Использование морских - возобновляемых ресурсов в производстве электроэнергии

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Западно-Казахстанский Аграрно-Технический Университет

им. Жангир хана

Кафедра ЭЭ и АПП

РЕФЕРАТ

Тема: Использование морских возобновляемых ресурсов в производстве электроэнергии

Выполнил студент I курса группы ЭЭ-12 Михеенко А

Проверила: Вичкуткина АП

Уральск, 2004г.

План:

Введение

Малые электростанции на базе возобновляемых источников энергии

Энергия морей и океанов

Приливные электростанции

Энергия волн морей и океанов

Тепловая энергия морей и океанов

Энергия океанических течений

Список литературы

Введение

О важности более широкого использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в XXI веке вряд ли кого-то надо убеждать. Всем ясно, что основные невозобновляемые энергоресурсы, раньше или позже, исчерпаются. По одним прогнозам угля хватит на 1500 лет, нефти — на 250, газа — на 120 лет. По другим прогнозам перспектива хуже. Нефть должна закончиться лет через 40, газ — через 80, уран — через 80 - 100 лет, угля может хватить еще лет на 400.

И что еще чрезвычайно важно, у возобновляемых источников энергии неоспоримые преимущества в области экологии. Некоторые возобновляемые виды энергии уже сегодня стоят не дороже энергии, получаемой за счет использования ископаемого топлива, и практически все они дешевле ядерной энергии.

"Чистая" энергия становится еще более приемлемой в сравнении с энергией, получаемой на базе ископаемого топлива, если в его стоимость включить цену ущерба, наносимого окружающей среде и здоровью людей при его добыче и использовании. А это может быть сделано путем введения соответствующего налога на невозобновляемые топливно-энергетические ресурсы.

Не случайно главы восьми государств, в том числе и России, в 2000 г. в Японии обсудили проблемы использования возобновляемых источников энергии. Более того, образовали рабочую группу для выработки рекомендаций по развертыванию рынка этой энергетики. В данном реферате рассмотрено возможности использования возобновляемых источников электроэнергии на мировом рынке.

1. Малые электростанции на базе возобновляемых источников энергии

К возобновляемым источникам энергии, как известно, относятся солнечное излучение, энергия ветра, рек, водотоков, приливов и волн, биомассы, геотермальная энергия, рассеянная тепловая энергия воздуха и воды. Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире оценивается примерно в 20 млрд т. условного топлива (у.т) в год, т.е. в 2 раза превышает годовой объем добычи всех видов органического топлива.

В настоящее время по данным Международного Энергетического Агентства производство электроэнергии за счет нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) оценивается более чем в 200 млрд кВт • ч, что составляет около 2 % общего ее производства, к 2005 г. оно достигнет 5 %, к 2020 г. - 13 %, к 2060 г. -33 %.

Причем, вопреки общепринятому мнению, энергии солнца, ветра и малых гидростанций может хватить для удовлетворения потребностей всего мира. Каждый год Земля получает от Солнца энергии и 100 раз больше, чем ее содержится во всех запасах ископаемого топлива, вместе взятых.

Варианты прогнозов вклада возобновляемых источников энергии, поданным Мирового Энергетического Совета, представлены в табл. 1. В США доля производства электроэнергии на базе нетрадиционных источников энергии, в общем ее объеме составляет 1 %, в Дании — 20 %. В Нидерландах доля производства электроэнергии на их базе к 2010 г. возрастет с З до 10 %, в Германии — с 5,9 до 12 %.

Причем большая часть потребности в энергии будет удовлетворяться за счет солнечных элементов, ветроустановок, малых гидростанций и использования биомассы остатков урожая и отходов деревообрабатывающей промышленности. Что касается геотермального тепла, энергии волн и приливов, то в некоторых районах мира эти источники энергии также могут оказаться значительными.

Согласно оценке Агентства по охране окружающей среды США через 20 лет возобновляемые источники энергии смогут удовлетворить 1/3 мировой потребности в энергии по сравнению с 1/17 частью сегодня. Еще через 20 лет — 2/3 потребности в энергии. Но в этих целях процесс развития нетрадиционной энергетики должен быть существенно ускорен. А для этого нужна воля правительств и энергетиков всех стран и в первую очередь, индустриально развитых.

