Получение электроэнергии от возобновляемых источников энергии

1. Перспективные направления использования ВИЭ

Для современной цивилизации необходимы возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Углеродные источники энергии (газ, нефть, уголь), обеспечивающие до 87 % мировой энергетики, имеют большие, но все же ограниченные запасы, которые к тому же распределены на Земле весьма неравномерно. АЭС (17 % рынка мировой энергии) и гидроэлектростанции (7–9 %) привязаны к месту, и для них нужны протяженные ВЛЭП. Электроэнергию, получаемую от ветра и Солнца, можно получать непосредственно возле потребителей, и по мере совершенствования технологий с каждым годом это становится все доступнее.

Возрастающий интерес к возобновляемым ресурсам объясняется глобальным потеплением на планете, что является результатом действия парникового эффекта от промышленной деятельности людей: эмиссия диоксида углерода приводит к глобальному потеплению, а диоксид серы (SO2) является причиной кислотных дождей. Выбросы СО2 в странах СНГ достигают 16 тонн/год на одного жителя; в Европе – 12 тонн/год. Киотский протокол (декабрь 1997 г., конференция ООН по изменению климата), в котором впервые были прописаны квоты на выброс парниковых газов для каждого государства, был ратифицирован 191 государством, однако запланированного положительного эффекта получено не было. Китай, США и Индия, на которые приходится более 50% общемировых выбросов углекислоты, метана, озона, фреонов и других газов отказались выполнять условия документа.

По оценке Еврокомиссии (ЕК), с 1990 по 2016 год страны ЕС сократили выбросы углекислоты в атмосферу на 20,8 %. Однако Международное сообщество ученых (The Global Carbon Project) полагает, что даже в период действия Киотского протокола выбросы увеличивались примерно на 3 % в год, за исключением интервала времени с 2014 по 2016 год. Но уже в 2016 году страны ЕС увеличили выбросы углекислоты в атмосферу на 0,2%. Кроме того, США 1 июня 2017 года заявили о выходе из Парижского соглашения по климату, (2015 р.), которое было одобрено 195 странами и пришло на смену Киотскому протоколу. Отказывается выполнять квоты Парижского соглашения по климату и Китай, на долю которого приходится около 27% выбросов углекислоты, метана, озона, фреонов и других газов. Если продолжать загрязнять атмосферу Земли прежними темпами, то это может привести к резкому изменению климата, к таянию ледников и, как следствие, к повышению уровня океана, разрушению среды обитания животных и угрозе самого существования человечества. В этой ситуации необходимо использование ВИЭ, так как они не нарушают естественного баланса энергии, получаемого нашей планетой.

К ВИЭ относятся солнечная энергия, энергия ветра, рек, приливов и океанских волн, энергия, заключенная в биомассе и органических отходах. В табл. 1 представлены данные по планируемой структуре производства электроэнергии от ВИЭ в Украине.

Таблица 1 — Проект Национального плана действий Украины по возобновляемой энергетике на период до 2020 года

Структура производства электроэнергии от ВИЭ в 2015 и 2020 годах, %
Виды ВИЭ	2015	2020 (план)
Ветровые электростанции (ВЭС)	13,0	26,5
Солнечные электростанции (СЭ)	6,5	10,3
Большие ГЭС	76,1	51,3
Микро-, мини- и малые ГЭС	1,3	1,4
Био — электростанции	2,7	9,3
Геотермальные электростанции (гео-ТЭС)	0,4	1,2
ВСЕГО	100,0	100,0

Обязательным направлением развития энергетики от ВИЭ является совершенствование хранилищ и систем накопления электроэнергии. Накопители станут резервным источником питания на случай исключения естественного поступления энергии, например, на случай уменьшения силы ветра или в ночное время, когда практически не работают солнечные батареи. Поэтому в число факторов, влияющих на будущее применение ВИЭ, входят параметры и технологии строительства таких накопителей. Их мировой объем в 2010 году оценивался в 43,5 млрд долл. и по прогнозам к 2020 году достигнет 61 млрд долл.

2. Гидроэнергетика

На сегодняшний день в мире более 70 % возобновляемой электроэнергии вырабатывается на ГЭС (ГАЭС). В середине прошлого века в Европе и США ГЭС строили активно, но с 1970-х годов эта тенденция снизилась. К примеру, в США в настоящее время на долю ГЭС приходится всего около 6 % всей вырабатываемой электроэнергии. От ГЭС постепенно отказываются, поскольку они вредят окружающей среде и не приносят достаточной прибыли. Недавно Всемирный фонд природы заявил, что масштабное неконтролируемое строительство ГЭС может привести к экологической катастрофе, что ГЭС вредят речной экологии: исчезают уникальные виды рыб и другие организмы, ухудшается качество воды. Их строительство приводит к переселению миллионов людей, а испарения с затопленных территорий негативно влияют на изменение климата. Однако в обеспечении устойчивости работы ОЭС гидроэнергетика играет важную роль, поскольку обеспечивает энергетическую систему высокоманевренными мощностями для регулирования суточных графиков нагрузки с покрытием «пиков» энергопотребления и заполнением ночных «провалов», а также выполняет функцию аварийного резерва. Достаточно эффективным и распространенным на сегодняшний день способом накопления энергии, и реальным источником регулирования выработки и потребления электроэнергии при изменении нагрузки является использование ГАЭС. ГЭС и ГАЭС снижают необходимость работы турбогенераторов ТЭС в переходных режимах, для которых они не предназначены .

Если развитые страны отказываются от ГЭС и даже демонтируют их, то развивающиеся страны активно продолжают их внедрять – около 3,7 тыс. крупных и средних ГЭС находятся в стадии строительства. Исследователи отмечают, что ГЭС в развивающихся странах часто строят не для нужд обычных граждан, а для крупных индустриальных концернов. Например, строящаяся ГЭС на реке Конго будет вырабатывать более трети от всего нынешнего объема выработки электроэнергии в Африке. Но более 90 % энергии этой ГЭС пойдет на добычу полезных ископаемых в Южной Африке, а не на обеспечении электроэнергией населения. От строительства ГЭС на реке Меконг в Китае, по оценкам исследователей, могут пострадать около 60 млн человек из-за снижения уровня воды реки в странах, расположенных ниже по течению (в Таиланде, Лаосе, Камбодже и во Вьетнаме) и живущих за счет рыболовства.

В балансе мощностей ОЭС Украины мощность ГЭС и ГАЭС составляет только около 7-9 % при 16 % оптимальных. Для решения проблемы необходимо строительство дополнительных мощностей гидроэнергетики, что, как указано выше, нецелесообразно. Однако следует признать, что работа ГАЭС важна для повышения устойчивости ОЭС. Генератор ГАЭС может включиться в сеть за 1-2 мин, а переход из генераторного в насосный (двигательный) режим не превышает 10 мин. Некоторые современные ГАЭС способны выйти на полную мощность уже через 1,5 мин после запуска. Т.е. преимущества ГАЭС в том, что они оперативно могут реагировать на изменение нагрузки, в отличие от инерционных ТЭС и АЭС. Число пусков обратимых гидроагрегатов ГАЭС доходит до 700 в месяц. Поэтому при строительстве новых и модернизации старых гидроагрегатов выбирают не ГЭС, а ГАЭС. В мире работает более 460 ГАЭС суммарной мощностью около 300 млн кВт. Самая большая ГАЭС в мире имеет мощность (в генераторном режиме) 3,003 ГВт – это ГАЭС Bath County в США. Но вскоре первенство может перейти к Китаю: в 2019 г. должно быть закончено строительство ГАЭС Feigning на 3,6 ГВт. По суммарной установленной мощности ГАЭС в 2014 г. на первом месте была Япония – 26 ГВт, на втором – Китай (22,5 ГВт), на третьем – США (22 ГВт). В Евросоюзе мощность ГАЭС в целом составляет более 48 ГВт, крупнейшей станцией (1,8 ГВт) является «Плотина Гранд Мезон» во Франции. На рис. 1 представлена технологическая схема производства электроэнергии на ГЭС.

