13f168

Игровой номер команды 13f168
Возобновляемые
источники энергии
Творческое задание
команды «Альфа» МБОУ СОШ № 111
г. Минеральные Воды
α
Мировая экономика, которая за последние сто лет выросла в
объёмах производства более чем в 100 раз, неуклонно требует
всё возрастающих энергетических затрат. При этом, все
экономически развитые страны испытывают острый дефицит в
энергетических
ресурсах.
Учитывая
географическую
удалённость основных месторождений органического топлива и
неуклонное сокращение их запасов, острота проблемы
энергоснабжения в обозримом будущем будет нарастать.
В широком спектре различных видов альтернативных
источников особая роль отводится возобновляемым,
как
наиболее
перспективным
в
практическом
освоении.
Возобновляемые источники энергии - это источники на основе
постоянно существующих или периодически возникающих в
окружающей среде потоков энергии. Типичный пример такого
источника - солнечное излучение с характерным периодом
повторения 24 ч. Возобновляемая энергия присутствует в
окружающей среде в виде энергии, не являющейся следствием
целенаправленной деятельности человека, и это является её
отличительным признаком.
α
1.
2.
3.
4.
5.
Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния
на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч.
ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому
изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.
Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную
энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать
цены на топливные ресурсы;
Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит
сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других
отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими
альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из
традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных
электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются,
на традиционную - постоянно растут;
Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом
трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы
рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста
онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС,
крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен
вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную
напряженность.
Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на
Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в
атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика
представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо
немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.
α
ВведениеВетер
Гидротермальная
энергия
Водород
Управляемый
термоядерный
синтез
Энергия
солнца
Геотермальная
энергия
Гидроэнергия
Энергия
приливов и
отливов
Энергия
волн
α
Ведущим экологически чистым источником энергии
является Солнце. В настоящее время используется
лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что
существующие солнечные батареи имеют сравнительно
низкий коэффициент полезного действия и очень
дороги в производстве.
Однако не следует сразу отказывать от практически
неистощимого источника чистой энергии: по
утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы
одна покрыть все мыслимые потребности человечества
в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также
повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а
разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы
обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу
бытовых электроприборов даже в умеренных широтах,
не говоря уже о тропиках.
Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с
сооружением, размещением и эксплуатацией
гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров
земной поверхности. Поэтому общий удельный вес
гелиоэнергетики был и останется довольно скромным.
α
Минеральные Воды
Станция скорой медицинской
помощи
Оснащена 50 солнечными коллекторами общей
производительностью 62 кВт/ч, а также
14 фотоэлектрическими установками общей
мощностью 2,1 кВт/ч. Солнечные установки
располагаются на крыше здания и полностью
обеспечивают работу системы горячего
водоснабжения.
Проект реализован в рамках краевой целевой
программы «Энергосбережение, развитие
возобновляемых источников энергии
в Ставропольском крае на 2009-2013 годы».
Стоимость реконструкции составила 11 млн руб.
(9 млн руб. — из бюджета Ставропольского края,
2 млн руб. — из бюджета муниципалитета).
Ответственная организация — ООО «Сфинкс-9»
(город Ставрополь, продвижение энергосберегающих
технологий, основанных на ВИЭ).
.
Кисловодск
Солнечная электростанция
По расчетам специалистов, 30 лет эксплуатации Кисловодской
СЭС сохранят более 709 тысяч тонн атмосферного кислорода, в
окружающую среду не попадет почти 1,1 миллиона тонн вредных
выбросов, а также удастся предотвратить бесполезный сброс 3,3
миллиона гигаджоулей тепла.
Установленная пиковая мощность — 50 мегаватт, Срок
окупаемости — около семи лет. Начало строительства
запланировано на четвертый квартал 2012 годаЗавершиться оно
должно через год. Капитальные вложения в проект составят 6,1
миллиарда рублей — это деньги инвестора, краевого бюджета и
заемные средства. Мощность мы нарастили благодаря тому, что
увеличилась площадь земельного участка до 88 гектаров, и за
счет того, что на станции будут только электрические модули. От
идеи поставить тепловые мы отказались».
