Применение и перспективы использования альтернативной энергетики в Псковской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет естественных наук, медицинского и психологического образования

Кафедра географии

Выпускная квалификационная работа

Применение и перспективы использования альтернативной энергетики в Псковской области

Выполнил: Студент 4 курса

Васильев Родион Андреевич

Научный руководитель:

канд. географических наук, доцент

Васильева Татьяна Владимировна

Псков

2017



Содержание

Введение

Глава 1. Понятие и виды альтернативной энергетики

1.1 Понятия об альтернативной энергетике

1.2 Гелиоэнергетика

1.3 Ветроэнергетика

1.4. Геотермальная энергетика

1.5 Биотопливная энергетика

1.6 Альтернативная гидроэнергетика

Глава 2. Ресурсы области для альтернативной энергетики

2.1 Солнечные ресурсы области

2.2 Ветровые ресурсы области

2.3 Ресурсы области для выращивания биотопливных растений

Глава 3. Расчёт эффективности альтернативной энергетики в Псковской области

3.1 Применение гелио энергетика

3.2 Применение ветроэнергетика

3.3 Выращивание биотопливных растений (рапс)

Вывод



Введение

Без источников энергии жизнь человека трудно себе представить. Традиционные источники энергии -- нефть, газ, каменный уголь, дрова -- со временем иссякнут. По некоторым оценкам это произойдет уже в ближайшие десятилетия. Проблема перехода от традиционных углеводородных источников энергии -- дерева, угля, нефти, газа -- становится все более актуальной с каждым годом. И дело не только в том, что традиционные источники истощаются хотя и этот аспект проблемы немаловажен. Кроме перспективы истощения традиционных источников существует еще и проблема экологическая, поскольку сжигание углеводородного топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу, ухудшая сферу обитания человека, создавая экологические проблемы.

Использование атомной энергии, на которую возлагались большие надежды, тоже не панацея, потому что тоже порождает проблемы, связанные с экологией -- вспомните сообщения о катастрофах на атомных станциях. Поэтому так важно найти новые источники энергии, не связанные с углеводородным или ядерным топливом, более безопасные с экологической точки зрения.

В мире уже наметился существенный прогресс в использовании альтернативных, возобновляемых источников энергии. Однако далеко не все еще понимают важность и актуальность этой проблемы. И требуются значительные усилия по пропаганде альтернативной энергетики, пояснению ее преимуществ и развеиванию сложившихся предрассудков.



Глава 1. Понятие и виды альтернативной энергетики

1.1 Понятия об альтернативной энергетике

Альтернативные источники энергии -- это способы, устройства или сооружения, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле. К альтернативным источникам энергии можно отнести ветроэнергетику, гелиоэнергетику, геотермальную энергию, биоэнергетику, приливную энергетику и другие.

Таблица 1 - Классификация источников альтернативной энергии

Тип источников	Используемое явление
Ветряные	Движение воздушных масс
Геотермальные	Тепло планеты
Солнечные	Электромагнитное излучение солнца
Гидроэнергетические	Движение воды в реках или морях
Биотопливные	Теплоту сгорания возобновляемого топлива (например, спирта)

Главными достоинствами альтернативной энергетики является её исчерпаемость или возобновляемость и минимальное воздействие на окружающую среду. Переход к альтернативной энергетике крайне важен для всего мира учитывая, что ресурсы на которых основана жизнь человечества, исчерпаемы. В ближайшие десятилетия запасы традиционных (углеводородных) ресурсов иссякнут, и нам придётся либо найти другой источник энергии, либо прибегнуть к альтернативной энергетике, если рассматривать второй вариант-то его применение пора рассматривать уже сейчас. Альтернативные источники энергии относятся к неисчерпаемым или к возобновляемым, следовательно, они подходят к использованию с данной стороны лучше чем традиционные. Каждый из видов альтернативной энергетики имеет свои особенности, поэтому для её применения нужно учитывать особенности региона, в котором её применять. Рассмотрим виды альтернативных источников энергии.

1.2 Гелиоэнергетика

Солнце -- основа жизни на Земле и основной источник энергии для ее жителей. Человечество пока что не научилось эффективно использовать энергию Солнца напрямую. Но некоторый прогресс в этом уже наблюдается. Непосредственное использование солнечной энергии основано на применении солнечных батарей, панелей и коллекторов. Если правильно установить солнечные батареи на крыше собственного дома, они, по самым скромным подсчётам, лет 20 способны давать вам свет и тепло.

Гелиоэнергетика - получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. по наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. солнечная энергетика будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии. Благодаря развитию технология мощность гелиостанций растёт с каждым годом.

Солнечную энергию можно применять как источник тепла и электричества, существуют целые гелиостанции, которые могут обеспечить электричеством большое количество населения или целые предприятия. С помощью гелиоэнергетики можно получать тепло которое поможет отапливать помещения. Такая энергетика может использоваться как в больших масштабах, так и в масштабах одного дома. Но для применения гелиосистем требуется достаточное количество солнечного света, что свойственно не для всех регионов.



