Альтернативные источники энергии в г. Липецке и Липецкой области.

Государственное областное автономное общеобразовательное учреждение «Центр образования, реабилитации и оздоровления»

Альтернативные источники энергии

в г. Липецке и Липецкой области.

Учитель географии

Сидякина Наталья Михайловна

2019 г.

г. Липецк

Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется — всё энергия. Перед нами грандиозная задача — найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами.
Никола Тесла

Введение

Энергия- сфера экономической деятельности человека, совокупность крупных естественных и искусственных подсистем, служащая для преобразования, распределения и использования энергоресурсов всех видов.

Энергия родилась много миллионов лет назад, когда люди научились разводить огонь: они охотились с огнем, получали свет и тепло, и это служило источником радости и оптимизма в течение многих лет.

В наше время людям требуется всё больше и больше энергии, поскольку увеличиваются темпы роста производства, увеличивается численность населения Земли. Привычные способы добычи энергии приводят к загрязнениям, поэтому люди пытаются найти альтернативные источники энергии.

Современные, наиболее используемые источники электроэнергии - это тепловые, атомные и гидравлические электростанции, но они не экологичны. Альтернативная энергетика, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, уже сейчас позволяет в той или иной степени решить проблему экологии и исчерпаемости топливных ресурсов. На сегодняшний день существует несколько технологий получения альтернативной энергии:

- солнечные батареи;

- ветрогенераторы;

- геотермальная энергетика;

- энергия приливов и отливов.

Все эти технологии актуальны, но имеют свою область применения, так как зависят от многих внешних факторов того или иного региона. Учитывая высокую стоимость внедрения альтернативных источников, становится важным предварительный анализ погодных и географических условий территории, на которой планируется применение технологии получения альтернативной энергии.

Липецкая область располагается в центральной части Европейской России. Развитая промышленность и сельское хозяйство является мощным стимулом освоения ранее свободных территорий и развития строительства частного сектора и объектов малого предпринимательства. Не всегда и не везде к такому жилью есть возможность подведения стандартных источников энергии. А постоянный рост тарифов вынуждает задуматься над замещением таких источников альтернативными видами энергии. Так, есть ли возможность, использовать альтернативные источники энергии в нашей области? Попытаюсь определить современные технологиии генерации электрической энергии и степень внедрения и развития альтернативных источников энергии в г. Липецке и Липецкой области.

Поиски новых видов энергии в Липецкой области

Липецкая область имеет мощный природно-ресурсный, трудовой, инвестиционный, инфраструктурный и экономический потенциал, который определяет перспективы ее развития. В последние годы наблюдаются высокие темпы роста в большинстве отраслей экономики, что ведет к увеличению потребления топливно-энергетических ресурсов на производство отдельных видов продукции.

Общий объем потребления топливно-энергетических ресурсов в Липецкой области составляет в среднем 19,3 млн. тонн условного топлива в год, основная доля которого приходится на обрабатывающие производства (88,43%), производство и распределение электроэнергии, газа и воды (8,82%), сельское хозяйство (1,71%), транспорт и связь (0,7%).

В расчете на рубль валового регионального продукта потребление топливно-энергетических ресурсов составляет 0,07 кг условного топлива, что выше среднероссийских показателей на 5,2%. Это обусловлено как природно-климатическими условиями региона, так и структурой валового регионального продукта, в котором доля энергоемких промышленных производств, большую часть которых занимает металлургия и металлообработка, составляет 44%.

Снижение энергоемкости валового регионального продукта и создание на этой основе условий для обеспечения устойчивого развития экономики и повышения ее конкурентоспособности является одним из приоритетов государственной политики в Липецкой области.

Топливно-энергетический баланс Липецкой области недостаточно оптимизирован с учетом возможности использования местных, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Кроме того, энергосистема Липецкой области является дефицитной в части производства электрической энергии, только 47% потребности региона в электроэнергии покрывается за счет собственной выработки теплоэлектроцентралями. При этом удельный расход условного топлива (кг) на 1 отпущенный кВт.ч электроэнергии, вырабатываемой теплоэлектроцентралями области, составляет 0,323, что выше среднероссийского показателя на 9,6%. Производство тепловой энергии также характеризуется высоким уровнем энергетических издержек. Так, на выработку 1 Гкал расходуется 154,8 кг условного топлива, что выше среднероссийского показателя на 8,7%.

В целях создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов и повышения энергоэффективности экономики Липецкой области создана ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПРОГРАММА ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ "ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИКИ В ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ».

Программа направлена на решение задач Энергетической стратегии России на период до 2030 года и соответствует основным направлениям развития экономики и социальной сферы Липецкой области, определенным Стратегией социально-экономического развития Липецкой области на период до 2020 года, утвержденной Законом Липецкой области от 25 декабря 2006 года N 10-ОЗ.

