Аналіз відновлюваних ресурсів у світі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оцінка та аналіз досліджень природних ресурсів відновлюваної енергетики у світі

Існує значна кількість робіт, у яких висвітлюються питання природних ресурсів для розвитку альтернативної енергетики як наукового, так і публіцистичного характеру. Такі роботи можна поділити на типи: офіційні звіти стосовно ресурсів альтернативних джерел енергії для певної країни чи регіону, що проводяться за запитом урядових та міжнародних організацій, енергетичних корпорацій та банківських структур, тощо;

Представимо електростанцію як відкриту систему, що має свої входи і виходи.

На вході в традиційну електростанцію подається речовина: паливо, що транспортується з місць його видобутку або обробки. Видобуток і транспортування супроводжуються витратами додаткової енергії та додатковим впливом на навколишнє природне середовище (зміною ландшафтів, забрудненням атмосферного повітря, води, грунтів, зміненням різноманіття та кількості живих організмів тощо). На виході цієї системи отримується не тільки електроенергія, але й забруднення: відходи, емісії, скиди стічних вод, теплове забруднення атмосфери та поверхневих вод.

В альтернативних електростанціях (крім заснованих на використанні біомаси) на вході подається природна енергія (вітру, Сонця, води, гравітаційна енергія), а не речовина. У цьому полягає кардинальна відмінність традиційних джерел енергії від альтернативних.

Спалення речовини або розпад атомів звільнює велику кількість енергії, незначна частка якої перетворюється на електричну енергію, а решта майже ніяк не використовуються, що створює забруднення навколишнього середовища, насамперед термічне. Крім того, в традиційних електростанціях відбувається декілька послідовних перетворень енергії, що спричиняє додаткові її втрати на кожному рівні перетворення. Так, в ТЕС енергія, що запасена природою в корисних копалинах, спочатку перетворюється на теплову енергію, що підігріває воду і перетворює її на пару, тобто на механічну енергію пари, що перетворюється на механічну енергію обертання турбіни, яка потім перетворюється на електричну енергію. Слід зазначити, що в деяких країнах більша кількість електричної енергії витрачається на обігрівання приміщень, тобто теплова енергія в результаті значної кількості перетворень стає знову тепловою.

У більшості нетрадиційних електростанцій природна енергія, що використовується, перетворюється безпосередньо на електричну, що значно зменшує втрати енергії та побічні наслідки функціонування станцій: на виході системи отримується майже виключно електроенергія.

Потрібно вказати, що викладені вище твердження мають свої обмеження: по-перше, функціонування альтернативних електростанцій спричиняє вплив на навколишнє середовище -- має свої побічні наслідки (що розглядається нижче); по-друге, речовина та енергія є взаємопов'язаними, їх важко відокремити. неофіційні звіти, що складаються неурядовими організаціями;

монографії, присвячені ресурсам та перспективам розвитку альтернативної енергетики для .якоїсь країни чи регіону; кліматичні роботи, що в рамках аналізу кліматичних показників характеризують можливість їх використання для потреб альтернативної енергетики; атласи відновлюваних джерел енергії;

Вихідним положенням тут є те, що вже тепер у багатьох країнах світу, зокрема у безпосередніх сусідів України, існують дослідження й узагальнення щодо перспектив розвитку альтернативних джерел енергії, що проводяться міжнародними енергетичними та іншими агентствами, а також міністерствами з енергетики цих країн. Зокрема, Міжнародним енергетичним агентством, що функціонує в рамках Організації економічного співробітництва та розвитку, було складено офіційний звіт «Відновлювана енергія у Росії: від можливості до реальності» [1]. Робота має на меті сприяти співробітництву Міжнародного енергетичного агентства та Росії шляхом аналізу перспектив розвитку російського ринку відновлюваних джерел енергії та складається з трьох частин: можливості ринку відновлюваних джерел енергії; розширення ринків технологій відновлюваних джерел енергії; відновлювана енергетика в Росії: економічний, соціальний та екологічний контексти.

Роботи з альтернативної енергетики'такого типу є найбільш поширеними у світі, особливо у країнах Західної Європи та США. Проте часто [2] вони тільки подають наочні результати оцінки відповідних ресурсів (у вигляді картосхем та таблиць) без їх детального аналізу та методик, за якими було виконано оцінку ресурсів.

Щодо території України, то серед офіційних звітів стосовно потенціалу відновлюваних джерел енергії слід відмітити звіт Європейського банку реконструкції та розвитку «Стратегічна оцінка відновлюваної енергії» [3], в якому представлені сучасний стан альтернативної енергетики та характеристика природних ресурсів для її розвитку з детальним розглядом вітроенергетичної галузі.