Для обеспечения необходимого напора воды на ГАЭС необходим рельеф с достаточным перепадом высоты (не менее 20–30 м), позволяющим создать на разных уровнях два бассейна – бьефа: верхний и нижний. Синхронные машины ГАЭС имеют генераторный (иногда его называют турбинный) и насосный режимы. В насосном режиме машина ГАЭС в ночное время переходит в режим двигателя, становится потребителем электроэнергии, разгружая сеть, и, как насос, перекачивает воду в верхний аккумулирующий бассейн из питающего водохранилища. Это обеспечивает станцию запасами потенциальной энергии на дневное время.

Рисунок 1 – Технологическая схема производства электроэнергии на ГЭС

В генераторном режиме генератор ГАЭС вырабатывает электроэнергию и отдает ее в сеть, сглаживает провалы в энергоснабжении. КПД ГАЭС, под которым понимают отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме, изменяется от 50 % на старых ГАЭС до 80 % на новых. Но поскольку эти станции потребляют больше энергии, чем производят, их экономическая эффективность во многом зависит от тарифа на электроэнергию в часы пик.

Интерес к гидроэнергетике усилился в связи с интенсивным развитием других видов ВИЭ, на которых выработка электроэнергии неравномерна, и вопрос накопления и хранения энергии стал еще более актуальным. Учитывая недостатки крупных ГЭС (ГАЭС), в последние годы стали развивать мини- и микро-ГЭС, которые устанавливают на небольших, малонапорных реках и практически не наносят вреда окружающей среде.

По компоновке электроэнергетического оборудования ГАЭС различают двух-, трех- и четырехмашинные гидроагрегаты:

1. наиболее распространены двухмашинные агрегаты, у которых одна обратимая гидромашина (турбина-насос) и одна электрическая синхронная машина (генератор-двигатель). В этом агрегате, в зависимости от режима, гидроагрегат меняет направление вращения и изменяет направление движения воды при переходе из генераторного режима в насосный;
2. в трехмашинном агрегате насос и турбина разделены, но ЭМ выполняет функцию и генератора, и двигателя насоса;
3. в четырехмашинном агрегате установлены 4 элемента: турбина, насос, гидрогенератор и двигатель насоса.

3. Ветроэнергетика

3.1. Ветер как источник энергии

Хотя энергия ветра известна человечеству не менее 2000 лет, но только в последние 25÷30 лет ее стали использовать для производства электроэнергии. К настоящему времени в мире установлено более 20 тыс. ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 ГВт. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц кВт до 10 МВт и позволяют эффективно, с высокой надежностью преобразовывать энергию ветра в электроэнергию. ВЭУ могут использоваться для различных целей, начиная от зарядки аккумуляторных батарей (АБ) и энергоснабжения индивидуальных объектов (дома, фермы и пр.) до подачи электроэнергии в централизованные СЭС.

В январе 2019 г. у берегов Великобритании заработала крупнейшая в мире плавучая ВЭС. Мощность Walney Extension составляет 659 МВт. Станция имеет 87 ветрогенераторов мощностью 659 МВт, что достаточно для обеспечения электроэнергией 600 тыс. жилых домов. В этой ВЭС использует два типа ветрогенераторов: 40 ВЭУ мощностью 7 МВт каждый, высотой 188 м (фирма Siemens Gamesa), и 47 генераторов мощностью 8 МВт, высотой 195 м, (фирма MHI Vestas),.

В Украине самая мощная ВЭУ (3,2 МВт) была введена в эксплуатацию в 2017 г. в Николаевской области. В настоящее время ведутся работы по созданию ВЭУ мощностью 10 МВт. В Запорожской области в настоящее время ведется строительство крупнейшей в Европе наземной ВЭС мощностью 500 МВт.

Ветер – направленное перемещение воздушных масс, которое возникает из-за неравномерного нагрева Солнцем поверхности Земли. Поэтому энергию ветра можно рассматривать как одну из форм использования солнечной энергии. Поверхность воды и территории, закрытые облаками, нагреваются медленнее, чем поверхность Земли. Воздух, находящийся над нагретой поверхностью, поднимается вверх, создавая внизу области пониженного давления. Из областей повышенного давления воздух перемещается в направлении областей низкого давления, создавая ветер. Ветер постоянно меняется, зависит от сезона, времени суток, наличия рядом морей и больших озер, рельефа земной поверхности, включая различные природные и искусственные препятствия, такие, как холмы, горы, озера, деревья и здания. Скорость ветра зависит от высоты над уровнем земли: ближе к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность и усиливается на больших высотах. Над полями и пустынными территориями при увеличении высоты в 2 раза скорость ветра увеличивается приблизительно на 12 %. Поэтому ВЭС стараются располагать на возвышенностях, вдали от высоких деревьев, жилых домов и других сооружений. Такие препятствия снижают скорость ветра, приводят к завихрениям, затрудняющим преобразование энергии ветра в электроэнергию.

Среднегодовая скорость ветра характеризует ветровой потенциал территории и определяется, как среднее арифметическое значение всех наблюдаемых скоростей ветра в течение года. Средние скорости ветра вычисляют для месячных, дневных, часовых периодов.

Энергия, заключенная в ветре, находится в кубической зависимости от его скорости: удвоение скорости ветра дает увеличение энергии в 8 раз. Таким образом, при средней скорости ветра 5 м/с вырабатывается примерно в 2 раза больше энергии, чем при ветре со средней скоростью 4 м/с, рис. 2. Поэтому для того чтобы ВЭУ была рентабельна, среднегодовая скорость ветра в конкретном регионе должна составлять не менее 5 м/с. При малых скоростях ветра (менее 1,5 м/с) промышленные ВЭУ не функционируют. А при ураганах (скорость ветра более 25÷28 м/с) система автоматики ветроагрегата специально «выводит» его из-под ветра для безопасности. При скорости ветра свыше 12 м/с включаются ограничители скорости вращения лопастей ВЭУ.

Рисунок 2 – Производство электроэнергии ветрогенератором номинальной мощностью 1 кВт в зависимости от среднегодовой скорости ветра (Харьковская область)

Украина располагает значительными ресурсами ветровой энергии, и, что важно, они сосредоточены главным образом в тех регионах, где отсутствует (или нерентабельно) централизованное энергоснабжение. Наиболее перспективными регионами для использования энергии ветра является побережье Черного и Азовского морей, Прикарпатье и Закарпатье, Одесская, Херсонская и Николаевская области. В 2018 г. на территории Украины функционировало 14 ВЭС общей установленной мощностью 426,2 МВт. Необходимым условием надежного функционирования ВЭУ является равномерность и повторяемость ветровых нагрузок. А основным недостатком ветроэнергетики является непостоянство и нерегулируемость потока ветра, что не позволяет прогнозировать объем производства электроэнергии ВЭС даже на сутки.

