Технологии альтернативной энергии для бизнеса
На глобальном уровне для развития альтернативной энергетики в России есть объективные препятствия. Малая альтернативная энергетика, привязанная к конечному потребителю (предприятие, завод, цех, ЦОД), может быть интересна в плане снижения операционных затрат.
1. Солнечные электростанции
Солнечные электростанции — это набор фотоэлектрических элементов. которые под воздействием солнца способны генерировать электроэнергию. Принцип их работы одинаковый для объектов любого размера: будь то дачный участок или крупный завод. Отличаются лишь их размеры.
В определенных случаях, если центральная энергосеть расположена далеко, то предпринимателю выгоднее установить солнечную батареи, чем прокладывать линии электропередач. Конечно, если на участке объекта солнце светит не раз в году.
В России солнечные батареи наиболее распространены на небольших предприятиях, например, на фермах. Еще солнечные батареи можно встретить:
- на очистных сооружениях;
- на автозаправках;
- на складах и телекоммуникационном оборудовании;
- на системах катодной защиты в газовой и нефтяной промышленности;
- на железных дорогах.
В случае принятия в России закона о микрогенерации, который уже прошел первое чтение, излишки солнечной энергии можно будет продавать государству. В таком случае мощности электростанций не должна превышать 15 кВт. Правда, заработать на продаже солнечной энергии, по мнению экспертов, вряд ли получится. Зато, если установка будет мощностью 3–5 кВт, можно будет сэкономить 12–23 тыс. рублей в год на оплате счетов.
2. Энергия ветра
Ветрогенераторы доступны в интернете, их стоимость начинается от 15 тыс. рублей.
Все ветрогенераторы работают так: ветер вращает лопасти, вращение передается ротору, который вырабатывает ток. Накапливается энергия в аккумуляторах, составляющих около 50% стоимости генератора. Правда, на подключенном к сети централизованного электроснабжения предприятии можно обойтись и без них.
Основное преимущество ветроэнергетических установок: по сравнению с солнечной энергией ветровые ресурсы распределены достаточно равномерно в течение года и в течение дня. По расчетам, ветрогенераторы все же лучше всего устанавливать в местности, где средняя скорость ветра превышает 8 м/с.
Из недостатков: высокий уровень шума, воздействие электромагнитных полей и сложность установки.
3. Биотопливо
Основа биотоплива — спирт, изготавливаемый из сельскохозяйственной продукции, например, из кукурузы или сахарного тростника.
О широком использовании биотоплива в работе предприятий говорить пока рано. Возможно, вскоре автопаркам использование биотоплива покажется разумным, ведь это позволит им в разу сократить расходы на дорожающий с каждым годом бензин. Уже сегодня разработаны около 40 моделей автомобилей, так называемых Flexible-Fuel Vehicle (FFV), в баки которых можно заливать бензин и этанол.
Также биотопливом можно будет заправлять электрогенераторы, бензопилы и прочие моторы, но пока об этом приходится только мечтать.
4. Сжигание биоотходов
С помощью специального оборудования (мусоросжигательных печей, метан-танков) можно не только добывать электроэнергию, но и отапливать помещения. Таким образом, например, могут поступать многие производства с большим количеством биоотходов. Например, бумажные фабрики или животноводческие фермы.
В России на агропредприятиях производится ежегодно около 800 млн тонн отходов. Из них можно получить около 70 млрд кубометров биометана, при сжигании которого вырабатывается около 110 миллиардов кВт-ч электричества. Метан-танки уже сегодня устанавливают на свалках, очистных сооружениях пищевых производств.
Альтернативный источник энергии Ветрогенерация
Это еще один вид альтернативной энергии, у которого на первый взгляд отличные экологические показатели — в первую очередь полное отсутствие углеводородов при выработке электроэнергии.
Но, во-первых, использование ветряных мельниц возможно не везде, а во-вторых, КПД такой станции оставляет желать лучшего: в среднем он составляет около 30%. По закону Беца максимальный коэффициент использования энергии ветра равен 0,593. Если учесть затраты на преобразование и транспортировку энергии, максимально возможный КПД получится в районе 35—45%.
