратится впустую в виде тепла, выбрасываемого в атмосферу.

За счет рекуперации потерянного тепла системы ТЭЦ обычно достигают общего КПД системы от 60 до 80 процентов для производства электроэнергии и полезной тепловой энергии. Некоторые системы достигают эффективности, приближающейся к 90 процентам.

На иллюстрации ниже показано повышение эффективности системы ТЭЦ с турбиной внутреннего сгорания, работающей на природном газе, мощностью 5 мегаватт (МВт) по сравнению с традиционным производством электроэнергии и полезной тепловой энергии (т.

Сравнение традиционной генерации и ТЭЦ: общий КПД

Это пример типичной системы ТЭЦ. Для производства 75 единиц электроэнергии и полезной тепловой энергии обычная система использует 147 единиц энергозатрат — 91 для производства электроэнергии и 56 для производства полезной тепловой энергии, в результате чего общий КПД составляет 51 процент. Однако системе ТЭЦ требуется всего 100 единиц вводимой энергии для производства 75 единиц электроэнергии и полезной тепловой энергии, в результате чего общий КПД системы составляет 75 процентов.

Эффективность когенерационной системы зависит от используемой технологии и конструкции системы. Пять наиболее часто устанавливаемых источников энергии ТЭЦ (известных как «первичные двигатели») предлагают следующие показатели эффективности:

  • Паровая турбина: 80 процентов
  • Поршневой двигатель: 75-80 процентов
  • Турбина внутреннего сгорания: 65-70 процентов
  • Микротурбина: 60-70 процентов
  • Топливный элемент: 55-80 процентов

Каталог технологий когенерации содержит подробную информацию об этих технологиях.

Предотвращенные потери при передаче и распределении

Вырабатывая электроэнергию на месте, ТЭЦ также избегает потерь при передаче и распределении (T&D), которые возникают, когда электричество проходит по линиям электропередач. В пяти основных энергосистемах США средние потери T&D варьируются от 4,23% до 5,35%, при среднем уровне по стране 4,48% (Источник: Интегрированная база данных о выбросах и генерирующих ресурсах [eGRID]). Потери могут быть еще выше, если сеть натянута и температура высока.Избегая потерь T&D, связанных с традиционным электроснабжением, ТЭЦ дополнительно сокращает потребление топлива, помогает избежать необходимости в новой инфраструктуре T&D и снижает перегрузку сети при высоком спросе на электроэнергию.

Экологические преимущества

Поскольку для производства каждой единицы выработанной энергии сжигается меньше топлива, а также предотвращаются потери при передаче и распределении, ТЭЦ снижает выбросы парниковых газов и других загрязнителей воздуха.

Системы

ТЭЦ предлагают значительные экологические преимущества по сравнению с покупной электроэнергией и тепловой энергией, производимой на месте.Улавливая и используя тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую при производстве электроэнергии, системы ТЭЦ требуют меньше топлива для производства того же количества энергии.

Поскольку сжигается меньше топлива, сокращаются выбросы парниковых газов, таких как диоксид углерода (CO 2 ), а также других загрязнителей воздуха, таких как оксиды азота (NO x ) и диоксид серы (SO 2 ).

На следующей диаграмме показана величина сокращения выбросов CO 2 от системы ТЭЦ, работающей на природном газе, мощностью 5 мегаватт (МВт) по сравнению с такой же выработкой энергии из традиционных источников.

Сравнение традиционной генерации и ТЭЦ: CO

2 Выбросы На этой диаграмме показаны выбросы CO2 от выработки электроэнергии и полезной тепловой энергии для двух систем: (1) электростанция, работающая на ископаемом топливе, и котел, работающий на природном газе; и (2) система ТЭЦ с турбиной внутреннего сгорания мощностью 5 мегаватт, работающая на природном газе. Отдельная система теплоэнергетики выбрасывает в общей сложности 45 килотонн CO2 в год (13 килотонн от котла и 32 килотонны от электростанции), в то время как система ТЭЦ с ее более высокой эффективностью выбрасывает 23 килотонны CO2 в год.

Экономическая выгода

ТЭЦ может предложить различные экономические выгоды, в том числе:

  • Снижение затрат на электроэнергию: ТЭЦ снижает счета за электроэнергию благодаря своей высокой эффективности. Используя технологию рекуперации отработанного тепла для улавливания ненужного тепла, связанного с производством электроэнергии, системы ТЭЦ обычно достигают общего КПД системы от 60 до 80 процентов по сравнению с 50 процентами для традиционных технологий (т. Е. Покупной электроэнергии и котла на месте).В основном для данной единицы выработки энергии требуется меньше топлива. Кроме того, поскольку в системах ТЭЦ обычно используется природный газ, который зачастую дешевле покупной электроэнергии, ТЭЦ может помочь снизить счета за электроэнергию. Счета еще больше снижаются, потому что выработка ТЭЦ снижает закупку электроэнергии.
  • Избегаемые капитальные затраты: ТЭЦ часто позволяет снизить стоимость замены отопительного оборудования.
  • Защита потоков доходов: За счет выработки электроэнергии на месте и повышения надежности ТЭЦ может позволить предприятиям продолжать работу в случае аварии или прекращения подачи электроэнергии из сети.
  • Меньшая подверженность повышению тарифов на электроэнергию: Поскольку меньше электроэнергии покупается из сети, предприятия меньше подвержены повышению тарифов. Кроме того, система ТЭЦ может быть сконфигурирована для работы на различных видах топлива, таких как природный газ, биогаз, уголь и биомасса; таким образом, предприятие могло бы создать возможность переключения на другой вид топлива, чтобы застраховаться от высоких цен на топливо.

Преимущества надежности

Ненадежное электроснабжение представляет собой поддающийся количественной оценке риск для бизнеса, безопасности и здоровья для некоторых компаний и организаций.ТЭЦ — это локальный генерирующий ресурс, который может быть спроектирован для поддержки непрерывной работы в случае бедствия или сбоя в сети, продолжая обеспечивать надежную электроэнергию.

Помимо снижения эксплуатационных расходов, системы когенерации могут быть спроектированы так, чтобы продолжать работу в случае сбоев в сети, чтобы обеспечить непрерывную подачу электроэнергии для критически важных функций.

Перебои в подаче электроэнергии из сети представляют собой измеримый риск для бизнеса, безопасности и здоровья для некоторых объектов.

  • Первым шагом при включении когенерации в стратегию снижения бизнес-рисков является расчет значения надежности и риска простоев для конкретного объекта.
  • После определения и количественной оценки (в денежном выражении) ценности надежной подачи электроэнергии для работы объекта, можно оценить и оценить затраты на проектирование и настройку технологии когенерации для защиты от отключений. Системы когенерации могут быть настроены в соответствии с конкретными потребностями в надежности и профилями риска любого объекта.

Глава 1 — Основные концепции энергии *

Глава 1 — Основные концепции энергии *


* Автор: W.S. Университет Хульшера Твенте, Нидерланды


1. Введение
2. Формы энергии
3. Преобразование энергии
4. Энергия и мощность
5. Источники энергии
6. Некоторые примечания по энергии терминология
7. Поток энергии
8. Единицы измерения энергии
9.Энергетические потери и КПД
10. Эквивалентность и замена энергетических форм
11. Энергетический баланс
12. Потребности в энергии процесса и валовые потребности в энергии
13. Примеры расчетов преобразований энергии

Энергия участвует во всех жизненных циклах, и она важна в сельском хозяйстве так же, как и во всех других видах производственной деятельности. Элементарная пищевая цепочка уже показывает потребность в энергии: культурам нужна энергия. Для выращивания солнечного излучения, для сбора урожая нужна энергия человеческого тела в работе, а для приготовления пищи нужна энергия из биомассы в огне.Пища, в свою очередь, снабжает организм энергией.