3.2. Типы ВЭУ

ВЭУ – системы, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в генераторе – в электрическую энергию. В первых ВЭУ применялись ветроколеса «активного» (карусельного) типа, в которых использовали непосредственно силу давления ветра. Однако такие установки имели очень низкий КПД (менее 20 %), поэтому в настоящее время для производства энергии их не применяют. В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ВЭУ, – в которых используется подъемная сила, действующая на лопасти ВЭУ (рис. 3). Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа.

а                                                                                                             б

в                                                                                                                   г

Рисунок 3 – Основные виды конструкций ветроагрегатов: а, в – горизонтально-осевая; б, г – вертикально-осевая

ВЭУ состоит из гондолы, в которой размещены электрогенератор и вспомогательное оборудование, лопастей, мачты и вспомогательных элементов (рис. 4). На рис. 5 представлен вариант компоновки гондолы электрооборудованием ВЭУ небольшой мощности (рис. 5, а) и средней мощности (рис. 5, б).

Рисунок 4 – Структурная схема ВЭУ: 1 – фундамент; 2 – силовой шкаф; 3 – опора; 4 – ступеньки; 5 – поворотный механизм; 6 – гондола; 7 – электрогенератор; 8 – система слежения за направление и скоростью ветра (анемометр); 9 – тормозная система; 10 – трансмиссия; 11 – лопасти ротора; 12 – система изменения угла атаки; 13 – колпак ротора

Назначение основных компонентов ВЭУ:

1. ветроколесо преобразует энергию ветрового потока в механическую энергию вращения турбины. Диаметр ветроколеса меняется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Ветроколесо устанавливают на башне (ее иногда укрепляют стальными растяжками). Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни. На рис. 19 представлена внутренняя часть цилиндрической башни ВЭУ. Частота вращения изменяется от 15 до 100 об/мин. Для ВЭУ, соединенных с сетью, частота вращения ветроколеса должна быть постоянной; для автономных систем с выпрямителем и инвертором – возможна переменная;
2. мультипликатор – промежуточное звено между ветроколесом и генератором; он повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности с генераторами на постоянных магнитах, где мультипликаторы обычно не применяются;
3. основание (фундамент) предназначено для установки ВЭУ.

а

f

а 

Рисунок 5 – Схема компоновки ЭО в гондоле ВЭУ: а – небольшой мощности; б – средней мощности с блоком аккумуляторных батарей

Рисунок 6 – Схема компоновки цилиндрической башни ВЭУ (вид внутри)

При сильных порывах ветра и ураганах, когда скорость ветра превышает предельную величину, ВЭУ автоматически останавливаются. Для этого они оснащаются тормозными устройствами. Горизонтальноосевые ВЭУ имеют в своем составе также устройство, обеспечивающее автоматическую ориентацию ветроколеса по направлению ветра.

Ветроэнергетика имеет две основные особенности:

1) не всегда есть возможность установить ВЭУ рядом с потребителями электрической энергии из-за отсутствия свободных земельных участков или недостаточной скорости ветра. Кроме того, строительство ВЭС сопровождается развитием инфраструктуры для передачи, транспортировки и распределения электрической энергии;

2) мощность ВЭУ зависит от погодных условий, что приводит к неравномерной выработке электроэнергии. По сравнению с другими станциями ВЭС имеют наименьший уровень прогнозируемости выходных параметров.

Преимущества и недостатки получения ветровой энергии приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Преимущества и недостатки получения ветровой энергии

Преимущества	Недостатки
Ветровая энергия является возобновляемой, т.е. неисчерпаема	Нестабильность, невозможность гарантировать получение необходимого количества электроэнергии
Производство энергии при помощи ВЭУ не сопровождается выбросами в атмосферу углекислого или любого другого газа, уменьшается ветровая эрозия земель	Относительно небольшое количество вырабатываемой электроэнергии
Уменьшение мощности ветров над участками суши и над акваториями водохранилищ и водоемов	Акустическое влияние (шумовые эффекты) и оптическое влияние – уменьшение прозрачности атмосферы
Эргономичность (ВЭУ занимают небольшую площадь и легко вписываются в любой ландшафт, а также хорошо соединяются с другими видами хозяйственного использования территорий)	Электромагнитное влияние, которое препятствует радиосвязи. Влияние на орнитофауну (риск для птиц) и на ихтиофауну (риски для рыб и животных при морском или прибережном размещении ВЭУ)
Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию	Возможные аварийные ситуации при эксплуатации ВЭУ: риски разрушения конструкции ветробашни, поломок или повреждений элементов ветроколеса и при его разрушении возможно разрушение рядом расположенных зданий и сооружений

Соотношение мощности компонентов: дизельная энергетическая система зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурсов ветра. Режим параллельной работы ВЭУ и ДЭС оценивается, как недостаточно эффективный способ использования ВЭУ, поскольку доля участия ветроагрегата в системе по мощности не должна превышать 15–20 % от мощности дизель-генератора. Использование режима раздельной работы ВЭУ и ДЭС позволяет поднять долю участия ВЭУ до 50 – 60 % и более. Однако в этом случае неизбежно усложнение системы за счет необходимости введения системы управления, выпрямителей, инверторов и накопителей (например, аккумуляторных батарей (АБ), гидро- и аэронакопителей), которые аккумулируют избыточную энергию, выработанную ветроагрегатом для резервирования питания. Когда энергию получают от ВЭУ, накопители подзаряжаются. В периоды ветрового затишья и при разрядке АБ, для обеспечения потребителей энергией запускают дизельгенератор;

3) ветросолнечные (гибридные) системы, рис. 7. Использование солнечной энергии совместно с ВЭУ (установка фотоэлектрических батарей (ФБ)) достаточно эффективно. Сочетание этих систем выгодно для индивидуальных потребителей своей стабильностью, несмотря на их довольно высокую стоимость, рис. 8;

а                                                                                                               б

Рисунок 7 – Гибридная ветросолнечная станция: а – Флорида, США: б – Запорожская обл., Украина

4) использование ВЭУ совместно с мини- и микро-ГЭС. В таких системах в ветреную погоду ВЭУ вырабатывает электроэнергию, а излишки энергии используют для закачивания воды с нижнего бьефа в верхний. В периоды затишья энергия вырабатывается на мини- и микро-ГЭС, которые особенно эффективны при малых гидроресурсах;

Рисунок 8 – Пример ветросолнечной установки для приватного дома с резервным дизель — генератором

5) генераторы ВЭУ, подключенные к энергосетям, получают от нее активную и реактивную мощность для обеспечения запуска, работы и контроля. А электроэнергия, выработанная на самой ВЭУ, отдается непосредственно в сеть.

Синхронизация электрических параметров генератора ВЭУ с параметрами сети обеспечивается за счет регулирования тока возбуждения. Соединенные с сетью ВЭУ устанавливаются на территориях с хорошими ветроэнергетическими ресурсами и используются для производства электроэнергии с целью продажи ее энергетическим компаниям.

