Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в жилищно-строительной сфере. Анализ возобновляемых источников энергии юга России.

Понятие устойчивого развития включает в себя как обязатель­ный компонент постепенный переход от энергетики, основанной на сжигании органического топлива (нефть, уголь, газ и др.), к нетрадиционной (альтернативной) энергетике, использующей во­зобновляемые экологически чистые источники энергии — солнце, ветер, энергию биомассы, подземное тепло» и др. (рис. 36.1)

В послании международной экологической организации Гринпис правительствам всех стран отмечается, что «правитель­ства должны признать, что углеводородное топливо — основная причина изменения климата и что единственной стабильной сис­темой энергоснабжения, способной отвечать нашим энергетичес­ким потребностям, может быть система, основанная на возоб­новляемых источниках энергии».

Основные преимущества возобновляемых источников энер­гии хорошо известны: практическая неисчерпаемость запасов и относительная экологическая безвредность, в связи с отсутствием побочных эффектов, загрязняющих природную сре­ду. Сдерживает их развитие недостаточный на сегодняшний день технический уровень индустриальных методов использования.

В жилищно-строительной сфере, как и во всех других видах человеческой деятельности, использование нетрадиционных во­зобновляемых источников энергии получило широкое развитие.

Рис.36.1. Классификация нетрадиционных источников энергии

Энергия Солнца. В современной мировой практике энергоснабжения излучение Солнца, возможно, главный нетрадицион­ный источник энергии. Появилась новая отрасль энергетики — гелиоэнергетика, созданы специальные энергетические установки — гелиосистемы.

«Ливень» солнечной энергии неисчерпаем. Лишь незначи­тельная часть излучения Солнца (0,02%) попадает в биосферу Земли, но и этого количества энергии достаточно, чтобы в тысячи раз перекрыть общую мощность всех электростанций мира.

К недостаткам солнечной энергии относят дискретность (прерывистость) ее поступления на поверхность Земли (по часам суток, времени года, географическим поясам) и зависимость от метеорологических условий. Например, в России специалис­ты рекомендуют размещать гелиополигоны южнее 55° с.ш. В связи с этим многие зарубежные ученые работают над проблемой выноса гелиосистем на околоземную орбиту. Предполагается к 2003 г. строительство в Европе 40 спутниковых солнечных электростанций, способных обеспечить около 20% потребности в электроэнергии. Однако не исключено, что это может при­чинить ущерб окружающей среде в процессе передачи энергии на Землю.

Существует два основных направления использования сол­нечной энергии: 1) выработка электрической энергий и 2) полу­чение тепловой энергии (теплоснабжение). Применение солнеч­ных электрогенераторов находится все еще в начальной стадии, зато использование солнечного теплоснабжения для обогрева жилых зданий занимает в мировой практике уже значительное место.

Так, в США в 1977 г. насчитывалось около 1000 солнечных домов, в 90-е гг. число их превысило 15 тысяч. Солнечные уста­новки для подогрева воды имеются у 90% домов на Кипре и у 70% в Израиле. Только за последние 15 лет в Японии построены сотни тысяч зданий с солнечным подогревом, что позволило резко уменьшить выбросы в атмосферу диоксида углерода и других парниковых газов.

Солнечная энергетика в России развита совершенно недо­статочно, хотя половина ее территории находится в благоприят­ных для использования солнечной энергии условиях (поступает не менее 100 кВт-ч/м², а в таких районах, как Дагестан, Бурятия, Приморье, Астраханская область и др., — до 200 кВт-ч/м² сол­нечной энергии в год.

Солнечная энергия очень удобна для энергоснабжения зда­ний. Как показали экспериментальные исследования, только за счет энергии солнечных лучей, падающих на ограждающие конст­рукции зданий, можно полностью решить энергетические пробле­мы, связанные с их обогревом, горячим водоснабжением и др.

Существует три вида гелиосистем, служащих для удовлет­ворения тепловых нужд здания: пассивные, активные и смешан­ные.

В пассивных гелиосистемах само здание служит приемни­ком и преобразователем солнечной энергии, а распределение тепла осуществляется за счет конвенции.

