Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.
Энергия для города
Недавно в новостях услышал информацию о том, что весной 2010 г. городское население планеты превысило сельское и составляет 51 %. В 2020 г. городское население уже будет составлять 57 %.
Вроде бы ничего интересного. Сухая статистика. Но за этой статистикой просматривается очень настораживающая тенденция, если учесть, что за этот период население Земли вырастет с 6,8 до 8 миллиардов человек.
Урбанизация растет огромными темпами. Как обеспечить устойчивое развитие инфраструктуры растущих городов? Где взять ресурсы для обеспечения цивилизованных условий проживания этому огромному количеству людей?
Эти и подобные вопросы возникают сами собой, когда осознаешь весь масштаб возникающих проблем: энергия, питание, водоснабжение, утилизация отходов, социальная инфраструктура, жилье, транспорт и т.д.
Меня, в этом бесконечном перечне городских проблем, больше всего беспокоит один — как бесперебойно обеспечить растущие города электрической энергией?
Ведь не секрет, что городской житель потребляет больше электрической энергии, по сравнению с сельским жителем. Это связано с необходимостью круглосуточно поддерживать всю огромную инфраструктуру города.
Все города получают электрическую энергию от центральной энергосистемы. Для компенсации пиковых потреблений электроэнергии, часто используются электростанции, работающие непосредственно на нужды города и находящиеся в непосредственной близости от него.
Сегодня основными поставщиками электрической энергии в энергосистему есть три типа электростанций: тепловые- , атомные- и гидроэлектростанции.
Тепловые электростанций (ТЭС). Работают на ископаемом топливе (газ, нефть, уголь, мазут).
Города с их смогом, миллионами машин и огромной плотностью населения, переживают не лучшие времена. Свою лепту в ухудшение экологической обстановки в городе вносят и электростанции на ископаемом топливе. Если ситуацию кардинально не изменить сегодня, то мы рискуем в обозримом будущем превратить наши города в территории не пригодные для проживания.
Миллионы лет энергия Солнца аккумулировалась в земных недрах в виде нефти, угля и газа. За это мы должны благодарить все то огромное многообразие биологических форм жизни, существовавшей на поверхности Земли все это время. И вот на Земле появился Homo sapiens, «царь природы». Природная кладовая, с ее ценнейшими запасами сырья, досталось человечеству даром. Вот и отношение у нас к этим ресурсам соответствующее: копаем, качаем, сжигаем. Как в средневековье: «город отдан на разграбление». И, похоже, природная кладовая скоро опустеет. А как жить нашим детям, внукам, правнукам …? Многие из этих природных ресурсов будут полностью исчерпаны уже в ближайшие 50 лет. А что дальше? «После нас хоть потоп»?
Гидроэлектростанции (ГЭС) можно отнести к условно чистым источникам энергии, по сравнению со станциями на ископаемом топливе. Если не учитывать огромные площади земли (как правило, плодородные), занимаемые водохранилищами. А дефицит продуктов питания человечество ощущает уже сегодня.
Строительство новых ГЭС можно было бы приветствовать. Но, к сожалению, основной энергетический ресурс наших рек уже задействован и перспектив к существенному росту у гидроэнергетики нет.
Атомные электростанции (АЭС). У сторонников атомной энергетики, похоже, может открыться второе дыхание. После Чернобыльской аварии и четверти века забвения, интерес к атомным станциям начал расти.
Тому есть объективные причины: стабильный источник электрической энергии, относительно безопасный (в современных конструкциях реакторов этому вопросу уделили особенное внимание), большие запасы урановой руды.
Но здесь меня беспокоит два вопроса:
1. У человечества еще нет опыта полной утилизации закрытой атомной станции.
Срок работы станции 20…30 лет. В отдельных случаях, если на то есть объективные предпосылки, срок эксплуатации атомной станции могут продлить еще на 10…20 лет. После истечения этого срока станция должна быть остановлена, с ее территории должны быть полностью вывезены и захоронены радиоактивные элементы, а сама площадка станции должна быть приведена в состояние, пригодное для дальнейшего использования человеком.
На сегодня я не знаю примера, где бы эти работы были выполнены вплоть до последней стадии – полного обеззараживания территории. Все атомные станции находятся в одной из двух стадий: либо работают, либо закрыты и законсервированы.
2. Даже самые совершенные системы безопасности не могут предотвратить возникновение аварийной ситуации и повторения «Чернобыля». Яркий тому пример – многочисленные техногенные аварии и катастрофы на тех же атомный станциях, космический кораблях, самолетах, морских судах, нефтяных платформах и т.д. и т.п. К сожалению, человеку свойственно ошибаться. Мы несовершенны.
Если и дальше будет продолжаться строительство новых атомных станций, то нашим потомкам мы оставим Землю, усеянную тысячами «Чернобылей». Эти территории не будут пригодны для проживания еще не одну сотню лет.
Всем мы помним массовые аварийные отключения электроэнергии в Канаде и США (2003 г.), в России, Москва (2005 г.). В одночасье хорошо отлаженный городской механизм превратился в сплошной хаос. Убытки составили сотни миллионов долларов.
