Электростанции

В настоящее время существует три  схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных  ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема  производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар  или вода) и ее температуры. Первыми  были освоены электростанции на сухом  пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через  турбину/генератор. Электростанции с  непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182^ОС) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

1. Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно  на гидротермальном пару. Пар поступает  непосредственно в турбину, которая  питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также  отпадает необходимость в транспортировке  и хранении топлива). Это старейшие  геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена  в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она  действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная  геотермальная электростанция в  мире.

2. Геотермальные электростанции на парогидротермах

Для производства электричества на таких  заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный  раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого  часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в  следующем испарителе для получения  еще большей мощности.

3. Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии

Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая  геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через  теплообменник. Тепло геотермальной  воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически  отсутствуют. Воды умеренной температуры  являются наиболее распространенным геотермальным  ресурсом, поэтому большинство геотермальных  электростанций будущего будут работать на этом принципе.

4. Перспективы геотермальной энергетики

Резервуары  с паром и горячей водой  являются лишь малой частью геотермальных  ресурсов. Земная магма и сухая  твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны  соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными  производителями геотермальной  электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.

Чтобы геотермальное электричество стало  ключевым элементом энергетической инфраструктуры США, необходимо разработать  методы по уменьшению стоимости его  получения. Департамент Энергетики США работает с представителями  геотермальной промышленности по уменьшению стоимости киловатт-часа до $0,03-0,05. По прогнозам, в ближайшее десятилетие  появятся новые геотермальные электростанции мощностью 15 000 МВт.

4. Солнечная энергетика

Солнечная энергетика – направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

1. Солнечные электростанции

Солнечная электростанция – инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:

2. СЭС башенного  типа

Данные  электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции  стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат – зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача – это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

3. СЭС тарельчатого типа

Данный  тип СЭС использует принцип получения  электроэнергии, схожий с таковым  у башенных СЭС, но есть отличия в  конструкции самой станции. Станция  состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника  и отражателя. Приемник находится  на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал – нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

4. СЭС, использующие фотобатареи

СЭС этого типа в настоящее время  очень распространены, так как  в общем случае СЭС состоит  из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и  выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения  как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться  фотобатареи могут практически  везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными  территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных  насосов, заканчивая электроснабжением  небольшого посёлка.

5. СЭС использующие параболические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в  нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в  турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается  параболическое зеркало большой  длины, а в фокусе параболы устанавливается  трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и  в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

6. Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно  устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая  используется как для технических  нужд, так и для горячего водоснабжения  и отопления. В этом и состоит  суть комбинированных СЭС. Также  на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной  СЭС.

5. Перспективы солнечной энергетики

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия  сможет к 2050 году обеспечить 20-25% потребностей человечества в электричестве и  сократит выбросы углекислоты. Как  полагают эксперты Международного энергетического  агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем  уровне распространения передовых  технологий будет вырабатывать около 9 тыс. ТВт/ч – или 20-25% всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд. тонн ежегодно.

9. Осмотическая  электростанция

Альтернативные  источники энергии все чаще и  чаще поражают своей оригинальностью. Например, соль – обычный хлористый натрий, который есть в каждом доме. Казалось бы, при чем тут электроэнергетика? Однако 24 ноября 2009 года в столице Норвегии – Осло – был запущен прототип первой в мире электростанции, работающий от соли.

Принцип работы станции основан на осмотическом давлении. Специальная мембрана, пропускающая воду, но не пропускающая молекулы соли, ставится между двумя резервуарами. В один из них наливается пресная вода, в другой – соленая. Поскольку такая система стремится к равновесию, более соленая вода как бы вытягивает пресную воду из резервуара. Если перед мембраной поставить генератор, избыточное давление будет вращать его лопасти и вырабатывать электричество.

Идею, как это часто бывает, подсказала живая природа: по этому же принципу происходит перенос веществ в  клетках – такие же частично проницаемые мембраны обеспечивают упругость клеток. Осмотическое давление уже давно успешно применяется человеком при опреснении морской воды, но для выработки электричества пока использовано впервые.

