Применение альтернативных источников энергии для оптимизации расходов на примере Алтайского края
статья (8, 9 класс)

Рыбакова Дина Анатольевна, учитель физики МБОУ СОШ №113 им. С. Семенова ,г. Барнаул

ПРИМЕНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РАСХОДОВ (НА ПРИМЕРЕ АЛТАЙСКОГО КРАЯ)

 В настоящее время поиск и активное использование новых альтернативных источников энергии во многих развитых странах мира приняты в качестве жизненно важных, стратегически необходимых ресурсов, обеспечивающих перспективное развитие экономик этих стран.

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2030 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых.

Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.

Основная задача альтернативной энергетики -  увеличение доли возобновляемых источников энергии (малые гидроэлектростанции, солнечные установки) в энергобалансе страны.

Преимуществом использования альтернативной энергетики является — неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. В частности, использование ВИЭ для выработки и поставки электроэнергии в существующие сетевые энергосистемы может быть экономически оправданным в энергодефицитных районах России. При этом именно возобновляемая энергетика может стать ключевым фактором развития отдаленных регионов страны.

Классификация НВИЭ представлена в табл. 1

Таблица 1 - Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в течение последних лет позиционируются Россией в качестве одного из векторов развития энергетического комплекса. Об этом свидетельствуют и усиление внимания к процессу их внедрения со стороны государства и ряда бизнес структур. Однако формирование устойчивого комплекса ВИЭ в России обуславливает значительные финансовые и технологические вливания при непосредственном участии государства, без которых возобновляемая энергетика останется на фактически нулевом уровне.

Российская Федерация обладает значительными ресурсами возобновляемой энергии, по экспертным оценкам, потенциал ресурсов, куда входят гидроэнергия, ветровая и солнечная энергия, в России весьма значителен и оценивается величиной свыше 1 трлн кВт/ч.

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра — кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Причинами ограничения использования являются: шум, вибрация, радиопомехи, ухудшение вентиляции городов из-за применения ветра и его ослабления.

Гидроэнергетика

Энергия мирового океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. кв. км, Атлантического – 93 млн. кв. км, Индийского – 75 млн. кв. км. Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию.

Энергия приливов

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Приливные волны таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт.

Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС).

Энергию приливов на протяжении веков человек использовал для приведения в действие мельниц и лесопилок. Но с появлением парового двигателя она была предана забвению до середины 60-х годов, когда были пущены первые ПЭС во Франции и СССР.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также энергию волн и температурного градиента. Энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии – около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в Великобритании и Японии.

Солнечная энергетика

Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 сек. – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 м 2 освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км 2. Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Геотермальная энергия

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится – нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это - проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014 млрд. кВт * час. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.

Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

Энергия биомассы

Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3 .

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений , трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

Алтайский край является энергодефицитным регионом. По оценкам специалистов, мы производим в регионе от 50 до 60% необходимой нам энергии, а остальное импортируем из соседних регионов. Поэтому необходимо в полной мере использовать собственные ресурсы. Речь идет о создании электростанций на мунайских углях, а прежде всего, об использовании альтернативной энергетики.

Если говорить об альтернативной энергии, в первую очередь здесь подразумеваются богатые ресурсы горных рек края, протекающие как раз в тех районах, которые являются наиболее энергодефицитными. Этот список можно пополнить и ветроэнергетическими установками. Сейчас разрабатывается проект по строительству ветропарка в Кулундинской степи. Подключились московские инвесторы и специалисты. В данное время проводятся ветроизмерительные исследования, оценивают ветроэнергетический потенциал района. Результат покажет, сможет ли регион расситывать на данный вид энергии или нет.

Солнечные коллекторы используются в Горном Алтае. Например на Турбазе «Млечный путь» в районе Чемала, на р.Катунь.

 Огромный и вполне окупаемый потенциал – биогазовые установки. Алтайский край – крупнейший аграрный регион. На территории края расположены крупные перерабатывающие и деревообрабатывающие производства, животноводческие комплексы и фермы, производящие органические отходы.

Современные технологии позволяют превращать такие отходы в газ, электроэнергию, тепло, не говоря уж об экологическом аспекте такого внедрения.

Внедрение таких технологий позволит краю покрывать от 60 до 100% потребности в тепле и электроэнергии за счет собственных отходов производства.

В Крутихинском, Тюменцевском, Мамонтовском, Завьяловском, Романовском,Баевском районах и г. Камне-на-Оби, в Поспелихинском районе, Рубцовском, Локтевском районах и г. Рубцовске уже несколько лет используются отходы лесного хозяйства, как замена углю на котельных.

Выводы:

Альтернативная энергетика не способна покрыть все потребности нашего региона в тепле и электричестве, но у нее есть ряд неоспоримых преимуществ:

 - она не нарушает экологию региона, значит не препятствует сельскому и хозяйству и туризму – основным видам деятельности края;

 - это дополнительные мощности, которые могут помочь действующим предприятиям и даже появиться новым без  дополнительной нагрузки  на центральную сеть;

 - при правильном подходе новый вид энергетики – является доходной частью бюджета. В свою очередь конкуренция может улучшить качество услуг централизованного энергоснабжения;

 - в некоторых случаях это позволит улучшить качество комфортного проживания в сельской местности, сделав ее привлекательной для молодого поколения;

 - локальность производства энергии позволяет выйти за пределы населенных пунктов и приступить к освоению тех ресурсов, которые были брошены – дальние луга, пастбища и т.д.

Список используемых источников:

1. Постановление Правительства от 07.09.2019 №1289(ред. От 23.06.2020) “О требованиях к снижению государственными (муниципальными) учреждениями в сопоставимых условиях суммарного объема потребляемых ими дизельного и иного топлива, мазута, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии, угля, а также объема потребляемой ими воды.”

2. Бородин Д.В. «Нужно ли использовать собственные энергоресурсы» - Официальный сайт Правительства Алтайского края, от 05.03.2023г

3. М.В. Голицын, А.М. Голицын, Н.В. Пронина «Альтернативные энергоносители», Изд. Наука, Москва, 2004г.

4 Косько А.Н. «Да будет свет и тепло! Сколько стоит энергия», Изд. Дискурс, Москва, 2019г