Характеристики морських рослин

Лекція 7

Гідроенергетика. Вторинні джерела енергії

ГІДРОЕНЕРГЕТИКА

Гідроенергетичні ресурси світу

Загальні відомості

Гідроенергоресурси - це запаси енергії води річкових потоків і водойм, розташованих вище рівня моря (а також енергії морських припливів).

Для гідроенергоресурсів характерна риса, що перетворення механічної енергії води в електричну відбувається на ГЕС без проміжного виробництва тепла.

Енергія рік поновлювана, причому циклічність її відтворення повністю залежить від річкового стоку, тому гідроенергоресурси нерівномірно розподіляються протягом року, крім того їхня величина міняється рік у рік. В узагальненому виді гідроенергоресурси характеризуються середньобагаторічною величиною (як і водні ресурси).

Вироблення електроенергії ГЕС світу після 2-ї Світові війни зростало великими темпами: з 200 млрд. квт-год у 1946 г. до 860 млрд. квт-год в 1965 г. і 975 млрд. квт-год. в 1978 г. А зараз у світі виробляється більше 2100 млрд. квт-ч гідроенергії в рік. Прискорений розвиток гідроенергетики в багатьох державах світу пояснюється перспективою наростання паливно-енергетичних і екологічних проблем, пов'язаних із продовженням наростання вироблення електроенергії на традиційні (теплових і атомних) електростанціях при слабко розробленій технологічній основі використання нетрадиційних джерел енергії. Основна частина світового вироблення ГЕС падає на Північну Америку, Європу, Росію і Японію, у яких виробляється до 80 % електроенергії ГЕС світу.

У ряді країн з високим ступенем використання гідроенергоресурсів спостерігається зниження питомої ваги гідроенергії в електробалансі. Так, за останні 40 років питома вага гідроенергії знизилася в Австрії з 80 до 70 %, у Франції з 53 до дуже малої величини (за рахунок збільшення виробництва електроенергії на АЕС), в Італії з 94 до 50 % (це пояснюється тим, що найбільш придатні до експлуатації гідроенергоресурси в цих країнах уже майже вичерпані). Одне із самих великих знижень відбулося в США, де виробіток електроенергії на ГЕС в 1938 р. становила 34 %, а вже в 1965 р. - тільки 17 %. У той же час в енергетиці Норвегії ця частка становить 99,6 %, Швейцарії й Бразилії - 90 %, Канади - 66 %.

Гідроенергетичний потенціал і його розподіл по континентам і країнам

Гідроенергетичний потенціал - сукупність валової потужності всіх окремих ділянок водотоку, які використовуються в цей час або можуть бути енергетично використані. Валова потужність водотоку, що характеризує собою його теоретичну потужність, визначається по формулі:

N кВт = 9,81 QH,

де Q - витрата водотоку, м³/с; H - падіння, м.

Потужність визначається для трьох характерних витрат: Q = 95 % - витрати із забезпеченістю 95 % часу; Q = 50 % - забезпеченістю 50 % часу; Qср - середньоарифметичний.

Класифікація у визначенні потенціалу:

Теоретичний валовий (брутто) гідроенергетичний потенціал (або загальні гідроенергетичні ресурси) включає:

1. поверхневий, враховуючу енергію стікаючих вод на території цілого району або окремо взятого річкового басейну;

2. річковий, враховуючу енергію водотоку.

Експлуатаційний чистий (або нетто) гідроенергетичний потенціал:

1. технічний (або технічні гідроенергоресурси) - частина теоретичного валового річкового потенціалу, що технічно може бути використана або вже використовується (світовий технічний потенціал оцінюється приблизно в 12300 млрд. квт-год);

2. економічний (або економічні гідроенергоресурси) - частина технічного потенціалу, використання якої в існуючих реальних умовах економічно виправдане (тобто економічно доцільне для використання.

Гідроенергетичні ресурси (повний гідроенергетичний річковий потенціал) окремих континентів

Насиченість гідроенергоресурсами території континентів, тис. квт-год на 1 кв. км

Приблизно 50 % світового водостоку падає на 50 найбільших рік, басейни яких охоплюють близько 40 % суши. П'ятнадцять рік із цього числа мають стік в обсязі 10 тис. км3/с або більше. Дев'ять із них перебувають в Азії, три - у Південній і дві - у Північній Америці, одна - в Африці.

У гідроенергоресурсах світу більша частина (близько 60 %) припадає на східну півкулю, що перевершує західну й по питомому (на одиницю площі) показнику гідроресурсної забезпеченості (відповідно 17 і 15 кВт/км2).

Завдяки високому рівню промислового розвитку, країни Західної Європи й Північної Америки протягом тривалого часу випереджали всі інші країни по ступені освоєння гідроенергоресурсів. Уже в середині 20-х років гідропотенціал був освоєний у Західній Європі приблизно на 6 %, а в Північній Америці, що володіла в цей період найбільшими гідроенергетичними потужностями, - на 4 %. Через піввіку відповідні показники становили для Західної Європи близько 60 %, а для Північної Америки - приблизно 35 %. Уже в середині 70-х років абсолютні потужності ГЕС Західної Європи перевершували такі в будь-якому іншому регіоні миру.