Это обусловлено длинной цепочкой производства энергии: для питания какого-либо объекта нужна сеть 380/220 вольт переменного тока, а ветряная мельница сама по себе вырабатывает 24 вольт постоянного тока — то есть нужен инвертор, чтобы этот ток преобразовать.
А еще нужно сохранить энергию в моменты, когда она не потребляется, — для этого понадобится аккумуляторная батарея. В каждом из этих звеньев теряется энергия. Одна мельница высотой 10 метров и диаметром ротора 1,5 метра вырабатывает всего около 0,6—0,7 кВт·ч/сутки энергии, в зависимости от интенсивности ветра. Для примера: обычный бытовой холодильник потребляет около 0,3 кВт·ч.
Негативное влияние на окружающую среду тоже есть:
- Для ветропарка нужна большая площадь — это может повлечь за собой вырубку лесов, выравнивание ландшафта.
- От работы мельниц создаются вибрации на определенной частоте, от которых черви глубже уходят в землю. За счет этого птицам нечем питаться — нарушаются пищевые цепочки.
- Необходимо огромное количество батарей для сохранения энергии. Для производства батарей требуются редкоземельные металлы — а добыча этих металлов очень грязная и вредная для окружающей среды.
- Кладбище изношенных ветряных лопастей — это огромная проблема. Утилизировать лопасти ветрогенераторов нормально пока не научились.
Виды, преимущества и недостатки разных альтернативных источников энергии
У каждого типа нетрадиционной энергетики есть свои плюсы и минусы, а также особенности организации процесса для получения электричества.
Солнечная энергия
Преобразование энергии солнца происходит с помощью особых технологий. Сложность обработки солнечной энергии выступает в качестве недостатка этого источника:
- излучение имеет низкую плотность и непостоянно, поэтому существующие технологии имеют ряд ограничений;
- в некоторых странах из-за низкого уровня солнечного излучения реализовать методику нецелесообразно.
Среди преимуществ можно выделить абсолютную экологическую безопасность солнечной энергии и отсутствие вмешательства в геологию Земли.
На солнечной энергии работают космические станции и спутники. Широкое распространение получили солнечные панели в некоторых странах – ими оснащают крыши домов.
Геотермальная энергетика
Геотермальный метод получения энергии построен на принципе преобразования тепла мантии и ядра Земли (чаще всего источником служат пароводяные резервы). Преобразование природного пара – процесс трудоемкий, так как требуется строительство труб и турбин, проводящих его с глубины от 2-3 км. Однако стоимость электроэнергии на выходе получается не слишком высокой.
Недостаток метода – вероятность оседания грунта и повышения сейсмической активности, поэтому в опасных районах этот источник альтернативной энергии неприменим.
Ветровая энергетика
Для реализации метода требуется ветряная электростанция. Одно из преимуществ такого источника энергии – это дешевое оснащение. Но недостаток – сильная зависимость от погодных условий, требуется постоянный контроль состояния. А еще ветровые электростанции могут создавать помехи для радиоволн.
Также для ветряных станций требуются большие площади, поэтому реализация в густонаселенных регионах затруднена. Однако ветряные источники энергии используются в некоторых странах Европы и Америки для снабжения небольших поселений.
Волновая энергетика
В этом способе для получения электричества используется энергия волн. В отличие от альтернативных источников, описанных выше, волновая энергия отличается большей ударной мощностью. Это самый многообещающий способ получения энергии в перспективе освоения океанов.
Самый яркий пример традиционного использования волновой энергии – гидроэлектростанции, но он не единственный. Целесообразно строительство волновых станций в районах с мощными приливами (колебание больше 4 м).
Среди недостатков можно выделить небольшую мощность, строительство только возле побережья, а также цикличность работы – всего 2 раза в сутки. Экологическая безопасность такого способа получения энергии под вопросом, ведь станции нарушают баланс соленой и пресной воды, что несет угрозу морской жизни.
Новейшая технология получения энергии волновым путем – аэро ГЭС. Они работают по принципу конденсации влаги из атмосферы, однако до внедрения этой технологии в жизнь еще далеко.
Градиент-температурная энергетика
В основе этого метода лежит баланс температур. Для строительства станций требуется морское побережье. Поглощая до 70% солнечной энергии, мировой океан становится отличным источником температурных ресурсов. Однако нагрев и выделение углекислой кислоты при обработке морской воды нарушают экологическую обстановку. Среди преимуществ можно выделить только то, что ресурс крайне обширен.
