VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Согласно Федеральному закону № 261-ФЗ одним из основных мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности, является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Реализация низкоуглеродных сценариев развития экономики прописана в «Энергетической стратегии-2030» – постепенный отказ от традиционных путей развития энергетики, реализация широкомасштабных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности и развитие возобновляемых источников энергии.

Традиционные источники энергии являются основными загрязнителями окружающей среды и потребителями невозобновляемых природных ресурсов. Альтернативные источники энергии помогают решить проблему устойчивого развития человечества за счет использования возобновляемых ресурсов и снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха, воды и почвы.

Изменение климата непосредственным образом связано с последствиями сжигания углеводородов и, как следствие, выделением углекислого газа и других парниковых газов. Порядка 60% глобальных парниковых выбросов антропогенного происхождения приходится на энергетический сектор (необходимо учитывать не только влияние топливно-энергетического комплекса, но также и транспорт, промышленность и жилищно-коммунальный сектор). В России эта доля достигает 85%.

Географически и климатически так сложилось, что основной потенциал использования возобновляемых источников энергии в России связан с гидроэнергетикой (крупные, малые и микро-ГЭС), биоэнергетикой, ветровой и геотермальной энергетикой, в меньшей степени – солнечной. Крупная гидроэнергетика играет значительную роль в производстве электроэнергии в России – ее доля около 18% в энергобалансе страны. При этом доля всех остальных видов возобновляемых источников энергии – менее 1%. Безусловно, это связано с наличием крупных запасов ископаемых видов энергоресурсов, которым исторически отдается основной приоритет.

Потенциал ВИЭ становится особенно привлекательным с учетом минимальных выбросов парниковых газов при их использовании по сравнению с ископаемыми видами энергоресурсов. Россия может не только замещать традиционные виды топлива (газ, нефть, уголь) альтернативными, но и в перспективе занять лидирующие позиции в области возобновляемой энергетики, на рынке технологий использования ВИЭ, а, в конечном счете, стать крупным экспортером безуглеродных видов топлива, например, таких как биотопливо второго и последующего поколений.

В данной работе рассматриваются энергетические установки, использующие ветровую и солнечную энергию, а также малые гидроэлектростанции.

Таблица 1 – Перечень природных ресурсов для производства электроэнергии для различных видов ВИЭ

	Вид ВИЭ	Неисчерпаемые природные ресурсы
1	Ветровые	Ветер
2	Солнечные	Солнечная энергия
3	Мини-ГЭС	Энергия движения воды

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим ее преобразованием в электрическую энергию. ВЭУ состоят из ветровой турбины и электрогенератора. Ветротурбина устанавливается на мачте с растяжками и раскручивается ротором либо лопастями.

Солнечная энергоустановка (СЭУ) – устройство для прямого преобразования световой энергии в электрическую элементами из монокристаллического или поликристаллического кремния. Конструктивно СЭУ состоит из отдельных однотипных солнечных батарей (модулей). В свою очередь каждый модуль состоит из отдельных фотоэлектрических элементов.

Малая гидроэлектростанция или мини-ГЭС – гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии и использующая энергию свободного течения рек. Конструкция мини-ГЭС базируется на гидроагрегате, который включает в себя энергоблок, водозаборное устройство и элементы управления.

В процессе эксплуатации возобновляемых источников энергии не происходит загрязнения атмосферного воздуха, гидросферы и литосферы.

Однако для строительства станции необходимо изъятие земель из окружающей среды. А эти площади земли были заняты естественными экологическими системами, которые включают определенные виды животных и растений. Строительство станции может изменить ареал обитания, что может привести к изменению состава экологической системы.

Основными направлениями отрицательного воздействия на окружающую среду для ветровой энергетики являются шум и электромагнитные помехи [3].

Малые ГЭС оказывают меньшую нагрузку на экосистемы рек. Позволяют строить малые ГЭС без существенного затопления земель и без перекрытия полного створа реки.

Однако для общей экологической оценки необходимо учитывать экологическое воздействие энергоустановок на ВИЭ на окружающую среду в процессе их производства. Основные материалы, используемые для производства данных энергоустановок – это сталь, пластмасса, стекло, алюминий, кремний, а также свинец и серная кислота для аккумуляторных батарей.

Сталь производят из чугуна, уменьшая до нужной концентрации содержание углерода и вредных примесей – фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. Для получения высококачественных сталей применяют электрические дуговые печи. Дуговая электропечь представляет собой железный кожух, выложенный внутри огнеупорным материалом. Электроды угольные или графитовые проходят через свод печи. С помощью специального приспособления печь может поворачиваться на определенный угол. Это облегчает удаление из нее шлака и разливку стали. Обычно при плавке различают пять периодов: завалка шихты, расплавление, кипение металла, раскисление и доводка. Во время периода кипения окисление углерода и других примесей происходит в основном за счет кислорода железной руды, добавляемой в печь. Значительное количество серы и фосфора удаляется из печи вместе со шлаком. Раскисление и доводка (или рафинирование) производится под шлаком, который чаще всего состоит из извести, плавикового шпата и кокса. Введение в сталь легирующих элементов для получения нужного химического состава производится во время обработки ее шлаком. Когда сталь приобретает заданный состав, ее выпускают из печи в ковш [8].

Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул. Способы переработки пластмасс подразделяют на группы: в вязком текущем состоянии – прессованием, давлением, выдавливанием; в высокоэластичном состоянии – штамповка, пневмо - и вакуум-формовка [13].

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы. Сначала из добытой и обогащенной руды извлекают глинозем – оксид алюминия (Al₂O₃). Бокситы содержат 40-60% глинозема, а также кремнезем, оксид железа и диоксид титана. Чтобы выделить из них чистый глинозем, руду нагревают в автоклаве с едким натром, затем охлаждают и отделяют от жидкости твердый осадок – «красный шлам». После этого из полученного раствора осаждают гидроокись алюминия и прокаливают ее, чтобы получить чистый глинозем. Заключительный этап – восстановление алюминия. При электролизе раствора глинозема в расплавленном криолите (Na₃AlF₆) выделяется алюминий. Дно электролизной ванны служит катодом, а угольные бруски, погруженные в криолит – анодами. Под раствором криолита с 3-5% глинозема осаждается расплавленный алюминий. При этом температура процесса достигает 950°С, что значительно выше температуры плавления самого металла. Производство алюминия является исключительно энергоемким, поэтому алюминиевые заводы наиболее выгодно строить в регионах, где есть свободной доступ к источникам электроэнергии [6].

Кремний технической чистоты в промышленности получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % [5].

Стекло является продуктом плавления кварцевого песка, синтетической соды и доломита. На первой стадии, при помощи электронно-контролируемой системы, все составляющие вещества с большой точностью взвешиваются и перемешиваются. Затем полученная масса загружается в плавильную печь. Здесь смесь плавится при температуре 1500-1600˚С. Расплавившееся стекло выливается в ванну с плавленым оловом. Жидкое стекло, как более легкое, плавает на поверхности олова, растекается по нему, выравнивается под влиянием собственной тяжести и становится плоской поверхностью. Продвигаясь к выходу из ванны, это стеклянное полотно остывает, твердеет и становится гладким [12].

Основным сырьем для производства свинца являются сульфидные полиметаллические руды. Около 90% свинца получают по технологии, включающей стадии: агломерирующий обжиг сульфидных концентратов, шахтная восстановительная плавка агломерата и рафинирование чернового свинца. Агломерирующий обжиг при традиционном производстве свинца проводят на прямолинейных машинах с дутьем воздуха. В готовом агломерате свинец в основном концентрируется в свинцовосиликатном стекле, занимающем до 60% объема агломерата. Полученный агломерат направляют на восстановительную плавку в шахтных печах. Печь для выплавки свинца представляет собой шахту прямоугольного сечения, образуемую водоохлаждаемыми коробками. Воздух (или воздушно-кислородная смесь) подается в печь через специальные сопла, расположенные по всему периметру печи. Цель плавки – максимально извлечь свинец в черновой металл. Черновой свинец содержит 93-98% чистого свинца. Очистку чернового свинца производят пирометаллургически или электролитически. В результате содержание примесей падает менее чем до 0,2% [10].

Сырьём для получения серной кислоты служат элементарная сера, сульфиды и сульфаты металлов, сероводород, отходящие газы теплоэлектростанций, использующих неочищенную нефть и др. Основным сырьём является пирит. Основные стадии получения серной кислоты включают: сжигание или обжиг сырья в кислороде с получением SO₂, очистка от примесей газа, окисление SO₂ в SO₃, абсорбция SO₃ водой. В настоящее время в промышленности применяют два метода окисления SO₂ в производстве серной кислоты: контактный – с использованием твердых катализаторов, и нитрозный (башенный), в котором в качестве катализатора используют оксиды азота. В качестве окислителя обычно используют кислород воздуха. В первом способе реакционная смесь пропускается сквозь слой твердого катализатора, во втором орошается водой или разбавленной серной кислотой в реакторах башенного типа [4].

В данной работе приведены результаты исследования по оценке расхода электрической энергии в процессе производства энергоустановок на возобновляемых источниках энергии. В работе оценивались следующие марки энергоустановок ВИЭ мощность 30 кВт: ветрогенератор «Муссон» [7], мини-ГЭС ИНСЭТ Пр 30 [9], солнечный модуль Saana 250 LM3 MBW [11].Технические характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Технические характеристики энергоустановок ВИЭ и аккумуляторов

Вид ВИЭ	Марка	Характеристики	Полная масса, кг
Ветровая	«Муссон»	Мощность 30 кВт	3180
Мини-ГЭС	ИНСЭТ Пр 30	Мощность 30 кВт	2000
Солнечная (120 модулей)	Saana 250 LM3 MBW	Мощность 0,25 кВт	21,1
Аккумуляторы (13 штук)	Volta ST-200	Емкость 200 А·ч Напряжение 12 В	60

Удельный расход электроэнергии (УРЭ) – показатель, определяемый как отношение общего количества израсходованной электрической энергии (кВт•ч) к количеству произведенной годной продукции данного вида [1]. Ветровые энергоустановки состоят: ветрогенератор и опора из стали, лопасти – из пластика, мини- ГЭС – из стали, солнечные – модуль из кремния, аккумулятор – свинец и серная кислота. Масса кабелей и устройств управления приблизительно одинаковые во всех случаях, поэтому в расчетах не учитывались. В таблице 3 приведены массы установок и аккумуляторов, удельный расход электроэнергии при производстве материалов и общий расход электрической энергии на производство энергоустановок на ВИЭ.

Таблица 3 – Расход электрической энергии на производство энергоустановок на ВИЭ

Тип энергоустановки	Масса, т	Удельный расход электроэнергии [2], кВт·ч / т	Расход электроэнергии, кВт·ч
Ветровая: - сталь - пластмасса - свинец (аккумулятор) - кислота (аккумулятор) - пластмасса (аккумулятор) - итого	3,08 0,1 0,507 0,234 0,039	690 2800 500 80 2800	2125,2 280 253,5 18,72 109,2 2786,62
Мини-ГЭС: -сталь	2,0	690	1380
Солнечная: - стекло - кремний - алюминий - свинец (аккумулятор) - кислота (аккумулятор) - пластмасса (аккумулятор) - итого	1,92 0,336 0,276 0,507 0,234 0,039	200 12050 18000 500 80 2800	384 4048,8 4968 253,5 18,72 109,2 9782,22

На рисунке 1 представлен расход электрической энергии при производстве энергоустановок возобновляемых источников энергии в кВт·ч.

Рисунок 1 – Расход электрической энергии на производство энергоустановок на ВИЭ, кВт·ч

Для экологической оценки расхода электроэнергии на процесс производства энергоустановок на ВИЭ были проведены расчеты выбросов вредных веществ в атмосферный воздух при сжигании топлива.

Структура производства электроэнергии по видам электростанций в 2011 г. включает в себя: тепловые – 68%, гидроэлектростанции – 16%, атомные – 16%. Основным источником производства теплоэлектроэнергии остаются тепловые станции, сжигающие органическое топливо. Структура топливопотребления на тепловых станциях составляет: газ – 55%, уголь – 34%, мазут – 5 %. В процессе сжигания топлива (уголь, мазут, газ) образуются СО, СО2, SО2, NОх, СН4, пыль. Удельные выбросы вредных веществ при производстве 1 кВт·ч электрической энергии представлены в таблице 4. Выбросы вредных веществ при производстве электрической энергии для различных видов ВИЭ приведены в таблице 5 и на рис.2.

Таблица 4 – Удельные выбросы вредных веществ при производстве электрической энергии

Вредные вещества

Удельные выбросы, г/кВт·ч

Твердые частицы

1,54

Диоксид серы SO₂

2,26

NO₂

1,06

NO

0,17

СО

0,85

Таблица 5 – Выбросы вредных веществ при производстве энергоустановок на ВИЭ

Тип энергоустановки	Твердые частицы, кг	SO2, кг	NO2, кг	NO, кг	СО, кг
Ветровая	4,29	6,30	2,95	0,47	2,37
Мини-ГЭС	2,13	3,12	1,46	0,23	1,17
Солнечная	15,06	22,11	10,37	1,66	8,31

Рисунок 2 – Выбросы вредных веществ при производстве энергоустановок на ВИЭ, кг

Результаты исследования показали, что:

- в процессе производства всех возобновляемых энергетических установок происходит загрязнение окружающей среды,

- минимальный уровень загрязнения происходит для мини-ГЭС,

- максимальный уровень загрязнения происходит для солнечных энергоустановок.

Список использованных источников

1. Папков, Б.В. Краткий словарь современной электроэнергетики: учеб. пособие / Б.В. Папков; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2013. – 395 с.

2. Справочник по проектированию электрических сетей /под ред. Д. Л. Файбисовича. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЭНАС, 2012. – 376 с.

3. Соснина, Е.Н. Акустическое воздействие ветроэнергетических установок на окружающую среду / Е.Н. Соснина, О.В. Маслеева, Г.В. Пачурин // Экология и промышленность России. 2013. - №9. – С.8-11.

4. http://ru.wikipedia.org/

5. http://www.74rif.ru/Polikremny.html

6. http://www.aluminiumleader.com/

7. http://www.breezex.ru/?issue_id=3&id=10

8. http://www.conatem.ru/tehnologiya_metallov/

9. http://www.inset.ru/r_offers/Pr-30.htm

10. http://www.libmetal.ru/svinec

11. http://www.multiwood.ru/pv/S245-260LM3MBW/

12. http://www.petro-okna.ru/protsiess-izghotovlieniia-stiekla

13. http://www.polimerportal.ru/

Код для цитирования: Скопировать