Интенсификация производства продуктов питания для повышения урожайности с гектара и любые другие достижения в сельскохозяйственном производстве подразумевают дополнительные операции, все из которых требуют энергии. Например: подготовка и обработка земли, внесение удобрений, орошение, транспортировка и обработка сельскохозяйственных культур. Для поддержки этих операций используются инструменты и оборудование, для производства которых также требуется энергия (на лесопильных заводах, в металлургических процессах, в цехах и фабриках и т. Д.).

Основные изменения в сельском хозяйстве, такие как механизация и так называемая «зеленая революция», предполагают серьезные изменения в отношении энергетики. Механизация означает изменение источников энергии и часто чистое увеличение использования энергии. Зеленая революция дала нам высокоурожайные сорта. Но их также можно назвать сортами с низким содержанием остатков (т. Е. На единицу урожая). И именно остатки имеют значение как источник энергии для больших групп сельского населения.

Другие отрасли сельской жизни также нуждаются в энергии.Примерами являются обеспечение жильем, отопление помещений, водоподъем, строительство дорог, школ и больниц. Кроме того, общественная жизнь нуждается в энергии для освещения, развлечений, общения и т. Д. Мы наблюдаем, что развитие часто подразумевает дополнительную энергию, а также различные формы энергии, такие как электричество.

Энергия — дефицитный ресурс, по крайней мере, для некоторых групп людей в некоторых местах и, возможно, для мира в целом. В таком случае рациональное использование энергии необходимо по экономическим и экологическим причинам.Это относится к сельскому хозяйству в такой же степени, как и к любому другому сектору экономики. Ключом к рациональному использованию энергии является понимание роли энергии. Следующие разделы призваны помочь понять использование энергии в сельском хозяйстве и развитии сельских районов. Это должно способствовать общению между планировщиками сельского хозяйства и специалистами в области энергетики. Любой, кто знаком с концепциями энергетики, должен пропустить эту главу и сразу же прочитать главу 2.

Энергия может существовать в различных формах. Примеры:

Излучение энергия: излучение солнца содержит энергию, а также излучение света или огня.Больше солнечной энергии доступно, когда излучение более интенсивное и когда оно собирается на большей площади. Свет — это видимая часть излучения;

Химическая промышленность энергия: древесина и масло содержат энергию в химической форме. То же самое и со всеми остальными материалами, которые могут гореть. Содержание химической энергии тем больше, чем больше теплотворная способность (теплотворная способность) материала и, конечно же, чем больше у нас материала. Также одушевленная энергия (доставляемая телами людей и животных), по сути, является химической энергией.Кроме того, батареи содержат химическую энергию;

Потенциальная энергия : это, например, энергия водоема на определенной высоте. Вода может упасть и, следовательно, содержит определенное количество энергии. Больше потенциальной энергии доступно, когда воды больше и когда она находится на большей высоте;

Кинетическая энергия : это энергия движения, как при ветре или в потоке воды. Чем быстрее течет ручей и чем больше в нем воды, тем больше энергии он может доставить.Точно так же больше энергии ветра доступно при более высоких скоростях ветра, и больше ее может потребляться более крупными роторами ветряных мельниц;

Тепловая энергия или тепло: это указывается температурой. Чем выше температура, тем больше энергии присутствует в виде тепла. Кроме того, более крупное тело содержит больше тепла;

Механическая энергия или энергия вращения, также называемая мощностью вала : это энергия вращающегося вала . Количество доступной энергии зависит от маховика вала, т.е.э.:. от силы, которая заставляет вал вращаться;

Электроэнергия Энергия: динамо-машина или генератор и аккумулятор могут поставлять электрическую энергию. Чем выше напряжение и сила тока, тем больше электроэнергии доступно.

Обратите внимание, что иногда под «формой энергии» подразумевается источник энергии (см. Раздел 5) или даже конкретное топливо (например, нефть или уголь).

«Использование» энергии всегда означает преобразование энергии из одной формы в другую.Например, при отоплении помещений мы используем энергию, то есть преобразуем химическую энергию древесины в тепло. Или, при лифтовом орошении, дизельный двигатель преобразует химическую энергию нефти в механическую энергию для приведения в действие вала насоса, который, в свою очередь, преобразует мощность вала в потенциальную энергию воды (то есть поднимает воду на большую высоту).

«Производство» энергии также означает преобразование энергии из одной формы в другую. Можно сказать, что дизельный двигатель вырабатывает энергию, что означает, что двигатель преобразует химическую энергию масла в механическую.Кроме того, ветряная турбина вырабатывает энергию, что означает, что она преобразует кинетическую энергию ветра в механическую. А солнечный фотоэлемент вырабатывает энергию, преобразуя энергию излучения в электричество.

Фактически, производство энергии связано с источником энергии, тогда как использование энергии служит конечному использованию энергии. Между ними энергия может проходить через несколько этапов преобразования. Слова «генерация» и «использование» немного сбивают с толку, потому что на самом деле никакая энергия не может быть создана или уничтожена.Все, что мы можем сделать, это преобразовать энергию из одной формы в другую. При производстве энергии мы делаем энергию доступной из источника, преобразовывая ее в другую форму. Используя энергию, мы также преобразуем энергию, часто из некоторой промежуточной формы в полезную форму. Во всех преобразованиях мы обнаруживаем, что часть энергии теряется. Это не означает, что он разрушен, а скорее, что он потерян для наших целей из-за рассеивания в виде тепла или иным образом (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Преобразование энергии

Преобразование энергии может происходить из любой формы энергии практически в любую другую форму энергии. (Некоторые преобразования не имеют практического значения.) Какое преобразование требуется, зависит от наших целей. Например, для выработки электроэнергии мы преобразуем потенциальную энергию гидроресурсов в механическую энергию, тогда как при перекачивании воды для лифтового орошения мы делаем обратное. И с фотоэлектрическими элементами мы преобразуем энергию излучения в электричество, тогда как с лампочками мы делаем наоборот.

В таблице 5 раздела 9 приведены примеры преобразований и некоторые типичные значения КПД преобразователей энергии.

В разделе 13 показаны некоторые расчеты преобразования энергии.

Энергия и мощность — взаимосвязанные, но совершенно разные понятия. В баке с бензином содержится определенное количество энергии. Мы можем сжечь этот бензин за определенный период времени, то есть преобразовать энергию бензина в механическую энергию, возможно, для питания автомобиля. Мощность — это энергия, произведенная в единицу времени.Процесс горения может быть быстрым или медленным. В случае более быстрого сгорания вырабатывается больше мощности. Очевидно, что в случае выработки большой мощности резервуар опустеет раньше, чем в случае выработки малой мощности. Если мощность — это энергия в единицу времени, тогда энергия — это мощность, умноженная на период времени. Например, если бык выдает определенное количество энергии, то по прошествии определенного периода времени он будет доставить определенное количество энергии, то есть мощность, умноженную на период времени.