Існують також звіти щодо потенціалу альтернативної енергетики, які складаються неурядовими організаціями та являють собою різновид публіцистичних популярних робіт. У них зазвичай констатується значний потенціал природних ресурсів для альтернативної енергетики та наводяться приклади реального чи потенційного використання відновлюваних джерел енергії. Прикладом такого звіту може бути робота «Можливості використання альтернативних джерел енергії в Республіці Білорусь» [4]. Для України такого типу роботи не є характерними.

У роботах з клімату, у тому числі й клімату України [5-7], зазвичай представлена характеристика просторово-часового розподілу кліматичних показників, що використовуються у геліо- та вітроенергетиці, зокрема тривалість сонячного сяйва; сумарна, пряма та розсіяна сонячна радіація; швидкість вітру тощо. Крім того, у деяких роботах [8] окремими главами представлені характеристики енергетичних ресурсів Сонця чи вітру.

Для багатьох країн, їх частин або об'єднань складені атласи відновлюваних джерел енергії. Зазвичай вони включають до себе карти розподілу вітроенергетичних, геліоенергетичних, гідроенергетичних, геотермальних ресурсів, різних видів ресурсів біомаси. В атласах, поряд з картами, подаються короткі описи розподілу вищевказаних ресурсів. Крім того, у найбільш розроблених атласах подаються карти розподілу відновлюваних джерел енергії за регіонами країни, а також опис методології та методики побудови карт. Як приклад останнього можна назвати «Атлас відновлюваної енергії Заходу» [9], що складений для західної частини США. До нього включено карти розподілу енергії вітру, сонця, біомаси та геотермальної енергії (карти гідравлічної енергії відсутні) як для всієї досліджуваної території, так і для кожного штату в її межах. Карти геліоенергетичних ресурсів показують середньодобову потенційну енергію, доступну для безпосереднього перетворення на електричну за допомогою сонячних батарей. Карти вітроенергетичних ресурсів характеризують щільність потужності вітрового потоку на відносній висоті 50 м. В атласі також представлена методика та методологія досліджень відновлюваних джерел енергії, що спираються на різні кліматичні моделі та враховують ККД установок та відсоток територій, який може займатись під встановлення енергоустановок.

Для України у 2001 році створено Атлас енергетичного потенціалу відновлюваних та нетрадиційних джерел енергії [10]. В атласі представлені карти енергетичних потенціалів багатьох видів НВДЕ для України та подано їх опис з висвітленням перспектив використання кожного з видів НВДБІ. Для характеристики енергетичного потенціалу відновлюваних джерел проведено його розподіл натри різновиди: загальний, технічний і доцільно-економічний. Найбільш поширеним типом атласів відновлюваних джерел енергії у світі є атласи вітрових ресурсів, які створюються за допомогою спеціалізованого комп'ютерного забезпечення, найбільш поширеним серед яких є ЛҐАзР. ДТУАзР-- це комп'ютерна програма для розрахунків просторового розподілу вітру та виробництва енергії від вітрових турбін або вітрових ферм. Розрахунки проводяться на основі вітрових даних метеостанцій у дослідясуваному регіоні. Програма включає комплексну модель рельєфу, модель шорсткості земної гїоверхні та модель урахування перешкод. Зазвичай атласи вітрів такого типу представляють собою набір карт, на яких зображено щільність вітрової енергії на одиницю площини перпендикулярної до вітрового потоку. Такі атласи створено для багатьох країн Західної Європи.

Серед інших робіт, що стосуються природних ресурсів для розвитку альтернативної енергетики, слід назвати навчальні та методичні посібники [11-12], які містять загальну характеристику відновлюваних джерел енергії, методи їх використання та оцінки.

Основні терміни з альтернативної енергетики

У 1978 році резолюцією Генеральної Асамблеї ООН було введено поняття «нові та відновлювані джерела енергії» (НВДЕ), що включало гідроенергію, сонячну, геотермальну, вітрову, енергію морських хвиль, припливів та океанських течій, енергію біомаси деревини, деревного вугілля, торфу, горючих сланців, бітумінозних піщаників, також навіть тяглової худоби. Надалі поняття НВДЕ змінювалось шляхом додавання або відокремлення від нього різних складових, проте завжди включало до себе сонячну та вітрову енергію. Наразі загальноприйнятим є те, що геліоенергетичні та вітроенергетичні ресурси є підвидом НВДЕ.

Загальновживаними є також терміни «альтернативні джерела енергії», «нетрадиційні джерела енергії», «нетрадиційні та відновлювані джерела енергії», «поновлювані джерела енергії». З них термін «відновлювані джерела енергії» (гепеюаЬІе епегду зоигсез) є найбільш поширеним у західноєвропейській та американській літературі. Вищеперераховані терміни фактично є синонімами до НВДЕ.