Рис. 1.Простейшая схема электрогелиосистемы

Рис. 2. Солнечный коллектор, для нагрева воды

Как и любой вид альтернативной энергетики у солнечной есть свои достоинства и недостатки. К достоинствам можно отнести перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).К недостаткам же относятся зависимость от погоды и времени суток, сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии. Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур). Нагрев атмосферы над электростанцией. Необходимость использования больших площадей. Сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.

Мощности мировой солнечной энергетики растут в XXI веке со средним темпом выше 50% в год. На эти темпы не влияют ни экономические кризисы, ни резкие колебания цен на другие энергоресурсы (нефть, газ, уголь). Пока еще доля СЭ в мире невелика, но каких-то 30-40 лет, и именно она станет главным источником энергии на планете.

Рис. 3. Структура ВИЭ

Десятка стран лидеров по выработке солнечной энергии.

1.Германия.Установленная мощность: 35,3 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 25,5%

2.Китай.Установленная мощность: 19,9 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 14,3%

3.Италия.Установленная мощность: 17,5 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 12,5%,7% потребностей страны в электроэнергии.

4.Япония.Установленная мощность: 13,5 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 9,7%

5.США.Установленная мощность: 12,2 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 8,7%

6.Испания.Установленная мощность: 5,3 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 3,8%

7.Франция.Установленная мощность: 4,6 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 3,3%

8.Великобритания.Установленная мощность: 3,4 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 2,4%

9.Австралия.Установленная мощность: 3,2 ГВт.Доля в общемировой солнечной генерации: 2,3%

10.Бельгия.Установленная мощность: 2,8 ГВт.Доля в общемировой генерации: 2%

1.3 Ветроэнергетика

Человек использует энергию ветра уже веками. Но в последнее время ветряные мельницы обрели второе рождение в образе ветроэлектростанций. Ветрогенераторы, ветряные двигатели позволяют преобразовывать энергию ветра в электрическую. В наше время появились небольшие ветряные электростанции для дома, которые можно применять как в загородных коттеджах, так и в городских квартирах.

Ветроэнергетика -- отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию). Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью.

Рис. 4. Ветряная электро система

Основная часть системы- ветрогенератор, его лопасти вращаются под действием ветра, а они в свою очередь вращают вал, который передаёт движение генератору электричества и т.д.

В промышленных масштабах использую системы с большим количеством ветрогенераторов. Для большей эффективности ветрогенераторы имеют способность меня положение лопастей в зависимости от направления и потока ветра.



Рис. 5. Строение ветрогенератора

Очевидным плюсом ветроэнергетики является фактическая бесконечность ресурсов: пока на планете имеется атмосфера и светит Солнце, будет и движение воздушных масс, которое можно использовать для получения энергии.Еще один несомненный плюс: экологичность. Ветряные электростанции не выделяют никаких вредных веществ, не загрязняют окружающую среду. К сожалению, их все же нельзя назвать полностью экологически безопасными, так как ветроэнергетическая установка довольно шумная, и поэтому в Европе законодательно установлен предельный уровень шума для дневного и ночного времени, который ветряные электростанции не должны превышать. Кроме того, работу ветряных электростанций приходится останавливать во время сезонного перелета птиц (на данный случай в Европе также имеется законодательное ограничение). В России подобных ограничений нет, но ветряные электростанции не располагаются поблизости от жилых домов - исходя из удобства населения.Наряду с таким плюсом, как неисчерпаемость энергетического источника, идет и минус: эффективность работы ветряной электростанции зависит от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. К сожалению, скорость ветра изменяется в зависимости от всех этих параметров, а так как энергия ветра является кинетической, то она напрямую связана со скоростью (Е = mЧv2/2) - чем выше скорость, тем, соответственно, больше энергии вырабатывает ветроустановка. Поэтому ветряные электростанции приходится использовать обычно вместе с другими источниками энергии, а также пользоваться аккумуляторами, которые принимали бы избыток энергии в ветреные дни и отдавали бы во время штиля. К плюсам ветряных электростанций можно отнести и быстроту возведения ветроустановки: даже для промышленной установки требуется не более двух недель, учитывая время, затраченное на подготовку площадки, ну а бытовой ветро-генератор, пригодный для снабжения энергией частного дома или коттеджа, устанавливается за считанные часы.Иногда к минусам ветряных электростанций относят довольно большую площадь, которую занимают ветроустановки (электростанция может содержать сто и более ветроэнергетических установок). Однако, наряду с наземными ветряными электростанциями, сейчас устанавливаются и прибрежные (их существенным плюсом является стабильность работы - за счет морских бризов), шельфовые (находятся в море на значительном удалении от берега (10-60 км), не занимают земельные участки, весьма эффективны, так как морские ветры регулярны и обладают значительной скоростью).

