Альтернативные источники энергии
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Мая 2013 в 12:04, курсовая работа
Краткое описание
Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.
АИЭ - собирательное понятие, объединяющее любые источники энергии (возобновляемые, неисчерпаемые) при использовании которых существенно не загрязняется окружающая среда – экологически чистая энергия
Содержание
Введение ........................................................................................ 3
Солнечная энергетика ............................................................................................................. 5
Геотермальная энергетика ................................................................................................... 8
Ветряная энергетика ............................................................................................................. 11
Гидроэлектроэнергетика .................................................................................................... 14
Гидроэлектростанции ................................................................................................................................... 14
Приливные электростанции ...................................................................................................................... 15
Волновые электростанции .......................................................................................................................... 16
Водопадные электростанции .................................................................................................................... 17
Биомасса ...................................................................................................................................... 18
Биоэтанол .............................................................................................................................................................. 18
Биометанол .......................................................................................................................................................... 20
Биодизель .............................................................................................................................................................. 21
Диметилэфир ...................................................................................................................................................... 24
Водород ................................................................................................................................................................... 35
Синтетический бензин ......................................................................................................... 29
Вывод............................................................................................................................................. 30
Список литературы ..................................................................
Вложенные файлы: 1 файл
2013
Руководитель: Свинцова Л.Д.
Supervisor: Svintsova L.D.
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ЗА РУБЕЖОМ
Шелепов К.И.
Томский Политехнический Университет
Томск, Россия
ALTERNATIVE ENERGY SOURCES EXPERIENCE IN ABROAD
Shelepov K.I.
Tomsk Polytechnic University
Tomsk, Russia
2
Оглавление
Введение ........................................................................................ 3
Солнечная энергетика.............................................................................................................5
Геотермальная энергетика...................................................................................................8
Ветряная энергетика.............................................................................................................11
Гидроэлектроэнергетика....................................................................................................14
Гидроэлектростанции.................................................................................................................................... 14
Приливные электростанции...................................................................................................................... 15
Волновые электростанции.......................................................................................................................... 16
Водопадные электростанции .................................................................................................................... 17
Биомасса.......................................................................................................................................18
Биоэтанол............................................................................................................................................................... 18
Биометанол........................................................................................................................................................... 20
Биодизель............................................................................................................................................................... 21
Диметилэфир....................................................................................................................................................... 24
Водород.................................................................................................................................................................... 35
Синтетический бензин.........................................................................................................29
Вывод..............................................................................................................................................30
Список литературы ..................................................................31
3
Введение
Неважно, когда на Земле закончится нефть, - через пятьдесят, сто или двести
лет. Ясно, что источник энергии исчерпаем в принципе и, следовательно, ему
рано или поздно придётся искать альтернативу.
Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются
правительства. Разрабатываются гигантские
энергетические
программы,
осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных
затрат.
АИЭ - собирательное понятие, объединяющее любые источники энергии
(возобновляемые, неисчерпаемые) при использовании которых существенно не
загрязняется окружающая среда – экологически чистая энергия.
Классификация АИЭ:
по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры (сложные эфиры(R
1
—
O—R
2
))
водородные топлива с добавками;
по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;
по объемам использования: целиком, в качестве добавок;
по типу источника: возобновляемые, невозобновляемые.
Нефть
38%
Уголь
22%
Атомная
энергия
8%
Природный
газ
23%
Возобновля
емые
9%
Мировое энергопотребление
4
1%
5%
46%
2%
46%
Возобновляемые и неисчерпаемые
Солнечная энергич
Геотермальная энергия
Биомасса
Ветровая энергия
Гидроэнергия
5
Солнечная энергетика
Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики,
основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для
получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник
энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных
отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо
согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в
пределах 10-16%.
Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:
Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:
1. паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар,
углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
2. двигатель Стирлинга (исп. в
подводных лодках, яхтах, компанией Infinia:
“солнечная тарелка”)
Гелиотермальная энергетика — Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и
последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного
излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении
или в паровых электрогенераторах).
Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию
воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона
аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой
селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне
достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.
Китай по производству солнечной энергии вышел на первое место в мире. Во
всех странах Европы, вместе взятых, не наберется и одной пятой части
тех солнечных установок, которые сегодня эксплуатируются в Китае.