Тот же принцип применяется ко всем другим видам преобразования энергии, будь то для производства или использования энергии.Это означает, что мы характеризуем энергоресурсы в единицах энергии (количество энергии, которое они содержат), а устройства преобразования энергии в единицах мощности (количество энергии, которое они могут производить или потреблять).

Более пристальный взгляд на список форм энергии в разделе 2 показывает, что некоторые из них фактически были описаны в терминах мощности (излучение, кинетическая, механическая и электрическая энергия). Они становятся величинами энергии, когда мы указываем период времени, в течение которого предоставляется мощность, и умножаем мощность на этот период времени.Также в разделе 2 количества химической, потенциальной и тепловой энергии становятся величинами мощности, когда мы делим их на период времени, в течение которого количество энергии преобразуется.

Источники энергии частично соответствуют формам энергии из раздела 2, но не полностью. Следующие источники энергии могут быть актуальны для сельской местности.

Биомасса. Мы различаем древесную биомассу (стебли, ветви, кустарники, живые изгороди, ветки), недревесную биомассу (стебли, листья, трава и т. Д.)) и растительные остатки (жом, шелуха, стебли, скорлупа, початки и т. д.). Энергия преобразуется посредством сжигания (сжигания), газификации (превращение в газ) или анаэробного сбраживания (производство биогаза). В идеале для сжигания и газификации требуется сухая биомасса, тогда как для анаэробного сбраживания вполне может использоваться влажная биомасса. Подготовка топлива может включать измельчение, смешивание, сушку, карбонизацию (т. Е. Производство древесного угля) и брикетирование (т. Е. Уплотнение остатков сельскохозяйственных культур и другой биомассы).

Навоз животных и человеческих экскрементов.Энергия преобразуется путем прямого сжигания или анаэробного сбраживания.

Анимация энергии. Это энергия, которую люди и животные могут доставить, выполняя работу.

Солнечное излучение, т.е. энергия солнца. Мы различаем прямолинейное излучение и диффузное (отраженное) излучение. Прямое излучение собирается только тогда, когда коллектор обращен к солнцу. Рассеянное излучение менее интенсивно, но исходит со всех сторон, а также присутствует в пасмурный день.Солнечная энергия может быть преобразована с помощью тепловых солнечных устройств (генерирующих тепло) или фотоэлектрических элементов (генерирующих электричество). Для солнечных устройств с прямым лучом (тепловых или фотоэлектрических) потребуется механизм слежения, чтобы устройство было постоянно обращено к солнцу.

Гидроресурсы, то есть энергия из водохранилищ и ручьев. Мы различаем: озера с водохранилищами, естественные истоки (водопады), плотины и русловые системы. Гидроэнергия может быть преобразована с помощью водяных колес или гидротурбин.

Энергия ветра, т.е. энергия ветра. Ветровые машины могут быть сконструированы как для выработки электроэнергии, так и для подъема воды (для орошения и питьевой воды).

Ископаемое топливо, например, уголь, нефть и природный газ. В отличие от предыдущих источников энергии, ископаемые источники энергии не возобновляются.

Геотермальная энергия, то есть энергия, содержащаяся в форме тепла в земле. Различают тектонические плиты (в вулканических областях) и геопрессованные резервуары (могут быть где угодно).Геотермальная энергия, строго говоря, невозобновляемая, но количество тепла на Земле настолько велико, что по практическим соображениям геотермальная энергия обычно считается возобновляемой. Геотермальная энергия может быть использована только в тех местах, где высокие температуры земли приближаются к поверхности земли.

Этот список содержит только первичных источников энергии. Это источники энергии, которые присутствуют в нашей природной среде. Вторичные источники энергии, такие как батареи, сюда не входят.

Мы видим, что первичные источники энергии не являются конечными источниками энергии. Например, живая энергия поступает из биомассы, тогда как энергия биомассы в конечном итоге исходит от солнца. Помимо геотермальной и ядерной энергии, все наши так называемые первичные источники энергии в конечном итоге получают энергию от солнца!

В разделе 10 обсуждаются методы сравнения энергоемкости источников энергии.

Источники энергии иногда классифицируют по следующим характеристикам: возобновляемые, традиционные, коммерческие и т. Д.Терминология довольно неоднозначна, так как значение слов часто зависит от контекста. Некоторые коннотации даны ниже.

Возобновляемая энергия обычно противопоставляется ископаемому. Возобновляемая энергия — это энергия биомассы, живой, солнечной, водной и ветровой энергии, а также геотермальная энергия. Ископаемая энергия содержится в угле, нефти и природном газе.

Традиционная энергия часто противопоставляется нетрадиционной энергии , а также новой энергии.Однако то, что считать традиционным, зависит от того, к чему вы привыкли. В индустриальных обществах, которые используют ископаемое топливо, возобновляемые источники энергии, такие как биомасса и живая энергия, часто называют традиционными. В то же время инженеры, работающие над «новыми» видами энергии, такими как энергия ветра или солнца, часто считают ископаемое топливо традиционным. По-видимому, то, что люди называют традиционными, — это те формы, к которым они на самом деле , а не привыкли.

Новые и возобновляемые источники энергии часто объединяются.Они исключают ископаемую и ядерную энергию.

Коммерческая энергия контрастирует с некоммерческой энергией , а иногда и с традиционной энергией . Коммерческая энергия, безусловно, включает энергию из ископаемого топлива, которое было монетизировано, а также некоторые формы новых и возобновляемых источников энергии, которые являются частью денежной экономики. Биомасса и некоторые другие источники возобновляемой энергии (тепловая солнечная энергия) иногда считаются некоммерческими, поскольку они считаются свободно доступными.Однако во многих областях за топливо из биомассы приходится платить!

Как мы видели, производство и использование энергии означает преобразование энергии из одной формы в другую. Часто подразумеваются промежуточные этапы. Энергия проходит через ряд форм, а также через этапы преобразования между источником и конечным потребителем. Соответственно увеличиваются и затраты. Мы различаем первичную, вторичную, конечную и полезную энергию.

Примером может служить поток энергии, связанный с древесным углем.Здесь первичной формой энергии является древесина. Древесина превращается в древесный уголь в угольной печи. Древесный уголь — вторичный вид энергии, и он транспортируется к потребителю. Потребитель покупает на рынке древесный уголь, и это называется конечной энергией. В конечном итоге потребитель превращает древесный уголь в тепло для приготовления пищи. Тепло — это полезная энергия.

Другой пример потока энергии: первичная энергия в виде гидроресурсов, вторичная энергия в виде электричества на гидроэлектростанции, конечная энергия в виде электричества на лесопильном заводе и полезная энергия в форма вала мощности для распиловки.

энергия

технология

примеры

первичный

уголь, древесина, гидроэнергетика, навоз, нефть и т. Д.

преобразование

электростанция, печь, нефтеперерабатывающий завод, метантенк

вторичный

рафинированное масло, электричество, биогаз

транспорт / трансмиссия

грузовые автомобили, трубы, провода

финал

дизельное топливо, древесный уголь, электричество, биогаз

преобразование

двигатели, обогреватели, печи

полезный

мощность на валу, тепло

Поток энергии представлен на диаграмме на рисунке 2.Это относится к следующей терминологии.

Первичная энергия — это энергия, доступная в естественной среде, то есть первичный источник энергии.

Вторичная энергия — энергия, готовая к транспортировке или передаче.

Конечная энергия — это энергия, которую потребитель покупает или получает.

Полезная энергия — это энергия, которая вводится в приложение конечного использования.