Преимущества солнечной электростанции: быстрое возведение и
простая сборка из легких конструкций, ресурс «прочности» в 25
лет и снижение выбросов парниковых газов на 80 тысяч тонн CO2
ежегодно. СЭС будет поставлять электричество в энергосистему
края и частично покроет потребности в ресурсе в районе ее
размещения.
На базе Кисловодской солнечной электростанции предполагается
разместить научно-исследовательский центр по изучению
солнечной энергетики, где можно будет проводить научные
эксперименты, испытания и сертификацию нового оборудования,
а также организовывать обучающие семинары в сфере
энергосбережения, — добавил Валерий Корсаков. — А
результаты, полученные на Кисловодской СЭС, пригодятся при
работе над другими солнечными электростанциями,
запланированными к строительству в регионах России».
Главное преимущество энергии ветра – экологическая чистота.
В настоящее время разработаны ветроэнергоустановки, способные
эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта
автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно
обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра,
а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически
переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.
Разработаны и действуют так называемые циклонные
электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый
воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и
смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает
искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие
установки намного эффективнее и солнечных батарей и
обычных ветряков.
Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают
огромные “ветряные фермы”. Ветряки при этом стоят рядами
на обширном пространстве, потому что их нельзя ставить
слишком тесно - иначе они будут загораживать друг друга.
По оценке Всемирной метеорологической организации запасы
энергии ветра в мире составляют 170 трлн. кВт·ч в год.
α
На данный момент водород является самым
разрабатываемым «топливом будущего». На
это есть несколько причин: при окислении
водорода образуется как побочный продукт
вода, из нее же можно водород добывать. А
если учесть, что 73% поверхности Земли
покрыты водой, то можно считать, что
водород неисчерпаемое топливо. Так же
возможно использование водорода для
осуществления
термоядерного
синтеза,
который вот уже несколько миллиардов лет
происходит на нашем Солнце и обеспечивает
нас солнечной энергией.
α
Управляемый термоядерный синтез использует
ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии
легких ядер, таких как ядра водорода или его
изотопов дейтерия и трития. (реакцию синтеза
дейтерия с тритием D + T = He + n,
в результате которой образуется ядро гелия, Не, и
нейтрон.)
Будущий термоядерный реактор будет работать в
режиме:
1. последовательных микровзрывов с частотой в несколько
герц, а выделяемая в камере энергия будет сниматься
теплоносителем и использоваться для получения
электроэнергии.
2. термоядерные реакторы, основанные на магнитном
удержании. Магнитное поле используется для изоляции
горячей дейтериево-тритиевой плазмы от контакта со
стенкой, системами для магнитного удержания плазмы:
токамак;
3. стелларатор.
α
1. Создание “мини-ГЭС”.
“мини-ГЭС” могут располагаться на небольших реках
или даже ручьях, их электрогенераторы будут
работать при небольших перепадах воды или
движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС
могут быть установлены и на крупных реках с
относительно быстрым течением. При поточном
производстве унифицированного гидротурбинного
оборудования “мини-ГЭС” способны конкурировать с
“макси” по себестоимости киловатт-часа.
Несомненным плюсом является также возможность
их установки даже в самых труднодоступных уголках
страны: все оборудование можно перевезти на одной
вьючной лошади, а установка или демонтаж занимает
всего несколько часов.
2. Геликоидная турбина Горлова.
Ее особенность заключается в том, что она не
нуждается в сильном напоре и эффективно работает,
используя кинетическую энергию водяного потока реки, океанского течения или морского прилива. Это
изобретение изменило привычное представление о
гидроэнергостанции, мощность, которой ранее
зависела только от силы напора воды, то есть от
высоты плотины ГЭС.
α
Стратегия
оптимальной
эксплуатации
приливной
электростанции (ПЭС) проста: накапливать воду в
водохранилище за плотиной во время приливов и
расходовать ее на производство электроэнергии, когда
наступает “пик потребления” в единых энергосистемах,
ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.