Можно было бы предположить, что китайские солнечные коллекторы уступают
коллекторам европейского производства по качественным показателям. На самом
деле, наоборот, коллекторы китайского производства делают с использованием
самых совершенных технологий. В отличие от Европы, где солнечные
коллекторы устанавливают, потому
что
это
материально
поощряется
6
государством, а, кроме того, это красиво, престижно и экологически чисто, в Китае
их устанавливают, потому что это выгодно. Возможно, именно в этом суть
китайского успеха.
Германия – второй мировой лидер по использованию солнечной энергии. В
Германии преобладают установки, отдающие электроэнергию в общую сеть. К
слову, солнечные генераторы в Германии есть практически везде. Даже офис
Федерального канцлера в Берлине обеспечивается электричеством, которое
вырабатывают 756 солнечных панелей. В стране также установлен самый
крупный фотогальванический комплекс в мире – на винодельне "Эрлассе"
(Erlasse) в баварском Франкене. Комплекс состоит из 17 тысяч солнечных
панелей, снабжают ею город с населением 8 500 жителей.
США на данный момент имеют самые передовые разработки и самые
эффективные технологии. Пока мировая солнечная энергетика осваивает
массовый выпуск панелей, американская компания Solar Roadways подошла к
перестройке энергетики с неожиданной стороны, предложив тратить деньги при
ремонте автодорог более разумно: строить их из особо прочных солнечных
панелей. По мнению её инженеров, это позволит обеспечить электроэнергией до
500 домохозяйств с каждой мили «солнечного дорожного покрытия», а заодно и
подсветку дорог ночью. В конце августа компания уже получила инвестиции от
Министерства транспорта США на создание прототипа «дорожной солнечной
панели».
Япония
также
старается
не
отставать.
Японское
правительство собирается построить орбитальную солнечную электростанцию. Её
площадь составит 4 кв. км, мощность — 1 ГВт. Передавать на Землю
электроэнергию предполагается при помощи лазера или микроволнового пучка.
Плюс разработки состоит в том, что станция может собирать энергию
непрерывно, поскольку ей не будет мешать плохая погода, атмосфера и т.д.
Главный минус проекта — всей мощности такой станции хватит для снабжения
электроэнергией лишь 300 тыс. японских домохозяйств, а их в Японии 47 млн.
Реализация проекта запланирована на 2030 год. В 2015 году на орбиту Земли
будет отправлен первый экспериментальный спутник, задача которого —
протестировать саму технологию сбора солнечной энергии из космоса и её
транспортировки на приёмную станцию. Если начатое доведут до конца, это будет
самый масштабный проект в сфере альтернативной энергетики. Разработкой
проекта займутся Mitsubishi и ряд других японских компаний.
7
Преимущества:
Общедоступность и неисчерпаемость источника.
Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность
того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо
(характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и
привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это
крайне маловероятно).
Недостатки:
Зависимость от погоды и времени суток.
Необходимость аккумуляции энергии.
Высокая стоимость конструкции.
Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
Нагрев атмосферы над электростанцией.
Китай
57%
Тайвань
11%
Германия
7%
Япония
7%
Малайзия
6%
Прочая Азия
4%
США
3%
Южная
Корея
3%
Прочая
Европа
2%
Африка и
Ближний
Восток
0%
Солнечная энергетика
8
Геотермальная энергетика
Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на
производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии,
содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях (КПД-13-14%).
Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии
горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии ввели
в эксплуатацию первую геотермальную электростанцию.
В недрах Кении в огромных количествах скрывается экологически чистая
энергия, и страна уже приступила к использованию крупных запасов водяного
пара в долине Рифт. К 2031 году правительство рассчитывает производить
порядка 27 процентов электроэнергии в стране за счет геотермальных
источников. Кения, первая из африканских стран начавшая бурение для
производства геотермальной энергии под руководством ученых страны с богатым
опытом в области геотермальной энергетики — Исландии. Начиная с 1979 года в
Исландии функционирует учебная программа по геотермальным ресурсам
Университета Организации Объединенных Наций, совместное предприятие
Университета и правительства Исландии, цель которого заключается в том, чтобы
способствовать росту популярности геотермальных проектов по всему миру. В
Исландии 80% жилых домов обогревается с помощью горячей воды, добытой из
геотермальных скважин под городом Рейкьявик.
На западе США за счет геотермальных горячих вод обогревают около 180
домов и ферм. По мнению специалистов, между 1993 и 2000 гг. глобальное
выработки электричества с помощью геотермальной энергии выросло более чем
вдвое. Запасов геотермального тепла в США существует так много, что оно
может, теоретически, давать в 30 раз больше энергии, чем ее сейчас потребляет
государство.