Проблема состоит в том, что невозможно гарантировать отсутствия повторения подобных катаклизмов в будущем. Основная причина — современные города полностью зависят от поставок электрической энергии от центральной энергетической системы, т.е. от поставок энергии из вне. Если в энергосистеме происходит авария (а это может произойти в сотнях и даже тысячах километров от города), то город остается без электричества.
Если мы сейчас не сделаем из всего этого надлежащие вывода и не предпримем необходимые меры, то в самом ближайшем будущем такие аварии станут для нас нормой, а периодическое отключение электрической энергии – обязательным атрибутом жизни в городе.
Есть ли выход? Если не полностью устранить проблемы с энергообеспечением города, то хотя бы обеспечить живучесть основных объектов инфраструктуры города можно за счет собственных внутригородских генерирующих мощностей. Их общая генерирующая способность должна обеспечить, в условиях аварийной ситуации, функционирование городской инфраструктуры хотя бы на минимальном уровне.
Как было сказано выше, традиционные станции генерации электрической энергии (ТЭС, ГЭС, АЭС), по тем или иным причинам, не приемлемы для использования в городской черте. Остается уповать только на чистые возобновляемые источники энергии.
Прекрасный источник чистой энергии. Для выработки электрической энергии не требуется топливо. Достаточно установить солнечные панели на освещаемую солнцем площадку (крыши и стены домов).
Но есть и ряд существенных недостатков:
• Высокая себестоимость получаемой электроэнергии. Срок окупаемости солнечной панели часто превышает срок ее службы;
• Низкий коэффициент преобразования энергии. Требуется много свободных площадей под установку панелей.
Для объективности следует отметить, что сегодня уже существует ряд новых технологических разработок, которые позволят в ближайшем будущем существенно повысить конкурентоспособность солнечной энергетики.
Технология преобразования энергии ветра в электрическую энергию достаточно хорошо освоена. Производится и эксплуатируется большое разнообразие конструкций ветроустановок. По стоимости получаемой электрической энергии ветроэнергетика вполне может конкурировать с электростанциями на ископаемом топливе. В последнее десятилетие большое распространение получила технология, при которой отдельные ветроустановки объединяются в фермы. Их размещают как на суше (onshore wind farms), так и в прибрежной зоне (offshore wind farms).
Современные ветроустановки – очень высокотехнологичные конструкции. В них воплощен весь современный опыт и знания из многих отраслей промышленности. Одним словом – шедевр технического творчества человека.
Но использовать современные ветроустановки в городской черте невозможно, по многим причинам:
• Вибрация. В городе ветроустановки, как правило, устанавливают на крышах зданий. Повышенная вибрация может приводить к разрушению здания и создания дискомфорта его жильцам.
• Повышенный уровень шума. В первую очередь это касается ВЭУ в районах с малоэтажной застройкой.
• Потенциальная угроза разрушения ВЭУ во время сильного ветра. Представьте, что произойдет, если на жилые дома упадет конструкция высотой более 100 м и весом сотни тонн.
• В городе, с его плотной застройкой, отсутствуют свободные площади для размещения ветроустановок.
Солнечная энергетика очень перспективна для массового использования в условиях города.
Эта технология генерации электрической энергии еще не нашла широкого применения, хотя и имеет прекрасные перспективы в будущем.
Но, не все города расположены на морском берегу. А те, которые имеют доступ к энергетическому ресурсу морских волн и приливов, используют акваторию для судоходства, а побережье под места отдыха горожан.
Данная технология вряд ли будет широко использоваться для генерации электрической энергии в городской черте.
Данная технология, скорее может быть исключением, чем правилом в вопросе энергоснабжения города. Районы с достаточными геотермальными ресурсами расположены, как правило, в регионах с повышенной вулканической и сейсмической активностью, что, в принципе, исключает строительства больших городов.
В настоящее время солнечная энергетика интенсивно развивается, совершенствуя технологию преобразования энергии Солнца.О ветроэнергетике такого не скажешь. Уже более ста лет человек использует технологию преобразования энергии ветра в электрическую энергию. За это время разработано сотни конструкций ветроустановок. Но основной принцип остался неизменным: поступательное движение свободного воздушного потока преобразуется во вращательное движение ротора генератора, который и производит электрическую энергию.
При всем огромном многообразии конструкций ветроустановок, качественного скачка в технологии преобразовании энергии ветра мы так и не видим. Попытки повысить эффективность ветроэнергетики предпринимались постоянно. Основное направление – повысить кинетическую энергию воздушного потока перед его взаимодействием с лопастями ротора генератора.
Поиск ведется в двух направлениях:
• Концентрация энергии воздушного потока.
• Увеличение кинетической составляющей воздушного потока.
Для этого используется эффект увеличения скорости воздушного потока при его прохождении через сужающееся сечение в трубе.
Теоретические расчеты показывают, что кинетическая энергия воздушного потока на узком участке трубы, может вырасти на несколько порядков. Это как раз то, чего так не хватает ветроустановкам традиционной конструкции – малые габариты и большая плотность энергии воздушного потока. Очень заманчивая перспектива!