Обратите внимание, что полезная энергия почти всегда выражается либо в виде тепла, либо в виде мощности на валу.Для некоторых конечных пользователей (например, оборудования связи) электричество является формой полезной энергии.

Обратите внимание, что в некоторых случаях первичная энергия одновременно является вторичной и даже конечной энергией (например, древесина, собранная для приготовления пищи, или оживленная сила для вытягивания).

Разбивка первичной энергии на полезную имеет значение, потому что на каждом этапе преобразования теряется некоторая энергия. Чтобы снизить затраты и избежать ненужных потерь, мы всегда стремимся исключить ненужные шаги в потоке энергии.

Кроме того, разбивка потоков энергии актуальна для обследований и статистики. Мы не можем просто добавить первичную энергию, скажем, к конечной энергии! (см. раздел 10.)

До сих пор мы обсуждали энергетику с качественной точки зрения. Чтобы продолжить, мы должны обсудить энергию количественно. Это означает, что нам нужны единицы для измерения количества энергии и связанных понятий. Мы используем международную систему единиц (единицы СИ), которая основана на размерах и основных единицах, указанных в таблице 1.

Таблица 1. Основные единицы СИ

размер

базовый блок

символ

длина

метр

м

масса

килограмм

кг

время

Второй

с

электрический ток

ампер

А

температура

кельвина

° K

Единицей измерения энергии в этой системе единиц является джоуль (Дж), а единицей измерения мощности — ватт (Вт).Эти и многие другие единицы могут быть производными от основных единиц СИ. Взаимосвязь между некоторыми производными единицами СИ и основными единицами СИ представлена ​​в таблице 2.

Таблица 2. Производные единицы СИ

размер

шт.

символ

площадь

кв.м.

м²

объем

кубический метр

м³

скорость

метра в секунду

м / с

ускорение

метра в секунду

м / с²

давление

паскаль

Па (= Н / м)

объемный расход

кубических метров в секунду

м ³ / с

массовый расход

килограмм в секунду

кг / с

плотность

килограмм на кубический метр

кг / м³

сила

ньютон (*)

Н (= кг.м / с²)

энергия

джоуль (**)

Дж (= Н-м)

мощность

Вт

Вт (= Дж / с)

поток энергии

Вт на квадратный метр

Вт / м²

теплотворная способность

джоуль на килограмм

Дж / кг

удельная теплоемкость

джоуль на килограмм кельвина

Дж / кг.К

напряжение

вольт

В (= Вт / А)

(*) Сила, действующая на массу в 1 кг, равна ок. 10 Н.
(**) Энергия, необходимая для подъема 1 кг на 1 метр. Обратите внимание, что = W.s.

В некоторых странах или в конкретном контексте также используются единицы, отличные от единиц СИ. Их можно преобразовать в единицы СИ, более удобные для расчетов. Преобразование некоторых единиц, не относящихся к системе СИ, в единицы СИ приведено в таблице 3 для энергии и мощности.

Таблица 3. Преобразование единиц, не относящихся к системе СИ

Внесистемная единица измерения энергии

символ

эквивалент в единицах СИ

эрг

эрг

10- 7 Дж

фут-фунт сила

фут.фунт-сила

1,356 Дж

калорий

кал

4,187 Дж

Килограммусомер

кгс.м

9,8 Дж

Британская тепловая установка

британских тепловых единиц

1,055 x 10 3 Дж

л.с. · час (метрическая система)

л.с.ч.

2,646 x 10 6 Дж

л.с. · час (ГБ)

л.с. / ч

2,686 x 10 6 Дж

киловатт-час

кВтч

3,60 x 10 6 Дж

баррель нефтяного эквивалента

н.э.

6.119 x 10 9 Дж

тонны эквивалента древесины

9,83 x 10 9 Дж

т угольного эквивалента

тройник

29,31 x 10 9 Дж

тонны нефтяного эквивалента

палец

41,87 x 10 9 Дж

четырехъядерный (PBtu)

1.055 x 10 18 J

тера ватт год

TWy

31,5 x 10 18 Дж

Внесистемная единица измерения мощности

символ

эквивалент в единицах СИ

фут-фунт в час

фут.фунт / ч

0,377 x 10 -3 Вт

калорий в минуту

кал / мин

69,8 x 10 -3 Вт

британских тепловых единиц в час

БТЕ / ч

0,293 Вт

британских тепловых единиц в секунду

БТЕ / с

1.06 x 10 3 W

килокалорий в час

ккал / ч

1,163 Вт

фут-фунт-сила в секунду

фут-фунт-сила / с

1,356 Вт

калорий в секунду

кал / с

4,19 Вт

килограмм-сила-метр в секунду

кгс.м / с

9,8 Вт

лошадиных сил (метрическая система)

л.с.

735,49 Вт

л.с. (ГБ)

л.с.

746 W

Степень десяти часто сокращается путем записи префиксов перед единицей. Например, символ G означает гига, что означает 10 в степени 9, т.е.е. миллиард. Тогда один миллиард Вт записывается как 1 ГВт (один гигаватт). Общие префиксы приведены в таблице 4.

Таблица 4. Префиксы SI

префикс

символ

множитель

exa

E

10 18

пета

П

10 15

тера

т

10 12

гига

г

10 9 (= 1 000 000 000)

мега

м

10 6 (= миллион)

кг

к

10 3 (= тысяча)

га

ч

10 2 (= сто)

дека

да

10 1 (= десять)

деци

д

10 -1 (= десятая часть)

сенти

с

10 (= сотая)

милли

м

10 -3 и т. Д….

микро

u

10 -6

нано

п

10 -9

пико

П

10 -12

фемто

ф

10 -15

атто

а

10 -18

Величины форм энергии

Теперь, когда у нас есть единицы измерения энергии, мы можем проводить количественные сравнения и расчеты.Следующие результаты дают нам некоторое представление о величинах энергии, представленной в различных формах энергии.

Все примеры эквивалентны примерно 100 кДж;

— излучение солнца на крыше дома (около 40 м²) за 2,5 с

— энергия, выделяемая при сжигании 3,5 г угля или 2,9 г бензина; или энергия, хранящаяся в 1/4 ломтика хлеба

— крупный объект (1000 кг) на высоте 10 м

— энергия, вырабатываемая ветряком диаметром 3 м при скорости ветра 5 м / с (ветерок) в течение 20 минут; или энергия, запасенная в массе автомобиля (1000 кг), движущегося со скоростью 50 км / ч, тепло, выделяемое при охлаждении трех чашек кофе (0.4 кг) от 80 ° С до 20 ° С; или энергия, необходимая для плавления 0,3 кг льда

— железный маховик диаметром 0,6 м и толщиной 70 мм, вращающийся со скоростью 1500 оборотов в секунду.

— энергия, потребляемая электрической лампочкой мощностью 100 Вт за 17 минут

Раздел 13 иллюстрирует использование единиц энергии в некоторых расчетах преобразования энергии.

Как было сказано в разделе 3, преобразование энергии всегда влечет за собой потери энергии. Это приводит нас к следующему понятию эффективности.Некоторое количество энергии в определенной форме помещается в машину или устройство для преобразования в другую форму энергии. Выходная энергия в желаемой форме — это только часть входящей энергии. Баланс — это потеря энергии (обычно в виде рассеянного тепла). Это означает, что преобразователь имеет КПД менее 100%.