Коста-Рика, Индонезия, Кения и Сальвадор успешно осуществляют
среднемасштабные и крупные проекты освоения геотермальной энергии, входя в
число более чем 20 стран мира, которые уже производят электроэнергию за счет
геотермальных ресурсов. Геотермальные источники используются для обогрева
более чем в 70 странах.
В перспективе возможно использование тепла магмы в тех районах, где она
расположена близко к поверхности Земли, а также сухого тепла разогретых
9
кристаллических пород. В последнем случае скважины бурят на несколько
километров, закачивают вниз холодную воду, а обратно получают горячую.
Классификация геотермальных вод:
По температуре
Слаботермальные до 40°C
Термальные
40-60°C
Высокотермальные 60-100°C
Перегретые
более 100°C
По минерализации (сухой остаток)
ультрапресные
до 0,1 г/л
пресные
0,1-1,0 г/л
слабосолоноватые 1,0-3,0 г/л
сильносолоноватые 3,0-10,0 г/л
соленые
10,0-35,0 г/л
рассольные
более 35,0 г/л
По общей жесткости
очень мягкие
до 1,2 мг-экв/л
мягкие
1,2-2,8 мг-экв/л
средние
2,8-5,7 мг-экв/л
жесткие
5,7-11,7 мг-экв/л
очень жесткие
более 11,7 мг-экв/л
По кислотности, рН
сильнокислые
до 3,5
кислые
3,5-5,5
слабокислые
5,5-6,8
нейтральные
6,8-7,2
слабощелочные
7,2-8,5
щелочные
более 8,5
По газовому составу сероводородные
сероводородно-углекислые
углекислые
азотно-углекислые
метановые
азотно-метановые
азотные
10
По газонасыщенности
слабая
до 100 мг/л
средняя
100-1000 мг/л
высокая
более 1000 мг/л
Достоинства и недостатки:
Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая
неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени
суток и года.
Существуют следующие принципиальные преимущества использования
тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их
температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения,
для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей.
Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород
предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения.
От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство
станции.
Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных
термальных вод, заключается в необходимости обратной закачки отработанной
воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится
большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора,
свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов),
что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на
поверхности.
11
Ветряная энергетика
Ветроэнергетика
-
отрасль
энергетики, специализирующаяся
на
преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в
электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии,
удобную для использования в народном хозяйстве (КПД – не выше 12%).
Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в
частности, в Дании с помощью ветрогенераторов производится 20 % всего
электричества, в Португалии — 16 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 13 % и в
Германии — 8 %.
Экологические аспекты ветроэнергетики:
Выбросы в атмосферу:
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в
атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота.
По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая
ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда
тонн.
Влияние на климат:
Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся
воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом
использовании ветряков (например в Европе) это замедление теоретически
может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные)
климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости
ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет
того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться
летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать
изменению влажностного режима прилегающей территории.
Вентиляция городов:
В современных городах выделяется большое количество вредных веществ,
в том числе от промышленных предприятий и автомобилей. Естественная
вентиляция городов происходит с помощью ветра. При этом описанное выше
12
снижение скорости ветра из-за массового использования ВЭУ может снижать и
вентилируемость городов. Особенно неприятные последствия это может вызвать
в крупных мегаполисах: смог, повышение концентрации вредных веществ в
воздухе и, как следствие, повышенная заболеваемость населения. В связи с этим
установка ветряков вблизи крупных городов нежелательна .
Шум:
Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:
механический шум — шум от работы механических и электрических
компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но
является значительным в ветроустановках старших моделей)
аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с
лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни
ветроустановки)
Одним из примеров конструктивных просчётов является ветрогенератор
Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и
была демонтирована.
Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании,
ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки
до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от
установки до жилых домов — 300 м.
Низкочастотные вибрации:
Низкочастотные колебания, передающиеся через почву, вызывают
ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок
мегаваттного класса.
Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от
ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые
колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.
Обледенение лопастей:
При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности
воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске
ветроустановки возможен разлёт льда на значительное расстояние. Как правило,
13
на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей,
устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от
ветроустановки.
Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмечены случаи
улучшения аэродинамических характеристик профиля.
Визуальное воздействие:
Визуальное воздействие ветрогенераторов — субъективный фактор. Для
улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах
работают
профессиональные
дизайнеры.
Ландшафтные
архитекторы
привлекаются для визуального обоснования новых проектов.
