Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

О журнале

Сотрудничество

Рекламодателю

Подписка

Главная / №5-6 (47-48) Сентябрь-Декабрь 2012 / Аналитика

Технологии возобновляемой энергетики

Обзор технологий возобновляемой энергетики

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) с каждым годом становятся все более заметными в мировой энергетике.

В США и странах Евросоюза доля ВИЭ в общем объеме производства в 2010 году составила 11% и 9,6%, соответственно. И по прогнозам к 2020 году она вплотную приблизится к 25%.

При этом количество энергии, вырабатываемой ВИО, возрастет в странах Евросоюза в 3,8 раза, а в США — в 22,5 раза (Рисунок 1).

Развитие возобновляемых источников энергии в России находится на ранних этапах. В 2010 году доля возобновляемой энергетики в общем объеме производства составила 0,9% с установленной мощностью в 2,1 ГВт. К 2020 году доля ВИЭ возрастет до 4,5% с установленной мощностью в 25 ГВт.

Несмотря на серьезные проблемы, ограничивающие рост использования ВИЭ в России, существуют существенные предпосылки для их активного развития (Таблица 1). Использование возобновляемых источников энергии играет важную роль в развитии распределенной энергетики.

Таблица 1
ПроблемыПредпосылки
Запасы ископаемого сырья Необходимость обеспечения энергией удаленных регионов
Низкий уровень внимания к проблемам экологии и их предупреждению Высокая стоимость созданий новых электросетей и транспортировки ископаемого топлива
Низкий уровень развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в сфере ВИЭ Необходимость модернизации единой энергетической системы, требующая значительных инвестиций
Отсутствие/ограниченность инновационных компаний в сфере ВИЭ Высокие тарифы,
преимущественно за счет
сетевой составляющий
  Разработка комбинированных источников энергии (ветродизельные, например)

Распределенная энергетика является приоритетной сферой экономически эффективного практического использования ВИЭ в России. В этой сфере установки на ВИЭ уже сегодня могут успешно конкурировать с традиционными энергоустановками.

Потенциальные масштабы возможного эффективного использования ВИЭ в сфере распределенной генерации уже сегодня измеряются гигаватами. Наряду с законодательной и финансовой поддержкой развития ВИЭ в централизованной энергетике, государственная политика должна учитывать и стимулировать развитие ВИЭ в регионах в сфере распределенной энергетики.

Ключевые предпосылки развития распределенной энергетики с использованием ВИЭ:

  • 2/3 территории страны расположены вне сетей централизованного энергоснабжения: население около 20 млн чел., районы с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (более 25 руб./кВтч).
  • Более 50% регионов страны энергодефицитны: завоз топлива, импорт электроэнергии — задача повышения региональной энергетической безопасности.
  • Газифицировано около 50% населенных пунктов, а в сельской местности — менее 35%.

            

Таблица 2. Для удовлетворения плановым показателям развития ВИЭ необходима интеграция в мировое пространство на различных уровнях взаимодействия
Государство
  • Разработка и утверждение программ развития ВИЭ
  • Заключение соглашений о взаимодействии, финансовом стимулировании разработок по направлению ВИЭ
  • Создание межправительственного института по выработке политики
Государственные и коммерческие компании
  • Приобретение компаний переносчиков инноваций
  • Трансферт технологий Повышение эффективности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ
Развитие инновационной среды
  • Создание специализированных фондов
  • Развитие нормативно-правовых актов (защита интеллектуальной собственности и прочее)
  • Поддержка венчурного финансирования

Рассмотрим различные технологии возобновляемой энергетики.

Солнечная энергетика

Среди основных проблем солнечной энергетики можно выделить непостоянность и непредсказуемость основного источника энергии, зависимость от погодных и климатических условий, и обусловленная этим необходимость в накопителях энергии или дополнительных источниках энергии.

Существенными недостатками являются высокая стоимость фотоэлектрических систем (ФЭС) с учетом необходимости в накопителях и обратных преобразователях переменного тока (до 50% от общей стоимости системы), сравнительно низкий КПД (от 4-5% до 20% для традиционных фотоэлектрических модулей (ФЭМ), и до 40% для концентрирующих ФЭМ) и низкая энергоемкость (~8-12 м2/кВт), вследствие чего под ФЭС требуются большие территории (Таблица 3).