Группа ВЭУ называется «ветроферма» или «ветростанция» (ВЭС). На ветростанциях ВЭУ устанавливаются рядами, перпендикулярно к господствующему направлению ветра. При разработке такого проекта необходимо строить дороги для обслуживания агрегатов и подстанций. Обычно участок земли, отведенный под ВЭС, используется и для других нужд, например, сельскохозяйственных.

Для ВЭС применяют крупные агрегаты мощностью от 120÷200 кВт, и их общая мощность может достигать десятков и сотен МВт. В штате Калифорния (США) на ВЭС производится столько электроэнергии, что ее хватает для обеспечения энергией г. Сан-Франциско в течение всего года. Этот тип станций становится все более популярным, особенно в европейских странах, где принята цель снижения эмиссии парниковых газов, (Киотский протокол, Парижское соглашение).

Ветроагрегаты (ВЭУ) должны быть удалены от препятствий на поверхности земли так, чтобы избежать эффекта ветрового экранирования и возникновения нежелательной турбулентности ветрового потока. Близкое расположение на ВЭС одного агрегата рядом с другим может привести к тому, что в зону действия следующего ветроагрегата попадает «отработанный ветер», ослабленный прохождением через ветроколесо первой ВЭУ. Это приводит к снижению развиваемой мощности, а возникшие завихрения ветрового потока могут вызвать опасные перегрузки. Для уменьшения взаимного влияния ВЭУ, они должны быть удалены друг от друга на расстояние, не менее 5 – 10 диаметров ветроколеса, рис. 9.

Рисунок 9 – ВЭС в Калифорнии (США)

В проекте «Национального плана действий Украины по возобновляемой энергетике», разработанного Государственным агентством по энергоэффективности и энергосбережению, к 2020 году запланировано получать не менее 11 % электроэнергии от ВИЭ, что оценивается в 15 ГВт. Из этого объема доля ветроэнергетики должна составить 26,5%, (см. табл. 1). Такие показатели соответствует обязательствам, которые Украина взяла перед мировым Энергетическим сообществом. Однако для строительства такого количества ВЭС необходимы значительные инвестиции, по разным оценкам – более 200 млрд грн.

Ветроэнергетика во многих странах мира уже давно не считается «альтернативной», а перешла в разряд основной. Примером могут служить Дания и Нидерланды, где энергия ветра обеспечивает около 40 % энергетических нужд стран, а к 2020 году планируется от ветра получать до 50 % всей энергии, к 2035-му – 85 %, к 2050 году – 100 % электроэнергии. Причем практически все ВЭУ будут установлены на шельфе Северного моря. Однако из-за низкой стоимости электроэнергии, получаемой от АЭС соседних стран (импорт электроэнергии) и от других типов собственных станций, ветроэнергетика становится нерентабельной изза высоких затрат на эксплуатацию ветрогенераторов.

Это требует от правительств пересмотра отношения к ветроэнергетике и увеличения объемов выделяемых средств. С 2016 г. 23 % всей электроэнергии в Португалии, 27 % в Испании, 20 % в Ирландии, 12 % в Великобритании, 11 % в Германии получают от энергии ветра. В целом к 2020 году ЕС планирует 20 % электроэнергии получать от ВЭС.

ВЭУ могут устанавливаться как на суше (on-shore), так и на водной поверхности (off-shore), рис. 10. Работа оффшорных ВЭУ аналогична работе установок, размещенных на суше, но их конструктивные элементы имеют повышенную защиту от коррозии. На рис. 11 показаны разные варианты монтажа опор оффшорных ВЭУ на морском дне, которые по принципу крепления похожи на крепление буйка. Возможно исполнение «плавающих» ВЭУ. Электрический кабель от оффшорной ВЭУ к трансформатору на берег прокладывают под водой. В сентябре 2018 г. в Великобритании пущена в эксплуатацию крупнейшая в мире оффшорная ВЭС.

Рисунок 10 – ВЭУ, установленные на морском шельфе (off-shore)

Ветропарк содержит 87 ВЭУ суммарной мощностью 659 МВт. Примерно половина ВЭУ оборудована генераторами мощностью 8,25 МВт и имеет высоту башен 195 м, мощность остальных ВЭУ – 7 МВт и высоту 187 м. Ветропарк занимает площадь 144 км2 и способен обеспечить электроэнергией 600 тысяч домов.

Вопрос размещения и выбор конструкции ВЭС решается с учетом экологической безопасности для окружающей среды: людей, животных, птиц. ВЭУ производят аэродинамический шум, который может причинить дискомфорт людям.

Рисунок 11 – Примеры монтажа опор оффшорных ВЭУ на морском дне

По этой причине в некоторых странах Европы принят закон, по которому расстояние от ВЭУ до жилых домов должно быть не меньше 300 м, а уровень шума не должен превышать 45 дБ днем и 35 дБ ночью. От работы ВЭУ в дневное время гибли птицы, а в ночное время очень уязвимыми оказались летучие мыши, поскольку строение их легких способствует получению смертельной баротравмы при попадании в область пониженного давления около краев лопастей. Поэтому интересной оказалась новая разработка испанской компании Vortex Bladeless — безлопастные ветротурбины.

Они более безопасны для окружающей среды и являются альтернативой уже известным ветротурбинам. В такой ветротурбине лопасти выполнены в виде пропеллера, она имеет вид сигареты — самокрутки и генерирует электроэнергию благодаря эффекту завихрения, рис. 12. Обычно инженеры борются с эффектом качания ветроферм от завихрений воздуха, поскольку он может стать причиной разрушения конструкций, но разработчикам Vortex Bladeless удалось использовать эффект раскачивания. Легкая конструкция из композитного материала, состоящего из стекла и углеродного волокна, позволяет сделать завихрения в турбине синхронными, а вибрации – максимальными. Амплитуда движения турбины увеличивается не только под воздействием ветра, но и благодаря двум магнитам, расположенным внизу мачты и выполняющим роль неэлектрического двигателя.

Рисунок 12 – Безлопастная ветряная турбина Vortex Bladeless

КПД безлопастной турбины Vortex Bladeless в среднем в 3 раза меньше, чем лопастной. Но компенсировать разницу, по мнению разработчиков, можно за счет большего количества компактных конструкций на идентичной по размеру площади. К тому же, безлопастные турбины дешевле, они бесшумные и безопаснее для окружающей среды (в лопасти случайно не попадут птицы).

Перспективны «летающие» ВЭУ, которые в настоящее время активно разрабатываются в Саудовской Аравии, в Великобритании (в Шотландии), в Норвегии и т.д.

3.3. Типы генераторов для ВЭУ

Для ВЭУ используют следующие типы генераторов:

1. многополюсные тихоходные СГ с постоянными магнитами (мощностью до 50÷100 кВт);
2. АГ с короткозамкнутым ротором (фактически серийный асинхронный электродвигатель) находит наибольшее применение для автономных ВЭУ мощностью 100÷200 кВт;
3. быстроходные СГ с электромагнитным возбуждением (мощностью свыше 500 кВт) устанавливаются совместно с мультипликаторами.

В табл. 3 приведены преимущества и недостатки разных типов генераторов для ВЭУ .

