ИСКРА СВЕТА

 

Відновлювальні джерела енергії

використано матеріали методичного посібника Задорожньої І.П.



 4.5. Відновлювані джерела енергії

Як ми згадували на початку розділу, відновлювані джерела енергії це ті, відновлення яких постійно здійснюється в природі, і тому їх вистачить на мільйони чи навіть на мільярди років. Це, наприклад, сонячне випромінювання, вітер, біомаса, припливні хвилі чи термальні джерела.

Але у кожному випадку, в разі застосування відновлювані джерел енергії зростання енерго­споживання на Землі не порушує загальної теплової рівноваги і не спричиняє загального потепління. Ми не змінюємо кількість енергії, що надходить на Землю і йде з Землі. Перевага таких джерел енергії - вони не завдають шкоди природі.

Згідно з класифікацією Міжнародного енергетичного агентства до відновлюваних джерел енергії належать такі категорії:

- відновлювані джерела енергії (ВДЕ), які спалюються, і відходи біомаси:

- тверда біомаса і тваринні продукти: біологічна маса, у тому числі будь-які мате­ріали рослинного походження, що вико­ристовуються безпосередньо як паливо або перетворюються на інші форми перед спалюванням (деревина, рослинні відходи і відходи тваринного походження; деревне вугілля, яке одержують з твердої біомаси);

- газ/рідина з біомаси: біогаз, отриманий у процесі анаеробної ферментації біомаси і твердих відходів, який спалюється для виробництва електрики і тепла;

- муніципальні відходи: матеріали, що спалюються для продукування теплової та електричної енергії (відходи житлового, комерційного і громадського секторів). Утилізуються муніципальною владою з метою централізованого знищення;

- промислові відходи: тверді й рідкі матеріали (наприклад, автомобільні покришки), що спалюються безпосередньо, зазвичай на спеціалізованих підприємствах, для виробництва
теплової й електричної енергії;

- гідроенергія: потенційна, або кінетична, енергія води, перетворена на електричну енергію за допомогою гідроелектростанцій як великих, так і малих;

-   геотермальна енергія: теплова енергія, що надходить із земних надр, зазвичай у вигляді гарячої води або пари. Використовується для виробництва або безпосередньо як джерело тепла для систем теплопостачання, потреб сільського господарства тощо;

-   сонячна енергія: випромінювання Сонця, що використовується для одержання гарячої води й електричної енергії;

-   енергія вітру: кінетична енергія вітру, що застосовується для виробництва електроенергії у вітрових турбінах;

-    енергія припливів, морських хвиль і океану: механічна енергія припливних потоків або хвиль, що використовується для виробництва електричної енергії.

У структурі світового виробництва електричної енергії ПДЕ посідають почесне друге місце. Вони забезпечують близько 20% світового виробництва електроенергії випередивши атомну енергетику, природний газ і нафту, поступаючись тільки вугіллю. Основну кількість електроенергії, що виробляється ПДЕ, отримано на гідроелектростанціях (92%).

Незважаючи на значний прогрес у розвитку, геотермальна, сонячна й вітрова енергетика забезпечують менше 5% від загального внеску ПДЕ.

 

4.6. Сонячна енергія 

Сонце створює сприятливий клімат для життя на нашій планеті і дає нам сонячне проміння - унікальне та невичерпне джерело енергії. Воно здатне забезпечити нас такою кількістю енергії, яка значно перевищує наші потреби. Так, Україна, при загальній площі понад 600 тис.кв.км., за рік споживає близько 10 тис. ПДж первинної енергії, а Сонце на цю площу посилає близько 3400 тис. ПДж, що у 300 разів більше загального споживання Україною первинної енергії. Сонячну енергію часто називають остаточним розв'язанням світової енергетичної проблеми. Вона екологічно чиста, не завдає шкоди довкіллю. Основна проблема на шляху використання сонячної енергії - як вловити найбільшу частину потоку сонячної енергії та з найменшими втратами перетворити на такі необхідні нам тепло чи струм.

Люди з давніх часів скеровували сонячну енергію собі на службу, використовуючи її для сушіння шкір тварин, з яких виготовляли одяг, меблі й посуд; для в'ялення риби та м'яса з метою їх тривалого зберігання; для одержання солі шляхом випаровування її з води.

З часом люди удосконалювали знаряддя праці й винаходили нові способи використання сонячного випромінювання. З'явилися навіси, що зберігають сонячне тепло взимку і рятують від спеки влітку; теплиці, завдяки яким можна подовжувати тривалість сільськогосподарських робіт; зимові сади. Сьогодні фахівці, що працюють над цими питаннями, досягли небачених успіхів. Вони створили безліч пристроїв, які використовують енергію сонця: високоефективні сушилки, сонячні пічки для приготування їжі та плавки металів, опріснювачі води. Сонячна енергія, що накопичується в верхніх шарах грунту, у воді, повітрі як теплова енергія може бути використана через теплові насоси та теплові колектори. На енергії сонячних променів сьогодні рухаються машини та літають літаки.

Сонячна енергетика грунтується на перетворенні сонячного випромінювання в електричну (сонячні електричні системи) чи теплову енергію (сонячні теплові системи - виробляють тепло для одержання гарячої води, опалення приміщень тощо). Сфера використання соняної енергії постійно розширюється. Ми зупинимось на сучасних технологіях використання енергії Сонця.

 

4.6.1. Сонячна теплова енергетика

Сонячна енергія найефективніше може бути використана як теплова. Перевагою таких систем є високий коефіцієнт корисної дії (ККД), який сягає 45-60%, а в разі застосування концен­траторів - 80-85%. Тепло, отримане в сонячних системах теплопостачання, використовується для нагрівання води, опалення будівель, у сільському господарстві, у технологічних процесах у промисловості. В сонячних перетворювачах готують їжу, сушать овочі та фрукти і, навіть заморожу­ють продукти. Перетворення сонячної енергії в теплову обумовлене здатністю речовин поглина­ти електромагнітне випромінювання, внаслідок чого їх температура зростає.

Широкого розповсюдження набуло вико­ристання низькотемпературних сонячних сис­тем, де теплоносій нагрівається до температур 100-200° С. Але іноді потрібні більш високі тем­ператури, і з цією метою використовують різного типу концентратори сонячного випромінювання, що дозволяє досягати доволі високих температур (до 3000° С), чого достатньо навіть для плавки ме­талів.

Системи сонячного теплопостачання поді­ляють на активні й пасивні. До перших належать системи, в яких теплова енергія, отри­мана від сонячного випромінювання, передається за допомогою різних технічних засобів безпосе­редньо в місце її використання. Видатний італій­ський художник і винахідник Леонардо да Вінчі у 1515 р. створив один з перших проектів засто­сування енергії Сонця в промисловості із засто­суванням гігантського параболічного дзеркала "для постачання тепла до будь-якого бойлера на фарбувальній фабриці". Цей проект є прикладом активної сонячної системи теплопостачання, де тепло передається на відстань за допомогою на­грітої води в місце споживання.

Пасивні системи - це системи, в яких енер­гія сонця перетворюється на тепло безпосередньо в місці її споживання. Пасивне використання со­нячної енергії добре відоме всім. Якщо на освіт­лений сонцем майданчик поставити резервуар, пофарбований у чорний колір, то вода в ньому добре нагріється. На практиці згаданий принцип використовують у будівництві, коли за рахунок певної орієнтації будинку відносно сонця і спеці­альних технологій відпадає потреба в додатково­му опаленні приміщень навіть узимку. Системи сонячного теплопостачаня практично не вимага­ють експлуатаційних витрат, не потребують ре­монту і вимагають затрат лише на їх побудову і поточне підтримання.

Найбільш поширеним є використання со­нячного випромінювання для нагрівання води в системах опалення та гарячого водопостачання за допомогою найпростіших пласких сонячних колекторів. З урахуванням їх відносно невеликої вартості їм надають перевагу при нагріванні рі­дин до температури нижче 100 °С. Їх підрозділяють на одноконтурні (прямі) і двоконтурні (непря­мі). В одноконтурних системах циркулює вода, а в двоконтурних - теплоносій-антифриз (звичайно, з вмістом поліпропіленгліколю). Цей теплоносій потрібний для того, щоб сонячна система тепло­постачання могла використовуватися цілий рік. Спочатку антифриз нагрівається в колекторі, а потім він нагріває воду через теплообмінник.