Основным элементом более дорогостоящей активной гелио­системы является коллектор — приемник солнечной энергии, где солнечный свет преобразуется в тепло. Гелиоколлектор представ­ляет собой теплоизолированный ящик: видимый свет от солнца проходит сквозь прозрачное покрытие (стекло или пленку), по­падает на зачерненную панель и нагревает ее. При специальной конструкции коллектора внутри его достигается очень высокая температура, позволяющая успешно осуществлять горячее водо­снабжение.

В последние годы созданы установки с сезонным аккумули­рованием тепла, что позволяет, даже в условиях Сибири, сохра­нить до 30% топливных ресурсов и использовать их для обогрева небольших домов в зимний период. Необходимы дальнейшие поиски использования солнечной энергии не только в южных, но и в северных районах России, особенно учитывая, что в Нор­вегии и Финляндии такой опыт уже имеется.

Использование солнечной энергии в жилищно-строительной сфере не ограничивается только теплоснабжением жилых зда­ний. Так, АО «ПИ-2» разработало серию проектов гелиополиго-нов (стационарных и мобильных, сезонных и круглогодичного действия), в которых впервые в мире для термовлажностной об работки сборных железобетонных конструкций и изделий была использована солнечная энергия без промежуточных превращений. (Великолепов,1995) (рис.36.2.) После укладки гелиопокрытия (СВИТАП) железобетонное изделие превращается в аккуму­лятор тепла, после чего начинает действовать другой источник тепла — экзотермия цемента.

Строительство таких гелиополигонов позволяет сократить объемы строительно-монтажных работ, повысить долговечность и качество изделия, снизить его стоимость, отказаться от котельной, теплотрасс, пропарочных камер, уменьшить нагрузку на ок­ружающую среду и, главное, экономить условное топливо. По мнению авторов проекта, необходимо пересмотреть способы про­изводства сборного железобетона и создать условия для широко­го внедрения энергосберегающих технологий, использующих сол­нечную энергию.

Рис. 36.2. Общий вид и технологическая схема гелиополигона круглогодичного действия: 1 – гелиокамеры; 2 – форма на колёсах; 3 – СВИТАП; 4 – запирающий щит; 5 – инфракрасные излучатели; 6 – механизм передвижения форм; 7 – производительный корпус с БЦС; 8 – бетоновозная эстакада; 9 –склад арматурных каркасов; 10 – бетоноукладчик; 11 – склад готовой продукции с зоной дозревания; 12 – козловой кран.

Энергия ветра. Направление энергетики, связанное с вет­ровой энергией, называют ветроэнергетикой, а здания, в кото­рых энергия ветра преобразуется в электрическую, тепловую и другие виды энергии, — ветроэнергоактивными.

Ветроэнергетика становится рентабельной при средних ско­ростях ветра от 3 до 10 м/с при повторяемости около 60—90% и, следовательно, может использоваться лишь в районах с постоян­ным ветром (Крайний Север, побережье Охотского моря, Кам­чатка, Курилы, Прикаспийская низменность и др.).

В ветроэнергоактивном здании энергия ветра преобразуется с помощью ветрового колеса, размещенного в здании. Основным рабочим органом является ротор, который вращает генератор.

Важной экологической проблемой является защита здания и жителей от механических колебаний, генерируемых ветроустановкой. Применение различных спосо­бов виброизоляции, включая размещение ветроэнергетических ус­тановок вне жилых зданий, приводит к удорожанию их строи­тельства.

И тем не менее ветроэнергетика имеет большое будущее. За последние 20 лет она прошла путь от небольших агрегатов до современной многомиллиардной отрасли, обеспечивающей боль­шое количество энергосистем. В 2001 г. ветротурбины, мощность которых составляет 14 000 мегаватт, генерируют «чистую» элект­роэнергию в более чем в 30 странах мира. Только в США работа­ет 9000 ветровых электроустановок, в Дании — 1500. По данным Европейской ассоциации ветровой энергии, к 2020 г. ветровые электростанции обеспечат 10% мировой потребности в электро­энергии.

