Материал: Тема VII. Природні ресурси.Альтернативні джерела енергії

Сталий розвиток природокористування енергетичної кризи.

На сьогодні є принаймні два головні шляхи. Перший - це енергозбереження, а другий - упровадження і використання нетрадиційних (альтернативних) та відновних джерел енергії (ВДЕ).

Енергозбереження - це розробка систем, які більш ефективно використовують енергію, тобто забезпечують такий самий або навіть вищий рівень опалення, освітлення, транспортних послуг тощо при менших енергозатратах.

Зазвичай 60-80 % споживаної енергії не перетворюється на корисну працю, а губиться у вигляді тепла. Енергозбереження передбачає значне зниження цих втрат.

Широко застосовується такий напрямок енергозбереження, як поліпшення термоізоляції приміщень, що знижує енерговитрати на опалення та охолодження.

Так само в усьому світі відбувається усвідомлена заміна традиційних електричних ламп флуоресцентними.

І нарешті, дуже перспективний напрям енергозбереження – когенерація - це розміщення електрогенератора разом з його джерелом енергії безпосередньо у кожній будівлі.

У світі все більше звертають увагу на використання так званих відновних джерел енергії - тепла Землі, енергії вітру, припливів та відпливів, біогазу, сонячного випромінювання тощо. Практично всі ці джерела енергії повністю зумовлені прямою дією Сонця.

Отже, другим шляхом подолання сучасної енергетичної кризи (після енергозбереження) є перехід до використання альтернативних (нетрадиційних,

відновних) джерел енергії. Альтернативна енергетика охоплює такі види: геліоенергетика, змішана, біоенергетика, вітро-, гідро-, геотермоенергетика, космічна, енергетика вторинного використання викидного тепла (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Види альтернативних джерел енергії

11

3.1. Енергія Сонця Сонце - невичерпне джерело енергії.

Сонячна енергія - це кінетична енергія випромінювання (в основному світла), яка утворюється в результаті термоядерних реакцій у надрах Сонця.

Сонячна енергетика - прогресивний метод отримання різного виду енергії, використовуючи сонячне випромінювання.

Світлове випромінювання можна уловлювати та використовувати безпосередньо тоді, коли воно досягає Землі, - це пряме використання сонячної енергії.

Метод прямого перетворення сонячного випромінювання в електрику є, поперше, найбільш зручним для споживача, оскільки отримується найбільш вживаний вид енергії, і, по-друге, такий метод вважається екологічно чистим на відміну від інших, які використовують органічне паливо, ядерну сировину чи гідроресурси.

На кожний 1 м2 поверхні земної атмосфери падає 1300 Вт сонячної енергії. Інтенсивність сонячного випромінювання, яке досягає Землі, залежить від кількох факторів, передусім від географічної широти місцевості. Найбільша вона на екваторі (до 2300 кВт/м2 на рік), а на широті України становить близько 1000 кВт/м2 на рік.

Важливими показниками є тривалість сонячного сяйва та хмарність,

оскільки переривчастість у надходженні сонячної радіації (за рахунок якої втрачається значна частина енергії) негативно впливає на роботу геліоустановок.

Нинішні способи отримання електрики і тепла із сонячного випромінювання:

•Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів.

•Геліотермальна енергетика - нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені, подальший перерозподіл і використання тепла. Сонячне випромінювання фокусується на посудині з водою, а потім нагріта вода використовується для опалювання або у парових електрогенераторах.

•Термоповітряні електростанції - це перетворення сонячної енергії

уенергію повітряного потоку, що спрямовується на турбогенератор.

•Сонячні аеростатні електростанції - це генерація водяної пари усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритої селективно-поглинальним покриттям. Головна перевага полягає у тому, що запасу пари у балоні достатньо для роботи електростанції у темні години доби й у хмарну погоду.

Для одержання електроенергії використовують декілька методів. Найперспективнішим вважається метод безпосереднього перетворення випромінювання на електричну енергію за допомогою сонячних батарей.