Прості водонагрівачі утримують весь об'єм рідини, яку необхідно нагріти. До них належать:

  • резервуар на поверхні землі (наприклад, басейн). Це найпростіший нагрівач води. Підвищення температури води в ньому обмежено високим коефіцієнтом відбивання сонячного світла від поверхні води і тепловіддачею до землі та повітря, витратами на випаровування води;
  • чорний резервуар - ємність з чорною матовою поверхнею, в якій міститься рідина. Його зазвичай розташовують на дахах будинків. Втрати тепла на випаровування майже відсутні, чорні поверхні поглинають практично все тепло, яке на них потрапляє. Нагрівачі цього типу досить недорогі, прості у виготовленні і дозволяють нагрівати воду до температури 45 °С. Зменшення температури може бути викликане тепловими витратами з поверхні, особливо за вітряної погоди;

 • проточні нагрівачі. В такій системі вода протікає по паралельних трубках, закріплених на чорній металевій пластині. Пластину з трубками для захисту від вітру вміщують у вакуумний контейнер зі скляною кришкою, щоб уникнути втрат тепла через повітря.

Водонагрівачі більш складної конструкції нагрівають за певний час лише незначну частину рідини, яка потім, як правило, накопичується в окремому резервуарі для використання енергії у потрібний час. Найпоширеніші пласкі (не фокусуючі) приймачі дозволяють збирати як пряме, так і розсіяне випромінювання, а відтак працювати як у сонячну, так і хмарну погоду. Основним елементом сонячної нагрівальної системи (колектора) є приймач, у якому відбувається нагрівання рідини за рахунок сонячного випромінювання. Принцип дії його дуже простий: промені сонця, проникаючи крізь скло колектора (проходить близько 80-85%), зустрічаються з чорним дном колектора (абсорбером) і значною мірою поглинаються ним. Абсорбер починає випромінювати інфрачервоне випромінювання. яке не може проникнути крізь скло назовні: знизу витоку тепла запобігає шар теплоізолючого матеріалу. Акумульоване таким чином тепло передається теплоносію, що протікає по трубках, розташованих на дні колектора. Циркуляція нагрітої рідини може здійснюватися як вимушено активні системи, або системи з примусовою циркуляцією теплоносія, з використанням помп, так і природним шляхом - пасивні системи, або термосифонні, з природною циркуляцією, яка зумовлена перепадом температури і тиску, природною конвекцією. В останньому випадку нагрівач повинен розміщуватися нижче накопичувача нагрітої води.

Системи зі штучною циркуляцією вигідні, оскільки для їх створення можна використовувати існуючі водонагрівальні системи, підключаючи до них приймач сонячного випромінювання і насос. Крім того, немає потреби розташовувати в них накопичувач вище нагрівача. Недоліком цих систем є залежність від електроенергії, без якої вони не будуть працювати.

Сьогодні у світі обладнано понад 30 млн.м2 сонячних колекторів для гарячого водопостачання. Дві третини припадає на країни Європейського Союзу. Популярність цієї технології весь час зростає. Денна продуктивність таких колекторів на широті 50° (на рівні Києва) сягає 50-60 літрів води, нагрітої до 60-70 °С з квадратного метра. Коефіцієнт корисної дії сонячного колектора становить від 40 до 60% і визначається його оптичними характеристиками, якістю теплової ізоляції, інсоляцією і температурами теплоносія та навколишнього повітря. Ефективність термальних геліоприймачів підвищується до 80-85%, якщо вони оснащені тими чи іншими дзеркальними поверхнями, що концентрують випромінювання. Дуже перспективними для використання є пласкі сонячні елементи з лінійними концентраторами випромінювання -фокони. Концентратори - фокони мають у перетині У-подібну форму (пласку чи параболоїдну, остання дорожча, але ефективніша).

 
Сторінки історії
  • Ідею концентрації сонячного світла на “палючих” дзеркалах приписують Архімеду (212 р. до н.е.). За допомогою величезних збільшувальних скелець винахідник нібито скерував сонячні промені на кораблі римлян, щоб перешкодити завоюванню Сіракуз.
  • Наприкінці XVIII ст. французький хімік Антуан Лавуазьє винайшов сонячну піч, в якій можна було плавити платину за температури 1780 С.
  • Шведський вчений Горацій де Соссюр винайшов перший у світі сонячний колектор, який він використовував для приготування їжі під час експедиції до Південної Африки в 1830 році.

 

4.6.2. Фотоенергетика

Сонячна енергія може бути перетворена на електроенергію безпосередньо чи опосередковано. Пряме перетворення сонячної енергії на електричну може бути здійснене за рахунок використання фотоелектричного ефекту, сенс якого полягає в тому, що світло (фотони), попадаючи на предме­ти, здатне вибивати з їх поверхні електрони. Для того, щоб кількість цих електронів була достатньою, були розроблені спеціальні сонячні елемен­ти (фотоелементи), які складаються з двох типів матеріалу з різною електропровідністю. Найчастіше фотоелементи роблять на основі кремнію, другого за поширеністю на Землі елемента. Сонячне світло (фотон), попадаючи в такий матеріал, ви­кликає порушення рівноваги так званого "р-n" переходу і спричиняє появу в системі електричного струму. Ефективність сучасних фотоелементів до­сить низька - в середньому 10-15 %. І хоча існу­ють перспективні розробки з ККД (близько 30%), вартість енергії, отриманої на сонячних батареях, залишається високою, в середньому вона в 4 рази дорожче геліотермічної.

Сонячні елементи відрізняються між со­бою, передусім тим, яку частку сонячного ви­промінювання вони можуть перетворити на елек­тричну енергію. Зрозуміло, ефективність роботи елементів буде залежати від того, на якій географічній широті вони перебувають, а також під яким кутом на них падають сонячні промені. Іще одним недоліком сонячних батарей є те, що вони вимагають акумуляторів (зазвичай батарей) для забезпечення безперервного енергопостачання вночі й у похмурі дні. Але виробництво електро­енергії за рахунок використання сонячних ба­тарей є одним із найбезпечніших способів. Со­нячні батареї не створюють шуму, не залишають відходів, не споживають палива, крім сонячного світла. У батарей немає механізмів, що рухають­ся, тут не споживаються і не виділяються жодні речовини. Їх можна використовувати практично в будь-якій сфері, де потрібна електроенергія: для освітлення, роботи насосів, охолодження, раді­опередач тощо. Застосування сонячних батарей особливо привабливе для віддалених районів, сільської місцевості та енергозабезпечення авто­матичного устаткування.

У зв'язку з тим, що фотоелектричні тех­нології є дорогими, але ефективними, швидкому розвиткові фотоелектричного ринку в світі сприяє державна фінансова підтримка. Наприклад, про­грама Європейського Союзу "1 000 000 дахів" передбачає стимулювання тих, хто послуговується цією технологією. Програм подібного типу в світі досить багато. Це і німець­ка - "100 000 сонячних дахів", і японська - "4 600 МВт до 2010 року", і американська "1 000 000 со­нячних дахів", а також десятки інших. Урядові субсидії, зростання ринку та технічні досягнення обіцяють значне зниження цін у на­ступні роки. Активний ринок "сонячних помеш­кань" може прискорити це, оскільки удосконале­ні сонячно-енергетичні покрівельні матеріали й віконне скло можуть замінити з часом дорогі бу­дівельні матеріали. Сонячні батареї можна вста­новлювати також уздовж автомагістралей, на ав­тостоянках, на дахах муніципальних будівель і транспортних станцій.

 
Сторінки історії

У 1958 році сонячні батареї були вперше застосовані у США для енергозабезпечення штучного супутника Землі Vanquard I. У подальшому вони стали невід'ємною складовою космічних апаратів. Широко відомі мікрокалькулятори, годинники, радіоприймачі і багато інших електронних апаратів, що працюють на сонячних батареях.

 

4.6.3. Сонячна теплоенергоенергетика

На відміну від фотоенергетики у сонячній теплоенергетиці електроенергію отримують у теплових машинах (наприклад, звичайних паро­генераторах), в яких тепло від згоряння палива замінюється потоком концентрованого сонячного світла. Тобто сонячна теплоелектростанція від­різняється від звичайної ТЕС, що працює на ви­копному паливі, тільки тим, що в ній вода пере­творюється на пару за рахунок енергії сонця, а не спалюваня вугілля чи іншого палива. Для цього сонячне світло за допомогою системи дзеркал концентрують на спеціальний сонячний котел (ресівер), з якого утворена водяна пара спрямо­вується в стандартну парову турбіну. За рахунок використання сучасних технологій вартість елек­троенергії, отриманої на сонячній електростан­ції, наблизилася до вартості енергії, отриманої на атомних електростанціях, і становить в середньо­му 8-10 центів за 1кВт. Така електростанція може працювати тільки при прямому освітленні соняч­ними променями. Тому часто, щоб уникнути пе­ребоїв у генерації струму, такі станції комбінують зі звичайними тепловими електростанціями. Тех­нічна складність підтримання ефективної роботи сонячної електростанції та доволі великі площі дзеркал, які необхідні для отримання достатніх для промислового використання об'ємів електро­енергії, стримують швидкий розвиток цього на­прямку сонячної енергетики. Так, для електро­станції потужністю в 1 тис.МВт необхідна площа встановлених сонячних колекторів становить 13-25 км2, залежно від географічного розташу­вання електростанції. Це більше, ніж площа, яку займає звичайна електростанція, але менше, ніж площа, яку займають станція і відкритий кар'єр для видобутку споживаного нею вугілля. Тому в світі активно ведуться розробки сонячних елек­тростанцій у Космосі, звідки отримана від сонця енергія за допомогою випромінювання надвисо­кої частоти буде передаватися на Землю.