Таблица 1. Прогноз вклада возобновляемых энергоисточников в общее энергопотребление, млн т нефтяного эквивалента

Виды энергоресурсов	Минимальный вариант	Максимальный вариант
млм т	%	млн.т	%
Современная биомасса	243	45	561	42
Солнечная энергия	109	20	355	26
Ветровая, геотермальная, М ГЭС, мусор	187	35	429	32
Всего	539	100	1345	100
Доля общего первичного энергопотребления, %	3 - 4	8 - 2

Что касается использования возобновляемых источников энергии в России, то экономически эффективный потенциал возобновляемых источников энергии России составляет свыше 270 млн т у. т. в год или более 25 % внутреннего годового энергопотребления.

Причем значительными возобновляемыми ресурсами располагают большинство регионов страны, в том числе и проблемные, сточки зрения энергоснабжения. Соответствующие данные приведены в табл. 2.

Т а 6 л и ц а 2. Ресурсы возобновляемых источников энергии России

Вид ресурса	Ресурс, млн т у. т.
валовый	технический	экономический
Милая гидроэнергетика	360	125	65 - 70
Геотермальная энергия	18·10¹⁷	2·10⁷	115 -150
Энергия биомассы	10⁴	50 - 70	35 - 50
Энергия ветра	26·10³	2·10³	12 - 15
Солнечная энергия	23·10⁵	2,3·10³	13 - 15
Низко потенциальное тепло	525	105	30 – 35
Итого	183·10⁶	25·10⁶	270 - 335

В настоящее время в России действуют несколько экспериментальных и опытно-промышленных электростанций, использующих возобновляемые энергоресурсы, около 300 малых ГЭС, десятки небольших ветровых и солнечных установок.

Всего в нашей стране используется пока 1,5 млн. т у.т. нетрадиционных возобновляемых энергоресурсов, общий вклад которых в энергобалансе страны не превышает 0,1 %. Технико-экономические показатели и состояние строительства электростанций на базе НВИЭ показаны в табл. 3.

Однако, сегодня, как никогда ранее, необходимо более активно развивать энергетику на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Причин к тому много:

это возможность решения проблем обеспечения энергией отдаленных и труднодоступных районов меньшими силами и средствами;

это необходимость сокращения объемов дорогостоящего строительства линий электропередачи, особенно в труднодоступных и отдаленных регионах;

это использование электростанций на базе НВИЭ для оптимизации графиков загрузки оборудования на других электростанциях;

это необходимость снижения вредных выбросов от энергетики (CO_>2>, NO_>x> и других) в экологически напряженных регионах.

Энергосистема	Электростанция	Установленная мощность МВт	Годовая выработка электроэнергии, кВт·ч	Число часов использования установленной мощности, ч	Примечание
Камчатскэнерго	Мутновская ГеоТЭС	80,0	577,00	7500	Строится
Камчатскэнерго	Верхне-Мутновская ГеоТЭС	12.0	85,28	7500	Построена
Камчатскэнерго	Паужетская ГеоТЭС	11,0	59,50	3100	Действующая
Сахалкнэнерго	Океанская ГеоТЭС	31,5	107,10	3400/3300 /2600	ТЭО*
1-я очередь	12,6	42,75	3700/3300 /2300	Проект оборудования
Калмэнерго	Калмыцкая ВЭС	22,0	52.94	2406	Строится
1-я очередь	9,0	21,66	2406
Магаданэнерго	Магаданская ВЭС	50,0	127,00	2330 и 2560	ТЭО*
1-я очередь	10.0	23,00	2330
Комиэнерго	Заполярная ВЭС	2,5	6.88	2750	Строится
Дальэнерго	Приморская ВЭС	30,0	63,34	2110	ТЭО*
1-я очередь	10,0	29.34	2934
Камчатскэнерго	Каскад ГЭС на р. Толмачева	45.2	160.90	—	Строится
МГЭС-1	2.0	8.10	3900
МГЭС-2	24,8	87,40	3510
МГЭС-3	1S.4	65.40	3550
Ставропольэнерго	Кисловодская СЭС	1,5	2.04	1360	ТЭО*
1-я очередь	0,5	0,68	1360
Хабаровскэнерго	Тугурская ПЭС	3800,0	16200.00		ТЭО*

Таблица 3. Основные технико-экономические показатели и состояние строительства нетрадиционных электростанций РАО «ЕЭС России»

* Технико-экономическое обоснование

Кроме того, это позволяет финансировать строительство электростанций на базе НВИЭ за счет использования оплаты "квот за выбросы";

это необходимость увеличения объемов использования органических энергоресурсов как сырья в химической и других отраслях промышленности за счет снижения их доли на выработку электроэнергии;

это сохранение невозобновляемых энергоресурсов для наших будущих поколений;

это обеспечение энергетической безопасности нашей страны. И, наконец, потребность расширения использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии вызвана тем. что зона децентрализованного энергоснабжения охватывает более 70 % территории нашей страны, на которой постоянно проживает более 10 млн чел., в том числе в сельских районах Севера -2,5 млн чел., временно проживающих — 0,4 млн чел., ведущих кочевой и полукочевой образ жизни — 0,05 млн чел.