Сонячна батарея - це електрична установка, що генерує постійний струм та складається з орієнтованих за сонцем сонячних модулів, які мають спільну несучу конструкцію.

12

Робота сучасних геліоелектростанцій базується на наступному принципі.

Установлені на значній, до декількох тисяч квадратних метрів, території дзеркала-геліостати, що повертаються за рухом Сонця, спрямовують промені сонячного світла на місткість з теплоприймачем, яким зазвичай є вода. Далі все відбувається так само, як на звичайних ТЕС: вода нагрівається, закипає, перетворюється на пару, пара крутить турбіну, турбіна передає обертання на ротор генератора, а той виробляє електрику.

Перша промислова сонячна електростанція (CEC) була побудована у 1985 р. у Криму і мала пікову потужність 5 МВт - стільки само, скільки й перший ядерний реактор.

Використовувати енергію Сонця у побуті можна і без перетворення її на електрику. Для того, щоб нагріти холодну кімнату або воду у водопроводі, можна безпосередньо скористатися сонячним теплом.

Установки, що збирають, зберігають і передають це тепло, називаються

сонячними колекторами.

Сонячний колектор - це засіб для збирання сонячної енергії, яка використовується для підігрівання води для побутових потреб.

На даху будинку або на його південній стіні встановлюють панель, що складається з тоненьких трубочок, якими у спеціальний бак-акумулятор подають воду. Сонце нагріває трубки, які нагрівають воду, вода (температура якої може доходити до 60-90 °С) накопичується у баку і потім використовується для обігріву або забезпечення гарячою водою.

За використанням сонячної енергії на душу населення перше місце у світі посідає Кіпр, де майже 90 % будинків та готелів оснащені сонячними водонагрівачами. В Ізраїлі сонячна енергія забезпечує приблизно 65 % гарячого водопостачання. А в Іспанії, згідно із законодавством, кожен новий будинок, що будується, має бути обладнаний системою живлення від сонячної енергії. У Китаї діє масштабна державна програма підтримки розвитку технологій для одержання електроенергії із сонячного світла. У Китайській академії наук стверджують, що до 2050 р. Сонце має стати основним джерелом енергії у країні.

Україна: 2010 року Україна рік не мала жодної великої сонячної електростанції.

За 2017-2019 роки введено в експлуатацію 115, а домашні СЕС встановило майже 1400 родин.

Україна займає сьоме місце, серед країн Європи за темпами розвитку сонячної енергетики, тому пропонуємо вам дізнатись більше про 10 нових найпотужніших СЕС України.

1. СЕС Тоkmak Solar Energy (м. Токмак, Запорізька область): потужність – 50 МВт , площа – 96,4 га, рік запуску – 2018. Електростанція Токмак є найбільшою в Україні.

13

2.СЕС Терновиця (с. Терновиця Яворівського району Львівської

області): потужність – 20 МВт, площа – 12 га, Рік запуску – 2018. СЕС Терновиця зможе забезпечити енергією п’ять тисяч домашніх помешкань. Це є важливим кроком вперед у напрямку зеленої енергетики, яка дає Україні великі перспективи.

3.ФЕС Костогризове (с. Костогризове Олешківського району Херсонської області): потужність – 18 МВт, площа – 30 га, рік запуску – 2018.

4.СЕС TIU Canada (м. Нікополь, Дніпропетровська область): потужність – 10,5 МВт, площа – 15 га, рік запуску – 2017. Сонячна електростанція в Нікополі – це перша інвестиція, яка була зроблена у рамках угоди про Зону вільної торгівлі між Україною та Канадою. Інвестором будівництва виступила канадська компанія TIU Canada Ltd.

5.СЕС Озерна (с. Залужжя Яворівського району Львівської області): потужність – 9,9 МВт, площа – 20 га, рік запуску – 2016.

6.СЕС Тийглаш (с. Тийглаш, Закарпатська область): потужність – 9,072 МВт, площа – 35 га, рік запуску – 2017.

7.Добрівлянська ФЕС (с. Добрівляни Заліщинського району Тернопільської області): потужність – 7 МВт, площа – 9 га, рік запуску – 2018.