Таблица 3I-ое пок.II-ое поколение (тонкопленочные)III-ье поколение
Моно- и поликристал лический кремний Аморфный кремний Теллурид кадмия Селенид меди-(индия)-галлия (CI(G)S) Микро-и нано-кремний Фото-сенсибилизированные красителем (DSSC-ячейки Гретцеля) Органические Концентрир ующие ФЭМ IIIV мульти-соединения Термо-ФЭМ с низкой запрещенной зоной
Текущий КПД ФЭМ 11-19% 4-8% 10-11% 7-12% 7-9% 2-4% 4-6% ~25%  
Площадь, на 1 кВт 7-8 м2 15 м2 10 м2 10 м2 12 м2        
Потенциальный КПД 22% 10% 16% 20% 13% 8–12% (до 24%) 8-10% Выше 40% 30%

Наиболее перспективными из перечисленных выше технологий являются:

  • Усовершенствованные неорганические тонкопленочные ФЭМ — Сферические ФЭМ на основе селенида меди-индия (CIS) и тонкопленочные поликристаллические кремниевые ФЭМ.
  • Органические ФЭМ (в том числе фотосенсибилизированные красителем ФЭМ на основе органических полимеров).
  • Термо-фотоэлектрические (TPV) ячейки с узкой запрещенной зоной (low gap-band).

Основные исследования в области развития фотоэлектрических технологий направлены на снижение себестоимости фотоэлектрических модулей за счет:

  • Повышения КПД фотоэлектрических модулей I-го и II-го поколения:
    • снижения потребления материалов — использования пленочных ФЭМ;
    • повышения энергоемкости — уменьшения поверхности ФЭМ.
  • Использования органических материалов взамен дефицитного сырья (такого как серебро, индий, теллур, свинец и кадмий).
  • Снижения стоимости и сроков окупаемости ФЭМ (Рисунок 2):
    • использования более тонких и эффективных фотоэлектрических пластин;
    • использования поликремневых заменителей (например, металлургического кремния).

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика является одним из наиболее популярных и быстро развивающихся направлений альтернативной энергетики. Тем не менее, ее распространение так же ограничивается непостоянностью ветра, как источника энергии, нарушением эстетического пейзажа ввиду установки огромных 100-метровых ветровых мельниц и сложностями с подключением к существующим сетям ввиду отдаленности наиболее благоприятных территорий для установки ветрогенераторов от существующей инфраструктуры.

Стоимость ветряной турбины составляет около 80% от общей стоимости ветрогенератора, и поэтому основные усилия по снижению себестоимости ветряной энергии направлены на снижение расходов на производство турбин.

Средиосновныхнаправленийразвитиятехнологий вветроэнергетикевыделяютсяследующие:

    • Увеличение генерирующего потенциала:
      • увеличение размеров турбин (см. рисунок 3);
      • увеличение высоты турбинных башен;
      • использование оффшорных ветров и ветров на больших высотах.
  • Улучшение материалов:
    • снижение зависимости башенных конструкций от стальных элементов;
    • снижение веса пропеллеров (использование углеродных волокон и высокоинтенсивного углепластика).
    • Улучшение системы привода (редуктор, генератор, электроника):
    • развитие технологии сверхпроводников для более легких и эффективных электрогенераторов;
    • использование постоянных электромагнитов в электрогенераторах.

Среди новых перспективных разработок выделяются:

  • Летающие ветряные турбины:
    • Makani Airborne Wind Turbine — на 90% легче традиционных турбин, запускается с использованием электрического двигателя, способна генерировать электричество на низких скоростях ветра.
    • Altaeros Airborne Wind Turbine — использует наполненную гелием оболочку для подъема на большие высоты.
    • Magenn Air Rotor System (M.A.R.S.) — MARS улавливает энергию ветра на высоте от 200 до 300 метров, а также струйные потоки воздуха, возникающие практически на любой высоте.
  • Генерация на ветрах низких скоростей:
    • Wind Harvester — новая модель ветрогенератора основывается на возвратно-поступательном движении с использованием горизонтальных аэродинамических поверхностей.
  • Ветряная линза:
    • Ветряная линза (Япония, университет Кюсю) — направленное внутрь изогнутое кольцо, располагающееся по периметру окружности, описываемой лопастями турбины при вращении. Увеличивает мощность ветряной турбины втрое при одновременном уменьшении уровня шума, имеет наибольший потенциал использования в открытом море.
  • Ветряные турбины с вертикальной осью:
    • Windspire — вертикальная турбина высотой около 10 метров и шириной около полутора метров, применима к использованию в городских условиях.

Наиболее перспективными технологиями в ветроэнергетике станут те, что позволят снизить зависимость их эффективности от размеров турбин, как, например, Wind Harvester или Windspire.


