Поняття ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ПОНОВЛЮВАЛЬНИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГІЇ

Усі енергетичні ресурси на Землі, що є продуктами безперервної діяльності Сонця, можуть бути поділені на дві основні групи: акумульовані природою й у більшості випадків непоновлювальні та неакумульовані, але постійно поновлювальні. До першої групи належать запаси паливних копалин: нафта, кам'яне та буре вугілля, сланці, торф і підземні гази, а також термоядерна і ядерна енергія. До другої групи належать сонячне випромінювання, вітер, потоки рік, морські хвилі та припливи, внутрішнє тепло Землі.

Поновлювальними джерелами енергії називаються ресурси енергії, що постійно циклічно поновлюють енергетичну цінність і можуть бути перетворені на корисну роботу. Іншими словами, поновлювальні джерела енергії поновлюються постійно, без часових обмежень, тоді як використання традиційних палив обмежене наявними запасами.

Сонячна діяльність характеризується приблизними показниками, які загалом утворюють схему теплового балансу Землі (рисунок 4.1.1)

[і].

Класифікацію поновлювальних джерел енергії наведено на рисунку 4.1.2. Результатами прямої сонячної діяльності є тепловий ефект і фотоефект, внаслідок чого Земля отримує теплову енергію та світло. Результатом побічної діяльності Сонця є відповідні ефекти в атмосфері, гідросфері та геосфері, що викликають появу вітру, хвиль, зумовлюють течію річок, створюють умови для збереження внутрішнього тепла Землі.

Рисунок 4.1.1 — Розподіл променевої енергії Сонця: 1- перетворюється на енергію вітру (2,5%); 2 - перетворюється на енергію морських течій (0,04%); 3 - падає на поверхню океану (33%); 4 - падає на сушу (15%); 5 - засвоюється рослинами (ОД 2%)

Рисунок 4.1.2- Класифікація поновлювальних джерел енергії

Переваги поновлювальних джерел енергії порівняно з традиційними такі:

- вони практично є невичерпними;

- не забруднюється довкілля;

- відпадає необхідність у добуванні, переробці та доставці палива;

- немає потреби використовувати воду для охолодження, вилучати золові відходи або продукти розпаду;

- немає необхідності у дефіцитних високотемпературних матеріалах, за винятком сонячних концентраторів теплоти;

- можуть працювати без обслуговування;

- немає потреби в транспортуванні енергії.

Основними факторами, що обмежують використання поновлювальних джерел енергії, є

- мала густина енергетичного потоку; для порівняння:

■ гідравлічна енергія при // = 100 м і

К = 10 м/с

енергія атомної станції енергія припливних течій V - 4 м/с сонячна енергія

вітрова енергія при V =10 м/с геотермальна енергія

- 9,8 МВт/м2;

- 0,2 МВт/м2;

при - 4-Ю-3 МВт/м2;

- 1,36-10“3 МВт/м2; -6-Ю-4 МВт/м2; -3-Ю-8 МВт/м2;

- значна нерівномірність можливості вироблення енергії залежно від пори року і навіть доби;

- нерівномірне розміщення можливих місць вироблення енергії і концентрованих місць використання енергії;

- висока капіталоємність енергетичних установок і споруд.

Автономна енергоустановка з ПДЕ повинна мати або акумулятори, або установку-дублера, що працює на традиційному паливі. Якщо установка з ПДЕ приєднана до мережі, то мережа повинна взяти на себе компенсацію нерівномірності постачання енергії, для чого вона повинна мати достатню ємність і маневреність.

Необхідність використання поновлювальних джерел енергії визначається такими факторами:

- швидким зростанням потреби в електричній енергії, споживання якої через 50 років, за деякими оцінками, зросте в середньому в 3-4 рази, а в розвинених країнах - в 5-6 разів;

- вичерпуванням у найближчому майбутньому розвіданих запасів органічного палива;

- забрудненням довкілля оксидами азоту та сірки, вуглекислим газом, пилоподібними рештками від згорання видобувного палива, радіоактивним забрудненням і тепловим перегрівом при використанні ядерного палива.

У виробництві електричної енергії частка поновлювальних джерел енергії невелика і в цілому по світу вона становила в 2000 р.

1,6 % (без врахування великих ГЕС). Однак у ряді розвинених країн світу частка ПДЕ у виробництві електроенергії значно вища: Данія - більше 12 %, Італія - 2,8 %, Іспанія, Німеччина, Чилі - 2,7 %, Швеція - 2,5 %, Великобританія - 2,4 %, СІЛА - 2,2 %.