У країнах, що розвиваються, відносно високі темпи використання гідроенергії значною мірою обумовлені вкрай низьким вихідним рівнем. При більш ніж 50-кратному збільшення за піввіку встановлених гідроенергетичних можностей країни, що розвиваються, у середині 70-х років більш ніж в 4,5 рази відставали від розвинених країн і по потужності електростанцій, і по виробітку на них електроенергії. І якщо в розвинених країнах гідропотенціал використовується приблизно на 45 %, те в країнах, що розвиваються – тільки на 5 %. Для всього світу цей показник у цілому становить 18 %.

Особливості функціонування гідроенергетики України

Гідроенергетика України почалася зі спорудження найбільшої в Європі Дніпровської ГЕС - 560 мВт (1927р. - початок будівництва, 1932р. - уведена в експлуатацію). До складу споруди входили будівлі ГЕС із дев'ятьма агрегатами. Концентрація потужностей у процесі розвитку енергетики привела до будівництва переважно потужних ГЕС. З ГЕС середньої потужності була споруджена лише Теребле-Рикська (27 Мвт, 1955р.).

У період з 1955р. почалося освоєння гідропотенціалу р.Дніпро - спорудження ГЕС Дніпровського каскаду. Всі ГЕС, крім Каховської ( періодично-напівпіковий об'єкт), є піковими електростанціями.

В 1983р. уведена в експлуатацію Дністровська ГЕС. Установлена потужність Дністровської ГЕС - 702 мВт, середнє багаторічне (проектне) виробництво електроенергії становить 800 млн. квт·год,

Рівень освоєння гідропотенціалу великих рік практично вичерпаний. В останні роки використання технічного гідропотенціалу великих рік в Україні перевищувало 60 %. Ще в 1975р. уведена перша в СРСР електростанція, що гідроакумулює, - Київська ГАЭС потужністю 225 Мвт.

У 30-ті роки почався масовий розвиток малої гідроенергетики. Так, в 1924 р. в Україні експлуатувалося 84 малих гідроелектростанцій (МГЕС) (сумарна потужність 4000 кВт, середня потужність 47,6 кВт), а до 1929 р. їх була вже 150 (сумарна потужність 8400 кВт, середня потужність 56 кВт).

В 1950 р. по даним "Укргидропроект" в Україні експлуатувалося 956 МГЭС, але потім їхнє будівництво було припинено.

З розвитком потужного гідроенергобудівництва, спорудженням більших ТЕС, зростанням централізації енергопостачання, а також низькими цінами на паливо й електроенергію у відомств і підприємств, на балансі яких перебували МГЭС, інтерес до них зник, почалася їхня консервація й стихійний демонтаж. Значною мірою втрачений досвід проектування, виробництва встаткування й спорудження. Сотні МГЭС були закинуті й поступово руйнувалися, зносилося основне встаткування, колись споруджені греблі або зруйновані, або перебувають в аварійному стані.

До 2010 р. установлена потужність ГЕС і ГАЕС України повинна бути доведена до 14,5 млн. кВт, а виробництво електроенергії - до 17 млрд. кВт-год

Вторинні джерела енергії

Будь-який технологічний процес вимагає певної витрати палива, електричної й теплової енергії; у результаті хімічних реакцій, механічних впливів горючі гази, теплоносії, гази й рідини з надлишковим тиском виділяють тепло. Ці енергетичні ресурси, як правило, використовуються не в повному обсязі або не використовуються зовсім. Невикористовувані в даному технологічному процесі або установці енергетичні відходи одержали назву вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР).

Потенціал вітрової енергії в Україні

Термін "енергетичний потенціал" означає наявність певного запасу енергії у вигляді хімічно зв'язаного тепла, фізичного тепла, потенційної енергії надлишкового тиску й напору, кінетичної енергії й ін.

Хімічно зв'язане тепло продуктів паливопереробних установок (нафтопереробних, газогенераторних, коксувальних, вуглезбагачувальних і ін.), а також теплова енергія відходів, що використовується для підігріву потоків, що надходять в агрегат-джерело ВЭР (регенерація, рекуперація), не належать до вторинних енергетичних ресурсів.

Вихід вторинних енергетичних ресурсів - це кількість вторинних енергоресурсів, які утворилися в даній установці за певну одиницю часу й придатні до використання в даний період часу.

Виробленням за рахунок вторинних енергетичних ресурсів називається кількість тепла, холоду, електроенергії, отримана за рахунок ВЕР в утилізаційній установці. Вироблення за рахунок ВЕР підрозділяються на: можливе вироблення, тобто максимальну кількість енергії, яку можна одержати при роботі установки; економічно доцільне вироблення, тобто вироблення з урахуванням ряду економічних факторів (собівартість, витрати праці й т.д.); плановане вироблення - кількість енергії, що передбачається одержати в певний період при уведенні або модернізації наявних утилізаційних установок; фактичне вироблення - енергію, реально отримана за звітний період.