Но увы, все попытки реализации этого принципа в действующей ветроустановке не принесли желаемого результата. Всему виной – большие потери энергии воздушного потока при его движении в трубе. На преодоление внутреннего сопротивления трубы, проходящий воздушный поток, тратит большую часть своей энергии. Это же внутреннее сопротивление обусловило и еще один негативный эффект – воздушный поток упорно «не желал» входить в трубу и большая его часть просто ее обтекала, унося прочь и такую желанную энергию.
В некоторых экспериментальных конструкциях потери энергии превышали «прибавку» кинетической энергии за счет разгона. На рынке ветроустановки с такой «эффективность» не имеют ни единого шанса. Полученные результаты оказались куда скромнее прогнозируемых. Технология, на которую возлагали такие большие надежды, постепенно утратила к себе интерес.
Я считаю, что это было сделано необоснованно, не разобравшись с полным пониманием энергетического баланса системы «ветер – ветроустановка». Мы провели глубокий анализ конструкций ветроустановок с управлением скоростью воздушного потока и пришли к выводу, что на идее разгона воздушного потока еще рано ставить крест. Система «ветер – ветроустановка» имеет значительно больший энергетический потенциал, который в полной мере не использовался нашими предшественниками. Все усилия, предыдущих исследователей, были направлены на снижения сопротивления движения воздушного потока внутри трубы. В этом плане они добились больших успехов.
А вот с точки зрения системы «ветер – ветроустановка», наши предшественники не полностью оценили весь энергетический потенциал ветрового потока. Они задействовали только энергию воздушного потока, попадающего в трубу, не учитывая, что есть еще огромный энергетический потенциал воздушного потока, обтекающего ветроустановку по ее внешнему периметру.
В процессе поиска технологических и технических решений для использования энергии внешнего ветрового потока, мы изготовили и испытали в аэродинамической трубе более 30 различных конструкций ветроустановок. После 5 лет исследований был получен обнадеживающий результат: рост энергии воздушного потока в узком сечении трубы (там же установлен и генератор ветра), составил 5 и более раз.
Для подтверждения полученных результатов, изготовили и провели всесторонние испытания экспериментальной установки в условиях полигона. Испытания продолжались более года. Полученные результаты полностью подтвердили результаты лабораторных испытаний:
• В 2 раза снижена стартовая и номинальная скорость ветра.
Это говорит о высокой эффективности работы ветроустановок в районах с низкой среднегодовой скоростью ветра. Низкие среднегодовые скорости ветра характерны, в том числе, и для условий города.
• Выработка электроэнергии, в пересчете на единицу площади ротора, выросла в 5, а для малых скоростей ветра – более чем в 10 раз.
Это лучшие результаты, в сравнении со всеми другими конструкциями ветроустановок.
• Коэффициент использования установленного оборудования достигает значений 0,6…0,7.
По этому показателю новая ветроустановка сравнима с электростанциями, работающими на ископаемом топливе.
• Вибрация при работе ветроустановки полностью отсутствует. Значительно снижены звуковые эффекты.
Эти характеристики позволяют устранить многие ограничения по размещению ветроустановок в черте города.
• Отвод земли на 1 КВт установленной мощности самый низкий из всех видов генерации.
Для городских условий это очень важно, из-за ограниченности площадей для размещения ветроустановок. Более подробно о ветроустановках башенного типа можно познакомиться в материалах статьи « Энергия ветра: вчера, сегодня, завтра ». Ветроустановка башенного типа (TWT), благодаря своей оригинальной конструкции, имеет еще целый ряд преимуществ, позволяющих ей успешно конкурировать с другими видами генерации электрической энергии.
Технология, реализованная в TWT, позволяет создавать конструкции ветроустановок мощностью от 100 Вт до 20…40 МВт. Для условий города разработаны три типа конструкций ветроустановок башенного типа:
1. Флюгерного типа. Мощность до 20 КВт. Может устанавливаться как на крышах зданий, так и на отдельно стоящей опоре.
2. Встраиваемые. Устанавливаются внутри здания в его верхней части. Мощность до 1 000 КВт. Определить наличие ветроустановки TWT в таком здании можно только по наличии воздухозаборных проемов в верхней части его наружных стен.
3. Отдельно стоящая энергетическая башня. Строится как отдельно стоящий объект – внутригородской источник энергии. Мощность до 20…40 МВт. Сеть энергетических башен позволит создать базовый городской потенциал электрической энергии. Безусловно, ветроустановки башенного типа не решат все энергетические проблемы города. Но, они внесут свой существенный вклад в ее решение.
Мы заинтересованы в партнерах для совместного продвижения новой технологии и ветроустановок TWT, для производства электрической энергии, в т.ч. и в условиях плотной городской застройки. Приглашаем к сотрудничеству предприятия, работающие в энергетической области (в т.ч. и ветроэнергетики), муниципальные и общественные организации, заинтересованные в повышении надежности и управляемости энергосистемы города.
Источник