2.1 Нетрадиционные источники энергии.
В мире существует ряд природных ограничений. Так, если брать оценку количества топлива по трем категориям: разведанные, возможные, вероятные, то угля хватит на 600 лет, нефти – на 90, природного газа – на 50 урана – на 27 лет. Иными словами, все виды топлива по всем категориям будут сожжены за 800 лет. Предполагается, что к 2010 г. спрос на минеральное сырье в мире увеличится в 3 раза по сравнению с сегодняшним уровнем. Уже сейчас в ряде стран богатые месторождения выработаны до конца или близки к истощению. Аналогичное положение наблюдается и по другим полезным ископаемым. Если энергопроизводство будет расти сегодняшними темпами, то все виды используемого сейчас топлива будут истрачены через 130 лет, то есть в начале ХХII в.
С развитием промышленности – основного потребителя энергетической отрасли, человечество начинает использовать все новые виды ресурсов, так называемые «нетрадиционные» источники энергии. К нетрадиционным источникам энергии относятся источник не применяемые для коммерческого производства, электрической и тепловой энергии – солнечная и геотермальная энергия, гидроэнергия приливов и отливов, ветряная и другие нетрадиционные источники.
Использование этих источников энергии вызвано необходимостью значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. А также экологическими проблемами, связанными с добычей энергетических ресурсов.
Не менее важной причиной необходимости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО2), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый парниковый эффект.
К нетрадиционным источникам энергии относятся следующие виды:
1. Солнечная энергия
2. Энергия ветра
3. Энергия приливов и отливов
4. Геотермальная энергия
5. Энергия биомассы
6. Водородная энергетика
2.2 Использование нетрадиционных источников энергии в экономике Казахстана.
В связи с принятием «Стратегии индустриально-инновационного развития страны на 2003-2015гг.» перед государственной инвестиционной политикой ставятся принципиально новые задачи. В современных условиях она должна обеспечить переток капиталов в пользу развития несырьевого сектора экономики и в особенности высокотехнологичных и наукоемких производств. Одним из видов таких производств являются нетрадиционные источники энергии.
Сегодня в Казахстане существует возможность использования нескольких видов нетрадиционных источников энергии. К ним относятся: солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная энергия, энергия биомассы, водородная энергетика. Рассмотрим каждый их них подробнее.
2.2.1 Энергия солнца.
Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. Оно ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235. Ежесекундно оно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.
Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году.
Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не всегда достаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее. Новый рекорд в этом отношении принадлежит Центру прогрессивных технологий компании “Боинг”. Созданный там солнечный элемент преобразует в электроэнергию 37 процентов попавшего на него солнечного света.
Были разработаны параболо-цилиндрические концентраторы. Эти устройства концентрируют солнечную энергию на трубчатых приемниках, расположенных в фокусе концентраторов. Это привело к созданию первых солнечных электростанций (СЭС) башенного типа.
Широкое применение эффективных материалов, электронных устройств и параболо-цилиндрических концентраторов позволило построить СЭС с уменьшенной стоимостью - системы модульного типа. В качестве теплоносителя использовалась вода, а полученный пар подавался к турбинам. Первая СЭС, построенная в 1984 г., имела КПД 14,5%, а себестоимость производимой электроэнергии 29 центов/(кВт-ч).
Д. Миле из университета Сиднея улучшил конструкцию солнечного концентратора, использовав слежение за Солнцем по двум осям и применив вакуумированный теплоприемник, получил КПД 25-30%. Стоимость получаемой электроэнергии составит 6 центов/(кВт-ч). Считают, что подобная система позволит снизить стоимость получаемой электроэнергии до 5,4 цента/(кВт-ч). При таких показателях строительство СЭС станет экономичным и конкурентоспособным по сравнению с ТЭС.
Рис.1 Карта-схема, наблюдавшегося в Казахстане солнечного сияния за год
Другим типом СЭС, получившим развитие, стали установки с двигателем Стирлинга, размещаемым в фокусе параболического зеркального концентратора. КПД таких установок "может достигать 29%.
Предполагается использовать подобные СЭС небольшой мощности для электроснабжения автономных потребителей в отдаленных местностях.