Рейтинг стран лидеров в ветроэнергетике (Рейтинг составлен на основе установленной мощности ветрогенераторов)

1. Китай -- 114763 МВт

По итогам 2014 года все местные станции производили 67.7 ГВт. Сегодня эта цифра уже приближается к 80. Таким образом, Китай можно официально назвать лидером по ветроэнергетике во всем мире. К столь быстрому развитию страну подтолкнула промышленность, потребляющая все большее количество энергии.

2. США -- 65879 МВт

Объемы генерации ветра в Америке на сегодняшний день приближаются к 60 ГВт, хотя количество ветроустановок сравнительно невелико. Правда, несколько затрудняется дело неясной позицией правительства: местные законы не поддерживают производителей, скорее, наоборот, мешают им работать.

3. Германия -- 39165 МВт

Лидер среди европейских стран, использующих ветер в качестве источника энергии. Объемы генерации составляют более 30 ГВт (для сравнения - в Евросоюзе эта цифра не превышает 100 ГВт). Политику использования ветра в качестве источника энергии поддерживает население страны, что отражается на действиях и решениях правительства страны.

4. Испания -- 22987 МВт

Экономика страны страдает от кризиса, но ветроэнергетика здесь развивается огромными темпами. Государство почти отказалось от остальных источников энергии, но все-таки еще не приступило к использованию альтернативного источника на полную мощность.

5. Индия -- 22465 МВт

Страна относится к развивающимся, но уже сегодня активно вводит ветровые станции в эксплуатацию. Быстрый рост численности населения и развитие промышленности влечет собой поиск альтернативного источника энергии, так как в стране нет своего топлива, а закупки его обходятся все дороже. От Китая страна пока отстает, но в ней заложен большой потенциал в плане развития ветроэнергетики.

6. Великобритания -- 12440 МВт

Бюджет Великобритании 2009 года предусматривал, что с 2011 по 2014 годы на ветроэнергетику будет выделено в общей сложности 500 миллионов фунтов стерлингов, и это принесло свои результаты, -Великбритания на 6 месте по установленной мощности ветрогенераторов.

7. Франция -- 9285 МВт

Эта страна - лидер не только в использовании энергии ветра, но и в сфере ветряного оборудования и технологий. На конец 2014 года мощность местных станций составила более 9 000 МВт. Франция активно сотрудничает с немецкими ветровыми компаниями, что положительно сказывается на собственном развитии ветроэнергетики.

8. Италия -- 8663 МВт

Еще в 2011 году волей народа было принято решение отказаться от атомной энергии. Италия всегда зависела от импортного топлива, поэтому развитие ветроэнергетики стало для нее большим шагом вперед и позволило меньше вкладывать средства в чужое сырье. Ветряная энергетика, как очень эффективная и доступная, сегодня привлекает не только правительственные органы, но и определенные круги, желающие хорошо зарабатывать на этом.

9. Канада -- 9694 МВт

Страна разработала специальные льготы для инвесторов в ветроэнергетику. Общая энергия, которую здесь вырабатывают такие станции, составляет 5,5 ГВт. Особо развита эта энергетика в Новой Шотландии и Онтарио. Практичность и эффективность станций ведет к соединению и расширению конкурентных компаний.

10. Бразилия -- 5939 МВт

Здесь ведется строительство многочисленных ветроэлектростанций. Согласно статистике, они намного популярнее и эффективнее гидроэлектростанций. Комбинированное использование ветра и воды в сезон засух повышает рентабельность ветровых станций, используемых сезонно.

1.4 Геотермальная энергетика

Один из альтернативных источников энергии-геотермальные электростанции, работают на тепле природных горячих источников, они его преобразовывают в электрическую энергию и снабжают жилые помещения близлежащих населенных пунктов горячей водой. Но использование термальная энергетика -- это не только геотермальные электростанции. Извлекать земное тепло можно и в тех районах, где нет природных горячих источников. Так называемые тепловые насосы могут получать тепловую энергию из глубин земли или из водоемов. Тепловой насос работает по тому же принципу, что и ваш домашний холодильник: забирает тепло в одном месте и отдает его в другом. Из всех известных нам видов возобновляемых источников энергии в смысле постоянства работы геотермальная энергетика является наиболее привлекательной. Она не зависит от того, какая погода в данной местности, светит или нет солнце, дует или нет ветер. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее +100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении. Перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны планеты в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд.



Рис. 6. Простейшая схема геотермальной электростанции

В числе преимуществ этого вида энергии следующие: она возобновляемая и практически неиссякаемая, независима от времени суток, сезона, погоды, универсальна - с ее помощью можно обеспечить водо- и теплоснабжение, а также электричество, геотермальные источники энергии не загрязняют окружающую среду, не вызывают парникового эффекта, станции не занимают много места.