Эффективность преобразователя энергии теперь определяется как количество энергии в желаемой форме (выходная энергия), деленное на количество энергии, затраченной на преобразование (входная энергия).КПД обычно обозначают греческой буквой h .

Отсюда:

В таблице 5 приведены некоторые типичные значения КПД преобразователей энергии.

Таблица 5. Некоторые типичные значения КПД преобразователей энергии

Преобразователь

форма входной энергии

форма выходной энергии

КПД%

бензиновый двигатель

химическая

механический

20-25

дизельный двигатель

химическая

механический

30-45

электродвигатель

электрика

механический

80-95

котельно-турбинный

термический

механический

7-40

гидравлический насос

механический

потенциал

40-80

гидротурбина

потенциал

механический

70-99

гидротурбина

кинетическая

механический

30-70

генератор

механический

электрика

80-95

аккумулятор

химическая

электрика

80-90

солнечная батарея

радиация

электрика

8-15

солнечный коллектор

радиация

термический

25–65

лампа электрическая

электрика

свет

ок.5

водяной насос

механический

потенциал

ок. 60

водонагреватель

электрика

термический

90-92

плита газовая

химическая

термический

24 — 30

В некоторых из этих преобразователей промежуточные формы энергии встречаются между формой входной энергии и формой выходной энергии.Например, в дизельных двигателях промежуточной формой является тепловая энергия.

Когда тепловая энергия используется в качестве входной или промежуточной формы, эффективность обычно низкая.

Преобразователем энергии может быть устройство, процесс или целая система. Пример эффективности системы преобразования энергии приведен в таблице 6. Общая эффективность равна произведению эффективности различных компонентов системы. Мы видим, что она действительно может быть очень низкой.

Таблица 6

форма энергии

преобразователь энергии

КПД

химическая энергия

дизельный двигатель

30%

механическая энергия

генератор

80%

электричество

электродвигатель

80%

механическая энергия

водяной насос

60%

потенциальная энергия

КПД системы = 30% x 80% x 80% x 60% = 12%

КПД системы преобразования энергии:
Пример

Там, где энергия является дефицитным ресурсом, мы хотим, чтобы эффективность преобразования была высокой, чтобы сэкономить энергию.Но более высокая эффективность часто подразумевает более высокие затраты на лучшее оборудование. Оптимизация, с одной стороны, затрат на энергию и, с другой стороны, затрат на оборудование, является основной задачей энергетического планирования. Проблема оптимизации отличается, когда источники энергии являются бесплатными (например, с ветровыми, солнечными и некоторыми гидроисточниками). Таким образом, энергоэффективность имеет ограниченное значение, и при выборе технологии следует руководствоваться экономической эффективностью оборудования.

Очень высокий КПД системы может быть получен, когда тепловые потери от одного преобразователя используются в качестве энергозатрат в другом.Мы называем это использованием отходящего тепла. Это применимо, например, в переработке сельскохозяйственной продукции, где тепло промышленных преобразователей используется для сушки продуктов. Когенерация — еще один пример, то есть использование «отходящего» тепла от производства электроэнергии для целей технологического тепла в промышленности.

В принципе, энергетическая ценность топлива известна, когда топливо указано в спецификации. Для химической энергии содержание энергии дается как теплотворная способность или теплотворная способность топлива.Единицей измерения может быть МДж / кг. Таким образом, мы можем сравнивать разные виды топлива с разным содержанием энергии. Мы можем вычислить, сколько одного топлива эквивалентно количеству другого топлива. Для количественной оценки энергоресурсов мы иногда используем уголь в качестве эталона, и единица для сравнения — эквивалент в тонне угля (тройник). Тогда определенное количество энергоресурса характеризуется своим тройником. То есть ресурс имеет энергоемкость, эквивалентную многим тройкам.

В качестве альтернативы, мы можем выразить энергетический эквивалент ресурса в единицах тонны нефтяного эквивалента (тнэ) или в баррелях нефтяного эквивалента (бнэ).В таблице 7 приведены эквивалентные значения некоторых видов топлива.

Таблица 7. Энергетические эквиваленты некоторых видов топлива

топливо

шт.

тонны угольного эквивалента

тонны нефтяного эквивалента

баррелей нефтяного эквивалента

ГДж (*)

уголь

тонны

1.00

0,70

5,05

29,3

дрова (**) (воздушная сушка)

тонны

0,46

0,32

2,34

13,6

керосин (реактивное топливо)

тонны

1.47

1.03

7,43

43,1

природный газ

1000 м 3

1,19

0,83

6,00

34,8

бензин

бочка

0.18

0,12

0,90

5,2

газойль / дизельное топливо

бочка

0,20

0,14

1,00

5,7

(*) Обратите внимание, что ГДж / тонна совпадает с МДж / кг.

(**) Обратите внимание, что энергетический эквивалент древесины может изменяться в 3 раза в зависимости от влажности древесины.

Однако то, чего мы можем достичь с помощью количества энергии, во многом зависит от того, как она используется, то есть от эффективности применяемых преобразователей энергии. Как мы видели в Разделе 9, КПД может сильно различаться для разных преобразователей. Таким образом, эквивалент энергии имеет для нас ограниченное применение. На практике при сравнении источников энергии нас больше интересует восстановительная стоимость формы энергии. Последний указывает, сколько этой формы энергии требуется для выполнения той же работы (т.е. служат для того же использования) в качестве другой формы энергии или топлива. Опять же, в качестве ссылки иногда используется уголь. Замещающая стоимость формы энергии, опять же, выражается в тройнике. Однако это значение будет отличаться от эквивалентного значения этой формы энергии.

Простой способ сравнения значений замены различных форм энергии — это указать, сколько единиц формы энергии (или топлива) может заменить один кг угля. Мы называем это коэффициентом замещения топлива. Коэффициенты замещения некоторых видов энергии в домах по сравнению с углем приведены в Таблице 8, взятые из конкретного обследования.(В качестве альтернативы, аналогичная таблица может быть составлена ​​с использованием масла в качестве эталона.) Следует отметить, что цифры служат только в качестве примера, поскольку они зависят от фактической эффективности применяемых методов преобразования.

Таблица 8. Коэффициент замещения угля некоторыми видами энергии

форма энергии или топливо

шт.

Коэффициент замещения угля (кг угля на единицу)

Жмых навоза

кг

0.30

растительные отходы

кг

0.60

дрова

кг

0,70 — 0,95

мягкий кокс

кг

1,50

уголь

кг

1.80

керосир (лампа)

1

2,10

керосин (плита)

1

5,20 — 7,00

электричество

кВтч

0,70

(Коэффициент замещения угля — это количество кг угля, которое требуется для эффективной замены 1 единицы энергии или топлива при определенных допущениях.)

Хорошие примеры замены угля — керосиновая лампа и керосиновая печь. Угольный эквивалент керосина составлял 1,47, что означает, что теплотворная способность 1 кг керосина равна теплоте сгорания 1,47 кг угля. Однако коэффициент замещения угля для керосиновой лампы составляет 2,10, а это означает, что для получения такого же количества света, как из 1 кг керосина, потребуется 2,10 кг угля. А коэффициент замещения угля в керосиновой печи составляет около 6, что означает, что для получения такого же количества тепла в котле требуется 6 кг угля, чем от 1 кг керосина.