Биоэнергетика

Несмотря на высокое распространение производства тепловой и электрической энергии из биомасс, технология выработки энергии из них имеет ряд проблем:

  • Необходимость земельных и водных ресурсов для выращивания, конкурирует с производством пищевых продуктов.
  • Вредные выбросы при сжигании (NOx, сажа, зола, CO, CO2).
  • Сезонный характер роста некоторых культур.
  • Проблемы масштабирования генерирующих мощностей (Рисунок 4).

Наиболее перспективные направления развития технологий в биоэнергетике:

  • совместное сжигание смесей биомассы с традиционными видами топлива (наиболее дешевая технология на данный момент — Рисунок 5);
  • использование новых видов топлива из биомасс, включая различные бытовые и промышленные отходы;
  • переоборудование существующих генерирующих мощностей на углеводородном топливе под использование биомасс;
  • повышение теплоотдачи пеллет биомассы за счет сушки;
  • интегрированная газификация биомасс с топливными ячейками.

Приливная и волновая электроэнергетика

В приливной и волновой энергетике используется кинетическая энергия воды. Основное отличие состоит в том, что в приливной энергетике используется энергия морских приливов и отливов за счет перепада в уровне воды, тогда как в волновой энергетике используются водные течения и колебания волн.

Основные барьеры на пути распространения данного вида альтернативной энергии:

  • Высокие капитальные затраты на строительство (от 2,5 до 7 млн евро за 1 МВт установленной мощности).
  • Географическая привязка к береговой линии и удаленность от существующих электрических сетей.
  • Негативное влияние на окружающую среду.
  • Зависимость от природных явлений.
  • Дороговизна и сложность техобслуживания.
  • Быстрый износ генерирующего оборудования под воздействием воды.

Среди общих направлений технологических исследований в области приливной энергетики выделяются следующие:

  • Усовершенствование приливных плотин:
    • повышение эффективности генераторов на приливных плотинах;
    • улучшение антикоррозийных свойств материалов.
  • Использование приливного течения:
    • генерация электроэнергии непосредственно от течения воды во время приливов (а не от перепада в уровне воды между приливами и отливами);
    • исследования в области различных видов турбин (горизонтальных и вертикальных) для преобразования энергии приливного течения;
    • исследований новых, не турбинных технологий.
  • Модернизация фиксаторов преобразователей приливного течения:
    • якорная стоянка на гравитационном фундаменте или забивных сваях, плавающие платформы, закрепленные с помощью причальных линий.

Наиболее перспективные новые технологии и разработки в области приливной энергетики:

  • Использование мостов в качестве приливных электростанций, например, проект компании Bluenergy (см. рис.);
  • Колеблющееся подводное крыло (применяет вместо вращающихся элементов плавники (крылья), которые приводятся в движение течением);
  • Системы с использованием трубки Вентури (например, Rotech Tidal Turbine — двусторонняя турбина с горизонтальной осью, расположенная внутри симметричной конической трубки Вентури, преобразует энергию океанического течения в электроэнергию);
  • Магнитогидродинамические системы (MHD) (Концептуальная технология, использующая криогенно охлажденную сверхпроводящую электромагнитную катушку, размещенную на морском дне, где проходящие приливные волны используются для выработки энергии).

В волновой энергетике большинство исследуемых технологий все еще находится на стадии разработки или экспериментальных испытаний:

  • Усовершенствование технологий осциллирующих водяных колонн (OWC) (например, снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии за счет применения маховиков и силовой электроники).
  • Развитие технологии уровневых уловителей (point absorber) на плавучих буях (в т.ч. применение различных способов отбора мощности (механических, гидравлических, электромагнитных)).
  • Усовершенствование технологий переливных турбинных генераторов типа WaveDragon (Повышение КПД и снижение колебаний вырабатываемой электроэнергии).

Среди новых и уже испытуемых технологий можно выделить следующие наиболее перспективные проекты:

  • Волновые аттенюаторы (например, Pelamis Wave Energy — преобразователь волновой энергии в виде змеевидных устройств, наполовину погруженных в воду — см. рис.).
  • Волновые генераторы на принципе обратного маятника (Inverted Pendulum, например, bioWAVE™, в котором ряд поплавков или лопастей взаимодействует с колеблющейся морской поверхностью (потенциальной энергией) и подводными течениями (кинетической энергией), конвертируя энергию волн в электричество специальным конвертирующим модулем).
  • Генераторы с жидким/газообразным рабочим телом (включая SDE Wave Power, использующий гидродинамическую энергию волн для приведения в движение пистонов в гидравлическом моторе или Archimedes Wave Swing-III ряд устройств из множества уловителей волновых колебаний на гибкой мембране, конвертирующих энергию волн в пневматическую энергию посредством сжатия воздуха в каждом устройстве).

Компания Branan
www.branan.ru