Згідно із Законом України «Про альтернативні джерела енергії» [13] останні визначаються як поновлювані джерела, до яких відносять енергію сонячного випромінювання, вітру, морів, річок, біомаси, теплоти Землі, та вторинні енергетичні ресурси, які існують Постійно або виникають періодично у довкіллі.

Терміни «геліо-» та «вітроенергетичні ресурси» (далі -- ГЕР та ВЕР) вживаються часто, проте їх однозначних визначень не існує.

Крім того, існують схожі поняття. Терміни «ресурси» та «потенціал у сфері відновлюваних джерел енергії» є тотожними.

Для формування понять геліо- та вітроенергетичних ресурсів потрібно знайти їх місце у класифікаціях природних ресурсів. Існує багато класифікацій останніх, проте загальновизнаними серед.

Перша класифікація базується на поділі ресурсів на вичерпні та невичерпні, причому перші поділяються на відновлювані та невідновлювані. Сонячна та вітрова енергія належать до невичерпних природних ресурсів. Проте історично поняття відновлюваних джерел енергії з'явилось як протиставлення до не відновлюваних джерел енергії (вугілля, нафти, газу тощо), так саме як поняття альтернативна енергетика є антонімічним до традиційної енергетики.

Друга класифікація природних ресурсів -- природно-орієнтована. Вона базується на розподіленні природних ресурсів за компонентами природного середовища. За цією класифікацією ГЕР та ВЕР ресурси відносять до кліматичних або атмосферних. Кліматичні ресурси являють собою «невичерпні природні ресурси, що включають сонячну енергію, вологу, енергію вітру» [14, с. 137].

Географічна природа «геліо-» та «вітроенергетичних ресурсів»

ГЕР та ВЕР, як вже зазначалось вище, мають географічну природу. Розглянемо їх детальніше.

На енергетичні характеристики геліо- та вітроенергетичних ресурсів впливають не тільки метеорологічні показники, але й властивості підстилаючої поверхні {рис. 1.2),

Так, головними чинниками, що впливають на геліоенергетичні ресурси, є:

кут падіння сонячних променів на приймаючу поверхню та

особливості його динаміки;

хмарність та її особливості;

аерозольна прозорість атмосфери;

властивості рельєфу (відкритість горизонту, нахил поверхні,

експозиція).

Головними чинниками, що впливають на вітроенергетичні ресурси, є:

баричний градієнт;

інтенсивність циклонічної діяльності;

рослинний покрив;

відносна висота;

розчленованість рельєфу.

У теорії фізико-географічного районування за більшістю з ви* щевказаних, а також інших факторів виділяють фізико-географічні провінції та області.

Так, фізико-географічна провінція «виділяється за характером трансформації повітряних мас, що впливають на формування та розвиток біокомплексів. При цьому враховується загальний характер рельєфу... Поділ провінції на фізико-географічні області пов'язаний з існуванням порівняно великих оротектонічних елементів, що обумовлюють внутрішньозональний розподіл ґрунтово-рослинного покриву, єдиний характер переважаючих фізико-географічних процесів» [15, с. 163].

Тобто більшість факторів, що впливають на розподіл геліо- та більшою мірою вітроенергетичних ресурсів, у межах фізико-географічних областей є відносно однорідними. Тому, на думку авторів, картографування та аналіз геліо- та вітроенергетичних ресурсів доцільно проводити на рівні фізико-географічних областей, що робить його більш об'єктивним.

З іншого боку, через те що геліо- та вітроенергетичні ресурси визначаються не тільки атмосферними факторами, але і впливом інших компонетів природи, зокрема властивостями підстилаючої поверхні, мабуть, недоцільно відносити їх до суто атмосферних або кліматичних ресурсів.

Третя класифікація -- господарсько-орієнтована -- розглядає використання ресурсів за галузями господарства. За нею геліо- та вітроенергетичні ресурси належать до ресурсів паливно-енергетичного комплексу або енергоресурсів. Під енергоресурсами розуміють «речовини, процеси та системи, що можуть служити джерелом енергії для людства» [16, с. 19].

Охарактеризувавши основні властивості геліо- та вітрових енергетичних ресурсів, дамо визначення термінам, що надалі використовуватимуться у роботі.

Геліоенергетичні ресурси (ГЕР) -- природні енергоресурси, що являють собою закономірно-стохастичний процес надходження первинної енергії Сонця (енергії інсоляції), яка використовується або може бути використана для задоволення енергетичних потреб.

Вітроенергетичні ресурси (ВЕР) -- природні енергоресурси, що являють собою закономірно-стохастичний процес руху повітря, який використовується або може бути використаний для задоволення енергетичних потреб господарства.