 

Подумайте і дайте відповідь 

1.  Якому одягу ви надаєте перевагу спекотного літа - темному чи світлому? Чому?

2.  На більшості дачних ділянок є душ, що складається з бака з водою, розміщеного над кабіною. Вода нагрівається Сонцем. У який колір потрібно фарбувати бак? Це пасивне чи активне використання сонячної енергії?

3.  Які типи сонячних систем гарячого водопостачання ви знаєте?

4.  Що таке фотоелектрична система і де вона використовується?

 

4.7. Енергія вітру

Близько 1% сонячної енергії, яку отримує Земля, спричиняє рух атмосферних повітряних мас, викликаний перепадом температур у різних шарах атмосфери через нерівномірний нагрів її Сонцем. Такий рух називається вітром. Отже, енергія Сонця перетворюється в механічну енергію вітру. Установ­ки, що в свою чергу перетворюють енергію вітру на корисну механічну або електричну енергію, назива­ють вітроенергетичними (ВЕУ) або вітрогенераторами.

Новому кроку у розвитку сучасної вітроенергетики сприяла енергетична криза 70-х років XX століття. Виявилося, що вартість електроенергії, отриманої на вітроелектростанціях, відносно невелика. Розви­ток вітроенергетики відбувся, насамперед, у краї­нах, які не мають власних потужних джерел енергії: великих рік, нафти, газу, вугілля. Проте, наприклад, такі континентальні місцевості, як Великі Рівнини в США чи Внутрішня Монголія в Китаї, мають вітрові ресурси, достатні для задоволення повних потреб цих країн в електроенергії. Стимулом для розвитку вітроенергетики є також бажання виробляти на сво­їй території екологічно чисту енергію.

У теперішній час ВЕУ застосовуються для енергозабезпечення споживачів, віддалених від електромереж. Зокрема, в Китаї побудовано понад 150000 вітрових турбін потужністю лише 200 Вт кожна. Деякі місцевості у Данії, Німеччині й Іспа­нії одержують 10-15% електрики від вітру. Авто­номні вітроустановки можуть замінити дизельні електростанції, опалювальні установки, що пра­цюють на нафтопродуктах. ВЕУ також можуть бути призначені для безпосереднього виконання механічної роботи, наприклад, приведення в дію водяного насоса.

Будова ВЕУ подібна до будови гідроуста­новки. Основними частинами установки є ротор, генератор, турбіна, обладнана пропелером (вітроколесом), яке безпосередньо приймає на себе енергію вітру. У більшості конструкцій ВЕУ ротор, турбіна і генератор розташовані на єдиному валу і мають горизонтальну орієнтацію. Вітрові турбіни, сучасні технології яких були розроблені у 1980-х роках, як правило, обладнані трилопатевими пропелерами, що орієнтуються проти вітру.

Останнім часом зусилля розробників ВЕУ пов'язані зі створенням систем, що зможуть функ­ціонувати при незначних швидкостях вітру. Також важливим для виробництва установок є зменшення вартості опор, на яких вони розташовуються. Багато вітроенергетичних об'єктів складаються з великих груп вітряків, які звуть "вітряковими фермами" або вітроенергетичними станціями (ВЕС).

Сучасні вітроустановки мають потужність 600-3000 кВт, а найпотужніші - 4,5 МВт. У тепе­рішній час вітротехнологія отримання енергії є найбільш дешевим способом вироблення еколо­гічно чистої енергії. Безперечною перевагою ві­трових електростанцій є те, що єдиним чинником забруднення навколишнього середовища є утво­рення при їх роботі шуму низької частоти.

Вітроенергетичний потенціал в Україні досить великий. Більшість ВЕС призначена для роботи при швидкості вітру від 4 до 30 м/сек. В Україні можна виділити 6 регіонів, для яких використан­ня енергії вітру є економічно ефективним. Це Кар­патський, Приазовський, Донбаський, Західно-Кримський, Гірсько-Кримський і Керченський, а також дві зони - Харківську і Полтавську.

Сьогодні Україна - лідер у галузі розвитку вітроенергетики серед країн Східної Європи і рес­публік колишнього СРСР. Загальна потужність її ВЕС наприкінці 2007 р. вже досягла 83,35 МВт. І хоча цей показник занадто низький по­рівняно з Німеччиною або Данією, Україна нале­жить до тих небагатьох країн, де налагоджене се­рійне виробництво 750 кВт вітроустановок (ВЕУ) і розпочато підготовку до виробництва установок з потужністю понад 1000 кВт і більше. До того ж українськими вченими Національної Академії наук України створений вітроенергетичний атлас країни, що дозволяє обрати найкращі райони для будівництва вітроелектростанцій. За допомогою спеціальних комп'ютерних програм тепер можна визначити майданчики, на яких ВЕУ будуть пра­цювати з максимальною ефективністю.

 

Сторінки історії

  • Ще за 3500 років до н.е. мореплавці ви­користовували силу вітру, щоб йти під вітрилами. Вітрильні човни ходили по Нілу в Давньому Єгипті. Звичайні вітряні мли­ни використовувалися в Китаї 2200 років тому. На Середньому Схо­ді, у Персії, близько 200 року до н.е. почали застосовувати вітряні млини з вертикаль­ною віссю для перемелювання зерна. Їх ви­готовляли з в'язанок очерету, прикріплених до дерев'яної рами, що оберталася, коли був вітер. Стіна, що оточувала вітряк, спрямо­вувала потік вітру проти лопатей. В XI ст. у Європі почали поширюватися вітряні млини, завезені мандрівними купцями і ветеранами хрестових походів. Ці перші млини поступо­во вдосконалювалися спочатку голландцями, а згодом англійцями, і, зрештою, у їхній кон­струкції з'явилася горизонтальна вісь. Меш­канці Голландії з'ясували, що за допомогою вітру дуже зручно відкачувати воду з метою осушення землі. Адже це було актуально для країни, що розташована в низовинах і тому неодноразово зазнає повеней. Найактивніше в допромисловій Європі вітряні млини вико­ристовувалися у XVIII ст. Тоді лише в Нідер­ландах їх було понад сто тисяч. З їхньою до­помогою мололи зерно, качали воду і пиляли дерево. Згодом більшість вітряних млинів, не здатних конкурувати з дешевим і надійним викопним паливом, замінили парові двигу­ни. Однак і зараз вітряні млини досить розповсюджені. У старих вітряках лопаті були дерев'яними і здатні були використовувати близько 7 % енергії вітру.
  • З давніх-давен енер­гію вітру використо­вували і в Україні. У 1917 р. тут налічува­лося близько 30 ти­сяч вітряків, які ви­робляли 150-200 МВт механічної енергії. З початком колективі­зації число вітряків значно зменшилося, а пристрасть до гіган­тизму в радянський час практично витісни­ла їх з ужитку. З середини 60-х років XX ст. у сільському господарстві країни експлуа­тувалося кілька сотень вітроенергетичних установок середньою потужністю близько 4 кВт. Їх використовували для водопостачан­ня, вироблення постійного струму, пере­мелювання зерна. До 1987 р. їхня кількість скоротилася до 15 одиниць, а економія елек­троенергії становила всього 10 тис.кВт*год.

 Перший етап розвитку вітроенерге­тики для виробництва електричної енергії в Україні почався ще в 30-х роках минуло­го століття. Під керівництвом винахідника Юрія Кондратюка у Балаклаві був розро­блений і запроваджений експерименталь­ний вітроагрегат потужністю 100 кВт. У 1935 р. Ю. Кондратюк розпочав проектува­ти вітряк на 1000 кВт. Згодом був спроекто­ваний двоповерховий вітроагрегат загаль­ною потужністю 10 000 кВт (по 5000 кВт на кожнім рівні; висота до першого рівня - 65 м, до другого - 150 м). Проекти так і зали­шилися незреалізованими, хоча фундамент для вітряка у 10000 кВт все-таки був спору­джений на горі Ай-Петрі в Криму (він існує донині).

  • Завдяки новаторським розробкам Томаса Перрі, що наприкінці XIX ст. здійснив близько 5000 експериментів з різними видами колеса, дерев'яні лопаті поступилися місцем лопатям з вигнутого металу, що збільшило ефективність установок удвічі - до 15%. Широкий вигин лопаті захоплює ще більшу частину повітряного потоку, спрямовуючи його уздовж задньої частини однієї лопаті на наступну. Цей каскадний ефект підвищив ефективність пристрою. Дизайн вітроколеса Перрі одержав визнання і поширився в усьому світі.
 
Подумайте і дайте відповідь

1. Чому вітер належить до відновлюваних джерел енергії?