В Разделе 7 упоминалось, что разбивка потоков энергии актуальна для обследований и статистики. Это иллюстрируется предыдущим обсуждением эквивалентности энергии и замены энергии. Мы можем добавить первичные энергоресурсы конкретного региона, сложив энергетические эквиваленты всех различных доступных первичных энергоресурсов. Это даст нам довольно теоретическую цифру, поскольку не говорит, что можно сделать с таким количеством энергии. Мы также можем добавить, скажем, потребление конечной энергии для определенного сектора в регионе и рассчитать это в восстановительной стоимости угля.Или мы можем рассмотреть, скажем, количество полезной энергии для конкретных конечных пользователей и выразить это в восстановительной стоимости нефти (или угля). Для расчета значений замены мы должны знать методы преобразования и их эффективность, которые участвуют в потоке энергии.

Энергетический баланс региона (или страны) — это совокупность отношений, учитывающих всю энергию, которая производится, преобразовывается и потребляется за определенный период. Это основное уравнение баланса энергии:

источник + импорт = экспорт + изменение запасов + использование + потери

Рассмотрим баланс первичной энергии.

Источники — это местные (или национальные) первичные источники энергии, такие как уголь, гидроэнергетика, биомасса, животные и т. Д.

Импорт — это источники энергии, поступающие из-за пределов региона (или страны).

Экспорт идет в другие регионы (или страны).

Изменения запасов — это сокращение запасов (например, леса, угля и т. Д.) И складских запасов.

Использование может быть определено по секторам, по форме энергии, по конечному использованию и т. Д., как требуется.

Убытки — технические и административные потери:

· технические потери связаны с преобразованием и транспортировкой или передачей
· административные потери связаны с незарегистрированным потреблением.

Энергетический баланс обычно относится к году и может быть составлен за несколько лет подряд, чтобы показать изменения во времени.

Энергетические балансы могут быть агрегированными или очень подробными, в зависимости от их функций.Они также могут быть подробными, показывая все виды структурных отношений между производством и потреблением энергии и определяя различные промежуточные формы энергии.

Энергетический баланс также может быть установлен для деревни, домашнего хозяйства, фермы или сельскохозяйственной единицы. Он покажет ввод энергии в различных формах, энергию конечного использования и потери. Специфическим для энергетических балансов сельскохозяйственных систем является тот факт, что части выходов системы являются в то же время входами энергии в систему (сельскохозяйственные остатки, навоз).

Энергетические балансы должны быть построены на основе обзоров того, что на самом деле происходит. Это требует обследований энергоресурсов и потребления энергии, а также дополнительных технических энергетических аудитов. Раздел 12 посвящен некоторым аспектам энергоаудита.

Энергетические балансы предоставляют обзоры, которые служат инструментами для анализа текущих и прогнозируемых энергетических позиций. Обзоры могут быть полезны для целей управления ресурсами или для указания вариантов энергосбережения, или для политики перераспределения энергии и т. Д.Однако следует проявлять осторожность, чтобы не отделять энергию от других экономических благ. Это означает, что энергетический баланс не должен рассматриваться как окончательное руководство к действию. Данные по энергетике должны быть переведены в экономические термины для дальнейшего анализа вариантов действий. И, конечно, не менее важны социально-культурные и экологические аспекты.

Использование энергии в сельском хозяйстве или в любой другой производственной системе можно анализировать на разных уровнях.

1. Учитываются прямые затраты энергии в производственном процессе и связанные с этим транспортные требования.

2. То же, что и 1., но дополнительно учитывается энергия, заключенная в материалах (например, удобрениях) для производственного процесса и связанного с ним транспорта.

3. То же, что и 2., но, кроме того, учитывается энергия, необходимая машинам для производства этих материалов ».

4. То же, что и 3., но дополнительно учитывается энергия, необходимая для охлаждения машины. И т.д ….

Какой уровень анализа актуален для кого?

Прежде всего выделим:

GER = Общая потребность в энергии — это общее количество энергии, необходимое для продукта.

например GER молока в Великобритании составляет 5,2 МДж / пинта.

Это включает производство удобрений Energy Co, выращивание травы, кормление коров, переработку молока на молочных фермах и энергию для транспорта.

PER = Требования к энергии процесса — это энергия, необходимая для обработки продукта.

например PER молока в Великобритании составляет 0,38 МДж / пинта.

Это энергия, необходимая для переработки молока на самом молочном заводе.

Обычно, когда PER может быть понижен, в результате GER также будет понижен.Однако так будет не всегда, а может быть и наоборот. Например, энергетическая экономия за счет масштаба иногда может быть достигнута на уровне фермы за счет энергии, требующей инвестиций в инфраструктуру или транспортные средства.

Ответ на вопрос о том, какой уровень анализа является релевантным, очевидно, зависит от того, какая политика или уровень управления задействованы.

Например, для управления на уровне фермы значение PER имеет значение, поэтому первый уровень анализа является релевантным.

Однако для региональных политиков уровень 2 актуален, когда задействованы региональные материалы и ресурсы. Кроме того, будут вызывать озабоченность связи между сельскохозяйственным сектором и другими секторами. Например, крупномасштабные установки для биогаза могут быть энергоэффективным вариантом для предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции, но они могут конкурировать с альтернативным использованием ресурсов (например, навоз в качестве топлива для домашних хозяйств бедняков).

Для национальных политиков может быть актуальным уровень 2 или 3.Например, создание заводов по производству энергоемких товаров может быть привлекательным при наличии дешевой энергии (например, производство удобрений).

Анализ PER и GER предоставляет данные для энергетических балансов. Однако эти данные не дают информации о формах энергии или временных изменениях (сезонности) в потоках энергии и т. Д. Такая информация должна добавляться по мере необходимости.

PER и GER являются частью того, что часто называют энергоаудитом. Это мониторинг использования энергии в производственных системах.Аналогом в системах потребления является анализ конечного потребления энергии. В натуральном сельском хозяйстве системы производства и потребления взаимосвязаны, и эти два подхода необходимо комбинировать в энергетических обследованиях.

Следующие ниже примеры призваны проиллюстрировать методы расчетов, а не получить точные числа. Для удобства расчеты производятся в круглых цифрах. В любом случае более точные цифры будут зависеть от точности исходных данных.

13,1 Сколько тепла производит человеческое тело?

Человеку, не выполняющему физическую работу или выполняющему ее очень мало, требуется около 2000 ккал (или меньше) энергии в его ежедневной пище.Тело почти полностью преобразует эту энергию в тепло.

1 день = 24 x 60 x 60 с = 86400 с 1 кал = 4,2 Дж

Следовательно

Мы видим, что человеческое тело, которое не работает, эквивалентно источнику тепла мощностью около 100 Вт — эквиваленту хорошей лампочки.

13,2 Сила масла

Было сказано, что две чайные ложки дизельного топлива эквивалентны работе, выполняемой человеком за день. Это может быть правильно?

Предположим, что мощность, которую может выдать человек за день, составляет 60 Вт (ср.пример 13.3), и что он может делать это по 4 часа в день. Итак, за сутки он доставляет:

60 Вт x 4 часа = 240 Втч = 240 x 3600 Вт = 860 кВт = 860 кДж (1)

Примечание: мощность ок. 60 Вт, получаемые при выполнении работы, превышают 100 Вт, выделяемые телом в виде тепла (см. Пример 13.1). Дополнительная мощность требует дополнительных ккал в пище!

По нашим оценкам, две чайные ложки равны 1/50 литра.

Дизельное топливо имеет энергосодержание 42 МДж / кг.

Для простоты предположим, что 1 литр масла весит 1 кг.