Анализ текущего состояния сферы реализации государственной программы показывает наличие ряда проблем. Вот некоторые из них:

-недостаточно эффективное использование имеющихся мощностей по производству электрической и тепловой энергии, значительные потери энергоресурсов в процессе их производства и транспортировки до потребителей;

-низкая степень вовлечения в хозяйственный оборот местных, возобновляемых и нетрадиционных топливно-энергетических ресурсов;

-недостаточная мотивация производителей и потребителей энергоресурсов к внедрению энергосберегающих технологий.

Для решения указанных проблем необходимо осуществление комплекса мер по интенсификации энергосбережения, которые заключаются:

- в разработке, принятии и реализации согласованных действий органов государственной власти, местного самоуправления Липецкой области и организаций, направленных на активизацию процессов обновления и роста производственных мощностей за счет внедрения нового энергосберегающего оборудования и создания новых энергоэффективных производств;

- в обеспечении надежного энергоснабжения потребителей Липецкой области, в том числе за счет создания альтернативных источников энергии;

- в обеспечении учета и контроля за потреблением энергоресурсов;

- в формировании условий и механизмов, способствующих появлению и реализации конкретных проектов по энергоресурсосбережению.

Современные альтернативные источники электроэнергии

Анализ информационных источников позволил сделать выводы о том, что с учетом стоимости и реальности внедрения на территории Липецкой области возможно применение следующих альтернативных источников энергии:

1) ветрогенераторы;

2) солнечные батареи;

3) генераторы электрической энергии с двигателями на альтернативном топливе (газ, биотопливо);

4) топливные элементы;

5) теплогенераторы.

Сложность внедрения технологий п.п.3-5 и их высокая стоимость позволяют уже на этапе первоначального анализа отклонить их применение в условиях поставленной цели.

Генераторы на основе солнечной энергии.

На территории Липецкой области внедряются современные инноваци-онные технологии, позволяющие вырабатывать электроэнергию используя солнечное излучение.

Так на крышах четырех зданий ФКУ «Главное бюро медико-социальной экспертизы по Липецкой области», расположенных в областном центре, городах Елец и Грязи,  установлены монохромные солнечные батареи фирмы Bosch.  Установка новейшей передовой техники позволяет ежедневно вырабатывать за счет энергии солнца от 6,5 до 7,0 тыс. кВт*ч. В текущем году планируется увеличить количество солнечных панелей и за счет выработанной энергии обеспечить здания собственной тепловой энергией на нужды отопления и горячего водоснабжения.

Кроме того, на федеральных трассах Липецкой области, произведена установка более 100 автономных осветительных систем (АОС). Такое мероприятие является оптимальным решением проблем, связанных с отсутствием возможности подключения электричества или высоких затрат на него. Если в населенных пунктах линии электроосвещения подключаются к стационарным источникам питания, то на тех участках дорог, где такая возможность отсутствует, применяют АОС.

При условии полной зарядки аккумуляторных батарей АОС работает 72 часа, планируемый срок ее службы составляет 25 лет.

На данный момент в городе Ельце установлено 35 фонарей на солнечных батареях на общую стоимость около 3 млн. руб. Фонари устанавливались на улицах, на которых уличное освещение отсутствовало. По расчетам специалистов годовой экономический эффект от установки светильников составит 15904 кВт*ч/год.
В Липецке активно устанавливают новые «умные» светофоры. Из полутора тысяч объектов за 2 года (2018-2020) поменяют тысячу. Современные регулировщики в тридцать раз экономичнее, а главное цвета на них водители различают лучше. Уже сейчас за работой светофоров примерно на тридцати перекрестках сотрудники предприятия «Горсвет», именно они отвечают за технику, могут следить дистанционно. Задача максимум — видеть все объекты и оперативно следить за ситуацией, минимизируя пробки. Для этого специалисты сейчас работают над созданием Центра организации дорожного движения.

Фото взяты из Интернета.

Солнечные батареи обладают массой достоинств:

Экономичность. Солнечная энергия относится к бесплатным ресурсам и является доступной всем желающим. Поэтому, имея в наличии такое устройство, не придется тратить средства на покупку сырья.

Долговечность. Срок эксплуатации устройств в среднем составляет 26 лет. Помимо этого солнечные батареи почти не изнашиваются и не требуют сложного ухода и постоянного привлечения профессионалов из сервиса (достаточно чистки модулей 1-2 раза в год), что также благоприятно сказывается на бюджете обладателя устройства.

Экологичность. Солнечные электростанции не выделяют токсичных и радиоактивных элементов, благодаря чему являются совершенно безопасными для окружающей среды и для находящихся в доме людей.

Бесшумная работа. Для выработки энергии не требуется наличия движущихся механизмов, поэтому батареи работают совершенно беззвучно.