Использование земли:
Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы. На
99% площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой
деятельностью, что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания,
Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10
м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить
сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания
башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать
дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной
составляет $3000-$5000 в год.
Использование водных ресурсов:
В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряные
электростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузку
на водные ресурсы.
Значительный опыт использования больших ветряных турбин для
производства энергии накоплен в США. В сфере производства ветровой энергии
уже создано 85 000 рабочих мест.
14
Гидроэлектроэнергетика
Гидроэнергия — энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в
русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия
падающей воды. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних
течениях рек, сооружаются плотины (КПД 92-94%).
Гидроэлектростанции
Гидроэлектростанции (ГЭС) – традиционный вид гидроэлектростанций
использующие энергию падающей воды.
Принцип работы:
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений
обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины,
которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой
мощности:
мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;
средние — до 25 МВт;
малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального
использования напора воды:
высоконапорные — более 60 м;
средненапорные — от 25 м;
низконапорные — от 3 до 25 м.
Преимущества:
использование возобновляемой энергии.
очень дешевая электроэнергия.
работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.
быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после
включения станции.
15
Недостатки:
затопление пахотных земель
строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды
на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов
сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней приводят к
перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие,
загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация
беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки)
из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов
перелетных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные
сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.
Страны, исчерпавшие экономический гидропотенциал для строительства
крупных ГЭС: Италия, Франция, Германия, Испания, Швеция, США, Новая
Зеландия. Страны Латинской Америка, Азии и Африки еще обладают такой
возможностью. А гидропотенциал Китая стоит на первом месте в мире.
Три ущелья — строящаяся ГЭС в Китае на реке Янцзы, самая большая
гидроэлектростанция в мире. Мощность 22,40 ГВт.
Крупная ГЭС на реке Парана, в 20-ти км от г. Фос-ду-Игуасу в Бразилии.
Мощность 14ГВт.
Приливные электростанции
Приливные электростанции (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанций,
использующие энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения
Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные
силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня
воды у берега могут достигать 13 метров.
Существуют ПЭС во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США
и других странах. ПЭС «Ля Ранс», построенная в эстуарии р. Ранс (Северная
Бретань) имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м.
Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса,
соединяющая города Св. Мало и Динард. Мощность станции составляет 240 МВт.
Другие известные станции: южнокорейская — Shihwa (мощность 254 МВт.),
канадская — ПЭС Аннаполис и норвежская — ПЭС Хаммерфест.
16
Преимущества и недостатки:
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства
энергии.
Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток
мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей
достаточной мощностью электростанций других типов.
Волновые электростанции
Волновые электростанции (ВЭС) – особый вид гидроэлектростанций,
использующие энергию волн.
Oyster (Устрица) — крупнейший в мире волновой электрогенератор, то есть
аппарат, вырабатывающий энергию из морских волн. Создан эдинбургской
компанией Aquamarine Power при содействии специалистов из Королевского
университета в Белфасте (англ.). Oyster представляет собой волновую
электростанцию. Устанавливается недалеко от берега, на глубине порядка 10-16
метров. Поплавок, закреплённый на дне на мощных рычагах, раскачивается под
действием пробегающих над ними волн и приводит в движение двухсторонний
поршневой насос, который гонит морскую воду на берег по трубе, где она крутит
ротор гидроэлектрогенератора. Первый экземпляр произведен 2009 году.
Установлен на дне моря в районе Оркнейских островов в Европейском
исследовательском центре морской энергии в середине ноября, и включён в
потребительскую электросеть.
В Португалии построен волновой генератор.
Принцип действия
преобразователей таков – волны поднимают и опускают их секции, а внутренняя
гидравлическая система
сопротивляется движению, на основе
чего
вырабатывается электричество, которое по кабелям передается на берег.
Размеры у преобразователей, конечно, немаленькие – 140 метров в длину и 3,5
метра в диаметре, так что вид побережья портится. Однако у такого ресурса как
волны огромный потенциал. Волны мира могут генерировать 2 тераватта энергии
(США всего из всех ресурсов производит около одного тераватта).
17
Преимущества:
высокая эффективность, определяемой тем, что установки представляют собой гибкую
энергопоглощающую
систему, которая
непрерывно
изменяет свои
параметры
под воздействием набегающих морских волн широкого диапазона длин и амплитуд.