Однако имеются и недостатки: геотермальная энергия не считается полностью безвредной из-за выбросов пара, в составе которого могут быть сероводород, радон и другие вредные примеси, при использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования - из-за химического состава такую воду нужно сливать либо обратно в глубокие слои, либо в океан, постройка станции относительно дорога - это удорожает и стоимость энергии в итоге.



Рис. 7. Страны лидеры производства геотермальной энергии

1.5 Биотопливная энергетика

Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является биоэнергетика. Это направление объединяет способы получения энергии из отходов, биотоплива из растений, использования нетрадиционных видов топлива. В биоэнергетике используют мусор со строительства, от вырубки леса, от производства бумаги, от фермерских хозяйств, мусор с городских свалок и так же вырабатываемый естественным образом метан.

Биомасса -- это всё, что живёт, отмирает, перегнивает. И может служить возобновляемым источником энергии для человечества, заменой традиционных угля, нефти, газа. Созданием топлива из биомасс активно занимаются практически во всем мире (в Финляндии потребности в горючем уже на 20% удовлетворяются за счет биотоплива, в ЕС по использованию биомассы в качестве источника энергии лидирует Германия). Конечно, надо понимать, что полностью заменить нефть биотопливом удастся не скоро. А пока необходимо проводить дальнейшие исследования в этой области. Биогаз. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около шестидесяти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространенный метод - анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах. Биомасса (экскременты сельскохозяйственных животных; солома и прочие отходы растениеводства) сбраживаются в результате жизнедеятельности метанобактерий, в результате чего образуются биогаз и побочные продукты (витамин В, удобрение).

Потенциал: Россия ежегодно накапливает до 300 миллионов тонн в сухом эквиваленте органических отходов.250 млн. т. в сельскохозяйственном производстве и 50 млн. т в виде бытового мусора. Эти отходы являются сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд. м3.

Биодизель - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его. Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 процентов биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер. Производство биодизеля позволяет ввести в оборот не используемые сельскохозяйственные земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т.д. Например, в России с 1995 по 2005 год посевные площади сократились на 25,06 миллиона гектаров.

Выращивание биомассы для синтеза топлива Для создания плантаций энергетических лесов в умеренной климатической зоне наиболее перспективны разновидности быстрорастущих сортов тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части страны - акации и эвкалипта. Посадка энергетических плантаций ведется черенками или саженцами квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке с различной шириной междурядий (от 0,8 до 2 метров). Для тополя плотность посадок обычно составляет 3 5 тысяч экземпляров на 1 гектар, однако общих рекомендаций пока не выработано. Период ротации составляет 6 7 лет. Уход за плантацией заключается в бороновании междурядий, внесении удобрений и орошении в засушливые периоды. Плантации могут быть монокультурными и комбинированными. Последние заслуживают особого внимания, поскольку способствуют диверсификации посевов и посадок различных культур, что должно повысить устойчивость к заболеваниям и вредителям, тем самым снижая потребность в ядохимикатах. Кроме того, подобные плантации рациональнее используют поступающую солнечную энергию для формирования биомассы. биомасса топливо конверсия ционобактерия Принцип комбинированных посевов и посадок различных культур на одном участке хорошо известен в тропиках, где так называемые "огороды" дают урожаи различных культур на протяжении нескольких лет подряд без применения удобрений и ядохимикатов. Различные варианты комбинированных посевов и посадок разнообразных культур, включая энергетические, уже испытаны в одном из графств Великобритании. В посадках используют тополь и ячмень в междурядьях, либо тополь, ясень, ольху с подсолнечником и люпином в междурядьях, или с горохом полевым, ячменем, клевером, зелеными культурами и т.д. Пример комбинированного использования энергетических лесов известен в Греции, где на плантациях шелковицы выкармливают шелковичного червя. Зимой годовой прирост ветвей обрезают и используют как биомассу. На европейской территории России, где до 80 процентов электроэнергии вырабатывается на ТЭЦ, многие из которых расположены в лесных районах, безусловно, имеются возможности для создания плантаций энергетических лесов либо частичного использования местных лесных ресурсов (отходы заготовки и переработки древесины). Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 тонн сухой биомассы с гектара в год (теплотворная способность 15 МДж/кг), составляет 225 ГДж/га. При КПД газотурбинной электростанции 40 процентов, один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство 252 МВт-ч электроэнергии в год. В настоящее время рассматриваются различные схемы использования энергетических лесов с короткими севооборотами (как правило, предлагаются севообороты с шестилетним циклом). При этом энергоотдача (отношение количества энергии, которое получают от системы, к энергетическим затратам на ее создание и эксплуатацию, включая все косвенные расходы) таких энергетических плантаций колеблется между тремя и четырьмя, что оказывается вполне приемлемой величиной, если учесть, что энергоотдача для тепловых станций, работающих на угле, составляет четыре-пять единиц.

Растительное масло имеет большую теплотворную способность (38 МДж). Кроме того, растительное масло можно переработать на биодизель. А вот сколько масла можно получить с гектара пашни, засеянного масличными культурами? Конечно, использование пищевых продуктов (в данном случае растительное масло) не является выходом из энергетической проблемы. Но данный ресурс рассматривать вполне целесообразно.