Независимость. Качество работы станции не зависит от перебоев в работе местной электросети. Поэтому, даже в случае полного отключения района от энергоснабжения, электростанции обеспечат дом светом.

Универсальный характер использования. Солнечные батареи могут быть использованы практически повсеместно, на объектах разного назначения (жилые дома, аграрный сектор, промышленные предприятия и так далее).

Единственным минусом солнечных батарей принято считать их высокую стоимость. Однако, перечисленные выше достоинства с лихвой окупят все лишние траты.

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (кремниевые тонкопленочные батареи), а также концентраторные батареи.

Солнечные батареи на основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами кремния.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ - чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными солнечными батареями.

Обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, обладают и рядом недостатков. Кремний из-за своих особых электрофизических свойств обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, некоторые модифицированные формы кремния, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

- увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

- использовать аморфный кремний, обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний.

По первому пути пошла австралийская фирма CSG Solar Ltd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская Oerlikon Solar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния, эффективность которых также составляет 11- 13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных - наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев: Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи и GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог. Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 кв.см и сфокусировав его на 1 кв.см солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 кв.см без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы. В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма- производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем
Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Генераторы на основе энергии ветра
Ветроэнергетика— отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью и наша область не осталась в стороне от этого вопроса.
Из интервью начальника Управления энергетики и тарифов Липецкой области Альберта Соковых (20.12.2017г): «В ближайшее время мы планируем провести мониторинг ветровой нагрузки и энергии солнца на территории всей Липецкой области. Результат этих кропотливых и технологически сложных исследований позволит нам определить точки размещения станций. Отдельное внимание уделим возможности строительства ветропарка мощностью свыше 35 МВт на территории Елецкого участка ОЭЗ «Липецк».
Власти города Липецка рассчитывают запустить первую ветряную электростанцию в 2019 г. За строительство уже взялись липецкие предприятия: специалисты компании «ЛТК «Свободный Сокол» способны отлить основные элементы металлоконструкций установки, на усманском заводе «Генборг» выпустить генератор, а на «Липецком станкостроительном предприятии» произвести механическую обработку основных узлов и деталей. Необходимую площадку для строительства подыскивают в Елецком, Задонском, Хлевенском или Усманском районах. Инвестиции в проект составят около 1 млн евро. Финансирование планируется осуществить за счет инвесторов. Согласно плану, первая станция мощностью один мегаватт может быть произведена в течение 2019 года.

Станция будет девятилопастная, включается в работу при скорости ветра три метра в секунду, звуковое воздействие из-за более высокой амплитуды вращения значительно уменьшается. Коэффициент полезного действия составит до 70%. При стоимости в миллион евро срок окупаемости — не более семи лет. Парк таких ветряков способен удовлетворить потребности в электроэнергии все предприятия ОЭЗ «Липецк».
Фото с сайта http://www.cleanenergo.ru/2018/v-lipetskoj-oblasti-k-sleduyushhemu-godu-planiruyut-postroit-pervuyu-vetryanuyu-elektrostantsiyu/

Проанализировав возможности Липецкой области, можно сделать вывод, что, из основных причин внедрения альтернативных источников энергии, самой актуальной является снижение затрат на оплату электроэнергии.

Из рассмотренных технологий экономически выгодным является применение ветрогенераторов мощностью не менее 2 мВт. При сроке эксплуатации ветрогенераторов более 10 лет возникает реальная экономия денежных средств.

Солнечные батареи можно применять в качестве резервного источника питания небольшой мощности, но в случае снижения цены на такие системы экономическая выгода может сравниться с выгодой от ветрогенераторов.

Список использованной литературы

1. Постановление Администрации Липецкой области от 7 ноября 2013 г. N 499 Об утверждении государственной программы Липецкой области "Энергоэффективность и развитие энергетики в Липецкой области". Приложение//c.3-5

2. М.В. Голицын, А.М. Голицын, Н.В. Пронина. Альтернативные энергоносители- Москва: Изд. Наука, 2004 г.- 157 с.

1. Коробейников Ал. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ. Проектная работа - Липецк: Г(О)БОУ ДОД ЦЕНТР РАЗВИТИЯ ТВОРЧЕСТВА ДЕТЕЙ И ЮНОШЕСТВА, 2015 г.- 20 с.

Статья из газеты

1. Подключаемся к солнцу. Будущее за возобновляемыми источниками энергии? -2017-№51 Еженедельник "Аргументы и Факты" http://www.chr.aif.ru/lip/events/podklyuchaemsya_k_solncu_budushchee_za_vozobnovlyaemymi_istochnikami_energii

Электронные ресурсы

1. Управление Энергетики и тарифов Липецкой области - http://energy48.ru/

2. Альтернативная энергетика в Липецкой области- http://e-saving.energy48.ru/alt/news

3. Википедия- https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0