Возобновляемая энергетика
Возобновляемая энергетика использует источники энергии, которые восстанавливаются естественным путём: солнечное излучение, ветер, движение воды, тепло недр и органическое вещество. Она уменьшает расход топлива и выбросы, но зависит от природных условий, времени суток и сезона.
Понятие и значение возобновляемой энергетики
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — природные источники, запасы которых восполняются в масштабе человеческой жизни или практически неисчерпаемы: солнечная радиация, ветер, речной сток, энергия приливов, геотермальное тепло и биомасса. В отличие от нефти, газа и угля, они не требуют постоянного извлечения ископаемого топлива.
Возобновляемая энергетика является частью электроэнергетики. Её развитие связано с тремя причинами: ограниченностью запасов топлива, необходимостью снизить загрязнение атмосферы и стремлением стран повысить энергетическую безопасность. Однако ВИЭ не всегда дают энергию равномерно, поэтому нужны накопители, резервные электростанции и объединённые энергосистемы.
- Преимущества: неисчерпаемость ресурсов, малые выбросы при работе, возможность строительства небольших установок рядом с потребителем.
- Ограничения: зависимость от погоды и рельефа, неравномерность выработки, высокая стоимость строительства отдельных объектов, необходимость сетей и накопителей.
- Принцип рационального природопользования: выбирать источник с учётом природных условий, экономической эффективности и воздействия на ландшафты и население.
Размещение станции определяется сочетанием ресурсного фактора и условий передачи энергии. Даже богатый ресурс не гарантирует выгодность проекта, если район удалён от потребителей, труднодоступен или строительство наносит большой ущерб природе.
Основные виды и условия размещения
Виды возобновляемой энергетики различаются по используемому природному процессу. На экзамене важно сопоставлять тип станции не только с названием ресурса, но и с районом его распространения.
| Вид энергетики | Используемый ресурс | Условия и районы размещения |
|---|---|---|
| Солнечная | Солнечная радиация | Районы с большим числом ясных дней и высокой продолжительностью солнечного сияния; особенно выгодны сухие субтропики и тропики. |
| Ветровая | Кинетическая энергия ветра | Побережья, открытые равнины, горные перевалы и другие территории с устойчивыми сильными ветрами. |
| Гидроэнергетика | Энергия речного стока и перепада высот | Полноводные реки, горные районы, ущелья; необходимы устойчивый сток и подходящий рельеф. |
| Геотермальная | Тепло земных недр | Области современного вулканизма и тектонической активности, где горячие воды близко подходят к поверхности. |
| Приливная | Периодические приливы и отливы | Побережья с большой амплитудой приливов и удобными бухтами или эстуариями. |
| Биоэнергетика | Органическое сырьё и отходы | Районы сельского хозяйства, животноводства, лесозаготовки и крупных городов. |
Солнечная и ветровая энергетика
Солнечные электростанции преобразуют излучение в электричество с помощью фотоэлектрических панелей или используют нагрев теплоносителя. Их мощность возрастает при ясной погоде и высоком положении Солнца, поэтому наиболее благоприятны территории с высокой суммарной солнечной радиацией. Недостатки — отсутствие выработки ночью и снижение эффективности при облачности.
Ветровые электростанции эффективны там, где ветер устойчив и достаточно силён. На побережьях ветер часто усиливается из-за различий в нагревании суши и моря. Внутри материков важны открытый рельеф, отсутствие лесов и горных преград. Ветроустановки требуют значительной площади, могут создавать шум и изменять облик ландшафта.
Какой район наиболее благоприятен для строительства ветровой электростанции?
Гидроэнергетика и другие источники
Гидроэлектростанция использует энергию воды, падающей с высоты или движущейся в русле. Её мощность зависит от расхода воды и перепада высот. Поэтому крупные ГЭС особенно характерны для полноводных горных рек и районов с большими запасами гидроресурсов. ГЭС дают регулируемую электроэнергию, но водохранилища затапливают территории, изменяют речные экосистемы и могут переселять население.