2. У чому, на вашу думку, основний недолік вітру як джерела енергії?

3. Наведіть приклади використання енергії вітру в сучасному світі й у далекому минулому?

 

Чи знаєте ви, що...

  • Нестабільність, мінливість вітру утруднює використання вітрової енергії.
  • ВЕС завдають шкоди птахам, якщо розташовані у напрямку масових міграцій і місцях гніздувань.

 

 4.8. Гідроенергетика

Термін «гідроенергетика» визначає галузь енергетики, яка використовує енергію рухомої води, як правило, річок. Ця енергія перетворюєть­ся або на механічну, або найчастіше на електрич­ну. Поза гідроенергетикою водними джерелами енергії є морські хвилі й припливи, спричинені гравітаційною взаємодією Землі з Місяцем та Сонцем.

Гідроенергетика - найрозвиненіша галузь енергетики на відновлюваних ресурсах. Річки є потоками води, що рухаються під дією сили тя­жіння з вищих поверхонь Землі до нижчих і зре­штою впадають у Світовий океан. Під впливом сонячного випромінювання вода випаровується з поверхні Світового океану, її пара підіймається в горішні шари атмосфери, конденсується у хмари й випадає у вигляді дощу, поповнюючи виснаже­ні витоки річок. Отже, використовувана енергія річок вже є перетвореною в механічну енергією Сонця. Теперішні гідроелектростанції (ГЕС) є складними гідротехнічними спорудами. Осно­вними їх елементами є водосховище, гребля, гід­ротурбіна, генератор. Шляхом створення греблі створюється різниця рівнів води. Вода, перетікаючи з верхнього рівня (б'єфа) на нижній, набуває великої швидкості. Водяний потік падає на лопаті турбіни, що обертає генератор, виробляючи тим самим електрику.

У горах зустрічаються річки, вода яких падає зі значної висоти, і потужність її потоку майже не змінюється ні взимку, ні влітку. Для бу­дівництва гідростанцій на таких річках навіть не потрібні водосховища.

Отримання електроенергії у такій спосіб є значно ефективнішим і дешевшим, ніж, скажімо, тепловим способом. Саме тому приблизно з 80-х років XIX століття сумарна потужність гідрое­лектростанцій продовжує зростати, подвоюючись приблизно кожні 15 років.

Потужність гідроелектростанції залежить від витрат води й висоти її падіння. Навіть річки з невеликими витратами води, яка падає з чима­лої висоти, можуть виробляти велику кількість енергії.

Проте, будуючи гідростанції, не вдається зробити це безболісно для природи і людей. На­самперед, будівництво водосховищ пов'язано з екологічними й соціальними проблемами, таки­ми, як зменшення площ родючих земель, пору­шення природних водних екосистем (у тому числі і через відсутність рибопропускних пунктів), пе­реселення людей, які мешкають у зоні затоплення, скорочення кількості корисних речовин в землях, розташованих вниз за течією та іншими. Але най­більші збитки гідроенергетика завдає внаслідок затоплення великих площ при створенні водо­сховищ, замулювання гребель, корозія гідротур­бін і, порівняно з тепловими електростанціями, чималі капітальні витрати на спорудження ГЕС.

 У залежності від запровадженої потуж­ності гідроелектростанції (ГЕС) поділяються на великі і малі. До малої гідроенергетики належать системи потужністю до 30000 кВт, які, у свою чергу, можна поділити на малі, міні- і мікро-ГЕС. Потужності малої гідроелектро-станції цілком достатньо для забезпечення потреб в електроенергії невеликого міста, селища, а мікро-ГЕС може повністю забез­печити електроенергі­єю приватний будинок. Невеликі гідростанції дозволяють зберігати природний ландшафт, навколишнє середови­ще не тільки на етапі будівництва, але й у процесі експлуатації. Саме тому найбільш перспективним є ви­робництво гідроенер­гії на малих річках без створення штучних во­досховищ. Це так звані міні- та мікро- ГЕС, які  допомагають зберігати природний ландшафт і навколишнє середовище не лише на етапі будів­ництва, а й під час подальшої експлуатації гідро­електростанцій.

На сьогодні мала гідроенергетика стає де­далі популярнішою в світі. Так, Китай, лідер у малій гідроенергетиці, за останні 40 років збіль­шив загальну потужність малих ГЕС у понад три тисячі разів! Серед європейських країн цей вид відновної енергетики найбільш популярний в Ав­стрії (10% від загального виробництва електро­енергії).

 В Україні нараховується понад 63 тис. малих рі­чок загальною довжиною 135,8 тис.км, де можна встановлювати міні- чи мікро- ГЕС. Експлуатація малих ГЕС у нашій країні дає можливість виро­бляти близько 250 млн. кВтгод електроенергії, що дозволило б зекономити до 75000 т. дефіцитно­го органічного палива.

 

Сторінки історії
  • На початку 20-х років XIX ст. в Україні було 84 гідроелектростанції загальною по- тужністю 4000 кВт, а наприкінці 1929 р. - уже 150 станцій загальною потужністю 8400 кВт. Серед них - Вознесенська (840 кВт), Бузька (570 кВт), Сутиська(1000 кВт) та інші. У 1934 р. введено в експлуатацію Корсунь-Шевченківську ГЕС (2650 кВт), що за своїми технічними характеристиками була однією з кращих станцій того часу.

У післявоєнний період електрифікація сільського господарства також орієнтувалась на збільшення потужності й поліпшення техніко-економічних показників малих електростанцій. На початку 50-х років кількість побудованих малих гідроелектростанцій становила 956 одиниць загальною потужністю 30000 кВт. Однак із будівництвом могутніх тепло- і гідростанцій малих ГЕС майже не лишилося. Протягом 1984-1988 рр. було перевірено технічний стан устаткування і споруд існуючих малих ГЕС. З'ясувалося, що збереглося 150 малих гідроелектростанцій: діючих - 49 і недіючих -101.

  • Історія людства нерозривно пов'язана з історією розвитку гідроенергетики. Застосування водяних коліс - це найдавніший тип гідроенергетичної системи - почалося з 200 року до н.е. у Римській імперії. Їх використовували передусім у сільському господарстві: вони перекачували воду для зрошення землі, мололи зерно тощо. І хоча ці пристосування були низькоефективними, використовували лише мізерну частину енергії водного потоку, вони набагато полегшували фізичну працю людей. Починаючи з XIX ст., після відкриття технологій виробництва електроенергії, водяні колеса почали використовувати для роботи електрогенераторів, що виробляють електроенергію.

 

 Подумайте і дайте відповідь

1.  Які ГЕС відносять до малої гідроенергетики?

2.  Чому мала гідроенергетика стає дедалі популярнішою в світі?

3.            Як пояснити, що відновлюваність гідроенергетичних ресурсів також забезпечена

енергією Сонця?

4.  Якої шкоди довкіллю завдають греблі ГЕС?

5.  У чому полягають складнощі використання припливних електростанцій?

4.9. Енергія хвиль та припливів

Всі ми спостерігали за тим, як хвилі б¢ють у берег, як на них гойдаються красені морські лайнери, читали або бачили у фільмах, як могутні цунамі спустошують все навколо. Хвилі мають величезну енергію, яку людям потрібно навчитися використовувати. І такі спроби вже зроблено. У Норвегії по­будовано 500-кіловатну хвильову енергетичну установку. Менші за потужністю хвильові установки забезпечу­ють енергією бакени і маяки, що вказують напрямок руху кора­блям. Попри величезні запаси енергії хвиль, цей напрямок розвивається досить повільно че­рез велику кількість технічних проблем, з якими пов'язане перетворення енергії хвиль в електрич­ну. Основними з них є розосередження енергії на великій поверхні, непостійне хвилевідтворення, низька швидкість руху хвиль при значній силі їх­ньої дії.

Більш поширеним є використання енергії припливів. Припливні коливання рівня всесвіт­нього океану пов'язані з гравітаційним впливом Місяця на водні маси Землі. Двічі на добу рівень світового океану піднімається і опускається.

Висота припливу (різниця між найвищим і найнижчим рівнями води) в середньому сягає 0,5-10 м , а на Таїті становить аж 25 м. Швидкість руху води в протоках між островами доходить до 5 м/с (18 км/год).

Серед сучасних припливних електростан­цій (ПЕС) найбільш відома перша у світі і най­потужніша на сьогодні станція (240 МВт), що міститься у Франції на березі Ла-Маншу в гирлі річки Ране. Приплив у цьому місці переміщує 189 тис. М3 води за секунду. Різниця рівнів становить 13 м, а швидкість течії між містами Брестом і Сен-Мало часто досягає 90 км/год.

До недоліків ПЕС слід віднести труднощі, пов'язані із захистом дамб та устаткування від ударів крижаних торосів, особливо у північних районах. Поблизу дамб морська флора й фауна дуже потерпають внаслідок нагромадження за­бруднюючих речовин на прилеглій території та, хоча й незначного, але підвищення температури і зменшення вмісту кисню у воді. Крім того, дамби перешкоджають міграції риб.