Таблица 3 — Преимущества и недостатки генераторов для ВЭУ

Преимущества	Недостатки
1. АГ с к.з. ротором
Простота в обслуживании и надежность, невысокая стоимость; имеют сравнительно малые колебания генерируемой мощности, электромагнитного момента и тока при параллельной работе и при переменной скорости ветра и его порывах; возможно устанавливать безредукторные установки с хорошими массогабаритными показателями, высоким КПД и возможностью регулировать напряжение в широких пределах за счет изменения тока возбуждения	Необходимость установления редукторов, т.к. используют тихоходные турбины (с частотой вращения 20÷30 об/мин). Поэтому генератор присоединяют через редуктор с высоким коэффициентом преобразования (Кред=50÷70), что требует дополнительных расходов на установку, обслуживание, ремонт, снижает надежность, является источником механического шума; невозможно управлять режимными параметрами, что необходимо при порывистом ветре; для работы в автономном режиме необходим автономный источник реактивной мощности; ограничение в промышленном применении из-за искаженной формы выходного напряжения и неудовлетворительных динамических свойств
2 СГ с магнитоэлектрическим возбуждением
Нет скользящего контакта, высокая надежность, высокое значение КПД	Необходимость в дорогих постоянных магнитах, технология которых в Украине не отработана, отсутствие отечественной базы производства; невозможно регулировать магнитный поток; высокая стоимость
3. Специальные типы СГ с магнитоэлектрическим возбуждением
Нет скользящего контакта, проще в эксплуатации; высокое значение КПД; сохраняют устойчивые рабочие характеристики на протяжении не менее 10 лет	Необходимость в постоянных магнитах, технология которых в Украине не отработана, нет отечественной базы производства; постоянство магнитного потока, т.е. невозможно его регулировать; высокая стоимость генераторов
4. АГ с фазным ротором
Возможно использовать в автономных системах в сочетании с другими машинами. Возможно каскадное соединение двух АГ или соединение АГ и ДПТ с параллельным возбуждением; простота в обслуживании; надежность; имеют сравнительно малые колебания генерируемой мощности, электромагнитного момента и тока при параллельной работе и при переменной скорости ветра и его порывах	Нужны редукторы с высоким коэффициентом преобразования (Кред=50÷70) т.к. используют тихоходные турбины с частотой вращения 20÷30 об/мин, что требует дополнительных расходов на установку, обслуживание, ремонт, снижает надежность, является источником механического шума; невозможно управлять режимными параметрами, что необходимо при порывистом ветре; для работы в автономном режиме необходим источник реактивной мощности; искажение формы выходного напряжения и неудовлетворительные динамические свойства; скользящий контакт снижает надежность
5. СГ с электромагнитным возбуждением
При применении преобразователей с явным звеном постоянного тока и инвертором напряжения, при широтно — импульсном управлении, можно получить в токе сети низкий состав высоких гармоник, улучшение динамических свойства объекта, возможность управления реактивной мощностью с генераторной стороны	Высокая стоимость, сложность конструкции, более низкая надежность, чем у АМ; наличие скользящего контакта и необходимость в источнике постоянного тока для обмотки возбуждения; при безредукторной установке усложняется конструкция, увеличивается вес и стоимость; частота ЭДС зависит от скорости вращения, что ограничивает, а в регионах с резкими порывами ветра, делает невозможным включать их в сеть без полупроводникового преобразователь частоты

4. Солнечная энергетика

4.1. Типы солнечных электростанций

В Украине в определенной степени перспективна солнечная энергетика. Но при ее использовании необходимо учитывать низкую удельную плотность получаемой энергии: с 1 м2 освещенной поверхности можно получить максимум 100 Вт, т.е. для получения 100 МВт требуется площадь не менее 1 км2. Поэтому можно считать, что солнечная энергетика в промышленно развитых странах целесообразна только для индивидуальных потребителей.

Однако по объему инвестиций солнечная энергетика считается первой среди ВИЭ и превосходит даже ветроэнергетику. Например, в 2015 г. мировые инвестиции в ВИЭ составляли 367 млрд долл. Из них 161 млрд долл. был направлен на развитие солнечной энергетики и только 110 млрд долл. – на развитие ветряной. Начиная с 2000 г. мощность СЭ в мире удваивается каждые три года. В настоящее время строят солнечные электростанции двух типов: СЭ башенного типа и СЭ распределенного типа. Лидерство в производстве солнечных батарей-панелей, состоящих из параллельно или последовательно соединенных фотоэлектрических солнечных элементов для СЭ распределенного типа, с конца ХХ-го века принадлежит Китаю.

Солнечные электростанции по виду преобразования солнечной энергии подразделяют на несколько типов:

1) на электростанциях башенного типа работа основана на получении водяного пара от энергии Солнца. В центре стоит башня высотой 18÷24 м, на вершине которой находится резервуар с водой. Резервуар красят в черный цвет для лучшего поглощения тепла. В башне установлены насосы, закачивающие воду в резервуар. Вокруг башни на некотором расстоянии располагаются зеркала (гелиостаты) площадью в несколько квадратных метров, закрепленные на опорах и подключенные к общей системе позиционирования, что позволяет зеркалам менять ориентацию в зависимости от положения Солнца и обеспечивать позиционирование всех зеркал так, чтобы все отраженные лучи попадали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура воды в резервуаре может достигать +700 ºC (в резервуаре поддерживают повышенное давление, чтобы сохранять воду в жидком состоянии), рис. 13.

Такие же температуры используются на большинстве ТЭС, поэтому для получения электроэнергии используются стандартные турбины. Станции такого типа имеют сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности. Однако такие станции вредят живой природе: гибнут птицы, которые оказываются слишком близко к зоне концентрации солнечной энергии. По данным E&E Publishing, LLC на СЭ Ayvonpa (Калифорния, США) одна птица погибает каждые 2 минуты, («SOLAR: Bird deaths at California power plant a PR nightmare for industry»);

Рисунок 13 – Электростанция башенного типа

2) на станциях тарельчатого типа используют принцип получения электроэнергии, подобный способу получения энергии башенными СЭ, но есть отличия в конструкции самих станций. Станция собирается из отдельных модулей и состоит из опоры, на которую крепятся приемник и отражатель. Приемник расположен в области концентрации отраженного солнечного света. Отражатель состоит из зеркал в форме «тарелки», радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 м, а количество зеркал – нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять из одного модуля (автономные) или нескольких десятков (для работы параллельно с сетью);

3) станции, использующие фотоэлектрические модули (фотобатареи), наиболее распространены в настоящее время. Они состоят из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности. Станции применяют для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т.д.). Фотобатареи могут устанавливаться практически везде, начиная от крыши и фасада здания, заканчивая специально выделенными территориями, рис. 14. Перспективно использование фотоэлектрических модулей на транспорте: на автомобилях, самолетах, на автобусах, на морских судах и т.д., рис.15

4) на станциях, использующих параболические концентраторы, теплоноситель нагревается до высокой температуры. На ферменной конструкции устанавливается параболо-цилиндрическое зеркало с большой длиной цилиндрической оси. В фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет разогретый теплоноситель (чаще всего масло). Теплоноситель в теплообменном аппарате отдает тепло воде, которая превращается в пар. Пар поступает в турбину, соединенную с ротором генератора;

а                                                                                                               б

Рисунок 14 – Солнечная станция (а), использующая фотоэлектрические модули (б)

5) на комбинированных станциях дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется для технических нужд, для горячего водоснабжения и отопления. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной солнечной электростанцией;

Рисунок 15 – Транспортные средства с использованием Фотобатарей (фотоэлектрических модулей)

6) аэростатные солнечные станции бывают 2-х типов:

• солнечные элементы располагаются на поверхности аэростата. При этом их КПД не превышает КПД наземных солнечных батарей и составляет около 15 % (максимально 40 %), рис. 16. Аэростаты достигают высоты более 20 км и не боятся затенения при облачной погоде, а двигаясь с воздушными потоками, не испытывают ветровых нагрузок.