На  данный момент прототип вырабатывает около 1 кВт энергии. В ближайшее время эта цифра может увеличиться до 2–4 кВт. Для того чтобы можно было говорить о рентабельности производства, необходимо получить выработку около 5 кВт. Однако, это вполне реальная задача. К 2015 году планируется построить большую станцию, которая обеспечит выработку 25 МВт, что позволит питать электричеством 10 000 средних домохозяйств. В перспективе же предполагается, что ОЭС станут такими мощными, что смогут вырабатывать 1700 ТВт в год, столько, сколько сейчас вырабатывает половина Европы. Главная задача на данный момент – найти более эффективные мембраны.

Игра, безусловно, стоит свеч. Преимущества осмотических станций очевидны. Во-первых, соленая вода (для работы станции подходит обычная морская вода) является неисчерпаемым природным ресурсом. Поверхность Земли на 94% покрыта водой, 97% которой является соленой, поэтому для таких станций всегда будет топливо. Во-вторых, для организации ОЭС не требуется строительства специальных площадок: подойдут любые неиспользуемые помещения уже существующих предприятий или других служебных зданий. Кроме того, ОЭС могут быть поставлены в устьях рек, где пресная вода втекает в соленое море или океан – и в этом случае не понадобится даже специально заливать в резервуары воду. Обслуживание таких станций состоит только в том, чтобы своевременно удалять соляной налет из резервуаров.

1. Экологичность

Отдельно  хочется отметить абсолютную экологичность  данного способа добычи электроэнергии. Никаких отходов, окисляющихся материалов для резервуаров, вредных испарений. ОЭС может быть установлена даже в черте города, не нанося никакого ущерба его жителям.

Также работа ОЭС не требует других источников энергии для запуска и не зависит  от климатических условий. Все это делает ОЭС практически идеальным способом выработки электроэнергии.

Предполагается, что в перспективе станция  должна обеспечивать выработку 25 МВт – этого достаточно для обслуживания около 10 000 средних домохозяйств. Дальнейшее развитие ОЭС должно обеспечить выработку 1700 ТВт в год.

При этом для таких электростанций топлива  всегда будет в избытке, так как  поверхность Земли на 94% покрыта  водой, 97% которой является соленой.

Осмотическая  электростанция – стационарная энергетическая установка, основанная на принципе диффузии жидкостей (осмос).

Первая  и единственная, на данный момент в  мире, осмотическая электростанция построена  компанией Statkraft в норвежском городе Тофта. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F - cite_note-membrana-0Строительство электростанции обошлось в 20 миллионов долларов и 10 лет, проведенных в исследованиях и разработке технологии. Эта электростанция пока вырабатывает очень мало энергии: примерно 2–4 киловатта. Впоследствии планируется увеличить выработку энергии до 10 киловатт.

На  данный момент электростанция имеет  вид экспериментальной, но в случае успешного завершения испытаний, станция  будет запущена для коммерческого  использования.

2. Принцип действия

Осмотическая электростанция берёт  под контроль смешивание солёной  и пресной воды, тем самым извлекает  энергию из увеличивающейся энтропии жидкостей. Смешивание проходит в резервуаре, который разделен на два отсека полупроницаемой мембраной. В один отсек подается морская вода, а в другой пресная. За счёт разной концентрации солей в морской и пресной воде, молекулы воды из пресного отсека, стремясь выровнять концентрацию соли, переходят через мембрану в морской отсек. В результате этого процесса в отсеке с морской водой формируется избыточное давление, которое в свою очередь используется для вращения гидротурбины вырабатывающей электроэнергию.

Рис. № 6. Схематическое строение станции

3. Преимущества  и недостатки технологии

Преимущества:

• В отличие от ветра и солнца, предоставляется непрерывный возобновляемый источник энергии, с незначительными сезонными колебаниями.
• Отсутствует парниковый эффект.