 

Сторінки історії 

Перетворення енергії припливу на механічну енергію використовувалося ще на початку XI століття в припливних млинах, які будували в гирлах річок, що впадали в океан. Для цього перегороджували дамбами річки і створювали резервуари, в яких встановлювалися засувні ворота чи шлюзи. У перших припливних млинах використовувалась тільки потенційна енергія води, зібраної в резервуар. Пізніше, коли були винайдені ефективні насоси, з'явилася можливість використання й другого виду енергії припливів -кінетичної, тобто енергії води, яка рухається.

 

4.10. Біоенергетика

Біоенергетика - це галузь енергетики, що як енергоресурс використовує органічні речовини рослинного або тваринного походження (біомасу), котрі мають енергетичну цінність і можуть бути використані як паливо. Оскільки зростають потреби в енергії, з одного боку, і виснажуються ресурси викопного палива, з іншого, біомаса може стати одним з основних джерел сировини для хімічних виробництв і енергії.

Біомаса поділяється на первинну (рослини, тварини, мікроорганізми) і вторинну (відходи від переробки первинної біомаси і продуктів життєдіяльності людини і тварин). Остання група досить різноманітна:

  • Біологічні відходи тварин (гній великої рогатої худоби, послід домашніх птахів та інше);
  • Залишки від зберігання врожаю сільськогосподарських культур і побічні продукти їх переробки: солома, стебла та качани кукурудзи, стебла бавовни, шкаралупа арахісу, відходи картоплі, рисове лушпиння і солома тощо);
  • Відходи лісопереробної промисловості: кора, листя, гілля, тирса, стружки, щепа;
  • Промислові стічні води (зокрема, текстильних, а також молочних, цукрових та інших підприємств з переробки харчових продуктів);
  • Тверді побутові відходи та стічні води.

Ефективність біомаси як джерела енергії обумовлена легкістю її отримання та   швидким поновленням                 запасів. Залежно від вологості і ступеня розпаду біомасу переробляють термохімічними методами (пряме спалювання, газифікація, піроліз, ожиження) або біологічними методами (анаеробна переробка, етанольна ферментація). В залежності від методу з біомаси можна отримати різні кінцеві енергетичні продукти, включаючи тепло, пару, низько- і висококалорійні гази та різні види рідкого палива. Енергія, прихована в біомасі, своїм походженням завдячує Сонцю. У зеленій частині рослини міститься особлива речовина - хлорофіл, з допомогою якої вони вловлюють сонячну енергію. За фотосинтезу відбуваються хімічні реакції, в яких беруть участь Карбон (С), Гідроген (Н), Оксиген (О) і сонячне випромінювання. В підсумку цього процесу утворюються органічні сполуки, енергія яких більша за енергію початкових матеріалів на величину поглинутої сонячної енергії. В процесі фотосинтезу також виділяється кисень, необхідний усьому живому на Землі, й поглинається карбону (IV) оксид.

 Щорічно на Землі за допомогою фотосинтезу утворюється близько 120 млрд тонн сухої органічної речовини, або біомаси, що енергетично еквівалентно понад 40 млрд. тонн нафти. Утворення біомаси змінюється залежно від місцевих умов, і на одиниці площі суходолу її утворюється приблизно в два рази більше, ніж на одиниці поверхні моря.

Відповідно до програми розвитку поновлюваних джерел енергії (ПДЕ) у країнах Європейського Союзу у 2010 р. біомаса буде покривати близько 74% загального внеску ПДЕ, що становить близько 9% споживання первинних енергоносіїв. Загальні ресурси біомаси в Європі (у млн тонн сухої маси/рік) такі:

  • деревного палива - 75;
  • деревинних відходів - 70;
  • біомаса, вирощувана на енергетичних плантаціях, складає 250 млн тонн/рік сільськогосподарських відходів - 250;
  • міського сміття - 75.

На сучасному рівні за рахунок біомаси отримують сьому частину світового обсягу палива за кількістю отриманої енергії вона посідає, поряд із природним газом, третє місце. Україна має досить великий потенціал біомаси, придатний для одержання енергії. Загальні річні обсяги відновлюваних ресурсів біомаси в Україні ста­лять понад 115 мільйонів тонн. Біомаса (без частки, що використовується іншими секторами економіки) може забезпечити близько 10-17 млн тонн умовного палива на рік, або 5-8 % загальної потреби в енергії.

 

Це цікаво

  • Рисова лузга має таку ж теплотворну здатність, що й деревина. П'ять тонн очищеного рису дають тонну лузги.
  • В Україні щороку залишаються невикористаними близько 5 мільйонів тонн соломи.

 

4.10.1. Спалювання біомаси

Теплову або електричну енергію можна отримувати простим спалюванням біомаси. Для половини населення Землі використання біомаси (деревини, гною, бадилля тощо) є основним, а іноді єдиним доступним джерелом енергії. Як ми вже згадували, в рослинах фотосинтез перетворює енергію сонця на хімічну енергію. Частина енергії зберігається в органічних молекулах, з яких складається біомаса. Карбон, що утворює кистяк органічних молекул, у процесі згоряння реагує з киснем і при цьому частина енергії виді­ляється у вигляді тепла. Одночасно виділяється й карбону (IV) оксид.

Під час горіння біомаси не утворюється більше карбону (IV) оксиду, ніж було поглинуто рослиною за життя, оскільки рослини в процесі фотосинтезу засвоюють цей газ, відтак обсяги СО2 що виділяються при спалюванні біомаси і споживаються рослинами при фотосинтезі врів­новажують одне одного. Тобто використання біо­маси для виробництва енергії не збільшує кон­центрацію карбону (IV) оксида у атмосфері. Але пам'ятаймо: щоб ми могли розглядати біомасу як відновлюване джерело енергії, слід забезпечити її виробництво принаймні на одному рівні зі спо­живанням. У багатьох країнах витрати деревного палива значно випереджають його відтворення. Це призвело до знищення більшості лісів Азії та Африки й прискорило утворення пустель у цих регіонах. Щороку, в тому числі і для спалювання, у світі вирубують 25 млн. гектарів лісу (це відпо­відає площі лісів трьох Україн).

 При спалюванні нафти, вугілля та газу спостерігаються ті ж закономірності, але час, не­обхідний для поновлення балансу С02 сягає кіль­кох мільйонів років (як ми пам'ятаємо, саме такий час потрібен для утворення викопних копалин з відмерлих рештків рослин і тварин).

Спалювання деревини, певно, найстарі­ший спосіб перетворення біомаси на біоенергію. Переваги використання деревини як біопалива полягають у низькому вмісті забруднюючих ре­човин порівняно з нафтою і вугіллям. При пра­вильному спалюванні біомаси викид оксидів Ні­трогену і Сульфуру в атмосферу може становити тільки 10% від загальної кількості оксидів, що утворюються при спалюванні нафти. Хоча кіль­кість пилу і сажі залишається такою ж, як і при спалюванні викопного палива.

Основною проблемою при прямому спа­люванні є відносно низький ККД печей і топок та відносно великий, порівняно з іншими видами палива, вміст вологи. А в разі використання від­ходів лісопереробної промисловості та сільского господарства ще і необхідність спеціальної кон­струкції топок і підготовки біомаси до спалю­вання (брикетування тирси та щепи, пакування соломи і т.п). Просте вогнище для приготування їжі має ККД 14-15%. Використання більш доско­налих сучасних пристроїв дає змогу підвищити ККД до 70% і вище, скоротити потребу в паливі більш ніж утричі.

Серйозною проблемою є енергетичне ви­користання твердих побутових відходів. Сміттєс­палювальні установки (інсинератори) в багатьох країнах світу малоефективні та спричиняють ви­кид у навколишнє середовище токсичних продук­тів згоряння. Тому пошук та розробка нових схем використання твердих побутових відходів є дуже актуальними.

Теплотворність окремих видів відходів:

  • відходи лісового господарства - 2050 ккал/кг;
  • відходи деревообробки - 2300 ккал/кг;
  • міські тверді відходи - 2400 ккал/кг;
  • пластмаса - до 12000 ккал/кг.

Правильне спалювання біомаси дозволяє уникнути багатьох проблем, пов'язаних із забруд­ненням довкілля та економією ресурсів.

 

4.10.2. Піроліз

Німецький інженер Карл Кінер винайшов спосіб перетворювати відходи палива в кокс - це так званий низькотемпературний піроліз (у пере­кладі з грецької - "руйнування вогнем"). Піроліз - це розклад органічних речовин без доступу повітря і відносно низькій температурі (450-800 °С). Власне, треба відзначити ефективність такого методу пере­робки біомаси, промислових і побутових відходів. При піролізі хімічні сполуки руйнуються і утворю­ються первинні (рідина, тверда вугільна речовина і гази) та вторинні (енергія, пальне і хімічні елемен­ти) продукти.