Геотермальная энергия. На территории СНГ запасы еще одного нетрадиционного источника энергии — геотермального тепла оцениваются в десятки миллионов тонн условного топ­лива. Идея использования тепла Земли как альтернативного энергоресурса не нова. Еще в 20-е гг. XX в. К.Э. Циолковский и В.А. Обручев считали возможным использование геотермаль­ного тепла. К началу XXI в. мощность энергии геотермальных систем в мире превысила 16 млн. кВт-ч, что достаточно для обо­грева многих тысяч квартир. Исландия полностью отказалась от использования органического топлива и широко использует геотермальные воды.

Наиболее экономически выгодный вариант использования геотермального тепла — строительство ГеоГЭС с использовани­ем водяного пара (температурой 200—400°С). К сожалению, ме­сторождения термального пара в России, да и в мире, редки, поэтому основное применение находят геотермальные (теплоэнергетические) воды с температурой до 200°С, выходящие на поверхность земли в виде источников. Достаточно упомянуть в связи с этим Паужетскую гидротермальную станцию, построенную в 1967 г. на Камчатке.

Перспективным направлением в энергосбережении специалисты считают извлечение тепловой энергии из водонасыщенных пластов, залегающих на глубинах 2—3 км и имеющих температуру 150—200°С. На выбранной площадке бурятся вертикаль­ные и наклонные нагнетательные скважины, по которым закачивается теплоноситель, который прогревается горячими породами, а затем откачивается. Подобная теплоэнергетическая систе­ма называется циркуляционной и ее применение вполне целесо­образно во многих районах СНГ (Северный Кавказ, Крым, Ар­мения, Закарпатье и др.). Первая в России термоциркуляционная система действовала в г. Грозном, где вода после использования в теплицах нагнеталась на глубину 1 км и там она вновь нагрева­лась.

Энергия биомассы. Биомасса — это выраженное в едини­цах массы количество живого вещества организмов, приходяще­еся на единицу площади или объема. В процессе переработки она преобразуется в органические отходы и биогаз.

В настоящее время биомасса широко используется в каче­стве топлива, что является результатом постоянных усилий уче­ных и специалистов по созданию экологически чистой энергии и предотвращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

В энергетических целях биомассу либо сжигают, используя теплоту сгорания (в этом случае продукты пиролиза могут загрязнять атмосферу), либо перерабатывают путем анаэробного сбраживания с целью получения биогаза. (рис. 36.3.) Биогаз, со стоящий на 60—70% из метана и на 20—40% из углекислого газа, получают в специальных установках, основной частью которых является реактор (метантенк), т.е. бродильная камера, в которую загружают биомассу.

Материалом для переработки на биогазовых установках слу­жат твердые бытовые отходы, навоз, отходы деревообработки (кора, опилки, стружки), осадки биологических очистных уст­ройств и др.

С экологической точки зрения укажем на некоторые отличи­тельные особенности использования этого энергетического на­правления: 1) биотехнологическая трансформация биомассы в энергию считается абсолютно безвредной; 2) в отличие от тради­ционных источников энергии данный метод не загрязняет окру­жающую среду; 3) вырабатывается не только энергия, но одно­временно природная среда очищается (освобождается) от продук­тов жизнедеятельности и других отходов.

После очищения от углекислого газа и сероводорода биогаз сжигают и используют в стандартных водонагревателях, газовых плитах, горелках и других приборах.

В строительной сфере биогаз, как показывает мировой опыт, широко используется как источник экологически чистой энергии при производстве многих строительных материалов: гипса, стек­ла, керамзита и др. Доказано также, что при сухом способе про­изводства цемента экологически и экономически выгоднее во вра­щающихся обжиговых печах использовать не традиционные ис­точники энергии, а биогаз.

К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии от­носят также энергию приливов, энергию ветровых волн, тепло вые насосы, энергию температурных колебаний различных сло­ев морской воды и т.д.