По данной карте-схеме можно судить об эффективности использования солнечных установок для производства электроэнергии, а также о наиболее целесообразном месторасположении данных станций. Как видно по карте наибольшее по длительности в течении года солнечное сияние наблюдалось в южном регионе Казахстана. Однако, в округах городов Шымкент, Тараз, Алматы наблюдалось меньшее сияние, чем по региону в целом. Это произошло из-за расположения данных городов в горных районах, где в течении года небо покрывается тучами чаще, чем в степи.
В настоящее время в Казахстане нет СЭС. Так как, во-первых, данная отрасль еще находится на стадии развития и современные СЭС имеют КПД не более 30-40%, что является экономически невыгодным, во-вторых, себестоимость получаемой электроэнергии довольно большая, что делает цену на энергию выше традиционных источников энергии.
2.2.2 Энергия ветра
На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может “работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям.
Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце.
Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом.
Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:
- экологически чистое производство без вредных отходов;
- экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций);
- доступность;
- практическая неисчерпаемость.
Ветровые двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И тем не менее всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин
По данной карте видно, что наиболее эффективными районами расположения ветровых электростанций являются центральный и северный регионы Республики, где среднегодовая скорость ветра достигает 5-6 м/с.
Рис.2 Карта-схема среднегодовых скоростей ветра в Казахстане и годовой повторяемости направления ветра.
2.2.3 Геотермальная энергия.
Тепло от горячих горных пород в земной коре тоже может генерировать электричество. Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холодная вода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину.
За прошедшие 15 лет производство электроэнергии на геотермальных электростанциях (ГеоТэс) в мире значительно выросло. В последние два десятилетия выполнялись обширные программы научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ в этом направлении. Накоплен также определенный опыт создания и многолетней эксплуатации опытно-промышленных и промышленных геотермальных установок различного назначения.
Современное развитие геотермальной энергетики предполагает экономическую целесообразность использования следующих видов подземных геотермальных вод:
- температурой более 140°С и глубиной залегания до 5 км для выработки электроэнергии;
- температурой около 100°С для систем отопления зданий и сооружений;
- температурой около 60-70°С для систем горячего водоснабжения;
- геотермальные холодильные установки;
- системы геотермального теплоснабжения теплиц.
ГеоТЭЦ позволит получать дополнительно 760-1010 млн. кВт/ч электроэнергии в год.
Использование теплоты геотермальных вод в Республике Казахстан, как и во всем мире, представляет пока еще определенную сложность, связанную со значительными капитальными затратами на бурение скважин и обратную закачку отработанной воды, создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.
2.2.4 Энергия биомассы
Большие возможности в собственном энергообеспечении сельскохозяйственных предприятий и экономии ТЭР заложены в использовании энергии отходов сельхозпроизводства и растительной биомассы. В сельскохозяйственном производстве в качестве источников тепла можно принять любые растительные отходы, непригодные для использования по прямому назначению или не нашедшие иного хозяйственного применения.
За последнее время использование биомассы в различных ее формах (дерево, древесный уголь, отходы сельскохозяйственного производства и животных) в мире в целом снизилось.
В ряде стран использование древесного топлива, древесного угля и сельскохозяйственных отходов поставлено на коммерческую основу. Следует отметить, что в сельских районах бывшего СССР доля использования древесного топлива весьма значительна и при переходе на новые энергоносители можно ожидать определенного роста самозаготовок.
Значительное развитие получила переработка биомассы, основанная на процессах газификации, теролиза и получения жидких топлив.
При переработке биомассы в этанол образуются побочные продукты, прежде всего – промывочные воды и остатки перегонки. Последние являются серьезным источником экологического загрязнения окружающей среды. Представляют интерес технологии, которые позволяют в процессе очистки этих отходов получать минеральные вещества, используемые в химической промышленности, а также применять их для производства минеральных удобрений.
Теплотворная способность сжигания 1 т сухого вещества соломы эквивалентна 415 кг сырой нефти, теплотворность 1 кг пшеничной соломы и сухих кукурузных стеблей равна 15,5 МДж, соевой соломы - 14,9, рисовой шелухи - 14,3, подсолнечной лузги - 17,2 МДж. По этому показателю растительные отходы полеводства приближаются к дровам - 14,6-15,9 МДж/кг и превосходят бурый уголь - 12,5 МДж/кг.