8.Димерська СЕС (м. Димерка, Київська область): потужність – 6 МВт, площа – 15 га, рік запуску – 2017. Сьогодні Димерська СЕС є найпотужнішою у Київській області. Планується підключити до системи ще три черги Димерської СЕС, завдяки чому потужність комплексу досягне 50 МВт, що відповідає 5% потужності типового блоку атомної станції.

9.СЕС Павлівка (с. Павлівка Тисменицького району ІваноФранківської області): потужність – 5,9 МВт, площа – 18 га, рік запуску –

2018.

10.СЕС Попельники (с. Попельники Снятинського району Івано – Франківської області): потужність – 4,1 МВт, площа – 8 га, рік запуску – 2016.

Отже, головними перевагами використання сонячної енергії є: екологічна чистота, надійність та можливість довготривалої експлуатації, безпека (наявність автоматичного захисту від короткого замикання, перегріву, перевантажень приладів; розряджання акумуляторів), простота монтування і розбирання, стійкість до впливу природних факторів.

Проте слід сказати і про деякі її недоліки:

По-перше, через відносно невелику величину для сонячної енергетики потрібне використання великих земельних площ під електростанції (наприклад, для CEC потужністю 1 ГВт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів).

По-друге, CEC не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік споживання електроенергії припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися внаслідок змін погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогодні

14

це поки що невирішена проблема), або будувати гідроакумулюючі станції, які теж займають велику територію, або використовувати концепцію водневої енергетики, яка також поки далека від економічної ефективності.

По-третє, сонячні фотоелементи високовартісні.

Незважаючи на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад, свинець, кадмій, галій, миш'як тощо, у їх виробництві використовуються також інші небезпечні речовини. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін експлуатації (30-50 років), їх активне застосування передбачатиме виникнення проблеми їх утилізації

Але перспективи подальшого розвитку сонячної енергетики дещо зменшуються через глобальне затемнення, тобто антропогенне зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.

3.2. Вітроенергетика

Основна відмінність такої електростанції від традиційних (теплових, атомних) полягає у повній відсутності сировини та відходів. Єдина основна вимога - високий середньорічний рівень вітру. Потужність сучасних промислових вітрогенераторів досягає 6 МВт.

Людство використовує енергію вітру вже більше 5000 років. Одним з найперших винаходів, який застосовував використання енергії вітру, було вітрило.

Перша вітрова електростанція промислового типу була побудована у США у м. Клівленд (штат Огайо) у 1888 р. Ч. Брашем. Це багатолопатева конструкція з діаметром лопатей 17 м. Ця станція успішно пропрацювала майже 20 років, довівши, з одного боку, перспективність цього напрямку енергетики, а з іншого - стала для конструкторів робочою моделлю при виробництві більш удосконалених установок.

У Радянському Союзі перша вітрова електростанція потужністю 8 кВт була споруджена у 1929-1930 рр. під Курськом. Через рік у Криму було побудовано більшу ВЕС потужністю 100 кВт, що на той час була найбільшою у світі. Вона успішно працювала до 1942 р., але під час війни була зруйнована.

Україна: Україна має значний природний потенціал для реалізації вітроенергетичних проектів. У 2019 році в Україні будуються масштабні вітропарки загальною потужністю майже 1 ГВт, а існуючі сьогодні перевищують 706 МВт.

Сім найпотужніших вітрових електростанцій в Україні:

1. Ботієвська ВЕС (с. Ботієво, Запорізька область): потужність: 200 МВт, рік запуску: 2012 рік. Це найбільша вітрова електростанція України. Будівництво здійснено у дві черги: в грудні 2012 року було запущено 30 агрегатів, в квітні 2014 року — ще 35. Потужність станції дозволяє забезпечити електроенергією південь Запорізької області, а раніше – частину Криму до анексії. Станція дозволяє знизити шкідливі викиди в атмосферу приблизно на 730 тис т вуглекислого газу, що прирівнюється до викидів 365 тисяч машин

15