Тогда 1 литр масла содержит 42 МДж, а 2 чайные ложки содержат:

1/50 x 42 МДж = 840 кДж (2)

Примечание : мощность, передаваемая человеком, можно сравнить с мощностью, которую может дать вол, а именно:

от 0,3 до 1,3 л.с. = от 220 до 960 Вт.

Мы видим, что рисунки (1) и (2) примерно одинаковы. Итак — сравнение было правильным!

13.3 Как мы можем проверить, что человеческое тело может выдавать 60 Вт в течение нескольких часов в день?

Фактическое значение можно измерить, и оно может сильно варьироваться в зависимости от многих факторов. Один из способов проверить порядок величины следующий.

Альпинисты знают, что человек может подниматься со скоростью около 300 метров в час. Предположим, что его вес 75 кг. Гравитационная сила, которой он противодействует, тогда равна:

75 x 9,8 Ньютон = 750 Н Энергия, доставляемая человеком за час, составляет:

300 м x 750 Н = 225 кНм = 225 кДж.

Выведенная мощность:

13,4 Как мы можем сравнить энергию волов с энергией древесины?

Мы не можем сравнивать мощность и энергию. Мы можем провести сравнение, только если укажем период времени, чтобы связать мощность с энергией. Например, период времени, в течение которого работают волы.

Бык обычно может выдавать 0,8 л.с. Из таблицы 3 по преобразованию единиц, не относящихся к системе СИ, мы видим, что это равно примерно 740 x 0.8 = 600 Вт. Количество энергии, отдаваемой этим волом за год, можно подсчитать, если мы знаем, сколько часов волы работают в году. Предположим, это 4 часа в день в течение 300 дней, т.е. 1200 часов в год. Один час — 3600 с.

Следовательно, энергия одного быка в год составляет:

600 x 1200 x 3600 Вт = 2600000000 = 2,6 ГДж

Таким образом, 4 вола дадут около 10 Дж за год. Из таблицы 3 видно, что это примерно равно количеству энергии в одной тонне (влажной) древесины.

13,5 Действительно ли нам нужно больше энергии под горшком, чем в горшке?

Мы видели, что человеку необходимо в еде ок. 2000 ккал в день (см. Пример 13.1). Это 8,4 МДж / день на одного человека. Мы предполагаем, что пища в основном состоит из продуктов растениеводства, то есть биомассы.

Сухая биомасса, съедобная или нет, обычно имеет энергетическое содержание 18 МДж / кг.

Таким образом, суточная энергия 8,4 МДж может быть доставлена:

Ежегодно биомасса для производства продуктов питания на человека составляет:

365 дней x 0.5 кг / день = 180 кг / год

Мы можем сравнить это количество с количеством биомассы, необходимой домохозяйству в качестве топлива. Из обследований мы знаем, что типичная домашняя потребность в топливе для приготовления пищи составляет 500 кг / год сухой биомассы на человека. Следовательно


Это означает, что под горшком требуется примерно в 3 раза больше энергии, чем в горшке!

13,6 О цене на сельскую электроэнергию

С потребителя в центре города взимается 0 рупий.75 за кВтч за электроэнергию из национальной сети. В сельской местности у потребителя есть лампа, подключенная к местной микрогидроагрегате, по цене 1 рупий в день. Какой потребитель платит за электроэнергию больше?

Предположим, что лампа в деревне потребляет мощность 40 Вт и чата включена в среднем на 4 часа в день. Это подразумевает потребление энергии:

4 ч x 40 Вт = 160 Втч = 0,16 кВтч для 1Rs.

Потребитель в городе платит за это количество энергии:

0.16 x 0,75 рупий = 0,12 рупий

Мы видим, что сельский житель платит за электроэнергию примерно в 8 раз больше, чем городской потребитель.

Ссылки

Примеры и данные в основных концепциях энергетики взяты из Международных курсов по планированию энергетики в сельских районах Университета Твенте.


9 необычных способов производства электроэнергии

Мы рыскали в Интернете и собрали десять самых необычно интересных способов производства электроэнергии.Как видно из нашего списка, производство энергии может быть запутанным процессом, поэтому вы можете оставить грязную работу профессионалам. Надеемся, что в будущем коммунальные предприятия смогут использовать некоторые из этих методов в качестве альтернативы традиционным источникам энергии.

Когда лук выжимается, его сок можно превратить в метан. Затем метан можно использовать для производства электроэнергии. Это уже делается в некоторых странах, и по крайней мере одна калифорнийская компания экономит более полумиллиона долларов на счетах за электроэнергию, внедряя этот метод (компания также занимается оптовой торговлей луком).

Кинетическая энергия также может использоваться для производства электричества. Эта концепция была реализована в различных европейских ночных клубах. Когда гости ночного клуба танцуют, их движения могут вырабатывать достаточно электричества, чтобы не выключать свет и играть музыку. Фактически, эта технология в настоящее время разрабатывается, так что генераторы кинетической энергии могут быть размещены в других общественных местах, включая дороги и детские площадки.

Аналогичным образом тепло выхлопных газов автомобиля можно использовать для выработки электроэнергии.В городах с интенсивным движением этот метод может показаться особенно многообещающим. По сути, разницу температур в разных трубах можно использовать для создания значительного количества энергии. Затем тепло можно преобразовать в электричество с помощью термоэлектрического генератора.

Тепло тела — еще один потенциальный источник электричества. В Швеции, например, компания придумала способ использования тепла тела для снижения затрат на энергию за счет использования теплообменников в системах вентиляции поездов. Во-первых, системы вентиляции преобразуют тепло тела в горячую воду.Затем горячая вода используется для согрева пассажиров и персонала. Более того, широко распространено сообщение о снижении затрат на электроэнергию на впечатляющие 25 процентов.

Не менее любопытен и другой метод, связанный с потением, — это носимые устройства, при которых люди носят куртки, улавливающие тепло тела. Затем захваченное тепло можно использовать для зарядки электронных устройств, таких как мобильные телефоны и планшеты.

Мысль о взрывающихся озерах может вызывать в воображении образы из научно-фантастических фильмов, но таких озер действительно существует.В этих озерах есть резервуары, состоящие из углекислого газа и метана, которые иногда выбрасывают горячий газ и воду. Например, правительство Руанды использовало газ из одного из этих озер для создания впечатляющего количества энергии.

Хотя идея поначалу может показаться неприятной (и вонючей), отходы животноводства можно использовать для производства электроэнергии. Этот процесс обычно называют регенерацией биогаза. В основном, навоз помещается в обогреваемый резервуар и превращается в газ.Затем газ можно использовать для питания генератора, производя при этом более чистую энергию.

Флуоресцентный белок, который заставляет медузу светиться, можно управлять для высвобождения электронов и, в конечном итоге, для производства электричества. Как ни странно, эта технология может принести непосредственную пользу медицинской сфере. Например, топливные элементы, изготовленные из белка медузы, можно использовать для питания крошечных устройств, которые затем можно использовать для обнаружения и лечения определенных заболеваний.

Еще один крутой способ получения электричества — это педаль.Когда велотренажер прикреплен к генератору, электричество, генерируемое педалями, может питать небольшие приборы и бытовую электронику. Фактически доказано, что мощность педали генерирует достаточно электроэнергии для питания блендеров, сотовых устройств и даже стиральных машин. Энтузиасты DIY серьезно отнеслись к этому виду выработки энергии, потому что он сокращает использование ископаемого топлива, давая вам кардиотренировку.