 

Перспективным методом использования нетрадиционных ис­точников энергии считается объединение ряда зданий в единую энергосистему в виде гелио- и ветрогелиокомплексов, а также ветроэнергоактивных комплексов, дополненных тепловыми на­сосами для трех сред. Эксплуатация подобных жилищно-энергетических комплексов позволит не только эконо­мить невозобновляемые источники энергии, но и исключить или свести к минимуму вредное воздействие энергетики на окружаю­щую среду.

 

 

Рис. 36.3. Принципиальная схема переработки ТБО методом анаэробного компостирования для получения биогаза: 1 – приемный бункер; 2 – мостовой грейферный кран; 3 - дробилка; 4 – магнитный сепаратор; 5 – насос-смеситель; 6 – метантенк; 7 – шнековый пресс; 8 – рыхлитель; 9 – ёмкость для сбора отжима; 10 – цилиндрический грохот; 11 – упаковочная машина; 12 – крупный отсев; 13 – склад удобрений; 14 – газгольдер; 15 -компрессор; 16 – уравнительная камера; I – направление движения отходов; II - направление движения биогазов.

АНАЛИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ЮГА РОССИИ.

Ограниченность запасов традиционных источников энергии в России не удовлетворяет нарастающие потребности населения, строительной и промышленной индустрии в электрической и тепловой энергии, что приводит к необходимости массового внедрения ВИЭ. В настоящее время существует ряд мало исследованных вопросов в области использования ВИЭ в малоэтажном строительстве на территории Краснодарского края. Существует необходимость в анализе существующих ВИЭ с целью выбора перспективного направления в данной области для энергообеспечения зданий.

В связи с тем, что более 70% жилищного фонда Краснодарского края приходится на жилые дома усадебного типа, то для обеспечения экономии электроэнергии целесообразно переводить данные здания на частичное или автономное энергообеспечение. Климатические параметры нашего края благоприятны для использования ВИЭ в жилищно-коммунальной сфере.

Краснодарский край – самый южный приграничный регион России, расположенный на Кубано-Приазовской низменности и частично в западной части системы Большого Кавказа. На юге и западе омывается водами Азовского и Черного морей, протяженностью морского побережья около 740 км. Климат большей части нашего края умеренно-континентальный, на побережье Черного моря (юж­нее Туапсе) - субтропический, влажный. Географическое положение нашего края позволяет использовать различные альтернативные отрасли энергетики: ветро- и геотермальную энергетику, энергию приливов и волн, энергию биомассы и солнца.

В последнее время бурно-развивающейся отраслью альтернативной энергетики является ветроэнергетика. Так как, энергия ветра является следствием деятельности солнца, то её относят к возобновляемым видам энергии. В Краснодарском крае наиболее перспективным местам для производства энергии из ветра считается прибрежная зона. Мировой опыт свидетельствует, что ветряные электростанции можно устанавливать как на суше, так в море, на расстоянии 10-12 км от берега. Башни ветрогенераторов в море устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров, а также на плавающие основания. Сейчас распространены два вида ветрогенераторов - крыльчатые и карусельные (роторные). Карусельные ветряки малошумные, работающие на малых оборотах, и являются наиболее эффективными в городской среде.

Экономический потенциал ветровой энергии России составляет около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями России. В настоящее время рассматривается множество проектов внедрения ветроэлектростанций в нашей стране различной мощности от 5 до 75 МВт. Одна из самых больших ВЭС (ветроэлектростанций) России расположена в районе поселка Куликово Калининградской области, мощностью 5,1 МВт.