Проблемы утилизации твердых бытовых отходов (бытового мусора) остро стоят перед всеми странами. Выход мусора составляет 250-700 кг на душу населения в год, увеличиваясь на 4-6% в год, опережая прирост населения.
Решение проблемы переработки мусора найдено в использовании технологии твердофазного сбраживания на обустроенных полигонах с получением биогаза. Эта технология самая дешевая, не оперирует с токсичными выбросами и стоками.
В настоящее время в мире действуют десятки установок для получения биогаза из мусора с использованием его в основном для производства электроэнергии и тепла суммарно мощностью сотни МВт.
В последние годы в связи с лавинообразным накоплением изношенных автомобильных шин, особенно в учетом ужесточения требований по их хранению (на ряде свалок возникли пожары (которые не удавалось потушить годами), активно развивается технология их сжигания.
2.2.5 Водородная энергия
Набирает силу новая отрасль промышленности - водородная энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет по нарастающей. Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем, в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд.
Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель - тот же водород.
Водород - идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его калорийность - 33 тыс. Ккал/кг, что в 3 раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1,5 м с ним передается 20тыс. Мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500км. почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухне для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий.
Но передавать водород в жидком виде - удовольствие очень дорогое, т.к. для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубопровода, так как температура жидкого водорода очень низка.
Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта.
Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20-30 раз.
Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода - природный газ на более дешевое и доступное сырье - воду. Здесь возможны два пути.
Первый путь - традиционный, с помощью электрохимического разложения воды.
Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000-3500 C, то водные молекулы развалятся сами собой.
Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле.
Таблица 3
Сравнение ГЭС с нетрадиционными источниками энергии – ВЭУ и гелиоэнергетическими установками.
| ГЭС | ВЭУ | Гелиоэнер-гетические установки | |
| Цена на отпускаемую энергию, тенге/кВт-ч | 3,84 | 8,76 | 21,6 |
| Себестоимость, тенге/кВт-ч | 3,2 | 7,3 | 18,0 |
| Срок строительства, лет | 0,4 | 0,6 | 0,6 |
| Удельные капиталовложения, тыс. тенге/кВт | |||
| Чистый приведенный доход, получаемый на 1 тенге капиталовложений, тенге | 0,213 | 0,208 | 0,138 |
Заключение.
Республика Казахстан обладает большими потенциальными возможностями освоения нетрадиционных источников энергии, которые при продуманной государственной политике, направленной на стимулирование освоения данных источников энергии, могут покрыть практически весь дальнейший прирост производства электрической энергии в нашей стране.
Величина социально-экологического и экономического эффектов получаемых при эксплуатации различных видов экологически чистых энергоустановок, существенно отличается и сильно зависит от выбранной технологии.
Величина чистого приведенного дохода, получаемого на 1 тенге капиталовложений, составляет для малых ГЭС 0,213 тенге, что меньше, чем для биогазоэнергетических установок на 9,9%, но больше, чем для ВЭУ на 2,3%. Чистый социально-экономический эффект, получаемый на 1 тенге капиталовложений, для данных установок составляет 0,607 тенге, что на 2,3% меньше, чем для биоустановок, но в то же время на 14,3-69,9% больше, чем для других нетрадиционных источников энергии.
Список использованной литературы
1. Бляхман Л.С. Экономика, организация управления и планирование научно-технического прогресса
2. Викторов А.Е. и др. Перспективы использования солнечной энергии в народном хозяйстве Казахстана. Аналитический обзор.
3. Самойлов М.В. Основы энергосбережения, - 2000
4. Транзитная экономика, - 2002, №1. Статья «Энергетический комплекс РК: 10 лет спустя» (С. Махметов)
5. Транзитная экономика, - 2002, №3. Статья «Развитие электроэнергетической отрасли Казахстана» (Е. Темирханов)
6. Транзитная экономика, - 2002, №4-5. Статья «Особенности структуры энергопотребления в Республике Казахстан» (А.С. Баймуканов)
7. Шерстюк В.Ю. Совершенствование оценки экономической эффективности чистых источников энергии в Республике Казахстан. – Алматы, 2001