Метод прямой конверсии биомассы в топливо

Недавно Джоржем Хубером и двумя его студентами из университета штата Массачусетс был разработан метод прямой конверсии биомассы в топливо. Они опубликовали в журнале ChemSusChem статью с описанием метода селективного каталитического пиролиза целлюлозы, результатом которого является образование ароматических соединений (нафталин, толуол, этилбензол и др.), среди побочных продуктов - твердый углеродный материал, СО, СО2 и вода. Реакцию проводили при 600 C на цеолитном катализаторе ZSM5. Процесс завершался всего за две минуты. Исходным реагентом служил очищенный порошок целлюлозы.Представления о механизме процесса включают несколько элементарных реакций - разложение целлюлозы с образованием органических соединений, содержащих кислород, затем реакции этих соединений внутри пор катализатора, где происходит дегидрирование, декарбонилирование, олигомеризация и другие химические превращения. Эксперты высоко оценили новую работу, хотя сами авторы признают, что это лишь первый шаг к эффективному преобразованию биомассы в моторное топливо. Первым делом предстоит изучить возможность использования сырой биомассы, а не порошка целлюлозы. Далее, основными продуктами пиролиза являются ароматические соединения, а их, согласно требованиям правительственной организации США - Агентства по охране окружающей среды - не должно быть больше 25% в общей массе бензина. Значит, придется ограничиться добавкой полученной ароматики к алканам, либо проводить дополнительную реакцию гидрирования.

Тем не менее, несмотря на все эти ограничения, процесс д-ра Хубера привлечет большое внимание коллег и даст толчок к дальнейшим исследованиям в области экологически чистой энергетики, не приводящей к росту содержания углекислого газа в атмосфере.

Выращивание и переработка водорослей. Специальное выращивание биомассы в виде микроскопических водорослей с последующим ее перебраживанием в спирт или метан позволяет создать искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по скорости естественные процессы в миллионы раз. Соотношение между величиной первичной биологической продукции и веществом, захороненным и сохранившимся в морских осадках, составляет 1000:1.

Создание специальных условий может многократно ускорить образование топлива. КПД фотосинтеза благодаря оптимизации питания биогенными элементами, температуре и перемешиванию может быть увеличен от 1,1 до 10 процентов. В процесс переработки биомассы в газ и нефть может быть включено все вещество, а не 0,001 его часть, как происходит в природе, то есть естественный процесс образования углеводородов может быть значительно интенсифицирован. С этой точки зрения, большой интерес вызывает одноклеточная водоросль ботриококкус, содержание углеводородов в которой достигает 80 процентов от сухого веса.

Углеводороды локализуются в основном на наружной поверхности клеток, и, следовательно, их можно удалять простым механическим способом или, например, применяя центрифуги, причем клетки при этом не разрушаются и их можно возвращать обратно в культиватор. Состав углеводородов, продуцируемых ботриококкусом, позволяет использовать их в качестве источника энергии или как сырье в нефтехимической промышленности (непосредственно или после неполного крекинга). После гидрокрекинга на выходе получается 65 процентов газолина, 15 процентов авиационного топлива, 3 процента остаточных масел.

Цианобактерии и биотопливо. Ученые из университета Техаса в Остине научили бактерии вырабатывать материал для топлива. Они изменили геном цианобактерии, благодаря чему последняя научилась вырабатывать большое количество целлюлозы, которое будет использовано для получения биотоплива.Ученые изменили геном цианобактерий, добавив туда гены, отвечающие за продукцию целлюлозы, взятые от уксусных бактерий Acetobacter xylinume. В результате модифицированные бактерии стали производить целлюлозу в виде геля, что очень удобно, так как ее легче в таком виде расщеплять на глюкозу и сахарозу - простые сахара, которые являются основным источником для получения этанола. Специалисты высказали предположение, что с помощью модифицированных бактерий намного легче получать этанол, чем, к примеру, из кукурузы, свеклы или сахарного тростника. Так как целлюлоза, получаемая из этих растений, находится в кристаллической форме. Что также немаловажно, по мнению ученых, так это то, что цианобактерии можно выращивать на непахотных землях и использовать для полива соленую воду, которую нельзя использовать для питья или полива растений. Исходя из продуктивности цианобактерий в лаборатории, специалисты подсчитали, что при одинаковом количестве производимого этанола, площадь полей с цианобактериями будет в два раза меньше площади, засеянной растениями, используемыми как источник целлюлозы.