Продукти піролізу:

Рідкі продукти. Важливо, що їх можна ви­користовувати як замінник палива для котлів, а та­кож використовувати для газових турбін та дизель­них двигунів. Рідина, що утворюється у процесі піролізу, має теплоту згоряння 20-25 мдж/кг.

Тверді продукти. Тверда вугільна речови­на, що утворюється у процесі піролізу, придатна для використання як паливо у побуті (каміни, груб­ки), а ще може застосовуватися у промисловій сфе­рі (металургії, тепловій енергетиці, для очищення води і газів).

Газоподібні продукти. Це гази, що горять (метан, карбону (II) оксид). Тепловіддача цих газів підвищується, якщо їх використовувати поки вони гарячі і містять відносно багато смол. Такий газ, як правило, використовують у процесі піролізу для підримання температурного режиму і сушіння ви­хідних речовин.

Хімічні продукти. Серед вихідних продук­тів піролізу виявлено кілька сотень хімічних спо­лук, що викликають інтерес як сировина для окре­мих галузей промисловості. Більш висока цінність окремих хімічних продуктів порівняно з паливом могла б гарантувати вигоду отримання їх навіть у невеликих концентрацій.

Новий метод зацікавив спеціалістів, які займа­ються санітарним очищенням міст у багатьох кра­їнах. Установки для піролізу на відміну від звичних сміттєспалювальних фактично можуть переробити будь-який матеріал - починаючи від осаду стічних вод і старих шин і закінчуючи від­ходами пластмас, деревини, ганчір'ям тощо. Зви­чайно, що в переробку може йти побутове сміття. Подрібнені відходи нагріваються у барабані, який постійно обертається, без доступу повітря. Темпе­ратура відносно невелика. Гази і пара, що виділя­ються, охолоджуються, внаслідок чого утворюють­ся леткі масла, що можуть використовуватися для опалення або як пальне для двигунів. А технічна вода, яка утворюється при цьому, настільки очище­на, що її без будь-якої шкоди можна зливати прямо в каналізацію. Єдиний залишок після переробки - зола. Вона складає 12 відсотків від початкової маси відходів і сміття, і її цілком легко можна захоронити на полігоні. Третину енергії, отриманої від піролізу, можна перетворити в електроенергію. Дві третини йдуть з водою, яка охолоджується, і газами. Воду можна використати для опалення приміщення, а гази для розігріву чергової порції сміття і відходів, що потрапляють у барабан. Втрачається лише не­велика кількість енергії: ККД установки наближа­ється до 80 відсотків.

 

4.10.3. Газифікація

Газифікаційну технологію знешкодження відходів запозичили з металургійної промисло­вості, де її використовують, щоб отримати гази з бурого дуже золистого вугілля. Піроліз і термічна газифікація є спорідненими технологіями. Відмін­ність від піролізу хіба в тім, що термічний розклад відбувається при температурі близько 1200 °С з наявністю невеликої кількості кисню чи повітря.

Газ, що утворюється, можна використову­вати для парових котлів, а при певному очищенні і для газових турбін/генераторів. Тепловідтворююча властивість генераторного газу на три чвер­ті менша від природного газу. Кінцеві продукти газифікації - це тверді шматки, що запеклися, і шлак, рідкі піролізні вуглеводні, гази, піролізний газ, синтез-газ. Існують три продукти газифікації:

вуглеводневі гази (так звані синтез-гази);

  • рідкі вуглеводні;
  • сажа (чорне вугілля і зола).

Синтез-газ, як правило, це карбону (П) оксид і водень (по­над 85% від об'єму) і у невеликій кількості карбону (IV) оксид та метан. Синтез-газ може викорис­товуватися як паливо для вироб­ництва електроенергії чи пари, або як хімічна складова для отри­мання багатьох речовин. При змі­шуванні з повітрям синтез-газ можна застосовувати у бензи­нових або дизельних двигунах (останні дещо удосконаливши). Газифікація цілком підходить для переробки відходів лісопереробної промисловості.

 

4.10.4. Біогаз

У нетрадиційній енергетиці особливе місце посідає переробка біомаси (органічних сільсько­господарських і побутових відходів) метановим шумуванням з одержанням біогазу та твердого за­лишку, який переважно використовується як висо­коякісне добриво.

Біогаз, що утворюється, містить близько 50-60% -метану, 30% - карбону (IV) оксида, а також інші речовини, в тому числі невелику кількість сірко­водню (Н28), незначні кількості азоту, кисню, вод­ню, амоніаку та карбону (II) оксиду.

Перед використанням біогаз очищують від надлишків води та сірководню. Отримання біо­газу відбувається в спеціальних реакторах (метантенках), облаштованих і керованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану.

Біогаз використовують для освітлення, опа­лення, приготування їжі, для приведення в дію ме­ханізмів, транспорту, електрогенераторів. Коли йде мова про біогаз, всі, як правило, мають на увазі, що джерелом його утворення є відходи життєдіяльності тварин і птахів  (тваринний гній, послід птахів) та каналізаційні стоки міст.

Але значні кількості біогазу можно отрима­ти за анаеробної ферментації промислових стічних вод, де велика концентрація розчинених органічних речовин. Це, передовсім, стосується стічної води всіх без винятку харчових підприємств (особливо підприємств з переробки молока, виробництва цу­кру, алкогольних напоїв та ін).

Сьогодні за рахунок недосконалих очис­них систем, що здебільшого використовуються, стічні води потрапляють в навколишнє середови­ще практично не очищеними і викликають значне забруднення поверхневих та підземних вод.

В Україні тільки на великих свинофермах і птахофабриках щорічно утворюється понад 3 млн тонн органічних відходів (у перерахунку на суху речовину), переробка яких дозволить одержати близько 1 млн.т умовного палива у вигляді біогазу, що еквівалентно 8 млрд. КВт·год електроенергії.

В основі виробництва біогазу лежить процес анаеробного бродіння, тобто ферментація орга­нічних речовин рослинного чи тваринного похо­дження в умовах повної відсутності кисню.

Відомо кілька десятків штамів мікроор­ганізмів, які розкладають складні органічні ре­човини до простих жирних кислот, і понад де­сяток штамів, які переробляють ці кислоти на метан, карбону (IV) оксид і воду. Безумовно, що паралельно виділяються й інші продукти біохі­мічних реакцій, але їх кількість незначна. Отри­маний біогаз має теплоту згоряння 5340-6230 ккал/м3 (6.21-7.24 кВттод/ м3). Найбільший вихід біогазу в метантенках отри­мують при температурі 43-52°С. За таких умов, при ферментації 1000 літрів гною на протязі трьох днів можна отримати 4500 літрів біога­зу.

Зараз у світі запроваджено близько 60 різновидів біогазових технологій. Внаслідок по­стійного вдосконалення з'явилася можливість для отримання біогазу використовувати спеці­ально вирощені трави та інші сільськогосподар­ські культури, а також їх залишки та відходи лісопереробної промисловості.

Одержуваний біогаз переважно вико­ристовується в теплоенергетичних установках, змонтованих поряд з біогазовими установками. Частково тепло використовується для виробни­чих процесів, але більша частина, як і електро­енергія, розподіляється між споживачами.

Біогаз, що отримується в процесі анае­робного зброджування гною та інших придатних для цього органічних відходів, є не тільки від­новлюваним джерелом енергії, але й екологічним методом переробки та утилізації цих відходів в органіче добриво. Особливі умови ферментуван­ня призводять до втрати схожості насіння бага­тьох бур'янистих рослин та значно знижують за­бруднення продуктів бродіння хвороботворними мікробами і паразитами.

Велике значення технології отримання і утилізації біогазу мають і у боротьбі з парнико­вим ефектом, оскільки здатні суттєво зменшити викиди парникових газів (зокрема, метану та карбону (IV) оксиду), що утворюються при роз­кладанні біомаси.

Отже, впровадження анаеробної біотехнології одночасно вирішує низку важливих про­блем.

Програмою державної підтримки роз­витку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики в Укра­їні заплановано створити та освоїти виробни­цтво необхідного обладнання і довести річне ви­робництво біогазу до 5 млрд.м3, що еквівалентно 4,3 млн.т уп. щорічно, але реалізація цього захо­ду потребує істотних капіталовкладень. Україна має технічні можливості побудувати та експлуа­тувати понад 100 промислових установок отри­мання біогазу в метантенках.

 
Це цікаво
  • · Підраховано, що за рік для опалення 1 метра квадратного житлової площі будинку витрачається 45 метрів кубічних газу, а для одержання 1 кВт год електроенергії необхідно витрати менше 1 метра кубічного біогазу.