Отже, є певна невідповідність поміж поняттями, притаманними, з одного боку, метеорологічній науці, а з іншого -- вченню про відновлювані джерела енергії. Лише певна частина метеорологічного процесу руху повітря або надходження сонячної енергії може бути технічно використана. Крім того, нас цікавлять значно більше закономірні зміни ГЕР або ВЕР, ніж зміни стохастичного характеру. Останні визначаються показниками повторюваності та забезпеченості, що прийняті в метеорології.

Оцінка та аналіз геліоенергетичних ресурсів території безпосередньо базуються на дослідженнях сонячної радіації, які на території країни велись у напрямі деталізації аналізу просторово часового розподілу показників сумарної, прямої та розсіяної радіації як за допомогою безпосередніх актинометричних спостережень, так і через виявлення факторів, що впливають на їх розподіл, а також встановлення зв'язків між ними та відповідними показниками сонячної радіації.

З 1929 року в Україні розпочато регулярні спостереження за сонячною радіацією в Одеській геофізичній обсерваторії. Далі мережа метеорологічних станцій з актинометричними спостереженнями постійно розширюється. У 50-х роках XX ст. багаторічні (протягом 15-20 років) спостереження за надходженням сонячної радіації починають узагальнюватись у наукових роботах Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту, заснованого у 1953 р. Дослідження також веди у заснованому в 1932 р. Харківському гідрометеорологічному інституті, що у 1944 р. був реорганізований в Одеський гідрометеорологічний інститут.

Дослідження саме геліоенергетичних ресурсів як реальних можливостей виробітку електричної або теплової енергії через використання сонячної радіації з'являються наприкінці 60-х років. У роботі Волевахи М. М., Гойси М. І. [1] поряд з детальною характеристикою розподілу різних показників сонячної радіації представлені методики та приклади розрахунків ефективності дії геліоенергетичних установок колекторного типу. Також у роботі вперше робиться висновок про доцільність використання сонячної енергії для задоволення деяких енергетичних потреб.

На продовження вищезгаданої роботи було виконано дослідження енергетичних ресурсів сонячної радіації на Кримському півострові як найбільш перспективному регіоні для їх використання. Робота Гойси М. І. та Дубини В. М. [2], так само як і попередня, була спрямована на використання сонячних колекторів, тому в ній значна увага приділяється показникам, що впливають на роботу таких типів сонячних установок. Наведені результати не мають практичного значення для сонячних батарей.

Перші карти геліоенергетичних ресурсів з відповідною назвою «Енергетичні ресурси Сонця» були представлені в Атласі природних умов та природних ресурсів України у 1978 році [3].

Нове бачення потенціалу сонячної енергії для України представлене у роботі «Клімат України» під редакцією В. М. Ліпінськогоу В, А. Дячука [4], де подано районування території України за потенціалом сонячної енергії. Оцінка дається в якісних показниках, вона є комплексною та враховує ряд складових, серед яких:

суми прямої та сумарної радіації за квітень-вересень та рік;

показник структури опромінення;

структура повторюваності добових сум сумарної радіації; а також ряд критеріїв, що визначають вплив на потенціал сонячної енергії тривалості сонячного сяйва та хмарності. За цими показниками виділено сім районів: Південний берег Криму, Причорноморська та Приазовська низовини, Донецька та Придніпровська височини, Закарпатська низовина, Придніпровська низовина, Поліська низовина, Українські Карпати та Кримські гори. Оцінка потенціалу цих районів змінюється досить хаотично (хоча, з іншого боку, накономірно відносно інших фізико-географічних особливостей, перш за все географічної позиції та рельєфу).

Основні види перетворення сонячної енергії

відновлювана нетрадиційна альтернативна енергетика ресурс потенціал

Розрізняють два основні види перетворення сонячної енергії: сонячні колектори, в яких сонячна енергія перетворюється спочатку на теплову, а потім, якщо потрібно, на електричну; і фотогаль-панічні елементи, що перетворюють сонячну енергію безпосередньо па електричну, сонячні колектори.

Колектор з тепловою пасткою: використовується прозоре тверде тіло (метилметакрилат), що прилягає до звичайної плоскої пластини. Метилметакрилат має високу перепускну спроможність у видимій та ближній інфрачервоній областях спектра та низьку перепускну спроможність у діапазоні більш довгохвильового випромінювання та малу теплопровідність. На цьому базується механізм дії сонячних ставків: вода ставків містить розчинену сіль, концентрація якої збільшується з глибиною, дно ставка затемнене; сонячне випромінювання проникає до дна, нагріває воду нижніх шарів, а конвекційні втрати компенсуються наявністю градієнта густини.

Размещено на Allbest.ru