Таблица 4. Экономия топлива за счет строительства нетрадиционных станций РАО “ЕЭС России"

Электростанции, энергосистемы	Затраты, млн долл.//Экономия топлива, тыс. т у.т.
1998 – 2000 гг.	2001 – 2005 гг.	2006 – 2010 гг.
Мутновская ГеоТЭС, ОАО Камчатскэнерго	0//0	160//500	0//800
Верхне-Мутновская ГеоТЭС, ОАО Камчатскэнерго	25//56	0//60	0//120
Паужетская ГеоТЭС (реконструкция), ОАО Камчатскэнерго	10//90	0//200	0//200
Океанская ГеоТЭС, ОАО Сахалинэнерго	0//0	25//40	30//300
Калмыцкая ВЭС, ОАО Калмэнерго	6// 10	10//20	10//I10
Заполярная ВЭС, ОАО Комиэнерго	3//5	2//10	0//10
Западно-Приморская ВЭС. ОАО Янтарьэнерго	0//0	5//5	10//75
Дагестанская ВЭС. ОАО Дагэмерго	0//0	2//5	4//30
Магаданская ВЭС. ОАО Мапишнлк-	0//0	20//30	30// 150
Ленинградская ВЭС, ОАО Лена!..	0//0	5//10	10//75
Морская ВЭС, ОАО Карелэнерго	0//0	10//20	30// 150
Кисловодская СЭС, ОАО Станроши	0//0	ПЗ*	2//6
МГЭС, первоочередные	10//10	30//100	60//500
Итого	57//171	270//1003	186//2526

* Проектное здание

Как известно, в эти регионы мы вынуждены завозить топливо с большими трудностями, тратить на его доставку огромные средства, крайне неэффективно использовать его и при этом постоянно иметь проблемы с энергоснабжением. Нужда в завозе значительной части топлива в эти районы может отпасть за счет более широкого использования в этих регионах нетрадиционных энергоустановок (табл. 4).

Поэтому ускоренное развитие нетрадиционной энергетики на базе возобновляемых источников в этих регионах может стать важным не только экономическим, но и социально-политическим, стабилизирующим фактором.

2. Энергия морей и океанов

Моря и океаны обладают огромным потенциалом, который можно использовать в производстве электроэнергии. Далее рассмотрим некоторые электростанции которые преобразуют различные энергии: приливов, волн, течений, разность температур в электроэнергию.

2.1. Приливные электростанции.

Приливная энергия океана вызвана гравитационным взаимодействием Земли с Луной и Солнцем. Приливообразующая сила Луны в данной точке земной поверхности определяется как разность местного значения силы притяжения Луны и центробежной силы от вращения системы Земля - Луна вокруг общего центра тяжести. В результате действия этой силы на поверхности Земли возникают приливные колебания уровней воды, сопровождаемые наступлением волны прилива на берег.

Приливные колебания уровня чаше всего имеют периодичность равную половине лунных суток, т.е. 12ч 24 мин. (полусуточные приливы), либо целым лунным суткам, т.е. 24 ч 48 мин. (суточные приливы). Чаше они носят смешанный характер.

Разность уровней колебания волы - это разность уровней между максимальным приливом и минимальным отливом. Наивысших прилив (17.3м) наблюдается в вершине залива Фанли (Канада). В Европе высокие приливы наблюдаются н Англии (устье р. Северн. Бристоль) -14,5 ч, во Франции (устье р. Ране. Сен-Мало) - 14,7 ч. У берегов России высокие приливы наблюдаются в Пенжинском (14,5 м) и Тугурском (10 м) заливах Охотского моря и Мезенском заливе (10м) Белого моря. На Мурманском побережье Баренцева моря прилив достигает 7,2 м.

Мировые энергетические ресурсы приливной энергии оцениваются в 1 трлн кВт ч. Однако, использование этой энергии затрудняется ее пульсирующим прерывистым характером.

Наиболее распространена в настоящее время одно-бассейновая схема приливной электростанции (ПЭС). Мощность ПЭС вследствие изменения напора волн возрастает от нуля до некоторого максимального значения и затем вновь снижается до нуля.