 

4.10.5. Звалищний газ

Не менш важливим джерелом отримання біогазу є сміттєзвалища. Біогаз, який утворюєть­ся на них, називають "звалищним газом"; за сво­їм складом, окрім домішок токсичних речовин, він мало відрізняється від біогазу, що отриму­ється в метантенках. Джерело звалищного газу -тверді побутові відходи (ТПВ). В Україні за рік їх утворюється близько 40 млн.м3 (10 млн.т.). Понад 50% це органічні матеріали, зокрема харчові за­лишки, папір, картон, деревина.

При захороненні на полігонах, в умовах відсутності кисню створюються сприятливі умо­ви для анаеробного бродіння. За середніми під­рахунками, з 1 т твердих побутових відходів про­тягом 20 років утворюється 100 м3, тобто за рік виділяється близько 5 м3 газу. Потенціал звалищ­ного газу в країнах Європейського Союзу набли­жається до 9 млрд.м3/рік, у США - 13 млрд.м3/рік, в Україні - близько 1 млрд.м3 на рік. Звалищний газ утворюється незалежно від того збирають його чи ні. Велика кількість метану при вільному поширенні звалищного газу ство­рює серйозну загрозу для клімату нашої плане­ти.

За оцінками експертної групи Міжурядо­вої комісії зі зміни клімату, звалищний метан -це близько 18% всього метану, який утворюєть­ся на планеті. Окрім впливу на глобальні зміни клімату, звалищний газ викликає ряд негативних явищ локального характеру: його накопичення в спорудах створює вибухо- та пожежонебезпечні умови, негативно впливає на людей, що займа­ються обслуговуванням інженерних комунікацій та живуть поблизу полігонів захоронення ТПВ.

Крім того, звалищний газ пригнічує ріст рослин за рахунок згубної дії на їх кореневу систему. Тому у більшості розвинених країн ді­ють спеціальні закони, які зобов'язують власни­ків полігонів запобігати стихійному поширенню звалищного газу. Основний метод, яким можна це здійснити - його збирання та утилізація.

Найпоширеніша система збирання біогазу складається з мережі вертикальних свердловин, з'єднаних між собою горизонтальними трубами, в яких для його створюється від'ємний тиск. Одна свердловина збирає біогаз в середньому в радіусі 30-35 м. Зазвичай на один гектар полігону ТПВ бурять 2-3 свердловини глибиною 7-10 м. Залеж­но від місцевих умов, з однієї свердловини можна отримати від 5-50 м3/год до 250 м3/год газу.

Проекти, щодо видобування та вико­ристання звалищного газу є досить рентабельни­ми, особливо за наявності звалища промислового споживача газу або використання міні-ТЕС.

 

Це цікаво
  • · В Україні налічується 655 офіційних сміттєзвалищ, з яких тільки 140 - це полігони ТПВ, що можуть вважатися придатними для видобутку та використання звалищного газу.

 

4.11. Біопаливо

Україна не може повністю забезпечити себе енергоносіями, тож змушена велику частину їх ввозити. Тільки на потреби автотранспорту що­року витрачається більше 12 млн.т. бензину і 15 млн.т. дизельного пального. Найближчим часом ці потреби будуть, в основному, забезпечуватися імпортною нафтовою сировиною.

Таке становище породжує залежність еко­номіки України від країн-експортерів нафти та газу і є загрозою для нашої енергетичної і наці­ональної безпеки. З кінця 90-х років XX сторіччя і донині в Україні діє низка державних програм з пошуку і розробки альтернативних видів мото­рного палива.

Є кілька видів моторного палива, які мож­на отримувати з біомаси, але найефективнішими в світі визнані: біодизельне пальне, що містить 90% енергії нафтових палив; етиловий спирт (ета­нол) - 50% їх енергії та метиловий спирт (метанол) - третю частину їх енергії. В Україні за рахунок розвинутої спиртопереробної промисловості саме паливний етанол має найбільший потенціал.

 Джерела його отримання - трав'янисті рослини та деревина, відходи сільського госпо­дарства та деревообробної промисловості, а та­кож побутове сміття практично невичерпні. Воно є цілком сумісним з існуючими двигунами тран­спортних засобів і комерційних паливних систем розподілу і споживання.

У ряді країн світу вже понад 15 років за­стосовують паливний спирт як домішку до світ­лих нафтопродуктів. При використанні 6-12% домішки спирту до бензину немає потреби змі­нювати конструкції двигунів автомобілів, збіль­шується октанове число моторного палива, що веде до зменшення енергетичних витрат при його виробництві, на 4-5% збільшується ККД двигуна та на третину зменшуються викиди шкідливих речовин в атмосферу.

Однією з перших використовувати біопаливо стала Бразилія. На сьогодні Бразилія виробляє близько 45% (12 млрд. літрів на рік) екологічно чистого моторного палива з власних сировинних ресурсів (цукрової тростини). Це майже 10 млн тонн спирту на рік.

У США також реалізується велика про­грама заміни бензинового пального етанолом, який одержують шляхом переробки надлишків кукурудзи й інших зернових культур. Використання спирту як пального запроваджено також у деяких європейських країнах, зокрема, у Франції і Швеції.

Виробництво дизельного палива (біо-дизеля) - не менш перспективний напрямок розв'язання проблеми кількості власного мото­рного палива в Україні.

Біодизельне паливо було відоме ще з по­чатку минулого сторіччя, але ним знехтували че­рез наявність дешевого нафтового палива. Його отримують з різних видів олійних культур: ріпак, конопля, соняшник, соя, пальма тощо.

Найприйнятнішим джерелом біодизеля в наших клімато-географічних умовах є насіння ріпаку. Через значний вміст шкідливих для організму людини органічних сполук, вико­ристання ріпакової олії в харчовій промисловості практично неможливе, але, завдяки тому, що її се­редня теплотворна здатність (33,1 МДж/л) є лише трохи меншою, ніж у дизельного палива (35,1 МДж/л), використання її як палива є доцільним і має велике значення для паливно-енергетичної галузі. Гектар плантації оліїстого ріпака, при від­повідних врожаях, дає в середньому одну тонну біодизельного палива, що замінює одну тонну ди­зельного палива.

Побічний продукт виробничого процесу - гліцерол може використовуватися для виробни­цтва 3,5 тис. предметів споживання, включаючи гліцерин, продовольчі змішувачі та нафтові мас­тила для машин, підсолоджуючі речовини, відновлювачі шкіри, токоферол (вітамін Е), зволожувачі, добрива, безліч продуктів, що використовуються у харчовій промисловості.

В Україні заплановано в ході розширення посівів ріпаку одержати 9 млн. тонн рапсового на­сіння, що може забезпечити отримання майже З млн. тонн біодизельного палива (75% потреби аг­ропромислового комплексу держави). Але, завдя­ки здатності ріпака пристосовуватись до різних агрокліматичних умов, посівні площі під нього можна значно збільшити, що дозволить мати до­даткові обсяги біодизельного палива.

 

Якомога ширше використання різних ви­дів біопалива виправдане і необхідністю захисту довкілля від транспортного забруднення. Авто­транспорт в Україні характеризується низькою ефективністю двигунів, витрата палива в яких в 1,4-1,5 раза перевищує світові норми. Тому викид шкідливих речовин і парникових газів на один кі­лометр пробігу в Україні значно вищий.

При застосуванні біопалива вдасться зна­чно поліпшити ситуацію. Так, використання біоетанолу в умовах міського циклу, зменшує викиди оксидів Нітрогену на 25-40%, карбону (II) оксида - майже у півтора раза, вуглеводнів - на 15-20%. Біодизельне пальне дає на 50%) менше часток вуг­лецю, ніж нафтодизельне паливо, а також меншу кількість сполук нітрогену і карбону (II) оксида. Викиди сульфуру (IV) оксиду при його спалюван­ні у 100 разів менші, ніж дизельного. Тверді речо­вини, що викидаються при згорянні біодизельного палива, на відміну від тих, що викидаються при згорянні нафтодизельного палива, не є канцеро­генними.

Підсумовуючи розділ, можемо сказати, що в міру зростання потреб в енергії, з одного боку, і виснаження ресурсів викопного палива, з іншого, біомаса може стати одним з основних джерел си­ровини для хімічних виробництв і енергії.

 
Сторінки історії

Біопаливо відоме з початку минулого століття, але враховуючи низьку вартість світлих нафтопродуктів, його майже не використовували. Перші автомобілі американського промисловця Генрі Форда працювали на чистому спирті.

 
Подумайте і дайте відповідь

1. Як може зелене листя запасати і перетворювати енергію Сонця?

2. Що таке біоенергетика?

3.  Чому біоенергію відносять до відновлюваних джерел енергії?

4.  Що таке біомаса і як вона використовується для виробництва енергії?

5.  Що таке піроліз?

6.  Де можна використовувати біогаз?

7.  Що може статися, коли з поверхні Землі зникнуть ліси?