Биомассовая энергетика
Под этим понятием скрывается процесс гниения биологических отходов и ресурсов – в результате выделяется биологический газ с большим содержанием метана. Его можно использовать для обогрева помещений и выработки электричества.
Больше всего такой источник энергии используется в сельскохозяйственных предприятиях. Это безотходное производство, так как гниющие продукты потом используются для удобрения. Кроме растений и навоза, можно использовать быстрорастущие водоросли.
Главный недостаток теплового источника – КПД не превышает 6% и для обеспечения нужд мегаполиса энергией такой метод не подойдет.
Энергия молнии
Один из самых новых альтернативных методов получения электричества – сбор энергии молний, попадающих в землю. Пока что проект находится на стадии разработки – установки для улавливания молнии еще не готовы.
Это дорогостоящий, но окупающийся метод, ведь 1 молния способна обеспечить целый район крупного города энергией на некоторое время. Но уже сейчас можно выделить главный недостаток – зависимость от частоты гроз.
Биоэнергетика
Биоэнергетика позволяет из биотоплива разного вида получать энергию и тепло. Биоэнергетика сейчас находится в стадии активного развития. Крупные промышленные и сельскохозяйственные предприятия активно переходят на биотопливо, что дает им получать электроэнергию и тепло из органического мусора.
К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).
Основными преимуществами является утилизация органического мусора, снижение уровня загрязнения окружающей среды. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время. Биотопливо снижает выбросы парниковых газов. Кроме того, при выращивании культур для биотоплива они частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой.
Биотопливо довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.
К недостаткам применения биотоплива относятся:
— ограничения региональной пригодности (в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом).
— водопользование – чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом.
— продовольственная безопасность (слишком активное выращивание биотоплива может привести к голоду). Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания.
— разрушение среды обитания животных и риск изменения окружающей среды, вследствие применения удобрений и пестицидов при выращивании биотопливных культур (чаще всего это монокультуры для удобства выращивания).
Ветроэнергетика
Глобальный рост установленной мощности ветрогенераторов. Существуют ветрогенераторы с вертикальной и горизонтальной осью вращения ротора. Конструкция первых проще, но вторые имеют больший КПД, достигающий 30-40 %. Поэтому для промышленной ветроэнергетики используются генераторы с горизонтально осью ротора в основном с мощностями от 1 до 2.5 МВт и диаметром ротора от 50 до 80 м. Существуют и ветрогенераторы мощностью 8 МВт.
Затраты на ветроэнергетику сводятся почти исключительно к строительству, а стоимость энергии постепенно приближается к стоимости «традиционной» энергии. В силу шума и вибрации ветрогенераторы ставят на удалении от жилых домов 300 и более метров, но непосредственно под ветрогенераторами можно продолжать сельскохозяйственное производство. Пока существует множество перспективных площадок для размещения мощностей на берегу и в море. В частности, Германия, Дания и Нидерланды собираются создать на банке Северного моря остров для большой ветроэлектростанции. В 2014—2015 годах в Дании с помощью ветрогенераторов производилось 42 % всего электричества, в Португалии 27 %; в Никарагуа 21 %, в Испании 20 %, в Ирландии 19 %, в Германии 8 %, а в Европейском союзе 7,5 %. К началу 2021 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 432 гигаватта и превзошла суммарную установленную мощность атомной энергетики. Однако, существует так называемый capacity factor (Коэффициент использования установленной мощности — КИУМ), который определяет эффективность работы электрогенератора. По данным US Energy Information Administration (EIA), на 2015 год этот коэффициент для атомных электростанций составлял 92.3% от установленной мощности, для ветрогенераторов — 32,2% от установленной мощности. Применять эти значения для генерирующих мощностей во всем мире не совсем правильно, но отношение вряд ли будет сильно отличаться.
На сегодняшний день ветроэнергетика это экономически наиболее перспективный вид ВИЭ и развивается по экспоненте. Её потенциал весьма велик. Ветреная береговая линия континентов протяжённа. Станции можно строить не только на берегу, но и в море. К тому же сегодня промышленная ветроэнергетика использует ветер только на высотах до 200 м от поверхности земли.