Рис. 8. Страны лидеры в производстве биотоплива

1.6 Альтернативная гидроэнергетика

Гидроэнергетика - один из основных источников получения электроэнергии во всем мире. Но обычно гидроэлектростанции строятся на больших реках и представляют собой грандиозные сооружения. Проблем в использовании таких электростанций немало: затапливаются большие площади земель, полученную энергию нужно передавать на большие расстояния, при этом много энергии теряется в линиях электропередач, строить ЛЭП до небольших поселений экономически не выгодно. В последнее время появляются новые виды ГЭС -- мини-гидроэлектростанции, приливные гидроэлектростанции, станции, использующие энергию волн или даже дождя. Для использования энергии приливов есть много препятствий и трудностей, как и для строительства крупных ГЭС, поэтому тут должен быть применен принцип экономической целесообразности. А вот мини-ГЭС можно много где установить, в первую очередь -- на горных речках, где большой перепад высот создает благоприятные условия для получения потока воды с высоким давлением.

Только один приливно-отливный цикл мирового океана энергетически эквивалентен 8 трлн кВт-ч. По экспертным оценкам, технически возможно использование примерно 2 % этого потенциала.

Максимальные амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного климатического пояса. Наибольшими запасами приливной энергии обладают Атлантический океан и в меньшей мере Тихий океан. Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на возможность использования энергии приливов, являются особенности береговой линии и прибрежного и придонного рельефа. В длинных узких заливах с пологим дном приливы имеют максимальную высоту, иногда превышающую 10 м, что существенно повышает эффективность энергетического использования приливно - отливного цикла.

.

Рис. 9. Схема приливной электростанции

альтернативная энергетика биотопливный

В настоящее время разрабатываются и более сложные схемы «поплавкового» типа, в которых для преобразования в электричество используется работа, совершаемая приливом при поднятии системы расположенных на водной поверхности поплавков.

Рис. 10. «Попловковый» тип станции

Первые экспериментальные ПЭС появились в начале XX в., однако серьезный интерес к приливной энергетике возродился опять-таки во времена энергетического кризиса, в середине 1970-х годов. В 1984 г. в Канаде была построена ПЭС «Аннаполис» мощностью 20 МВт. Активно развивают направление ПЭС США. Энергетический потенциал ПЭС в США оценивается в 350 млрд кВт-ч в год. Перспективные возможности сооружения ПЭС во Франции оцениваются в 40 млрд кВт-ч в год.

Удельные затраты на сооружение ПЭС в настоящее время составляют 700…800 дол. за 1 кВт установленной мощности, себестоимость электроэнергии варьируют в пределах 3…4 цента за 1 кВт-ч. Волноприбойная энергетика сосредотачивается в пределах таких зон морского побережья, для которых характерны постоянные сильные ветры и большая высота волн (прибоя). Хотя технический потенциал энергии волн оценивается примерно в 3 млрд кВт ч в год, реальные возможности его использования по целому ряду причин (в том числе из-за непостоянства ветров и волн), по крайней мере, на два порядка ниже.

Существующие экспериментальные волноприбойные электростанции (ВПЭС) технологически строятся в основном по поплавковым схемам, когда в электричество преобразуется работа волн по поднятию расположенных на водной поверхности систем поплавков. Еще одним перспективным техническим вариантом ВПЭС считается «поршневая» схема, в которой волновые колебания уровня воды в вертикальных колодцах используются в качестве «поршней», прогоняющих через турбины воздух, находящийся над водой в этих колодцах. Пока эксплуатация опытных ВПЭС ведется только в Великобритании и Японии. Однако разработками в этом направлении активно занимаются в США, Канаде, Австралии и других странах.

Энергетический потенциал океанских и морских течений составляют сотни миллиардов киловатт-часов в год. Но его использование крайне ограничено реальными технологическими возможностями. Так, Гольфстрим, основная часть которого проходит между Флоридой и Багамскими островами, имеет эквивалентную энергетическую мощность в 50 млн кВт, и эксперты в США считают, что в перспективе реально использовать примерно 10 % этой мощности. При этом возможная технология энергетического использования Гольфстрима - погружение систем низкооборотных турбин (скорость течения менее 1 м/с) в поток течения. Однако воплощение таких проектов - дело достаточно далекого будущего.



Глава 2. Ресурсы области для альтернативной энергетики

2.1 Солнечные ресурсы области

Энергия солнца (солнечная радиация) это большой источник энергии для самых разных процессов, как в воздушном пространстве, так и на поверхности земли. Солнечная радиация проходя сквозь атмосферу частично рассеивается в газах, примесях и облаках. К поверхности земли она просачивается в виде прямой радиации и рассеянной, из которых состоит суммарная радиация.

Главным фактором влияющим на количество поступающей радиации является, астрономический, этот фактор так же определяет длительность солнечного сияния и его интенсивность. Продолжительность солнечного сияния сильно разнится в течении года.

Рис. 11. Среднемесячные фактические продолжительности солнечного сияния



Рис. 12 Солнечная радиация

На 1 см² в год суммарная радиация достигает 78-88 кКал. Большое влияние на продолжительность солнечного сияния оказывает облачность. Продолжительность солнечного сияния в среднем около 1700 часов в год (40% от возможного для данных широт). На юге области (Великие Луки) рассматриваемый показатель составляет 1615 часов, а в северной части (Гдов) 1773 часа в год. Увеличение данного показателя связанно с уменьшением облачности. Так у берегов Псково-Чудского водоёма солнечного сияния на 10% больше чем в южной части области.