Ориентировка на Солнце осуществляется за счет перекачки балластной жидкости (воды), точная ориентировка достигается гироскопами. В одном дирижабле может находиться несколько плавающих шаровидных модулей, рис. 16, в;

б

Рисунок 16 – Аэростатная солнечная станция: а – схема; б – аэростат; в — плавающий шаровидный модуль 1 – оболочка баллона аэростата; 2 – тонкопленочные солнечные элементы; 3 – канат с электрическим кабелем; 4 – барабан; 5 – электромотор управления барабаном; 6 – инвертор

• в конструкции второго типа в качестве рефлектора для концентрации солнечной энергии используется параболический пленочный концентратор (пленочные зеркала), рис. 17. Пленочный концентратор параболической формы изготавливают из армированной металлизированной пленки, в центре проходит термоконцентратор (труба), охлаждаемый легким газом (водородом или гелием).

Рисунок 17 – Длинные параболические (в поперечном сечении) зеркала-пленки с трубами для разогрева теплоносителя (фото Solucar)

Стоимость 1 м2 пленки меньше, чем стоимость солнечных батарей с любыми другими поглощающими или отражающими поверхностями.

7) солнечно-вакуумные станции используют энергию воздушного потока, искусственно создаваемого за счет разности температур воздуха у земли, нагретого в закрытом стеклами участке, и воздуха на некоторой высоте. Для этого необходимо участок земли накрыть стеклянной крышей. Также в его комплектацию входит высокая башня, у основания которой располагают воздушную турбину и электрогенератор.

Вырабатываемая мощность растет с ростом разности температур, которая увеличивается с увеличением высоты башни. Благодаря запасам тепла нагретой земли, такие станции могут работать практически круглосуточно, что является их преимуществом;

8) линзовые солнечные электростанции имеют плоские и сферические панели. В таких станциях для сбора солнечной и даже лунной энергии используют концентраторы на основе сферических линз или так называемых линз Френеля. Сферические линзы использовались для создания солнечных концентраторов еще в 70-х годах ХХ-го века и были запатентованы во Франции, Германии, Италии, Японии, США и СССР. В 2012 году немецкий архитектор Андре Броссел разработал сферический концентратор, который в состоянии повысить эффективность фотоэлектрической панели на 35 %. Для этого он использовал стеклянный шар, который наполнял водой. Такой шар способен концентрировать энергию Солнца в 10000 раз лучше, чем плоские панели, рис. 18.

Рисунок 18 – Сферическая солнечная электростанция

Недостатком такого концентратора при расположении на крыше дома можно считать его большой вес. Решающим фактором в дальнейшем развитии таких проектов является их способность улавливать не только солнечную, но и лунную энергию и генерировать электрическую энергию даже ночью, рис. 19

Рисунок 19 – Сферическая солнечная электростанция в ночной период

Сферы способны собирать даже рассеянный лунный свет и превращать его в устойчивый источник энергии. Проект очень красивый, сферы хорошо смотрятся на крышах зданий.

4.2. Краткая история создания и развития солнечной энергетики

В 1839 г. французский физик А.-Э. Беккерель обнаружил возникновение электрического тока в освещенном электролите. В 1883 г. американский инженер Ч. Фриттс создал фотоэлектрический солнечный элемент из селена с микронным покрытием из золота для преобразования энергии поглощенного света в электроэнергию с КПД, равным 1%. Поэтому 1883 год принято считать началом эры солнечной энергетики.

Дальнейшее развитие солнечной фотоэлектрической энергетики принадлежит А. Эйнштейну, который заложил основы общей теории фотоэффекта, за что в 1921 г. он получил Нобелевскую премию по физике. В работах А. Эйнштейна было достигнуто понимание фотоэффекта на уровне, достаточном для целенаправленного создания эффективных фотоэлектрических солнечных элементов, для появления солнечной фотовольтаики (solar photovoltaic).

Первый промышленный солнечный элемент был создан в 1953 году, и уже в 1958 году на третьем советском спутнике Земли и на американском спутнике «Авангард-1» (серия «Explorer») были установлены солнечные батареи, рис. 20.

Рисунок 20 – Солнечные батареи на международной космической станции

Из-за низкой плотности солнечной энергии для орбитальных станций требуются сотни м2 солнечных батарей, что определяет проблему транспортировки этих батарей в космос. На земле, в пустынях нет проблем с транспортировкой, и основным становится вопрос стоимости электроэнергии: для создания солнечных станций с выработкой электроэнергии в промышленных объемах нужны огромные затраты на приобретение исходного материала для солнечных преобразователей (монокристаллического кремния), конструкционных сталей, систем управления, специальной защиты и т.д. В космосе, однако, не так важен вопрос стоимости, там этот практически безальтернативный вариант.

Чтобы получить положительный экономический эффект, необходимо снижать стоимость солнечных панелей. Цена на солнечные панели постоянно снижалась, и к середине 2016 г. снизилась до $0,01 за 1 Вт полученной мощности. Уже сейчас стоимость крыши из солнечных панелей Tesla (солнечные крыши, рис. 21) равна или ниже стоимости обычной кровли, например, из черепицы. В Украине, где число солнечных дней во многих регионах не достигает и половины календарных, использование солнечной энергетики целесообразно для небольших поселков, ферм и индивидуальных потребителей, рис. 22.

Рисунок 21 – Здания с «солнечными крышами» (Tesla Powerwall и Solar Roof, США, фирма Tesla)

 

Рисунок 22 – Крыши, балкон и фасад жилых домов с установленными солнечными батареями

Исторически первыми фотоэлектрическими солнечными элементами с эффективностью, большей 1 % (а именно, 6 %), стали элементы на основе кристаллического кремния (c-Si), которые наравне с элементами на основе германия, принято считать элементами первого поколения. Они на данный момент составляют 90 % всего рынка производства солнечных элементов и имеют КПД около 20 %. Такие элементы имеют недостатки: высокая стоимость, токсичность процесса изготовления, большое количество токсичных отходов и др. Существует международное соглашение, по которому солнечные ячейки и модули должны проходить единые стандартные испытания: температура ячейки или модуля должна быть не более +25°C, а солнечный радиационный показатель ячейки должен иметь энергетическую плотность 1000 Вт/м2 со спектральным энергетическим распределением – «воздушный массовый показатель 1,5» (AM-1,5). Этот показатель определяется расстоянием, которое проходят лучи Солнца, пока достигнут атмосферы.

За пределами атмосферы Земли излучение Солнца имеет энергетическую плотность приблизительно 1365 Вт/м2. Характеристика спектрального энергетического распределения солнечного излучения, определенная перед входом в атмосферу, называется распределением «воздушной массы 0» (AM-0).