Виды, преимущества и недостатки разных альтернативных источников энергии
У каждого типа нетрадиционной энергетики есть свои плюсы и минусы, а также особенности организации процесса для получения электричества.
Солнечная энергия
Преобразование энергии солнца происходит с помощью особых технологий. Сложность обработки солнечной энергии выступает в качестве недостатка этого источника:
- излучение имеет низкую плотность и непостоянно, поэтому существующие технологии имеют ряд ограничений;
- в некоторых странах из-за низкого уровня солнечного излучения реализовать методику нецелесообразно.
Среди преимуществ можно выделить абсолютную экологическую безопасность солнечной энергии и отсутствие вмешательства в геологию Земли.
На солнечной энергии работают космические станции и спутники. Широкое распространение получили солнечные панели в некоторых странах – ими оснащают крыши домов.
Геотермальная энергетика
Геотермальный метод получения энергии построен на принципе преобразования тепла мантии и ядра Земли (чаще всего источником служат пароводяные резервы). Преобразование природного пара – процесс трудоемкий, так как требуется строительство труб и турбин, проводящих его с глубины от 2-3 км. Однако стоимость электроэнергии на выходе получается не слишком высокой.
Недостаток метода – вероятность оседания грунта и повышения сейсмической активности, поэтому в опасных районах этот источник альтернативной энергии неприменим.
Ветровая энергетика
Для реализации метода требуется ветряная электростанция. Одно из преимуществ такого источника энергии – это дешевое оснащение. Но недостаток – сильная зависимость от погодных условий, требуется постоянный контроль состояния. А еще ветровые электростанции могут создавать помехи для радиоволн.
Также для ветряных станций требуются большие площади, поэтому реализация в густонаселенных регионах затруднена. Однако ветряные источники энергии используются в некоторых странах Европы и Америки для снабжения небольших поселений.
Волновая энергетика
В этом способе для получения электричества используется энергия волн. В отличие от альтернативных источников, описанных выше, волновая энергия отличается большей ударной мощностью. Это самый многообещающий способ получения энергии в перспективе освоения океанов.
Самый яркий пример традиционного использования волновой энергии – гидроэлектростанции, но он не единственный. Целесообразно строительство волновых станций в районах с мощными приливами (колебание больше 4 м).
Среди недостатков можно выделить небольшую мощность, строительство только возле побережья, а также цикличность работы – всего 2 раза в сутки. Экологическая безопасность такого способа получения энергии под вопросом, ведь станции нарушают баланс соленой и пресной воды, что несет угрозу морской жизни.
Новейшая технология получения энергии волновым путем – аэро ГЭС. Они работают по принципу конденсации влаги из атмосферы, однако до внедрения этой технологии в жизнь еще далеко.
Градиент-температурная энергетика
В основе этого метода лежит баланс температур. Для строительства станций требуется морское побережье. Поглощая до 70% солнечной энергии, мировой океан становится отличным источником температурных ресурсов. Однако нагрев и выделение углекислой кислоты при обработке морской воды нарушают экологическую обстановку. Среди преимуществ можно выделить только то, что ресурс крайне обширен.
Биомассовая энергетика
Под этим понятием скрывается процесс гниения биологических отходов и ресурсов – в результате выделяется биологический газ с большим содержанием метана. Его можно использовать для обогрева помещений и выработки электричества.
Больше всего такой источник энергии используется в сельскохозяйственных предприятиях. Это безотходное производство, так как гниющие продукты потом используются для удобрения. Кроме растений и навоза, можно использовать быстрорастущие водоросли.
Главный недостаток теплового источника – КПД не превышает 6% и для обеспечения нужд мегаполиса энергией такой метод не подойдет.
Энергия молнии
Один из самых новых альтернативных методов получения электричества – сбор энергии молний, попадающих в землю. Пока что проект находится на стадии разработки – установки для улавливания молнии еще не готовы.
Это дорогостоящий, но окупающийся метод, ведь 1 молния способна обеспечить целый район крупного города энергией на некоторое время. Но уже сейчас можно выделить главный недостаток – зависимость от частоты гроз.
Гидроэнергетика
К возобновляемым источникам энергии относятся широко распространенные гидроэлектростанции. На этих объектах используется потенциальная энергия водных потоков.