Но
на сегодняшний день ПЭС уступает тепловой
энергетике, и причина не только в том, что вместо того,
чтобы вкладывать миллиарды долларов в сооружение
ПЭС, можно купить нефть, газ и уголь, продаваемые
развивающимися странами за бесценок… Дело в том, что
для сооружения ПЭС даже в наиболее благоприятных для
этого точках морского побережья, где перепад уровней
воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются
десятилетия, или даже столетия!
Но всё же она обладает всеми необходимыми
предпосылками, чтобы в будущем стать важнейшей
составляющей мировой энергетики, такой, какой сегодня, к
примеру, является природный газ.
Потенциально приливы и отливы могут дать человечеству
примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год.
α
Принцип получения волновыми
электростанциями энергии основан на
использовании океанических течений.
Уже инженерно разработаны и
экспериментально опробованы
высокоэкономичные волновые
энергоустановки, способные эффективно
работать даже при слабом волнении или
вообще при полном штиле. На дно моря
или озера устанавливается вертикальная
труба, в подводной части которой
сделано “окно”; попадая в него,
глубинная волна (а это – почти
постоянное явление) сжимает воздух в
шахте, а тот крутит турбину генератора.
При обратном движении воздух в турбине
разрежается, приводя в движение вторую
турбину. Таким образом, волновая
электростанция работает беспрерывно
почти при любой погоде, а ток по
подводному кабелю передается на берег.
α
Подземное тепло планеты – довольно хорошо
известный и уже применяемый источник “чистой”
энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт
была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине
реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность составляла уже
11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, МонтеАмиата и Травеле, работают 11 таких станций общей
мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США
(Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии
(у озера Миватн), Новой Зеландии, Мексики и
Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает
тепло исключительно от горячих подземных
источников. Но потенциальная мощность
геотермальной энергетики намного выше.
Геологи открыли, что раскаленные до 180-200С
массивы на глубине 4-6 км занимают большую часть
территории нашей страны, а с температурой до 100150С встречаются почти повсеместно. Кроме того,
на нескольких миллионах квадратных километров
располагаются горячие подземные реки и моря с
глубиной залегания до 3.5 км и с температурой воды
до 200С – естественно, под давлением, – так что,
пробурив ствол, можно получить фонтан пара и
горячей воды без всякой электротеплоцентрали.
α
Принцип получения энергии гидротермальными
электростанциями основан на использовании
тепла воды.
Вода – это всегда хотя бы несколько градусов
тепла, а летом она нагревается до 25 С. Почему
бы не использовать часть этого тепла? Для этого
необходима установка, действующая по принципу
“холодильник
наоборот”.
Известно,
что
холодильник “выкачивает” из своей замкнутой
камеры тепло и выбрасывает его в окружающую
среду. Если пропускать воду через холодильный
аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло.
Горячий пар, который образуется в результате
теплообмена, конденсируется, его температура
поднимается до 110С, а затем его можно пускать
либо на турбины электростанций, либо на
нагревание воды в батареях центрального
отопления до 60-65 С. На каждый киловатт-час
затрачиваемой на это энергии природа дает 3
киловатт-часа! По тому же принципу можно
получать
энергию
для
кондиционирования
воздуха при жаркой погоде.
α
Прежде чем установить,
какие виды
альтернативных
источников могут
использоваться в нашем
крае, мы решили
подробнее изучить
особенности его рельефа и
климата.
α
№ п/п
Год
Мощность , МВт
1
2005
18,6
2
2006
19,2
3
2007
19,8
4
2008
21,4
5
2009
22,6
6
2010
24,2
7
2011
24,8
8
2012- Прогноз
26,5
На территории Ставропольского края отсутствуют атомные электростанции.
Основным генерирующим элементом является каскад Кубанских ГЭС
(гидроэлектростанций), использующие воды реки Кубань для производства
электроэнергии. После выхода из кризисных 90-х годов прошлого века и
активным ростом в нашей стране промышленности и хозяйственных объектов с
начала 21-го века, вопрос энергетического снабжения стал одним из важнейших.