низкий
уровень
удельных
капитальных
затрат
(3500-4000 долларов
за кВт)
низкая себестоимость производимой электроэнергии (0,05-0,08 доллара за кВт-ч)
низкая материалоемкость (до 150 кг/кВт)
высокая стойкость в штормовом море
мобильность (может быть отбуксирована в любой участок акватории).
Недостатки:
непредсказуемость и непостоянство потока энергии
технические сложности эксплуатации и транспортировки энергии к потребителю.
Водопадные электростанции
Водопадные электростанции - образование энергии в результате
разбивающихся водопадных струй.
18
Биомасса
В настоящее время европейские страны проводят эксперименты по
выращиванию энергетических лесов для производства биомассы. На больших
плантациях выращиваются быстрорастущие деревья: тополь, акация, эвкалипт и
другие. Испытано около 20 видов растений. Плантации могут быть
комбинированными, когда между рядами деревьев выращиваются другие
сельскохозяйственные культуры, например, тополь сочетается с ячменём. Период
ротации энергетического леса — 6—7 лет.
Методом пиролиза (термическое разложение органических соединений без
доступа воздуха) из биомассы получают жидкое биотопливо, метан, водород.
Возможно использование различного сырья: отходы древесины, солома,
кукурузная шелуха и т. д.
Распространено применение топливных пеллет — твёрдого топлива из
отходов деревообрабатывающих и сельскохозяйственных производств.
Биоэтанол(C
2
H
5
OH)
Биоэтанол (этиловый спирт), обладающий высоким октановым числом и
энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного
тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и
особо популярен в теплых странах.
34%
54%
5%
3%
2% 2%
Производство биоэтанола
Бразилия
США
ЕС
Китай
Канада
Прочие
19
Получение биоэтанола:
C
6
H
12
O
6
→ 2C
2
H
5
OH + 2CO
2
(Анаэробное брожение)
CH
2
=CH
2
+ H
2
O → C
2
H
5
OH (Гидратация)
Бразилия после своего нефтяного кризиса 1973 г. активно использует
биоэтанол - в стране более 7 млн. автомобилей заправляются этанолом и еще 9
млн. - его смесью с бензином (газохолом). США также является мировым лидером
по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта.
Биоэтанол используется как “чистое” топливо в 21 штате, а и составляет
10% топливного рынка США. Стоимость этанола в среднем гораздо выше
себестоимости бензина. Всплеск интереса к его использованию в качестве
моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами.
Характеристика:
КПД – 68%
Температура кипения 78,15 °C
Растворимость: смешивается с бензолом, водой, глицерином, диэтиловым эфиром,
ацетоном, метанолом, уксусной кислотой, хлороформом.
Энтальпия образования ΔH −234,8 кДж/моль (г)
Энтропия образования S 281,38 Дж/моль·K (г)
Преимущества:
Экологически чистый
Отсутствует парниковый эффект
Возобновляемый ресурс
Безотходное производство
Недостатки:
Высокая стоимость
Спирт расслаивается при низких температурах
Технические недостатки биоэтанола - в нем в 1 литре содержится на 37% меньше энергии,
чем в 1 литре бензина.
20
Биометанол(СН
3
ОН)
Метиловый
спирт,
произведенный
в
результате
переработки
биологического сырья (КПД – 68%).
CO + 2 H
2
→ CH
3
OH (T>400°С, P=250-300 атм.)
Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую
пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают его широкое применение
на гоночных автомобилях.
Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной
добавки - метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в
США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие
альтернативные топлива вместе взятые. (30% от всего объема продаж).
Всего в мире насчитывается 90 заводов по производству биометанола.
Темпы роста объемов их выпуска довольно низкие и составляют всего 4% в год.
И всего 5 перспективных проектов по производству, среди них 1 - Нидерланды,
Европа, 3 в США, 1 в Японии.
20% совокупного потребления метилового спирта как в чистом виде, так и в
виде его производных приходится на долю транспортных средств. Доля
биометанола останется довольно низкой — всего 0,2% к 2020 г.
Преимущества:
Экологически чистый
Возможность организовать переработку (рециклинг) отходов животноводства и сельского
хозяйства
Недостатки:
Метанол
корродирует
аллюминий.
Проблемным
является
использование
алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС.
Гидрофильность. Метанол втягивает воду, что является причиной засорения систем
подачи топлива в виде желеобразных ядовитых отложений.
Метанол, как и этанол, повышает пропускную способность пластмассовых испарений для
некоторых пластмасс (например плотного полиэтилена). Эта особенность метанола
21
повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, что может привести к
уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации.
Уменьшенная летучесть при холодной погоде: моторы, работающие на метаноле, могут
иметь проблемы с запуском и отличаться повышенным расходом топлива до достижения
рабочей температуры.
Биодизель
Биодизельное топливо (биодизель, biodiesel) - относительно новый вид
экологически чистого топлива. Производится биодизель, как правило, из
растительного масла и поэтому является возобновляемым источником энергии.
Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания
без изменения их конструкции. Возможно применение биодизеля как
самостоятельного вида топлива, так и в смеси с обычным (минеральным)
дизельным топливом (КПД – 70%).
Химически биодизель это метиловый эфир, являющийся продуктом реакции
этерификации растительного масла при температуре около 50 °C в присутствии
катализатора.
Биодизель из рапса (биотопливо из рапса) - наиболее широко применяется
в настоящее время в Европе. Рапс - вид травянистых растений рода Капуста
семейства
Капустные
(Крестоцветные). Важное
масличное
растение;
экономическое значение рапса к концу XX века существенно выросло в связи с
тем, что он начал использоваться для получения биодизеля.
В Европе биодизельное топливо применяется по двум принципиальным
схемам: “немецкой” и “французской”. В настоящее время в Германии действует
около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству
рапсового масла, а топливо “Biodiesel” выпускает восемь немецких фирм.
“Французская” схема предусматривает централизованное производство diestera
на мощных установках (5-10 тыс. тонн в год)
В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий
интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства
из рапса (возможно также производство из отработанного растительного масла).
В Австрии такое топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка
дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год;
во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год; в Италии - 60 тыс. т/год.
22
В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо
биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и
грузовых автомобилях.
Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со
значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-
50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного
использования дизелей (города, реки, леса, открытые разработки угля (руды),
помещения парников и т.п.) - cодержание серы в биодизельном топливе
составляет 0,02%.
Преимущества:
Экономический аспект. Страны, где нефти нет либо крайне мало, готовы платить зеленым
сырьем (а не долларом) за энергетическую независимость.
«Биодизель» практически не содержит серы и канцерогенного бензола. Разложение этого
топлива происходит в естественных условиях без вреда для природы, а в процессе
сгорания в двигателе выбросы в атмосферу СО2 на 50–80% ниже, чем при работе на
традиционном минеральном дизтопливе;
Растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, поскольку его цетановое
число достигает 58, тогда как этот показатель для традиционной солярки не превышает 52.
Германия
Италия
Франция
Чехия
Польша Австрия
Производство биодизеля в ЕС
23
Иными словами, зажечь биодизельное топливо легче, но, увы, сгорает оно с меньшей
теплоотдачей;
Запасы сырья могут возобновляться ежегодно, культура не требует особого ухода в
процессе выращивания;
В ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат
натрия);
Недостатки:
Возможность уничтожения лесов для увеличения посевных площадей
Истощение плодородных земель и как следствие – голод
Сокращение сельхоз. площадей в пользу топливных
Азотные удобрения используемые при выращивании растений наносят больший ущерб
чем выделение CO
2
Биодизель третьего поколения - топлива, полученные из водорослей.
Департамент Энергетики США с 1978 года по 1996 года исследовал водоросли с
высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program».
Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико
пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В
течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2.
После прохождения реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть
выше 96 %.
Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые
эфиры необходимо очистить от него.
Использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без
предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и
образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования
недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент.
Заключительный этап — сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода приводит к
развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот,
вызывающих коррозию металлических деталей.
Хранить биодизель более 3 месяцев не рекомендуется — разлагается.
24
Диметилэфир (C2H6O)
Диметилэфир - новый, экологический вид горючего, является производной
метанола, который выходит в процессе синтетического преобразования газа в
жидкое состояние.
Главным образом, диметиловый спирт получают как попутный продукт при
синтезе метанола, с использованием комбинации из катализаторов дегидратации
и синтеза метанола, содержащих медь, цинк и хром. Реакция протекает по такой
схеме:
3СО + 3Н2 = СН3ОСН3 + СО2
Это наиболее современный и экономически обоснованный способ. Синтез
осуществляется при повышенных температурах (от 200 до 400 градусов) и
давлении (от 4 до 40 мПа).
До нынешних дней технологией производства данного вида горючего
обладала только Германия, но недавно Иран тоже завладел этой технологией.
В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC)
(Китай)
приняла
стандарт
использования
диметилового
эфира
в
качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие
диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В
ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового
эфира в год.
В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее
конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность
на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного
природного газа.
Характеристики:
КПД – 80%
Стандартная энтальпия образования ΔH= 298 (К, кДж/моль)
Стандартная энтропия образования S= 298 (К, Дж/моль·K)
Температура самовоспламенения на воздухе (°C): 350
Преимущества:
25
Экологически чистый
Цены ниже, чем на бензин (но выше, чем на сжатый газ);
Возможно переоборудование практически любых бензиновых двигателей внутреннего
сгорания;
Наличие дополнительной топливной системы;
Меньше токсичность отработавших газов;
Недостатки:
При температуре ниже 0°С (т. е. зимой) необходим запуск и прогрев на бензине;
Запасы ограничены;
Дополнительные расходы на установку и обслуживание;
Малая теплотворная способность
Для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень
предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для
производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.
Диметилэфир характеризуется высоким цетановым числом (55-60 против
40-55 у нефтяного дизельного топлива) и полным отсутствием сажи в выхлопе.
(Чем выше цетановое число, тем более спокойно и плавно горит топливная
смесь).
Для использования этого вида топлива не придется создавать новую
инфраструктуру АЗС - достаточно сделать их двухтопливными, а на машину
поставить комплект газовой аппаратуры.
Водород
Водород считается самым чистым моторным топливом, его ресурсы
неограниченны. Может храниться на борту транспортного средства в
газообразном и сжиженном состоянии. Ведутся разработки и изобретения
водородного двигателя в Израиле, США, Германии, Нидерландах.
Способы получения:
1. С + Н2О =
Н2 + СО (водяной газ)
Водяной пар пропускают над раскаленным добела коксом (углем, нагреваемым
без доступа воздуха). В результате получается смесь оксида углерода с
водородом, которую называют "водяным газом".
26
2. СН4 + 2Н2О = 4Н2 + СО2
В промышленности большое количество водорода получают именно из метана,
добавляя к нему при высокой температуре перегретый водяной пар. Смесь газов
охлаждают и промывают водой под давлением. При этом СО2 растворяется, а
малорастворимый в воде водород идет на промышленные нужды.
3. 2H2O
= 2H2 +O2
Наиболее чистый водород в промышленности получают электролизом воды.
Минимальные затраты электроэнергии на разложение воды составят около 20
МДж/кг, мощность установки должна составлять 92.5 кВт.
Как это ни странно, ведущими разработчиками в области водородной
энергетики являются крупнейшие нефтегазовые и энергетические компании –
такие, как британская ВР или итальянская Enel. Несколько лет назад Enel
запустила первую в мире водородную электростанцию, которая не выбрасывает в
атмосферу парниковых газов. А шейхи из нефтеносного Абу-Даби (ОАЭ)
планируют потратить $15 млрд на альтернативную энергию и построить
крупнейшую в мире водородную электростанцию.
Компании Siemens, Ford, General Electric, General Motors" активно ведут
работы на миллиарды долларов по переводу автомобилей на водородное
топливо. Фирма Siemens-Westinghouse реализует энергетические установки для
использования на электростанциях, работающие на водородных топливных
элементах. Автоконцерн Toyota начал серийный выпуск автомобилей с
двигателями, использующими комбинацию бензина и водорода. Компании General
Motors, Ford Motors и BMW разрабатывают грузовые автомобили на водородном
топливе.
В рамках европейского проекта CUTE компания Daimler-Chrysler приступила
к производству водородных автобусов, корпорация British Petroleum будет
производить установки для их заправки. Компания Airbus занята созданием
воздушных транспортных средств на водородном топливе. Япония к 2010 году
выпустила на свои дороги 10 тысяч автомобилей на топливных элементах, а к
2020 – 50 тысяч и обеспечить их водородными заправками.
На промышленной основе водородные заправки строят только в США и
Канаде. Именно в этих странах за последнее 2-3 года открылось более 200
27
заправок. Американское правительство реализует план оснащения водородными
заправками крупных магистралей. Водородные шоссе появились в Калифорнии,
Нью-Йорке (Hi Way Initiative), Иллинойсе (2H2), Флориде. Подобного размаха
внедрения водородного топлива не наблюдается даже в Канаде (1 шоссе на 900
км- The Northern H) и Норвегии (система дорог HyNor, общей протяженностью в
500 км). Германия и скандинавские страны пока еще только собираются внедрять
национальные проекты водородных магистралей.