Традиционные гидроэлектростанции
Возводят гидроэлектростанции, как правило, на реках. Для создания необходимого давления воды создают мощные плотины и объемные хранилища воды. Как разновидность, используют бесплотинные ГЭС.
Данным объектам (ГЭС) гидроэнергетики присущи следующие особенности.
Положительные:
- высокий КПД при сравнительно малых экономических затратах на строительство и дальнейшую эксплуатацию станции, отсюда низкая себестоимость электроэнергии;
- отсутствуют вредные выбросы в атмосферу;
- водохранилище как фактор, улучшающий микроклимат в районе ГЭС;
- возможность разведения рыб;
- предотвращает появление паводков, используется для орошения сельхозугодий, технического применения на заводах;
- обладают механизмом регулирования потребления энергии.
Отрицательные:
- водохранилища затопляют обширные территории, занимают земли, пригодные для сельского хозяйства;
- перекрытие рек существенно меняет условия для обитания ценных видов проходных рыб, многие из которых исчезают из облюбованных ранее водоемов.
Гидроэлектростанции, как возобновляемые источники энергии, эффективны для поставки электроэнергии в горные участки. Они имеются в Швейцарии, на территории России. В мировом объеме поставляемой энергии доля гидроресурсов составляет около трех процентов. В Канаде, Исландии и Китае основную часть электроэнергии вырабатывают именно гидростанции.
Красноярская гидроэлектростанция
В России строительство гидроэлектростанций всегда считалось выгодным направлением. В наши дни гидростанции вырабатывают 6 процентов электроэнергии страны. Площади крупнейших водохранилищ ГЭС составляют тысячи квадратных километров. В пример можно привести размеры Самарского водохранилища, площадь которого превышает 6400 км2.
Приливные электростанции
Особой разновидностью гидроэнергетики являются приливные электростанции, работающие на основе использования энергии приливов и отливов. Они возводятся на побережьях, где под воздействием гравитационных сил Солнца и Луны ежедневно меняется уровень воды морских и речных водоемов. Залив или устье реки перегораживают дамбой. Встроенный в неё гидроагрегат с огромными лопастями и преобразует силу прибоя в электроэнергию.
Так устроена приливная гидроэлектростанция
Такая форма получения энергии из неисчерпаемого источника очень экологична, имеет малую себестоимость. Однако само строительство требует больших вложений. Кроме того, перепады в мощности не позволяют поставлять электроэнергию в постоянном режиме. Тем не менее, станции ПЭС ценят за высокую эффективность и малое влияние на экологию. Их строительство продолжается во многих странах.
Волновые электростанции
Энергия волн представляет собой огромный потенциал. Удельную мощность морских и океанских волновых колебаний оценивают гораздо выше солнечной и ветровой. Специалисты подсчитали, что мощность волн мирового океана равна примерно 30 процентам всей потребляемой электроэнергии на Земле.
Волновая гидроэлектростанция Oyster в Шотландской прибрежной зоне мощностью 600 кВт
Работа волновых электростанций построена на превращении потенциальной энергии волн в электрическую. Выбор места строительства подобных объектов получения электричества обусловлен особенностями региона, наличием крупных водоемов и сильных ветров.
Гидроэнергетика будущего
Гидроэнергетика не стоит на месте. Постоянно придумываются новые специфические виды использования силы мирового океана. К примеру, в данный момент разрабатываются технологии использования в энергетике морских течений и разницы температур на различных глубинах.
Океанские и морские течения (Куросио, Гольфстрима и т.п.) также обладают определенной энергетической силой, потенциал которой на практике пока не оценен. Но ученые и проектировщики считают возведение гидростанций, использующих энергию водных течений, перспективном направлением в морской энергетике. Согласно технологии, применяют специальные преобразователи в виде объемных и водяных насосов.
Роторная система Seagen, расположенная у побережья Ирландии, преобразует энергию течений в электроэнергию
Электроэнергию можно получать, используя разницу температур поверхности и глубинных слоев моря или океана. Разность на глубине 400 м и верхнего слоя воды составляет 12 градусов. В данный момент уже существуют экспериментальные системы преобразования разницы температур в электричество, основанные на пьезоэффекте.