Даже на примере
нашего города Минеральные Воды можно увидеть, что
мощности и,
соответственно,
энергопотребление городских объектов
значительно растет с каждым годом.
Мы считаем, что стоит отдать предпочтение и считать приоритетными
альтернативные источники энергии.
α
Ставрополье - край природных контрастов. На востоке и северо-востоке
раскинулись обширные равнины, полупустыни, местами переходящие в
настоящую пустыню с высокими ребристыми песчаными барханами. На
западе и северо-западе полупустыня переходит в плодородные
Ставропольские
степи.
На
севере
и
северо-востоке
граница
Ставропольского
края
проходит
по
Кумо-Манычской
впадине,
расположенной на уровне моря.
По рельефу край делится на равнинную часть и предгорную полосу.
Большая
часть
равнинной
территории
занята
Ставропольской
возвышенностью и прилегающими к ней частями Азово-Кубанской
низменности, Кумо-Манычской впадины (20 м над уровнем океана) и
Прикаспийской низменности.
Климат Ставропольского края умеренно континентальный. Средняя
температура января -5°С (в горах до -10°С), июля от +22 до +25°С (в горах до
+14°С). Осадков выпадает: на равнине 300-500 мм в год, в предгорьях - свыше
600 мм. Продолжительность вегетационного периода - 180-185 дней. Реки
края принадлежат к бассейнам Азовского и Каспийского морей. Наиболее
крупные из них - Кубань, Егорлык, Кума и Калаус.
Ставропольский край исключительно богат
лечебными минеральными водами. Известен он
гидротермальными водами, лечебными источниками
и грязями, которые в большом количестве находятся
на Кавказских Минеральных Водах.
α
Выполнив
небольшое
исследование
нашего края, мы пришли к выводу, что
наиболее
приемлемыми
для
нас
альтернативными источниками энергии
является геотермальная, ветровая и
солнечная энергетика.
В Ставропольском крае разведано пять
месторождений теплоэнергетических вод
с
общими
балансовыми
запасами
термальных вод 12,2 тыс.куб.м./сут.
Для пилотного проекта предлагается
использовать геотермальные ресурсы
Казьминского
месторождения.
Балансовые запасы месторождения 8,8
тыс. куб.м/сут. При устьевой температуре
116-1280С.
В настоящее время в промышленной
разработке находится около 10% ресурсов.
α
Наиболее выгодной является разработка Казьминского
геотермального месторождения. Оно может обеспечить дешёвым
теплом и электроэнергией, улучшить экологическую обстановку в
районе за счет отказа от использования органического топлива,
создать дополнительные рабочие места.
Геотермальные ресурсы месторождения обеспечат:
• обогрев 23 Га теплиц;
• выработку 24 млн. кВт-ч электроэнергии в год;
• условия для создания бальнеологических и оздоровительных
комплексов.
Технико-экономические показатели:
• Электрическая мощность – 4 МВт;
• Тепловая мощность – 65 Гкалл/ч;
Но, по нашему мнению, создание геотермальных электростанций
возможно в таких городах ,как:
Пятигорск; Ессентуки; Железноводск; Кисловодск;
Минеральные Воды; с. Нагутское; с. Лысогорка, так как в
их районе находятся геотермальные источники.
α
В Ставропольском крае в начале 90-х годов XX века были начаты
работы по строительству геоТЭС в районе посёлка Каясула
Нефтекумского района. Заявленная проектная мощность станции
составляет 5 МВт.
Несмотря на небольшую проектную мощность, станция является
уникальной по техническим решениям. Особенность теплового
цикла преобразования высокотемпературной пластовой воды с
температурой 200 с в электрическую заключается в том, что в
качестве рабочего тела в энергетическом контуре применяется
легкокипящий фреон.
Это повышает эффективность преобразования теплоты в
механическую работу за счёт более высокой плотности
паров фреона по сравнению с водяными парами.
По социально-экономическим причинам строительные
работы приостановлены и в настоящее время станция
находится на консервации.
α
Ставропольский край в силу своего географического
положения является ветровым.