Мусор — одна из самых острых проблем современности. Поскольку мусор продолжает накапливаться с большой скоростью, люди продолжают потреблять и выбрасывать все больше и больше материалов.Возможность использовать мусор для производства электроэнергии может быть экологически чистой и экономически выгодной. Фактически, армия США использовала генераторы, работающие на мусоре, в качестве топлива для своих операций во время войны в Ираке, и в настоящее время некоторые муниципалитеты сжигают мусор для выработки электроэнергии. Не волнуйтесь, поставщики энергии обычно стараются очищать выхлопные газы с помощью специальных фильтров, устраняя неприятные запахи и токсичные выбросы.

Независимо от того, где вы живете, вам, вероятно, не придется прибегать к странным методам, чтобы получить необходимое электричество.Кто знает? Когда-нибудь вы можете обнаружить, что местные энергетические компании, такие как Amigo Energy, используют лук и мусор, чтобы обеспечить вас доступной и устойчивой энергией. А пока, если вы живете в Техасе, ознакомьтесь с продуктами Amigo Energy для возобновляемых источников энергии. Они не такие странные, как методы, представленные в нашем списке, но все же довольно интересны.

Получено от amigoenergy

Есть простой способ хранения возобновляемой энергии, и у нас уже есть технология

Влияние ископаемого топлива на чрезвычайную климатическую ситуацию стимулирует международный толчок к использованию низкоуглеродных источников энергии.На данный момент лучшими вариантами для производства низкоуглеродной энергии в больших масштабах являются энергия ветра и солнца.

Но, несмотря на улучшения за последние несколько лет, как их производительности, так и стоимости, остается серьезная проблема: ветер не всегда дует, и солнце не всегда светит.

Энергосистема, которая полагается на эти колеблющиеся источники, изо всех сил пытается постоянно соответствовать спросу и предложению, поэтому возобновляемая энергия иногда тратится впустую, потому что она не производится, когда это необходимо.

Одно из основных решений этой проблемы — крупномасштабные технологии хранения электроэнергии. Они работают, накапливая электричество, когда предложение превышает спрос, и высвобождая его, когда происходит обратное. Однако одна проблема с этим методом заключается в том, что он требует огромного количества электроэнергии.

Существующие технологии хранения, такие как батареи, не подходят для этого типа процесса из-за их высокой стоимости на единицу энергии. В настоящее время более 99 процентов крупномасштабных аккумуляторов электроэнергии приходится на гидроаккумулирующие плотины, которые перемещают воду между двумя резервуарами с помощью насоса или турбины для хранения или производства энергии.

Однако существуют пределы того, сколько гидроаккумулирующих ГЭС может быть построено из-за географических требований.

Один из перспективных вариантов хранения — это гидроаккумулятор. Эта относительно новая технология существует уже около десяти лет и в настоящее время проходит испытания на пилотных установках.

Преобразование электроэнергии в тепло происходит в центральном контуре, а затем сохраняется в горячих и холодных резервуарах. (Пау Фаррес Антунез)

Накопительный тепловой аккумулятор работает за счет преобразования электричества в тепло с помощью крупномасштабного теплового насоса.Это тепло затем накапливается в горячем материале, таком как вода или гравий, внутри изолированного резервуара.

При необходимости тепло снова превращается в электричество с помощью теплового двигателя. Эти преобразования энергии выполняются с помощью термодинамических циклов, тех же физических принципов, которые используются для работы холодильников, автомобильных двигателей или тепловых электростанций.

Известная технология

Насосный накопитель тепловой энергии имеет много преимуществ. В процессах преобразования в основном используются традиционные технологии и компоненты (например, теплообменники, компрессоры, турбины и электрические генераторы), которые уже широко используются в энергетической и перерабатывающей промышленности.

Это сократит время, необходимое для проектирования и строительства гидроаккумулирующих аккумуляторов, даже в больших масштабах.

Резервуары для хранения могут быть заполнены обильными и недорогими материалами, такими как гравий, расплавленные соли или вода. И, в отличие от батарей, эти материалы не представляют угрозы для окружающей среды.

Большие резервуары с расплавленной солью уже много лет успешно используются на электростанциях концентрированной солнечной энергии, которые представляют собой технологию возобновляемой энергии, которая быстро развивалась в течение последнего десятилетия.

Концентрированная солнечная энергия и аккумуляторы тепловой энергии с насосом имеют много общего, но в то время как концентрированные солнечные электростанции вырабатывают энергию, сохраняя солнечный свет в виде тепла (а затем преобразуя его в электричество), аккумуляторы тепловой энергии с насосом хранят электроэнергию, которая может поступать из любого источника. солнечная, ветровая или даже ядерная энергия, среди прочего.

Простота развертывания и компактность

Насосные теплоаккумуляторы можно устанавливать где угодно, независимо от географического положения.Их также можно легко масштабировать для удовлетворения потребностей сети в хранении данных.

Другие формы накопителя энергии ограничены местом, где они могут быть установлены. Например, для гидроаккумулирования необходимы горы и долины, где можно построить значительные водохранилища. Хранение энергии сжатым воздухом основано на больших подземных пещерах.

Накопительный накопитель тепловой энергии имеет более высокую плотность энергии, чем гидроаккумулирующие плотины (он может хранить больше энергии в заданном объеме).Например, из 1 килограмма воды, хранящейся при температуре 100 ° C (212 ° F), можно получить в десять раз больше электроэнергии по сравнению с 1 килограммом воды, хранящейся на высоте 500 метров на гидроаккумулирующей станции.

Это означает, что для данного количества запасенной энергии требуется меньше места, поэтому воздействие завода на окружающую среду меньше.

Длительный срок службы

Компоненты гидроаккумулятора обычно служат десятилетиями. Батареи, с другой стороны, со временем изнашиваются, и их необходимо заменять каждые несколько лет — на большинство аккумуляторов электромобилей обычно предоставляется гарантия только на срок от пяти до восьми лет.

Однако, несмотря на то, что есть много вещей, которые делают гидроаккумуляторы хорошо подходящими для крупномасштабного хранения возобновляемой энергии, у них есть свои недостатки.

Возможно, самым большим недостатком является его относительно скромная эффективность — это означает, сколько электроэнергии возвращается во время разряда по сравнению с тем, сколько было вложено во время зарядки. Большинство гидроаккумулирующих систем хранения электроэнергии нацелены на эффективность 50-70 процентов, по сравнению с 80-90 процентами для литий-ионных батарей или 70-85 процентами для гидроаккумулирующих аппаратов.

Но, пожалуй, больше всего имеет значение стоимость: чем она ниже, тем быстрее общество может двигаться к низкоуглеродному будущему. Ожидается, что гидроаккумулирующие устройства для хранения тепловой энергии будут конкурентоспособны с другими технологиями хранения, хотя это будет неизвестно до тех пор, пока технология не станет зрелой и не будет полностью коммерциализирована.

В настоящее время несколько организаций уже имеют действующие прототипы в реальном мире. Чем раньше мы протестируем и начнем развертывание гидроаккумулирующих аккумуляторов тепловой энергии, тем скорее мы сможем использовать их для перехода на низкоуглеродную энергетическую систему.

Антуан Коэн, кандидат наук по аккумулированию тепловой энергии с помощью насосов, Кембриджский университет, и Пау Фаррес Антунес, научный сотрудник по хранению энергии, Кембриджский университет.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *