VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда и, тем не менее, однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину, затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма».

В наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю.

Сейчас, в начале 21 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Охрана окружающей среды в настоящее время становится одним из главенствующих фактором при выборе и обосновании источников энергии. По прогнозу Мирового энергетического конгресса в 2020 году на долю нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) придется 5,8 % общего энергопотребления.

При этом в развитых странах (США, Великобритании и др.) планируется довести долю НВИЭ до 20 % . В странах Европы планируется к 2020 г. обеспечить экологически чистое теплоснабжение 70 % жилищного фонда. Сегодня в мире действует 233 геотермальные электростанции (ГеоТЭС) суммарной мощностью 5136 МВт, строятся 117 ГеоТЭС мощностью 2017 МВт. Ведущее место в мире по ГеоТЭС занимают США (более 40 % действующих мощностей в мире). Там работает 8 крупных солнечных ЭС модульного типа общей мощностью около 450 МВт, энергия поступает в общую энергосистему страны. Выпуск солнечных фотоэлектрических преобразователей (СФАП) достиг в мире 300 МВт в год, из них 40 % приходится на долю США.

В настоящее время в мире работает более 2 млн. гелиоустановок горячего водоснабжения. Площадь солнечных (тепловых) коллекторов в США составляет 10, а в Японии - 8 млн. м². В США и в Японии работают более 5 млн. тепловых насосов. За последние 15 лет в мире построено свыше 100 тыс. ветроустановок с суммарной мощностью 70000 мВт (10 % от энергобаланса США). В большинстве стран приняты законы, создающие льготные условия, как для производителей, так и для потребителей альтернативной энергии, что является определяющим фактором успешного внедрения.

Республика Таджикистан (РТ), занимающая площадь 142 тыс. км² и населением более 8,0 млн. человек обладает огромными запасами возобновляемых энергоресурсов [1, 2]. По предварительным расчетным данным, потенциал возобновляемых энергоресурсов Таджикистана составляет: гидроэнергии – 527 млрд. кВт*ч/год, солнечного излучения – 3103 млрд. кВт*ч/год, энергии биомассы – 2 млрд. кВт*ч/год, энергии ветра – 25-150 млрд. кВт*ч/год, геотермальной энергии – 450 млрд. кВт*ч/год. Даже частичное использование этого потенциала позволит значительно улучшить доступ населения к энергоресурсам, стабилизировать энергобаланс и экологическую ситуацию в стране и в Центрально -азиатском регионе. Сегодня РТ вырабатывает порядка 16,5 млрд. кВт*час на больших ГЭС-ях и около 1,5 млрд. кВт*час на малых ГЭС.

Таджикистан принял инициативу ООН «Доступность энергии для всех» и намерен до 2030 года довести уровень использования ВИЭ до 20% и сократить потери тепловой энергии до 20% и этим обеспечить доступность энергии для населения страны.

В Таджикистане, на долю ВИЭ приходит приблизительно 2 % общего энергобаланса и это в основном связано с внедрением микро- и миниГЭС. Всего в Таджикистане: 314 шт. малых ГЭС, небольшое количество ветроустановок (мощностью от 0,1 до 10 кВт), солнечные ФЭС (в сумме приблизительно 300 кВт), солнечные коллектора площадью приблизительно 20 000 м² и одна установка с тепловым насосом. В настоящее время структура потребляемого энергоносителя значительно различаются между городом и сельской местностью (рис.1).

Рис.1. Структура потребляемого энергоносителя в РТ (в %).

Итак, на сегодня по всем видам НВИЭ Таджикистан находится на одном из последних мест в мире. В нашей стране создана правовая база для внедрения НВИЭ. В 2010 году принят Закон Республики Таджикистан об использовании ВИЭ, а также приняты более 10 подзаконных актов указывающие на права и порядок использования ВИЭ. Сняты все ограничения на применение других ВИЭ, как солнечная, геотермальная и др. Энергетические ресурсы ВИЭ в РТ приведены в табл. 1.

Таблица 1. Ресурсы нетрадиционных возобновляемых источников энергии РТ

[млн. т.у.т. (МВт) в год]

Ресурсы	Валовой потенциал	Технический потенциал	Экономический потенциал
Гидроэнергия, общая	179.2 (60167)	107.4 (32476)	107.4 (32476)
В т.ч. малая	62.7 (21057)	20.3 (6813)	20.3 (6813)
Солнечная энергия	4790.6 (1 822 894)	3.92 (1493.7)	1.49 (545.2)
Энергия биомассы	4.25 (1614.14)	4.25 (1614.14)	1.12 (807)
Энергия ветра	163 (62257.3)	10.12 (3852.7)	5.06 (1926.35)
Геотермальная энергия	0.045	0.045	0.045
Всего (без крупных ГЭС)	5020.595 (1 907 823)	38.635 (13774)	27.955 (10092)

Следует отметить, о принимаемых мерах в РТ по использованию нетрадиционных источников энергии, таких как уголь, запасы которого огромные: это внедрение угля в тепловых технологических процессах производства энергии, в строительстве ТЭЦ-2 города Душанбе и др.

ВИЭ имеют как положительные, так и отрицательные особенности.

К положительным, относятся повсеместная распространенность большинства их видов в РТ, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, перехватывающие поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно бьют по карману тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, сток малых рек, тепло окружающей среды. Так, процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Говоря о производстве электроэнергии, следует заметить, что она представляет собой весьма специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить на склад, как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку фундаментальная научно-техническая проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена, и нет оснований полагать, что она будет решена в обозримом будущем.

Что же касается бесплатности большинства видов НВИЭ, то этот фактор нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатной энергии много, а для его использования нужны большие средства. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации ВИЭ развивающиеся страны, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, особенно в условиях РТ, где имеются отдаленные горные районы.

Названные технические и экономические трудности при использовании НВИЭ показывают насколько сложно организовать крупномасштабное применение НВИЭ. Эта проблема требует системного подхода, который и проявляется во многих странах, и в значительной мере - через законодательную базу.

В неудовлетворенном состоянии и в незначительном количестве выполняются НИР и ОКР по ВИЭ, медленно идет организация производства оборудования, даже для МГЭС, вопросы автоматизации производства энергии потребления от ВИЭ желает лучшего.

Таким образом, используя современные разработки в области нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, можно не только полностью удовлетворить потребности потребителей, но и организовать производство электрической энергии, не нарушая экологического баланса региона. Кроме того, выполнение приведенных выше рекомендаций, позволит создать модельный район, где можно провести точные производственные испытания с дальнейшей выработкой научно-методических рекомендаций по широкому внедрению энергосберегающих и экологически чистых технологий.

Около трех четвертей энергии, потребляемой в домашних хозяйствах, расходуется на отопление и горячую воду. При этом энергия добывается главным образом посредством сжигания ископаемых энергоносителей. Все больше повышается значение экономного обращения с природными ресурсами, а связанные с этим экономические и экологические преимущества все чаще становятся решающими критериями при выборе подходящей отопительной системы.

В связи с этим учитывая неуклонно растущие цены на энергоресурсы и обеспокоенность последствиями глобального потепления климата, становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов: солнечной, ветровой, биомассы, энергии малых рек и геотермальной энергии. Наиболее мощным, доступным, экологически чистым и распространенным из всех видов возобновляемых нетрадиционных источников энергии, наравне с МГЭС, является энергия Солнца. Его энергия постоянно возобновляема и может обеспечить бурно растущие потребности в тепло и электроэнергии в течении многих сотен лет.

Перспективы для использования солнечной энергии в Таджикистане великолепные. Географическая широта и климат, главные факторы, определяющие возможности использования солнечной энергии. Таджикистан расположен между 36⁰40´ и 41⁰05´ северной широты, в зоне так называемого «золотого пояса» солнечного сияния. Континентальный климат характеризуется значительными суточными и сезонными колебаниями воздуха, малым количеством осадков, сухостью воздуха, малой облачностью и продолжительностью солнечного сияния 2100-3166 часов в год, с количеством солнечных дней в году от 260 до 300.