Встановлену потужність різних видів ПДЕ для виробництва електричної та теплової потужності станом на 2000 р. наведено в таблиці 4.1.1.

Таблиця 4.1.1 - Встановлена потужність різних видів ПДЕ для виробництва електричної та теплової енергії ____________ у світі станом на 2000 р.________________________ Джерело енергії Встановлена потужність по виробництву електроенергії, ГВт (єл.) Встановлена потужність по виробництву теплової енергії, ГВт (тепл.) Мала гідроенергетика 70 — Теплові електростанції і котельні на біомасі* зо 200 Вітроенергетичні установки (мережні) 31 — Г еотермальні електростанції і станції теплопостачання 8 17 Фотоелектричні установки 0,94 — Сонячні теплові електростанції 0,4 — Сонячні колектори — 13

*У тому числі, що використовують біомасу в комплексі з традиційними паливами.

Енергія, що отримується від ПДЕ, як правило, дорожча за традиційну, що значною мірою впливає на ставлення до них сьогодні. Тому якщо в 70-80 роках минулого століття для розвинених країн стимулом розвитку ПДЕ були відомі нафтові кризи та побоювання, що вік дешевих традиційних палив закінчився, то сьогодні основним аргументом на користь використання ПДЕ в цих країнах є екологічна чистота, а для країн, що розвиваються, ПДЕ мають насамперед соціальне значення.

Теоретичні ресурси більшості видів поновлювальних джерел енергії є дуже значними. Однак тільки частина з них може бути використана існуючими і перспективними технологіями. Економічні (або комерційні) ресурси ПДЕ ще менші за різними додатковими обмеженнями: економічними, екологічними, соціальними,

законодавчими тощо.

У зв’язку з цим поновлювальні енергетичні ресурси звичайно підрозділяються на теоретичні, технічні й економічні. Тому в технічній літературі прийнято розрізняти теоретичний (валовий або природний), технічний та економічний потенціали енергоресурсів.

Теоретичний (валовий або природний) потенціал - це максимально можливий обсяг використання енергетичного ресурсу даного виду (іншими словами, це сумарна енергія, яка зосереджена в даному виді енергоресурсу).

Технічний потенціал - це частина теоретичного потенціалу, яка може бути практично використана при існуючому рівні розвитку науки й техніки. Технічний потенціал, як правило, у 2-3 рази менше теоретичного (валового), але він постійно збільшується у міру вдосконалення обладнання та освоєння нових технологій.

В таблиці 4.1.2 наведено значення теоретичного і технічного потенціалів ПДЕ згідно з [2].

для світу в цілому, млн ТДж/рік ПДЕ Використання Потенціал технічний теоретичний Гідроенергія 10 50 147 Біомаса 50 >276 2900 Енергія: - сонячна 0,0 > 1575 3 900 000 - вітрова 0,3 640 6000 - геотермальна 0,6 5000 140 000 000 - океану — — 7400 Разом 61 >7600 144 000 000

Економічний потенціал - це частина технічного, освоєння якого економічно виправдане в теперішній час при існуючому рівні цін на обладнання і матеріали, робочу силу і конкуруючі енергоресурси.

Сумарний теоретичний потенціал поновлювальних джерел енергії в декілька разів перевищує сучасний рівень світового споживання первинних паливно-енергетичних ресурсів. Тільки річний енергетичний потенціал сонячної радіації на поверхні Землі в 3000 разів вище загальної кількості споживаної у світі первинної енергії. Значні теоретичні потенціали мають й інші поновлювальні джерела енергії. Однак при існуючому рівні технологічного розвитку і кон’юнктурі, що склалася в теперішній час на світових енергетичних ринках, лише незначна їх частина може бути ефективно використаною. Так, якщо сумарний теоретичний потенціал припливної енергії у світі становить приблизно 22000 ТВт-год/рік, то лише 200 ТВт-год/рік можуть нині розглядатися як придатні до освоєння з технологічної та економічної точок зору. Проте і ця величина є дуже значною, вона перевищує сумарне річне виробництво електроенергії в Бельгії, Данії, Фінляндії і Португалії разом узятих.

Інтерес становить світова перспектива розвитку поновлювальних джерел енергії. Результати оцінки можливого використання поновлювальних джерел енергії в 2020 p., представлені Світовою енергетичною радою, наведено в таблиці 4.1.3 [3].