В современных условиях при работе ПЭС в достаточно мошной энергосистеме прерывистый характер выдачи электроэнергии приливной электростанцией не имеет важного значения. Гораздо важнее получить от нее мощность в часы наибольшей нагрузки в энергосистеме, что позволит обеспечить наиболее рациональный режим работы агрегатов ТЭС и АЭС.

Ценное качество приливной энергии заключается в неизменности ее среднемесячного значения в любой сезон и любой по водности год, что важно при использовании ПЭС в целях экономии топлива в системе. Но при работе ПЭС на изолированного потребителя необходимо ее резервирование другим источником энергии. Кроме того, учитывая неравномерность работы ПЭС, для эффективного использования целесообразно ее объединять с ГАЭС или ГЭС, имеющими водохранилища для аккумулирования энергии ПЭС.

В России использование приливной энергии в прибрежных районах морей бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов возможно, но изначально требует больших капиталовложений и предполагает высокую себестоимость электроэнергии.

На сегодня энергия приливов является наиболее освоенным видом энергии морей и океанов. В настоящее время действуют промышленная ПЭС Ране но Франции (240 МВт), опытные ПЭС Аннаполис в Канаде (20 МВт) и Кислогубская - в России (0,4 МВт). Построены также три опытных ПЭС и Китае и одна - в Корее. Во многих странах мира ведется проектирование промышленных приливных электростанций.

35-летний опыт эксплуатации первой в мире промышленной приливной электростанции Ране во Франции и 33-летний опыт работы Кислогубской ПЭС в России доказали, что приливные электростанции устойчиво работают в энергосистемах как в базовой, так и к пиконом частях графика нагрузок.

а)

б)

Здание Кислогубской ПЭС: а – продольный разрез (I – вид со стороны бассейна; II – вид со стороны моря); б - поперечный разрез.

На рис. показана экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 450 кВт. На электростанции длительное время проводятся исследования по отработке режимов работы станции, изучению ее воздействия на окружающую среду, материаловедческие исследования.

Гидропроектом разработан новый тип так называемой ортогональной гидротурбины, которую предполагается испытать на Кислогубской ПЭС. Создание этого эффективного и технологически простого гидроагрегата позволит значительно снизить стоимость строительства ПЭС.

В России в настоящее время разработано технико-экономическое обоснование Тугурской ПЭС мощностью 8 МВт и Пенжинской ПЭС мощностью 87 М Вт на Охотском море и Мезенской ПЭС мощностью 11,4 МВт на Белом море. Начато проектирование Кольской опытно-промышленной ПЭС мощностью 32 МВт.

Наплавная российская технология строительства ПЭС, апробированная на Кислогубской ПЭС и на защитной дамбе от наводнения С.-Петербурга, позволяет на 1/3 снизить капитальные затраты по сравнению с классическим способом строительства гидротехнических сооружений за перемычками.

Обоснования проектов ПЭС в России осуществляются на базе исследований НИИЭС на Кислогубской ПЭС, где испытываются морские материалы, конструкции, оборудование и антикоррозионные технологии.

Комплекс проектных и научно-исследовательских работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и на шельфе, проводимых в условиях Крайнего Севера, позволяет в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.

Однако следует констатировать, что из-за отсутствия финансовых средств все эти работы, как и работы по другим направлениям малой энергетики, в нашей стране фактически сворачиваются.

2.2. Энергия волн морей и океанов.

Мощность ветровых волн Мирового океана оценивается примерно в 10 - 90 млрд кВт, однако мощность, которая может быть реально использована, значительно ниже — всего 2,7 млрд кВт.

Пока же достигнутый технический уровень позволяет использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где она превышает 80 кВт/м. В омывающих Россию морях мощности еще ниже и составляют для Черного моря 6 — 8 кВт/м, Каспийского -7-11 кВт/м, Баренцева 22 - 29 кВт/м, Охотского 12- 20кВт/м.

Что касается удельной плотности волновой энергии, т.е. мощности, приходящейся на единицу поверхности, то она примерно в 10 раз больше плотности ветровой энергии и значительно превышает плотность солнечной энергии.

Важной особенностью морского волнения является его неравномерность во времени, максимальное значение в 5 — 11 раз выше средних значений. Удельная мощность волн, образующихся на больших глубинах при значительной удаленности от побережья на порядок выше, чем в прибрежной зоне.

В волновых установках энергия волн может или непосредственно преобразовываться в энергию вращения вала генератора, или служит основой привода турбины, на одном валу с которой (или через редуктор) находится генератор. Все известные волновые установки состоят из четырех основных частей: рабочего органа, рабочего тела, силового преобразователя и системы креплений.