Интенсивность солнечной радиации в большинстве районов республики достигает 1000 Вт/м², а годовые суммы радиации достигают 2000 кВт/м². Эффективное использование только солнечной энергии даст возможность получать горячую воду с температурой свыше +70⁰ С, как минимум, 7 месяцев в году – с апреля по октябрь с вероятностью 65%, в марте и ноябре температура воды, полученной от солнечных коллекторов, составит порядка +50⁰ С. Даже в декабре - феврале температура воды в солнечные дни в коллекторе может составить примерно +40⁰ С, в пасмурные, не морозные дни температура горячей воды, полученной благодаря одноконтурной гелиосистеме, составляет +25…+30⁰С, что позволяет экономить до 60% электроэнергии при подогреве воды до необходимой температуры.

В части использования солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения наиболее приемлем тепловой насос — это компактный аппарат, использующий тепло земли, воды или воздуха и обеспечивающий автономное отопление и/или горячее водоснабжение [3].

Рис.2. примеры использования солнечной энергии.

Принцип работы теплового насоса является простым и понятен благодаря обычному холодильнику. Процесс происходит приблизительно так: солнце нагревает поверхность земли (или воздух, или воду), из недр земли к поверхности также поступает тепло. Тепловой насос отбирает это тепло и передает в контур отопления и/или приготовления горячей воды. Для получения 100% энергии, идущей на отопление, затрачивается около 25 % электрической энергии привода. Поэтому иногда по ошибке говорят о коэффициенте полезного действия теплового насоса равной 4-ём. Тепло через теплообменник передается на хладоагент теплового насоса. При сжатии хладоагента компрессором температура повышается, благодаря чему в контур отопления через теплообменник теплового насоса подается теплоноситель с температурой до + (50…60) °C. Для получения земного тепла в качестве надежного и зрелого решения утвердилось использование грунтовых зондов. В условиях Таджикистана на глубине от 8 метров температура земли положительная (до +10°C) и постоянна в течение года.

Таким образом, из проделанного данного анализа нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, изучения потребностей потребителей энергии и климатических условий отдаленных горных регионов Таджикистана следует [4]:

1. Для сохранности экологической обстановки и обеспечения населения отдалённых горных районов необходимым количеством энергии надо шире использовать возобновляемые источники энергии, прежде всего энергию малых горных рек.

2. Проводить исследование природных энергетических ресурсов для составления кадастров (водных, ветровых и солнечных) ВИЭ.

3. С целью более эффективного использования природной энергии и капитальных вложений, а также наиболее качественного удовлетворения энергетических потребностей горных районов необходимо комплексное применение ВИЭ, т.е., для получения непосредственно тепловой энергии использовать солнечную энергию, для механической работы и для потребителей не особо требовательных к качеству электрической энергии - ветровую, а для получения энергии высокого качества (стабильность частоты и напряжения) рекомендуется применять малые-ГЭС.

4. Солнечную энергию рекомендуется использовать для организации систем солнечного отопления и горячего водоснабжения (с использованием гелиоколлекторов и теплового насоса) для отдельных потребителей, что позволит не только широко внедрять энергосберегающие технологии, но и полностью удовлетворять потребности в тепле и горячей воде.

В заключение обратимся к известной истине, которая гласит, что все новое - это хорошо забытое старое. Вспомним, что каких-нибудь 200-300 лет назад человечество использовало исключительно возобновляемые источники энергии: растительное топливо, энергию ветра (ветряные мельницы), энергию водных потоков (водяные колеса), тепло солнца для обогрева воды в сосудах и мускульную силу животных. Вспомним также, насколько благополучной было в то время экологическая обстановка. Теперь мы в определенном смысле возвращаемся к истокам, но на новом витке, вооруженные принципиально новой и во много раз более мощной и эффективной техникой.

Литература

1. Закон Республики Таджикистан «ОБ ЭНЕРГЕТИКЕ». –Душанбе, 2000.

2. Закон Республики Таджикистан « Об использовании возобновляемых источников энергии» Душанбе, 12 января 2010 г.

3. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений: монография / В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев. -СПб.: СПбГАУ, 2010. -147 с. ISBN 978-5-85983-032-9.

4. Карпов В.Н. Показатели энергетической эффективности действующих агроинженерных (технических) систем: монография / В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев. -СПб.: СПбГАУ, 2014. -160 с. ISBN 978-5-85983-168-5.

Код для цитирования: Скопировать