Оценка ветрового потенциала Кубани показывает, что строительство ВЭС осуществимо в большинстве районах Краснодарского края. Ресурс ветровой энергии в Краснодарском крае составляет около 5016 млрд. кВт*ч». Новороссийск самый ветреный город Краснодарского края. Чаще всего с ноября по март, в районе Новороссийска дует шквальный ветер, который называют норд-ост или борах. Наибольшим потенциалом обладают районы, прилегающие к побережью Азовского и северо-западной части Черного морей. Например, потенциал Ейского района оценивается в 257 млн. кВтч, Темрюкского района - 250 млн. кВтч, Щербиновского - 230 млн. кВтч, Каневского - 229 млн. кВтч, Приморско-Ахтарского - 172 млн. кВтч. В Предгорной зоне наиболее целесообразно использовать потенциал Новокубанского (58 млн. кВтч) и Отрадненского района (179 млн. кВтч), а также в районе города Армавир (35 млн. кВтч). В перечисленных районах большую часть года дуют ветры со скоростью 6,5 – 7 м/с. Сейчас, на разных стадиях проработки, существуют проекты установок ВЭС в Анапе, Новороссийске, Ейске, Туапсе, Сочи, Геленджике и Темрюке. В Приморско-Ахтарском районе на берегу Азовского моря с 2003 функционирует первая в Краснодарском крае ВЭС, обеспечивающая электричеством рыбацкий поселок.

Наряду с ветроэнергетикой, в последнее время многие специалисты отдают предпочтение геотермальной энергетики. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. В качестве источника тепла служит геотермальная вода (нагретая свыше 20°C), либо тепло земных недр. По оценке российских специалистов, в России геотермальная энергия занимает первое место по потенциальным возможностям ее использования. Экономический потенциал геотермальной энергии составляет около 115 млн. т. у. т. в год. Выявленные запасы геотермальных вод с температурой 40-200 °С и глубиной залегания до 3500 м на территории России могут обеспечить получение примерно 14 млн. м3 горячей воды в сутки, что по количеству энергии эквивалентно 30 млн. т у. топлива. В настоящее время запасы выявленных геотермальных вод используются всего на 5%. Активно в стране эксплуатируются месторождения геотермальных вод на Сахалине, Камчатке, Курильских островах, в Краснодарском и Ставропольском краях, Дагестане и Ингушетии. В Краснодарском крае ведется работа по широкому внедрению геотермальных ресурсов в экономику региона. На Кубани эксплуатируется 12 геотермальных месторождений, где пробурено 79 скважин с температурой теплоносителя на устье 75–110 °С и тепловой мощностью до 5 МВт. Наибольшим потенциалом обладают Вознесенское и Южно-Вознесенское месторождения, тепловой мощностью около 50 МВт. Разработаны бизнес-планы и концепции развития геотермального теплоснабжения городов Лабинска, Усть-Лабинска, Горячего Ключа, Апшеронска, Анапы, пос. Мостовского.

Краснодарский край имеет большую протяженность морского побережья, что обуславливает возможность использование энергии естественного движения, т.е. энергии приливов и волн, в целях энергообеспечения зданий и сооружений. В мире эксплуатируются малое количество экспериментальных приливных электростанций (ПЭС). В России на побережье Баренцева моря с 1968 г. работает Кислогубская ПЭС, на которой установлены 2 турбины по 400 кВт каждая. На схожем принципе ПЭС могут работать электростанции, использующие энергию морских волн, называемые волновых энергетических установки (ВлЭУ). К сожалению, в практике альтернативной энергетике, волновые энергетические установки, являющиеся перспективным нетрадиционным источников энергии в прибрежных зонах Краснодарского края не используются.
В последнее время, многие специалисты в области альтернативной энергетике считают одним из перспективных источников энергии – энергию биомассы. В результате технологического процесса переработки биомассы получают водяной пар, электроэнергию, топливный газ, водород, жидкое топливо, древесный уголь, биогаз, органические кислоты, спирты и ацетон. Экологический чистый продукт биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах – метантэнках. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% от той, которой обладает исходный материал. Производство биогаза, может осуществляться в масштабных городских сооружениях и на индивидуальных установках различных фермерских хозяйств. Биогаз, как и природный газ, используют для традиционных целей (освещение, отопления и тд.). Минимальное воздействие на экосистемы и широкое распространение в мире получили электростанции, работающие на биогазе свалок твердых бытовых отходов (ТБО). В настоящее время в России площадь свалок по вывозу ТБО составляет около15 тыс. га. 1 млн. м3 биогаза можно собрать с одного гектара полигона в течение одного года. Следовательно, производство биогаза в нашей стране могло бы составить - 15 млрд. м3 в год.