Фотовольтаические элементы соединяют в панели и защищают стеклянной заслонкой. Мощность панелей определяется пиковой мощностью (Wp) – мощностью устройства при интенсивности солнечного излучения 1000 Вт/м2 при температуре 25 °С. Такие условия существуют при хорошей погоде, когда Солнце находится в наивысшей точке небосвода. Для достижения мощности 1 Wp необходим элемент с размерами приблизительно 100 см2. Преимуществом фотовольтаики является то, что панели можно прибавлять и увеличивать мощность всего устройства. Панели и остальные части — переносные, следовательно, их можно устанавливать в любом месте.

Солнечные элементы второго поколения требуют меньше сырья, их производство проще, чем элементов на основе кристаллического кремния, при их изготовлении потребляется меньше энергии, они выпускаются гибкими, пластичными, в виде тонких пленок. Эти достоинства привели к развитию солнечных элементов второго поколения, как на основе Si, так и на основе многокомпонентных полупроводников. Средняя рыночная цена 1 кВт электричества от батарей солнечных элементов второго поколения составляет 0,6 – 0,9 долл. США. Это уже достаточно разумная цена, представляющая интерес для мирового рынка.

Солнечные элементы второго поколения имеют недостатки:

• высокая токсичность производства многокомпонентных полупроводников и ряда исходных материалов;
• нестабильность солнечных элементов;
• зависимость от условий окружающей среды (необходимость очистки от снега и загрязнений, снижение выходной мощности при рассеянном свете).

Следующим этапом усовершенствования солнечной фотовольтаики стало создание солнечных элементов 3-го поколения на основе:

• проводящих полимеров, в том числе органических;
• пигментов (органических красителей);
• органо-неорганических полупроводников;
• солнечных элементов на «горячих электронах»;
• солнечных элементов с разделением солнечного спектра.

При создании таких элементов стараются решить уже известные проблемы: снизить токсичность производства и отходов, себестоимость, материальные и энергетические затраты, увеличить скорость и упростить процесс изготовления, достичь максимальной стабильности работы в различных погодных условиях.

Развитие солнечных элементов третьего поколения продолжается, находятся новые технические решения, появляются новые материалы.

5. Получение электроэнергии от сжигания биогазов

Промышленное использование биогазов основано на разложении органических веществ (биомассы), при котором сложные органические соединения расщепляются на элементарные и выделяют биологические газы (например, метан, участвующий в формировании глобального парникового эффекта). Процесс расщепления органических веществ можно контролировать, а полученные газы – использовать для энергетики.

Биомасса – вещества, отходы и остатки биологического происхождения (растительного и животного), получаемые в сельском и лесном хозяйстве, рыболовстве, из промышленных и городских отходов. Биомасса может быть специально выращена для энергетических нужд. Биомассу часто называют биотопливом.

Для переработки сельскохозяйственных и пищевых отходов, выработки экологически безопасных органических удобрений и кормовых добавок естественного состава, утилизации продуктов производства и жизнедеятельности животных, для сохранения и защиты окружающей среды в агропромышленных зонах используют биоэнергетические установки (БЭУ). В БЭУ используют процесс метанового сбраживания. В последнее время используются новые методы и технологии, применяют биореакторы усовершенствованной конструкции с устойчивым давлением газа и с использованием специальных катализаторов, которые помогают создавать модифицированные закваски. Быстрота преобразования органического вещества дает большое количество биогаза и жидкого шлама, используемого для органических удобрений и кормовых добавок. Биогаз – это смесь метана (СН4) и углекислого газа (СО2). Удельная теплота сгорания такой смеси достигает 5500-6500 ккал/м3. За 1 сутки с 1 м3 рабочего реактора можно получить от 5 м3 до 10 м3 биогаза, который используют для производства электроэнергии, рис. 23. БЭУ удовлетворяют и собственную потребность в электроэнергии, используя для этого не более 20 % энергии от сжигания получаемого газа.

Рисунок 23 – Схема преобразования органического вещества в биогаз

Таким образом, введение БЭУ в состав производственного цикла делает возможным решение трех задач:

1. утилизация отходов в местах производства сельхоз. продуктов, что способствует обеспечению безопасности окружающей среды;
2. производство энергетических ресурсов на базе собственного возобновляемого сырья;
3. производство недорогих, экологически безопасных удобрений.

Объем аграрной биомассы зависит от урожайности. Поэтому энергетические установки необходимо обеспечивать дублирующим, более стабильным видом топлива – специально выращивают растения, которые называются «энергетические культуры». Это топливо не используют другие отрасли, поэтому местные сообщества могут самостоятельно обеспечивать себя топливом в необходимом количестве, рис. 24.

Рисунок 24 – Возможное топливо для биоэнергетических установок

Главным недостатком получения такого источника энергии является необходимость свободных площадей, которые могли быть использованы для выращивания сельскохозяйственных культур.

Различают жидкое, газообразное и твердое биотопливо. Перспективно жидкое биотопливо, которое можно получить из растительного сырья: сахарного тростника, сахарной свеклы, рапса и кукурузы. К жидкому биотопливу относят биоэтанол, биометанол и биодизель. Биоэтанол может также применяться как топливо для автотранспорта.

Биоводород и биогаз – газообразное биотопливо, которое выделяется при брожении биомассы, при биохимических или термических процессах. Его получают из органических отходов жизнедеятельности животных, из осадков ила очистных сооружений или из пригодного к брожению растительного сырья. Биогаз может заменять природный газ.

Для Украины перспективна твердая биомасса, которую можно сжигать в котлах. Ее использование требует наименьших затрат на оборудование, а процесс преобразования в энергию наиболее эффективен. Например, гранулы из биомассы имеют высокую энергетическую плотность, удобны при транспортировке и хранении, процесс их сжигания можно автоматизировать. Так как твердая биомасса является топливом, как природный газ или уголь, то получение электроэнергии происходит аналогично классическим ТЭС: биомассу сжигают в котельных, в котлах ТЭС или в когенерационных установках, получая тепловую и электрическую энергию, табл. 4.

Таблица 4 — Промышленные формы твердого топлива (биомассы)

Промышленная форма	Типичный размер	Общие производственные процессы
Целое дерево	Больше 500 мм	Необработанное дерево, включая ветки и корневую систему
Щепки и дробленая древесина	5…100 мм	Резание и дробление острыми инструментами
Кругляк, поленья/дрова	100…1000 мм	Рубка и резание острыми инструментами
Кора	Разный	Остатки коры (могут быть измельчены)
Пыль, мука	Меньше 1 мм	Помол
Тырса	1…5 мм	Резание острыми инструментами
Стружка	1…30 мм	Строгание острыми инструментами
Брикеты	Диаметр>25 мм	Прессование
Гранулы (паллеты)	Диаметр<25 мм	То же
Тюки: — малые прямоугольные	0,1 м3	Давление (прессование) и связка
— большие прямоугольные	3,7 м3	То же
— круглые (рулоны)	2,1 м3	То же
Измельченная солома и трава	10…200 мм	Измельчают во время сбора урожая
Зерно, семечки, ядра плодов	Разное	Без сушки, не прессованные
Волокнистая макуха	Разное	Получается из волокнистых отходов сушением

Твердая биомасса и ее физико-химические характеристики меняются в широких пределах, поэтому оборудование для ее сжигания может иметь принципиально разные конструкции. Как правило, тип котла определяется размерами и видом частиц

Общий энергетический потенциал биомассы в Украине оценивается в 27,5 млн. тонн условного топлива (т у.т.) в год. Потенциал различных видов биомассы приведен в табл. 5. Уже в 2014 г. как биотопливо использовали 0,845 млн тонн у.т. древесины. Это около 43 % общего потенциала источников древесины, (100 %=1970 тыс. т у.т).