По его территории проходит так называемый «армавирский коридор» –
сильный, холодный и пыльный юго-восточный ветер, дующий вдоль долины
реки Кубань, в теснине между Ставропольским плато и Кавказскими
предгорьями. Благодаря равнинному рельефу «продувными» можно назвать
практически все районы края. Но до сих пор здесь в промышленных целях не
используется ни одного ветряка.
Ветровая энергетика в крае может использоваться практически
повсеместно, но наиболее благоприятными являются:
Нефтекумский район;
Минераловодский район;
Георгиевский район.
Важным положительным метеорологическим
показателем является наличие в этих районах более 250
дней в году ветра со скоростью, превышающей 8 м/с.
Положительным техническим показателем является то,
что освоен промышленный выпуск энергоустановок с
мощностью 100-500 кВт.
α
Изучив климатические условия нашего края,
мы
предполагаем,
что
использование
солнечной энергии
принесет большое
количество
дополнительной
электроэнергии, т.к. в некоторых районах
солнце светит практически 360 дней в год,
например, в городе Кисловодске.
Наиболее
«солнечными»
районами
являются:
• Предгорный район;
• Минераловодский район;
• Нефтекумский район.
α
В нашем крае развито животноводство и птицеводство. Мы предлагаем
использовать отходы специализирующихся на этом предприятий с целью
использования их как дополнительного источника энергии после утилизации.
Помет содержит значительное количество органического углерода, способного
при определенных условиях образовывать соединения с водородом в виде
газообразного
метана,
обладающего
определенной
теплотворной
способностью, а значит являющегося потенциальным альтернативным
источником
электрической
и
тепловой
энергии.
Так, например, при энергетической утилизации биогаза, образующегося при
сбраживании помета от 1000 кур-несушек, можно получить порядка 30 МВт ч
электрической
и
20
МВт
ч
тепловой
энергии
(нетто)
в
год.
Кроме того, со сброженным пометом от 1000 кур на сельскохозяйственные
поля может поступать 600 кг/год органического азота, 1300 кг/год фосфора (в
пересчете на P2O5) и 900 кг/год калия (в пересчете на К2О).
Строительство
реакторов
для
анаэробного
сбраживания
наиболее
рационально на достаточно крупных птицефабриках (с поголовьем птицы
свыше 200 тыс. шт.), поскольку это позволяет добиться
хорошей рентабельности, организовать механизацию и
автоматизацию процесса, обеспечить круглогодичное
потребление биогаза в когенерационной установке,
установить систему обезвоживания сброженной массы.
α
Описав все имеющиеся виды альтернативной энергии мы можем сделать
вывод, что в нашем регионе возможно три типа альтернативных
источников: 1)геотермальная, 2)ветровая, 3)солнечная 4) биогазовая.
Доступным и освоенным видом альтернативной энергии является энергия
ветра. Ее можно получать не загрязняя окружающую среду. Для сельских
районов Ставрополья, характеризующихся низкой плотностью населения и
большой протяженностью линий силовых электропередач, создаваемые
помехи, препятствия, генерация лопастями инфразвуковых колебаний,
эффект экранирования сводятся к минимуму, а преимущества становятся
особенно очевидными, т.к. в нашем регионе более 250 дней в году скорость
ветра превышает 8 м/с. Для южных широт России, и в частности
Ставропольского края, плотность распределения солнечного излучения на
единицу поверхности не превышает 250-300 Вт/м2. С учетом реальных
условий практической эксплуатации гелиоустановок солнечные панели
можно размещать без ущерба для окружающей инфраструктуры только на
крышах отапливаемых зданий, но этого пока недостаточно для полного
энергосбережения потребителей. Поэтому, мы считаем, что самым
выгодным источником альтернативной энергии будет геотермальный, т.к. в
регионах Ставрополья геотермальные воды подходят близко к
поверхности,
поэтому
возможно
строительство
(геоТЭС),которые
преобразуют тепловую энергию подземных источников в электрическую.
Мы смоделировали карту, на которой расположили предлагаемые нами
альтернативные источники энергии в Ставропольском крае.
α
- геотермические
станции
- ветроэнергоустановки
- «солнечные» станции