В формуле (1) \(P\) — мощность ГЭС, \(\eta\) — коэффициент полезного действия, \(\rho\) — плотность воды, \(g\) — ускорение свободного падения, \(Q\) — расход воды, \(H\) — перепад высот. Следовательно, увеличение расхода или напора при прочих равных условиях увеличивает мощность.
Геотермальные станции используют внутреннее тепло Земли. Приливные станции преобразуют энергию периодического движения морской воды. Биоэнергетика получает тепло или биогаз из древесины, сельскохозяйственных отходов и органической части бытовых отходов. Биоэнергетика особенно полезна там, где сырьё образуется постоянно и его перевозка на большие расстояния невыгодна.
Сравнение источников и энергетический баланс
В топливно-энергетическом балансе мира возобновляемые источники постепенно увеличивают долю, но полностью заменить традиционные источники быстро невозможно. Важны не только установленные мощности, но и фактическая выработка: солнечная и ветровая станции могут иметь большую мощность, однако работать непостоянно.
| Критерий | Солнечная и ветровая | Гидроэнергетика | Геотермальная и биоэнергетика |
|---|---|---|---|
| Зависимость от погоды | Высокая | Зависит от водности года, но выработка лучше регулируется | Обычно ниже; зависит от местного ресурса и поставок сырья |
| Масштаб | От бытовых установок до крупных парков | Чаще средние и крупные объекты | От локальных установок до крупных станций |
| Главное природное условие | Радиация или устойчивый ветер | Расход воды и перепад высот | Тепло недр или наличие биомассы |
| Основной экологический риск | Занятие земель, отходы оборудования | Изменение речных экосистем и затопление | Выбросы при сжигании биомассы, локальное истощение ресурса |
Сначала определите, какой ресурс нужен станции. Затем найдите на карте или в тексте признак его концентрации: солнечность, ветреность, полноводность рек, горный рельеф, вулканизм или избыток биомассы. После этого проверьте транспортную доступность, близость потребителя и возможные экологические последствия.
Разобранный пример: расчёт мощности ГЭС
Расход воды через турбины ГЭС равен \(Q=200\ \text{м}^3/\text{с}\), перепад высот \(H=50\ \text{м}\), КПД станции \(\eta=0{,}9\). Плотность воды \(\rho=1000\ \text{кг/м}^3\), \(g\approx10\ \text{м/с}^2\). Найдите мощность станции.
Ответ: мощность ГЭС составляет 900 МВт. Если в другом варианте увеличится расход воды в два раза, мощность также увеличится в два раза; если перепад высот уменьшится вдвое, мощность уменьшится вдвое.
Не путайте мощность и выработку электроэнергии: мощность измеряется в ваттах, а выработка за время — в ватт-часах. В задачах по ГЭС нельзя забывать КПД и перевод единиц. В заданиях на размещение не следует считать, что любая солнечная станция подходит для любого района: важны солнечность и продолжительность ясной погоды.
Экологические и социальные последствия
Возобновляемая энергетика обычно снижает выбросы парниковых газов и загрязнителей воздуха по сравнению со сжиганием угля или мазута, но не является полностью безвредной. Строительство ГЭС меняет сток и условия жизни речных организмов; солнечные и ветровые станции занимают земли; линии электропередачи пересекают природные территории; добыча материалов для оборудования также требует ресурсов.
Поэтому современная энергетическая политика сочетает разные источники, развивает энергосбережение, модернизирует сети и учитывает мнение местных жителей. Рациональная система не просто наращивает число станций, а подбирает источник к природным условиям и потребностям территории. Эти связи помогают выполнять задания о факторах размещения промышленности и воздействии хозяйства на природу.
Проверь себя
Главное
- ВИЭ восполняются естественно; основные виды — солнечная, ветровая, гидро-, геотермальная, приливная энергетика и биоэнергетика.
- Размещение станции зависит от природного ресурса, рельефа, близости потребителей, сетей и экологических ограничений.
- Мощность ГЭС рассчитывают по формуле \(P=\eta\rho gQH\).
- Солнечная и ветровая энергетика зависят от погоды, а ГЭС — от расхода воды и перепада высот.
- Возобновляемая энергетика снижает загрязнение, но также может менять ландшафты и экосистемы; необходим комплексный подход.