енергії в 2020 р. Джерело енергії Мінімальний сценарій Максимальни й сценарій млн т н. е. частка в структ урі ПДЕ, % млн т н. е. частка в структ урі ПДЕ, % Біомаса з використанням 243 45 561 42 сучасних технологій Сонячна енергія 109 20 355 26 Вітрова енергія 85 16 215 16 Геотермальна енергія 40 7 91 7 Енергія малих річок 48 9 69 5 Енергія океанів 14 3 54 4 Разом: 539 100 1345 100 % до сумарної всесвітньої потреби в первинних 3-4 8-12 енергоресурсах н. е. - нафтовий еквівалент; 1 т н. е. = 10000 ккал/кг

На цей час частка поновлювальних джерел енергії у світових обсягах енергоспоживання становить близько 12-14 %. Країни Європейського Союзу планують до 2010 р. збільшити частку поновлювальних джерел енергії з 6 до 10-12 %. Системні дослідження, виконані під егідою ООН, показують, що частка поновлювальних джерел енергії у світовому балансі споживання паливно-енергетичних ресурсів у 2050 р. може досягти 50 %.

У світі вартість електричної енергії від поновлювальних джерел енергії, виробленої на різних видах електростанцій, знаходиться в середньому на рівні традиційних електростанцій, за виключенням фотоенергетики, де вартість електроенергії в 4-5 разів вища. Спостерігається стійке зниження вартості електроенергії від поновлювальних джерел енергії, в тому числі і на фотоелементах.

Однією з головних переваг ПДЕ є зменшення викидів парникових газів, що досягається за рахунок заміщення електростанцій, які працюють на викопному паливі, генеруючими потужностями та поновлювальними джерелами. ПДЕ можуть відіграти свою роль у зменшенні місцевого забруднення повітря. Завдяки тому, що вони виділяють незрівняно менше забруднюючих речовин порівняно з традиційними джерелами, системи поновлювальних джерел зможуть поліпшити якість повітря в містах і зонах відпочинку.

У таблиці 4.1.4 наведено викиди основних забруднювачів довкілля систем на поновлювальних джерелах за життєвий цикл [4].

Таблиця 4.1.4. - Викиди систем на поновлювальних джерелах енергії за життєвий цикл, г/(кВттод) Забруднювач довкілля Біологічне паливо Малі ГЕС Традиційні ГЕС Сонячні фотоелементи Сонячні колектори Вітрові установки Г еотермальні установки на сьогод ні в майбут ньому со2 17-27 15-18 9 3,6- 11,6 98- 167 26- 38 7-9 79 so2 0,07- 0,16 0,06- 0,08 0,03 0,009 - 0,024 0,20- 0,34 0,13 — 0,27 0,02- 0,07 0,02 NOx U- 2,5 0,35- 0,51 0,07 0,003 - 0,006 0,18 — 0,30 0,06- 0,13 0,02- 0,06 0,28

Для порівняння викиди вказаних речовин на традиційних джерелах енергії Великобританії мають значення г/(кВт-год): для установок на вугіллі С02 - 955 , S02 — 11,8, NOx - 4,3; для установок на нафті відповідно 818, 14,2, 4,0; для установок на газі відповідно 430, 0, 0,5; для установок на дизельному пальному відповідно 772,

1,6, 12,3.

Дослідження, проведені іноземними фахівцями, показують, що технології ПДЕ безпосередньо створюють робочі місця на всіх стадіях свого впровадження, від досліджень і демонстрацій до виробництва й установки обладнання, експлуатації та обслуговування станцій. Згідно з цими дослідженнями коефіцієнт зайнятості на 1 млн дол. США інвестицій становить близько 5,7 у вітровій і сонячній енергетиці. Традиційна вугільна енергетика створює лише 3,96 робочого місця на мільйон вкладених доларів. Це означає, що 1 млн дол. США, вкладений в ПДЕ, створює 40 % більше робочих місць, ніж аналогічні інвестиції в традиційну вугільну енергетику [4].

В таблиці 4.1.5 наведено рівень зайнятості в енергетичних технологіях систем поновлювальних джерел, для порівняння також подано трудомісткість виробництва енергії, що базується на природному газі [4].

Таблиця 4.1.5 - Рівень зайнятості в енергетичних технологіях, робоче місце і МВт Технологія Будівництво Експлуатація Вітрова енергія 2,57 0,20 Геотермальна енергія 4,00 1,67 Сонячна фотоенергетика 7,14 0,12 Сонячна теплоенергетика 5,71 0,22 Біоенергетика 3,71 2,28 Енергетика на природному газі 1,02 0,13

Дослідження впливу поновлювальної енергетики на зайнятість у ЄС прогнозують, що до 2020 р. буде створено більше 900 тис. робочих місць, що напряму чи побічно пов’язані з промисловістю ПДЕ.