 

4.12. Геотермальна енергія

Геотермальна енергія - це тепло Землі, яке переважно утворюється внаслідок розпаду радіо­активних речовин у земній корі та мантії. Темпе­ратура земної кори углиб підвищується на 2,5-3 °С через кожні 100 м. (так званий геотермальний градієнт). Отже, на глибині 20 км вона стано­вить близько 500 °С, на глибині 50 км - порядку 700...800 °С, а в ядрі Землі - близько 5000 °С. У пев­них місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках", температурний градієнт вище майже в 10 разів, і тоді на глибині 500-1000 метрів температура порід сягає 300 °С. Однак і там, де температура земних порід не така висока, геотермальних енергоресур­сів цілком достатньо.

Усю природну теплоту, яка міститься в зем­ній корі, можна розглядати як геотермальні ресур­си двох видів:

- пара, вода, газ;

- розігріті гірські породи.

Основним джерелом геотермальної енергії є постійний потік тепла з розжарених надр, спря­мований до поверхні землі. Цього тепла досить, аби подібно до печі постійно нагрівати навколиш­ню породу. Коли підземні води стикаються із цим теплом, вони теж нагріваються - іноді до 371 °С.

Але утворення геотермальних ресурсів не­можливе без наявності в гірських породах достат­ньої кількості дрібних тріщин та порожнин, так званого геотермального резервуару, в якому влас­не і формуються. Розміри резервуару бувають від кількох тисяч кубічних метрів до кількох кубічних кілометрів.

Гідротермальні джерела енергії по­діляються на термальні води, пароводяні суміші і природну пару.

Для отримання теплоти, акумульованої в надрах землі, її спочатку треба підняти на поверх­ню. Для цього бурять свердловини і, якщо вода досить гаряча, вона піднімається на поверхню природним чином, за нижчої температури може знадобитися насос.

Геотермальні води - екологічно чисте дже­рело енергії, що постійно відновлюється. Воно суттєво відрізняється від інших альтернативних джерел енергії тим, що його можна використовувати незалежно від кліматичних умов і пори року. Геотермальні води характеризуються багатьма факторами. Зокрема, за температурою вони поділяються на слабо термальні - до 40°С, високо термальні - 60-100°С та перегріті - понад 100°С. Вони різняться й за мінералізацією, кислот­ністю, газовим складом, тиском, глибиною заля­гання.

Геотермальну енергію можна перетворити на електричну або ж використати безпосередньо у вигляді теплоти. Залежно від характеристики геотермальних ресурсів, електрика виробляється в традиційних парових турбінах, куди надходять геотермальні води при температурі щонайменше 150 °С, або на парових заводах.

Виходячи з наявних оцінок запасів геотер­мальної енергії, пріоритетними районами для роз­витку геотермальної енергетики є Керченський півострів, Закарпаття, Прикарпаття (Львівська обл.), Донецька, Запорізька, Луганська, Полтав­ська, Харківська, Херсонська, Чернігівська та інші області.

Найперспективнішим для видобутку високопотенційних геотермальних енергоресурсів є Карпатський геотермічний район, який характери­зується високим геотермічним градієнтом і відповідно високими температурами гірських порід по­рівняно з іншими регіонами України. Температура порід в свердловинах, пробурених в Карпатах, на глибині 4 км сягає 210°С. Необхідні температури теплоносія для геотермальних електростанцій знаходяться на значно менших глибинах (на 1 -1,5 км), ніж у інших сприятливих місцях, де, за ге­ологічними та геофізичним даними, на глибинах до 6 км. Так, на території області в районі с. Залуж є унікальне місце площею 30 км, де на глибині 4 тис.м. середня температура сухих порід +200 °С. Цих запасів вистачає для роботи невеликих гео­термальних електричних станцій і тепличних аг­ропромислових комплексів. Значні ресурси гео­термальної енергії має Крим, для якого найбільш перспективними є Тарханкутський і Керченський півострови, де перепад температур менший і на глибині 3,5 - 4 км температура гірських порід ся­гає 160-180 °С.

В Україні визначено шість пріоритетних напрям­ків розвитку геотермальної енергетики:

  • створення геотермальних станцій для тепло­постачання міст, населених пунктів і промис­лових об'єктів;
  • створення геотермальних електростанцій;
  • створення систем теплопостачання з підзем­ними акумуляторами теплоти;
  • створення сушильних установок;
  • створення холодильних установок;

створення схем геотермального теплопо­стачання теплиць.

Людина здавна використовувала природну гарячу воду протягом століть. Всесвітньо відомі термальні джерела Чехії - Карлові Вари і Маріанські лазні - популярні протягом уже 500 років. На цих курортах термальні води, багаті мінераль­ними солями з кристалічних скель, використову­ються для лікувальних ванн і як питні. В промис­ловості геотермальні води використовуються для миття вовни, сушіння деревини, виробництва па­перу і бетонних блоків, як джерело мінералів. У Франції, в районах Паризького й Аквитанського осадових басейнів, гаряча вода температурою 45-85 °С надходить зі свердловин глибиною до 1800 м. для обігріву 200 тис. будинків. Подібні басейни є в Бельгії, Німеччині, Данії, Нідерландах і Англії. Використання тепла геотермальних вод - це най­простіший і найдоступніший спосіб споживання геотермальної енергії. Для цього необхідно тільки пустити трубами геотермальні води прийнятної для споживачів температури. Обігрівання геотер­мальними водами широко застосовується в усьо­му світі для опалення лікарень і шкіл, житлових і виробничих приміщень, теплиць та підігріву води в басейнах, а в Сибіру застосовується для розто­плювання замерзлого ґрунту тощо. Оскільки гео­термальна вода легко доступна, її використання буде зростати швидкими темпами.

 

Це цікаво 

Всередині Землі теплоти набагато більше, ніж можна було б добути її в ядерних реакторах при розщепленні всіх земних запасів урану й торію. Якщо людство використовуватиме тільки геотермальну енергію, мине 41 млн. років перш, ніж температура надр Землі знизиться тільки на півградуса.

 

Подумайте і дайте відповідь 

1.  Що таке геотермальна енергія?

2.  Як люди використовують геотермальну енергію?

3.  Де в Україні містяться найбільші поклади геотермальних вод?

4.  У чому полягають переваги роботи геотермальних електростанцій?

 

Сторінки історії

Електричну енергію з використанням геотер­мального резервуару сухої пари вперше було отримано в 1904 році італійцем П. Джиноні Конті. Промислове освоєння геотермальних ресурсів почалося після створення і запуску в Італії у 1916 р. геотермальної електростанції потужністю 7,5 МВт із трьома турбінами фір­ми "Франко Тозі" потужністю по 2,5 МВт кож­на. Перший резервуар гарячої води, викорис­таний для виробництва електричної енергії, був створений у Новій Зеландії у 50-тих роках XX століття. Перша комерційна геотермаль­на електростанція в США почала виробляти електроенергію у 1960 р.

 


4.12.1. Екологічно вигідно

Геотермальні електростанції викидають дуже мало сульфуру оксидів порівняно з теплови­ми станціями, що працюють на викопному паливі, і зовсім не викидають оксидів нітрогену. Викиди С02 на сучасних геотермальних станціях мінімаль­ні або відсутні. Типова геотермальна станція про­дукує близько 0,45 кг С02 на МВттод; електро­станція на природному газі - 464 кг; електростанція на нафті - 720 кг, а вугільна ТЕС - 819 кг С02 на МВт·»год.

Геотермальні установки потребують неве­ликих ділянок землі, набагато менших, ніж необ­хідні під енергетичні установки інших типів. Вони можуть розташовуватися практично на будь-яких землях, включаючи сільськогосподарські угіддя. До того ж буріння геотермальних свердловин на­багато менше впливає на довкілля, ніж розробка будь-яких інших джерел енергії. Ландшафт поряд з геотермальною установкою не псують ні шахти, ні тунелі, ні гори відходів. Якби можна було вико­ристовувати лише 1 % геотермальної енергії Земної кори (глибина 10 км), ми б мали у своєму розпоря­дженні кількість енергії, що у 500 разів перевищує всі світові запаси нафти і газу. Сукупний світовий потенціал геотермальної енергії в земній корі на глибині до 10 км оцінюється в 18000 трлн. т у.п., що в 1700 разів більше від світових геологічних запасів органічного палива. На даний час в світі діють 233 геотермальні електростанції (ГеоТЕС) загальною потужністю 5136 МВт. Протягом найблищих років загальну потужність геотермальних електростан­цій планується збільшити як мінімум на 40%. Річний технічно-досяжний енергетичний потенці­ал геотермальної енергії в Україні є еквівалентним 12 млн. т у.п., його використання дозволяє заощади­ти біля 10 млрд. м3 природного газу.

 



Обновлен 01 мая 2017. Создан 26 мар 2017



  Комментарии       
Имя или Email


При указании email на него будут отправляться ответы
Как имя будет использована первая часть email до @
Сам email нигде не отображается!
Зарегистрируйтесь, чтобы писать под своим ником