Характеристика:
Энтальпия образования ΔH=4440 кДж/кг
Энтальпия испарения ∆H:453 кДж/кг
Температура испарения: 20-22 °К
Преимущества:
Экологически чистый
Отсутствие “парникового эффекта”
Огромные ресурсы
Большой потенциал
Недостатки:
Взрывоопасен, поэтому хранить его неудобно и дорого.
Отсутсвие инфраструктуры
Большие финансовые вложения
Получение водорода требует затрат энергии.
Переоборудование автомобиля для работы на водороде приведёт к усложению и
утяжелению конструкции.
28
Синтетический бензин
Ученые великобританской компании Cella Energy разработали совершенно
новый тип синтетического топлива, массовое производство которого может
привести к появлению на заправочных станциях бензина по цене менее 40 центов
за литр. Кроме того, что стоимость такого топлива совершенно не зависит от
колебаний стоимости нефти на международном рынке, новый вид топлива
совершенно не содержит углерода и его сгорание не приводит к выбросу вредных
веществ в окружающую среду.
Технология производства
нового
синтетического
топлива
основана
использовании сложных гидридных соединений и была разработана в результате
проведения в лаборатории Рутэрфорда Апплетона близ Оксфорда (Rutherford
Appleton Laboratory near Oxford) совершенно секретной программы, длившейся
более четырех лет. Согласно исследователям новый вид синтетического топлива
может использоваться без ограничений во всех автомобилях и не требует никакой
переделки последних и установки дополнительного оборудования.
Согласно заявлению, президента компании Cella Energy, технология получения
синтетического топлива основана на передовых открытиях в области
материаловедения, в области высокоэнергетических материалов, использовании
нанотехнологий и технологии коаксиального электрораспыления.
С помощью технологии электрораспыления материал, представляющий собой
сложное гидридное соединение, содержащее водород, распыляется до
наноразмерных капель. С помощью запатентованной технологии эти капельки
обволакиваются оболочкой, превращаясь
микрокапсулы.
Использование
микрокапсул делает новое топливо более безопасным при транспортировке и
хранении, чем высокооктановый бензин.
Особенности:
Низкое давление
Отсутствие «парникового эффекта»
Экологически чистый
Более безопасен при транспортировке и хранении
29
Преимущества:
Экономически выгоден
Быстрое внедрение на рынок
Экономит время и деньги на упаковке
Длительное использование без дозаправки
Согласно отчёту ООН, в 2008 году во всём мире было инвестировано $140
млрд в проекты, связанные с альтернативной энергетикой, тогда как в
производство угля и нефти было инвестировано $110 млрд.
Во всём мире в 2008 году инвестировали $51,8 млрд в ветроэнергетику, $33,5
млрд в солнечную энергетику и $16,9 млрд в биотопливо.
Страны Европы в 2008 году инвестировали в альтернативную энергетику $50
млрд, страны Америки — $30 млрд, Китай — $15,6 млрд, Индия $4,1 млрд.
30
Вывод
Всё большее число стран начинают осуществлять конкретные действия по
внедрению технологий, использующих альтернативные источники энергии (АИЭ)
для производства электричества и тепла.
На сегодняшний день в мировом энергетическом балансе АИЭ занимают
незначительную долю, но наблюдается устойчивая тенденция к ее увеличению.
Альтернатива есть для каждого региона земли, вопрос только в стоимости
технологий, и чем дальше идет развитие альтернативной энергетики, тем
совершеннее и рентабельнее она становится.
31
Список литературы
1. Аугусто Голдин. Океаны энергии. – Пер. с англ. Оксфорд-пресс.2004 г.
2. Гончар В.И. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в
Энергетической программе России – География в школе. 4/2008 – М.:
Педагогика, 2008 г.
3. Кондаков А.М. Альтернативные источники энергии – М.: Прива. 2006 г.
4. Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым
источникам энергии. – М.: Наука, 2000.
5. Максаковский В.П. Географическая карта мира. Часть третья. - М.: 2000 г.
6. Энергетические ресурсы мира. Под редакцией Непорожнего П.С., Попкова В.И.
- М.: Энергоатомиздат. 2008 г.
7. Японские компании запустят солнечную электростанцию в космос.
8. Взгляд.ru 13.07.10 В Подмосковье не пойдет.
9. European Renewables Target Can Create 2.8M Jobs
10. Green energy overtakes fossil fuel investment, says UN
11. Another Record for U.S. Renewable Electricity
12. К 2020 году пятая часть электроэнергии в Австралии будет «зеленой»
Информация о работе Альтернативные источники энергии