Таблица 5 — Потенциал различных видов биомассы

Вид биомассы	Теоретический потенциал, млн тонн	Часть, доступная для получения энергии, %	Экономический потенциал, млн т у.т.
Солома зерновых культур	30,6	40	4,54
Солома ропака	4,2	40	0,84
Отходы производства кукурузы на зерно (стебли, стержни)	40,2	40	4,39
Отходы производства подсолнечника (стебли, корзинки)	20,9	40	1,72
Вторичные отходы с/хозяйства (шелуха, жом)	6,8	63	0,69
Древесная биомасса (дрова, порубочные остатки, отходы деревообработки)	4,6	96	1,97
Биодизель (из ропака)	—	—	0,47
Биоэтанол (из кукурузы и сахарного бурака)	—	—	0,99
Биогаз из отходов и побочной продукции АПК	1,6 млрд м3 метана (СН4)	50	0,97
Биогаз из сточных вод (промышленных и коммунальных)	1,0 млрд м3 СН4	23	0,27
Энергетические культуры:
— верба, тополь, клен (ясень)	11,5	90	6,28
— кукуруза (на биогаз)	3,3 млрд м3 СН4	90	3,68
Торф	—	—	0,4
Всего (млн т у.т.)			27,47

Аграрная биомасса остается одним из самых дешевых источников получения энергии.

Дальнейшее увеличение доли древесины, как аграрной биомассы, в ТЭБ Украины возможно только за счет создания энергетических насаждений или чистки лесополос вдоль полей, железных дорог и автодорог.

С 1 га древесных насаждений можно получить до 20 т сухой древесины, или 10,6 т у.т. Теплота сгорания сухой древесины достаточно высокая и составляет 3700 ккал/кг, что позволяет говорить о замене ею природного газа (теплота сгорания природного газа составляет 8250 ккал/кг). Потенциал различных источников древесной биомассы представлен на рис. 25.

Рисунок 25 – Потенциал получения древесной биомассы из разных источников, в % (тыс. т у.т.)

Основной потенциал сельскохозяйственной биомассы сосредоточен в центральных регионах Украины: в Винницкой обл. – 975 тыс. т у.т., в Полтавской – 931 тыс. т у.т., в Харьковской – 785 тыс. т у.т., в Кировоградской – 768 тыс. т у.т. В 2016 г. площадь под выращивание энергетических культур в Украине составила около 30 тыс. га.

Энергетика на биотопливе не может полностью заменить энергетику на ископаемом (невозобновляемом) топливе, но очень выгодна для индивидуальных потребителей.

6. Геотермальная энергетика

На небольшой глубине от поверхности Земли находится значительное количество тепла, запасенное в горячей воде. Уже в древности римляне использовали тепло горячих источников для бань.

В настоящее время горячую воду извлекают с глубины при помощи насосов и используют для обогрева домов, бассейнов, теплиц или ферм, поставляют в сети централизованного теплоснабжения жилых массивов. Производство электроэнергии от тепла геотермальных источников ограничивается высокими затратами на получение и техническое обслуживание. В Украине геотермальная энергия практически не используется, хотя на территории Черниговской, Полтавской, Харьковской, Луганской и Сумской областей обнаружены большие запасы термальных вод. В странах ЕС геотермальная энергетика используется и имеет тенденцию к увеличению. Так, чистая мощность геотермальной электроэнергетики всех стран Евросоюза в 2013 г. увеличилась на 0,5 % (на 4 МВт) по сравнению с 2012 г.

Согласно национальным планам по возобновляемой энергетике, для стран Евросоюза к 2020 г. определено увеличение применения геотермальной энергетики почти в два раза, т.е. ожидается производство 10,9 ТВт∙час электроэнергии при 1613 МВт установленной мощности. Для достижения этой цели страны-производители геотермальной энергии должны увеличить мощность установленных систем.

Во всех странах применяют установки двойного цикла, которые включают «технологию мгновенного испарения» и получение энергии от нагретой жидкости с температурой +200 ºС. «Технология мгновенного испарения» заключается в том, что из колодцев глубиной 3-4 км поднимают горячую воду, которая под землей находилась под высоким давлением. При подъеме давление падает, и большая часть воды мгновенно превращается в пар. По трубопроводу вода-пар («геотермальный рассол») поступает в сепаратор. Здесь пар отделяется от горячей воды. После сепаратора пар попадает в газоочиститель, где пар очищается от механических включений. Затем очищенный пар поступает на электростанцию, где его еще раз пропускают через газоочиститель, чтобы удалить образовавшийся конденсат, и только потом он поступает в турбину.

Обычно строят 100 колодцев, из которых 60 – 65 – эксплуатационные скважины, а остальные (нагнетательные) используются для обратной закачки воды, чтобы не наносить вреда окружающей среде и восстанавливать давление во внутренних полостях, рис. 26.

Преимущества геотермальных электростанций:

1. запасы геотермальной энергии достаточно велики. Ее можно считать возобновляемой, т.к. она не требует поставок топлива из внешних источников;
2. работа гео-ТЭС почти не сопровождается вредными или токсичными выбросами, не требуют значительного землеотвода;
3. для работы гео-ТЭС не нужны внешние источники электроэнергии, кроме источника, необходимого для запуска насосов. Впоследствии насосы можно запитывать током, который вырабатывают на самой станции;
4. эксплуатация гео-ТЭС не требует дополнительных расходов, кроме расходов на профилактическое техобслуживание или ремонт;
5. гео-ТЭС, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды. Опреснение происходит естественным путем в результате дистилляции – разогрева воды и охлаждения водяного пара в процессе работы электростанции;

Рисунок 26 – Принципиальная схема работы гео-ТЭС

К недостаткам гео-ТЭС следует отнести:

1. действующая гео-ТЭС может остановиться в результате естественных изменений в земной коре или из-за чрезмерной возвратной закачки воды через нагнетательную скважину. Интенсивная эксплуатация геотермальных скважин может привести к снижению температуры грунта и его быстрому истощению;
2. через скважины могут выделяться горючие и токсичные газы, выбрасываться минералы, содержащиеся в земле. Их необходимо собирать и перерабатывать (если выделяются, например, нефть-сырец или природный газ), т.е. необходима установка резервного оборудования, которое может никогда не будет использовано;
3. в геотермальном паре обычно содержится сероводород, который в больших количествах ядовит, а в небольших – неприятен из-за запаха серы. Однако системы, удаляющие этот газ, более эффективны и действенны, чем системы понижения токсичности отходов (золы) на ТЭС, работающих на органическом топливе. Частицы в пароводяном потоке содержат небольшое количество мышьяка и других ядовитых веществ, но после возвращении отработавшей воды в землю опасность их влияния минимальна;
4. возможно загрязнение грунтовых вод. Чтобы этого не произошло, геотермальные колодцы должны быть укреплены стальными или цементными каркасами;
5. низкая удельная плотность вырабатываемой электроэнергии.

Поэтому необходимо поддерживать такой уровень использования геотермальной энергии, который не нанесет ущерб окружающей среде.