2.2 Ветровые ресурсы области

Ветер- горизонтальное движение воздуха, обусловленное разностью давления на разных территориях земной поверхности.

Атмосферная циркуляция способствует тому что в области дует в основном ветер южного и юго-западного направления. Зимой эти ветра дуют 35%-40% за месяц, а к лету их повторяемость уменьшается к 25%. Северо-западные ветра преобладают весной и в начале лета 20%-25%, летом же чаще остальных дуют ветра северной четверти.



Рис. 13 Продолжительность ветров различных скоростей

Скорость ветра (среднемесячная) в течении года мало изменяется 3-м/с. Однако в холодное время года скорость ветра больше на 1-2 м/с, чем в тёплое. Самые сильна ветра те которые чаще всего повторяются. Чаще остальных (50-60% случаев) дует ветер со скоростью 2-5 м/с. Чем сильнее ветер тем реже он повторяется, так ветер со скоростью 8 м/с бывает лишь 2-% летом, 9% зимой. Ветер со скоростью 15 м/с редко встречается в области, 11 дней в году.

Скорость ветра в течении суток заметно меняется лишь в тёплые времена года, по мере прогрева воздуха к полудню скорость ветра выше чем ночью и показатели разнятся на 2-3 м/с.

Нам важно учитывать не только силу, но и продолжительность потока определённой скорости. Для нашего региона самыми продолжительными будут ветры со скоростью 5 м/с, однако летом часто (200 ч за месяц) бывают ветры 0-1 м/с. Но в более холодные времена года длительность ветра со скоростью 5м/с увеличивается, в ноябре и январе 300 ч, это 30 % от всего времени.

Высокоскоростные ветра для области не характерны, ветра со скоростью 8 и более м/с бывает 50-75 ч в холодный сезон и 30 ч летом.А скорость 12 м/с бывает лишь 3-10 ч.



2.3 Ресурсы области для выращивания биотопливных растений.

Для территории области характерны следующие типы почв. Подзолистые почвы формируются в следствии сильного промывания поверхности атмосферными осадками. Явнее всего этот процесс проходит под хвойными лесами, где слабо развита травянистая растительность, которая могла бы удерживать влагу. Лесная подстилка в хвойных лесах создаёт кислые растворы и разрушает органические и минеральные соединения, в это время питательные вещества вымываются за доступные для растений пределы. Подзолистые почвы неплодородны, для улучшения это параметры необходимо вносить удобрения (органические), а так же проводить известкование почв.

Следующий почв характерный для области это- дерново- подзолистые. Этот тип почв результат сочетания двух процессов, подзолистового и дернования. Данный тип почв самый распространённый на сельскохозяйственных угодьях. Этот тип почв содержит большее количество питательных веществ, чем подзолистые, но их плодородие недостаточное.

Третий тип почв области- это дерново- карбонатные. Этот тип почв сформирован на обогащённом карбонатами почвообразующих породах- известняки, карбонатная морена. Эти почвы имеют мощный дерновый слой, за счёт низкой степени вымывания (гумуса и минеральных веществ. Вымыванию препятствует большое количество карбоната. Дерново-карбонатный тип почв в основном нейтральный, для них характерно большое количество гумуса, фосфора, калия. Большинство культур дают хороший урожай на данной почве, особенно бобовые, клевер, люцерна. Дерново- карбонатные почвы распространены в Печорском, Псковском, Палкинском, Дновском, Островском, Порховском, районах. Эти земли издревле считались житницами области,ещё в период феодализма.



Рис. 14 Почвенная карта области



Глава 3. Расчёт эффективности альтернативной энергетики в Псковской области

3.1 Применение гелио энергетики

Перед началом использования альтернативных источников энергии, нужно определиться, какой объём энергии нам нужен. В данной работе мы решили взять типичный набор бытовой техники и освещения. Расчёт будет вестись с точки зрения абсолютной автономности жилища от сторонних источников. В набор техники входит: холодильник, микроволновая печь, стиральная машина, водонагреватель, телевизор утюг, фен, компьютер, освещение (10 лампочек), все эти приборы в месяц потребляют 300 кВт./ч, при налоговой ставке в 4 р., один месяц работы данных прибор стоит 1200 р.

Наш дом потребляет 11,5 квт/ч (с учётом на заряд/разряд аккумулятора). Коэффициент солнечной инсоляции для нашего региона равен 2,79 квт/ч/м²/сутки. Подходящие панели мощностью в 100 вт. За сутки может выработать 100*2,79?300 квт/ч. Вычисляем нужное количество панелей 11,5 квт/ч: 100 вт ? 38 панелей.

Таким образом, географическое положение области позволяет использовать гелио системы. Стоимость готовых гелио систем для нашего региона близиться к 300 000 рублей, это цифру можно уменьшить регулируя должным образом энергопотребление дома, однако сроки окупаемости всё равно высоки (15-20 лет).

3.2 Применение ветроэнергетики

Мы уже определились с средне суточным потребление и знаем преобладающий ветер. Для расчета мощности генератора при ветре в 5 м/с, нам потребуется формула



P=k?R?Vі?S/2

где

k= 0,2ч0,5- коэффициент эффективности турбины, учитывающий невозможность работы установки на 100%

R - плотность воздуха, кг/мі. При нормальных условиях принимают равной 1,225 кг/мі

V - скорость потока воздуха, м/с;

S=пDІ/4 - площадь ветрового потока, мІ

Скорость ветра 5 м/с, диаметра лопастей 1 м, тогда Р=0,25*1,225*5³*3,14*1/4=30,05 Вт. Таким образом при скорости ветра в 5 м/с и диаметра лопастей 1 метр, генератор вырабатывает недостаточное количество энергии, с помощью таблицы 1 можно выяснить подходящий диаметр лопастей. Нам необходимо создать нагрузку в 30 кВт/ч, скорость ветра 5 м/с, такую нагрузку при таком ветре может обеспечить генератор мощностью в 1,25 кВт с работающим 24 часа в сутки ветром. Исходя из таблицы 2, обеспечить нас нужным количеством энергии может ветрогенератор с диаметром лопастей в 9 метров.

Таблица 2. Скорость ветра и диаметр лопастей генератора

V м/с	3	4	5	6	7	8	9	10	11
PВт d =1м	3	8	15	27	42	63	90	122	143
P Вт d= 2м	13	31	61	107	168	250	357	490	650
P Вт d= 3м	30	71	137	236	376	564	804	1102	1467
P Вт d= 4м	53	128	245	423	672	1000	1423	1960	2600
P Вт d= 5м	83	196	383	662	1050	1570	2233	3063	4076
P Вт d= 6м	120	283	551	953	1513	2258	3215	4410	5866
P Вт d= 7м	162	384	750	1300	2060	3070	4310	6000	8000
P Вт d= 8м	212	502	980	1693	2689	4014	5715	7840	10435
P Вт d= 9м	268	635	1240	2140	3403	5080	7230	9923	13207
P Вт d=10м	331	784	1531	2646	4200	6270	8930	1225	16300

Исходя из расчётов, ветер местных скоростей может удовлетворить наши потребности, ветроэнергетика применима в условиях Псковской области. Однако как и в случае с гелио энергетикой, пред нами встаёт вопрос о рентабельности так как стоимость ветроэнергетической установки близиться к 300 000 р, эту цифру то же можно уменьшить, путём более точных исчислений и других методик.

3.3 Выращивание биотопливных растений (рапс)

Если сравнивать рапс с другими биотопливными культурами, то он окажется намного не прихотливее. Так же рапс умеренно требователен к климатическим условиям. Для выращивания рапса подходят почвы с средним составом гумуса, практически не имеющие кислотной реакции (рН=6,2-7). Можно даже применить суглинистые почвы, что часто является не лучшим вариантом для выращивания других культур. В принципе рапс можно растить да же на песчаных почвах, но при определённых условия грунтовых вод. Да же при недостаточном почвенном увлажнении рапс может довольствоваться и влажностью воздуха. Так же рапс хорош тем что он повышает качество почв, если после рапс на том же поле посадить пшеницу, её урожай будет много выше чем прежде. Но помимо выращивания биотопливных растений встаёт вопрос о его переработке или сбыте. В Псковской области нет подходящих заводов для переработке рапса, значит остаётся сбывать. На территории Латвии есть заводы по переработке рапса в жидкое топливо. Следовательно географическое положение и климатические условия подходят для выращивания биотопливных растений.



Вывод

На территории Псковской области можно применять технологии альтернативной энергетики. Но на данном этапе развития альтернативные технологии ещё достаточно дорогие и вопрос о их рентабельности остаётся открытым. О важности перехода на альтернативные источники энергии говорить не приходится, но использование альтернативной энергетики это не панацея. Подобные технологии, использования возобновляемых источников энергии должны сопровождаться ещё и снижением энергопотребления, так же использование принципов рационально природопользование. Что бы перейти на альтернативный источник энергии использовать только солнце или ветер нецелесообразно, для перехода потребуется комплексный подход к переходу на такие источники. Однако в силу того что на данном этапе развития общества валют подкрепляется не только золотом но и нефтью, отказ от углеводородов может оказаться очень болезненным для многих стран. Существует мнение, что развитие биоэнергетики приведет к резкому росту спроса на сельскохозяйственную продукцию и повышению цен на продукты питания. Это неблагоприятно отразится на экономике некоторых стран, которые уже сейчас испытывают острую нехватку продовольствия.

Размещено на Allbest.ru