Особенно актуальным является вопрос о переработки отходов продукции сельского хозяйства, животноводства, фермерских хозяйств в Краснодарском крае. Огромное количество постоянно тлеющих свалок в крае могло давать экологически чистую энергию, без ущерба окружающей среде. К сожалению практического применения, энергия биомассы в Краснодарском крае, так и в России, пока не получила.

В настоящее время экспертами, в области нетрадиционной энергетики, отдается приоритет солнечной энергии, как альтернативному источнику энергии, для энергоснабжения зданий и сооружений в климатических условиях юга России. Ресурсы солнечной энергии юга России поистине огромны. Усредненная суммарная солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность территории Краснодарского края, за год составляет в среднем 1200–1400 кВт-ч/м². Территория Краснодарского края относится к наиболее благоприятным районам РФ для строительства фотоэлектрических солнечных генераторов и комплексов из солнечных коллекторов.

Продолжительность солнечного сияния в Краснодарском крае составляет 2200-2500 часов в год, что на 800-900 часов больше, чем в средней полосе России. Эффективность существующих солнечных батарей напрямую зависит от интенсивности солнечной радиации и количества солнечных дней. Например, в северных районах края (г.Ейск) до 225 солнечных дней в году, в центральных районах края (г.Краснодар) до 250, на Черноморском побережье (Новороссийск и Геленджик) - от 230 до 250, Анапа и Сочи - от 280 до 300 безоблачных дней в году. В среднем по краю, количество солнечных дней в году составляет 250. Применение систем энергоснабжения на основе солнечной радиации целесообразно для малоэтажной застройки, из-за отсутствия у 25% населения края (около 916 тыс. человек) централизованного теплоснабжения. В Краснодарском крае в последние годы построено 102 гелиоустановки с общим количеством солнечных коллекторов 5000 м2. Наибольшее их количество построено для пансионатов и санаториев (63 шт.) общей площадью 2550 м2.

Анализ распределения интенсивности суммарной солнечной радиации по данным актинометрических наблюдений метеостанции «Краснодар-Круглик» за 2004 год показал высокую эффективность использования солнечной энергии, как альтернативного источника, для энергоснабжения зданий и сооружений в течение 7 месяцев (апрель-октябрь). На рис 1.3 приведены значения суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в городе Краснодаре, за 2004 год. По данным СНКК 23-302-2000 суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность в июле, по многолетним наблюдениям, составила 330 Вт/м2 (среднесуточная), а максимальная – 887 Вт/м2, что равносильно 870 МДж/м2 и 2330 МДж/м2. На рис. 1.4 по данным СНКК 23-302-2000 представлены средние величины суммарной солнечной радиации на горизонтальную и вертикальные поверхности за отопительный период для условий г. Краснодара.

 

 

 

Рис 1.3. Суммы прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, МДж/м², за месяц по данным актинометрических наблюдений за 2004 г.

Рис 1.4. Средние величины суммарной солнечной радиации на горизонтальную и вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, МДж/м2, за отопительный период для условий р-на г. Краснодара.

 

Проведена оценка ВИЭ на территории Краснодарского края. Сделан вывод о том, что использование солнечной энергии в сочетании с другими ВИЭ (ветро, геотермальной энергетики, энергии волн и биомассы) целесообразно для гражданских и промышленных объектов с большим энергопотреблением (рис.1.5). На рис. 1.5. отмечены районы перспективного использования видов ВИЭ, причем использование солнечной энергии эффективно на всей территории края.

 

 

Рис. 1.5. Карта распределения ВИЭ на территории Краснодарского края.

На основании вышеизложенного делается вывод, что круглогодичное использование солнечной энергетики, в сочетании с другими ВИЭ в зависимости от географического местоположения, целесообразно для гражданских и промышленных объектов Краснодарского края. При эксплуатации малоэтажных зданий, преимущественно жилых, всесезонное использование одной солнечной энергетики возможно для нормального энергоснабжения.