Волновые установки, располагаемые в береговой зоне морей, в результате отбора ими энергии волн снижают их размывающую способность и тем самым делают ненужными громоздкие и дорогостоящие берегозащитные сооружения.

Процесс преобразования волновой энергии в электрическую не связан с отрицательным экологическим воздействием на природу. Однако при расположении волновых энергетических установок некоторых типов в открытом море есть опасность, что в результате преобразования энергии волн может произойти отрицательное воздействие на жизнь моря, поскольку волны способствуют обогащению поверхностного слоя воды кислородом и питательными веществами.

Использование энергии волн пока не вышло из стадии создания экспериментальных установок. Предложено много различных конструкций — "Утка Солтера", различные поплавковые конструкции и т.п. Подобные установки испытывались в США, Англии, Дании и Японии. В середине 90-х годов установка мощностью З кВт испытывалась Дагестанским филиалом ЭНИНа на Каспийском море близ Махачкалы.

2.3. Тепловая энергия морей и океанов.

Как известно. Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, причем нагретая вода не опускается вниз, поскольку плотность ее меньше холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается всего до 25 – 30 С. В то же время, температура воды на глубине 1 км не превышает 5 ˚С.

Получающийся тепловой градиент создает запасы тепловой энергии, равные 3,4 - I0²⁴ Дж/год или 95 - 10'- кВт - ч/год. Разность температур слоев морской воды в энергетических целях можно использовать в схеме двухконтурной электростанции. Теплая морская (океанская) вода из верхних слоев используется для испарения жил-кости, точка кипения которой не превышает 25 — 30 °С (фреона, пропана, аммиака). Пар этой жидкости срабатывается в турбогенераторе. Отработавший пар после выхода из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле.

Проведенные расчеты и опытные работы показывают, что себестоимость электроэнергии на океанических ТЭС (ОТЭС) примерно соответствует этому показателю на современных ТЭС и АЭС. Однако развитию создания ОТЭС препятствует нерешенность некоторых технических проблем, среди которых — отсутствие достаточно эффективных и экономически приемлемых средств борьбы с коррозией и биологическим обрастай нем оборудования и трубопроводов. В экологическом отношении ОТЭС безвредны. Но если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то это может нанести вред морской флоре и фауне.

2.4. Энергия океанических течений.

В океанических течениях (поверхностных и глубинных) сосредоточены огромные запасы кинетической энергии (около 7,2 - 10¹² кВт ч/год), которую можно преобразовать в электрическую. Всю акваторию Мирового океана пересекают течения, имеющие различные направления и скорости.

Некоторые из них описывают огромные окружности. Под поверхностными течениями есть и другие – глубинные.

В США с 1973 г. разрабатывается "Программа Кориолиса", которая предусматривает установку во Флоридском проливе 242 подводных установок суммарной мощностью 20000 МВт.

Рассматривается также возможность использования в качестве первичного двигателя таких установок прямоточной турбины диаметром 168 ч с частотой вращения 1 об/мин. Расстояние между лопастями турбины будет таково, что обеспечит безопасный проход самых крупных рыб. Вся установка будет погружена на 30 м под уровень океана с тем, чтобы не препятствовать судоходству.

В Японии исследуется возможность использования энергии теплого течения Куросиво, в котором расход воды оценивается 55- 10⁶ м³/с, а скорость у восточного побережья страны 1.5 м/с. Используемые для этого трехлопастные гидротурбины будут иметь диаметр рабочего колеса 53 м.

Разработан схематический проект использования течения в Гибралтарском проливе, в котором расход воды (20 – 40)· 10³ м³/с может обеспечить получение электроэнергии в количестве 150 млрд кВт·ч/год.

Анализ экономических показателей морских и океанических электростанций показывает, что по мере совершенствования схем преобразования энергии, конструкций и технологии сооружения этих энергоустановок, их материало- и капиталоемкость будет снижаться.

Список литературы:

“Малая энергетика России. Проблемы и перспективы” Москва. НТФ ”Энергопрогресс”, 2003г. [приложение к журналу “Энергетик”]

“Энергетика за рубежом” Москва. НТФ ”Энергопрогресс”, 2000г. [приложение к журналу “Энергетик”]

Использование морских - возобновляемых ресурсов в производстве электроэнергии

Проверила: Вичкуткина АП

Список литературы

Виды энергоресурсов

Максимальный вариант

Итого

Энергосистема

Строится

Электростанции, энергосистемы