Використання вторинних енергетичних ресурсів - це використана кількість ВЕР даного агрегату в інших установках і системах. Використання вторинних енергоресурсів споживачем може здійснюватися безпосередньо без зміни виду енергоносія або за рахунок перетворення його в інші види енергії, або виробітку тепла, холоду, механічної роботи в утилізаційних установках.

Теплові ВЕР - це фізичне тепло, що відходять газів, основної й побічної продукції, тепло золи й шлаків, гарячої води й пари, що відробили в технологічних установках, тепло робітників тіл систем охолодження технологічних установок.

Горючі ВЕР - горючі гази й відходи, які можуть бути застосовані безпосередньо у вигляді палива в інших установках і непридатні надалі в даній технології: відходи деревообробних виробництв (тріска, тирса, обрізки, стружки), горючі елементи конструкцій будинків і споруд, демонтованих через непридатність для подальшого використання по призначенню, луг целюлозно-паперового виробництва й інші тверді й рідкі паливні відходи.

До вторинних енергетичних ресурсів надлишкового тиску ставиться потенційна енергія газів, води, пари, що залишають установку з підвищеним тиском, що може бути ще використана перед викидом в атмосферу, водойми, ємності або інші приймачі. Надлишкова кінетична енергія також ставиться до вторинних енергоресурсів надлишкового тиску.

Фактична економія палива за рахунок теплоти ВЕР стосовно можливого становить 30-32%, у тому числі в нафтопереробній і нафтохімічній промисловості -40%, у чорній металургії -40%, у хімічної -25 %.

Основними напрямками використання вторинних енергетичних ресурсів є: паливне - коли вони використовуються безпосередньо як паливо; теплове - коли вони використовуються безпосередньо як тепло або для виробітку тепла в утилізаційних установках; силове - коли вони використовуються у вигляді електричної або механічної енергії, отриманої в утилізаційних установках; комбіноване - коли вони використовуються як електрична (механічна) енергія й тепло, отримані одночасно в утилізаційних установках за рахунок ВЕР.

Значна кількість горючих ВЕР використовується безпосередньо у вигляді палива, таке ж безпосереднє застосування знайшли й теплові ВЕР, наприклад, гаряча вода системи охолодження для опалення й ін.

Необхідно відзначити, що зміна схем паливо- і теплоспоживання, коли використання енергоресурсів усередині технологічних агрегатів покращилося, а вихід вторинних енергоресурсів скоротився, не є використанням ВЕР. Такі перетворення схем тільки вдосконалили технологічний процес даної установки (агрегату).

При правильному використанні вторинних теплових енергетичних ресурсів, що утворилися у вигляді тепла газів, що відходять, технологічних агрегатів, тепла основної й побічної продукції, досягається значна економія палива. Проведеними розрахунками встановлено, що вартість теплоенергії, отриманої в утилізаційних установках, нижче витрат на виробіток такої ж кількості теплоенергії в основних енергоустановках.

Виявлення виходу й обліку можливого використання вторинних енергоресурсів — одне із завдань, яку необхідно вирішувати на всіх підприємствах і особливо підприємствах з більшою витратою палива, теплової й електричної енергії.

Використання вторинних енергетичних ресурсів не обмежується лише енергетичним ефектом - це й охорона навколишнього середовища, у тому числі повітряного басейну, зменшення кількості викидів шкідливих речовин. Деякі із цих викидів можуть давати додаткову продукцію, наприклад, сірчистий ангідрид, що викидається з газами, що відходять, можна вловлювати й направляти на випуск сірчаної кислоти.

Відмова споживачів від використання вторинних енергетичних ресурсів як на діючих, так і проектованих підприємствах може бути обґрунтований тільки розрахунком, що підтверджує економічну неефективність або технічну неможливість використання ВЭР.

Закон України Про енергозбереження

Суб'єктами правового регулювання відносин у сфері енергозбереження є юридичні та фізичні особи, в результаті діяльності яких здійснюються:

роботи, пов'язані з розвитком і використанням нетрадиційних поновлюваних джерел енергії, вторинних енергетичних ресурсів, процесів заміщення дефіцитних видів палива;

Енергетична стратегія України на період до 2030 року

7.1.2.2. Оцінка потенціалу міжгалузевого енергозбереження за рахунок технічного (технологічного) фактора на період до 2030 року

Міжгалузеве технологічне енергозбереження має досить значний потенціал, проте, його відмінністю від галузевого потенціалу енергозбереження є більш висока економічність - у 2-4 рази.

До основних міжгалузевих заходів слід віднести: ...

використання вторинних енергетичних ресурсів;

Перспективними напрямками розвитку НВДЕ в Україні є: біоенергетика, видобуток та утилізація шахтного метану, використання вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР), позабалансових покладів вуглеводнів, вітрової і сонячної енергії, теплової енергії довкілля, освоєння економічно доцільного гідропотенціалу малих річок України. На базі відновлювальних джерел вагомий розвиток отримують технології одержання як теплової, так і електричної енергії.

Економічно доцільні для використання ресурси низькопотенційної теплоти природного і техногенного походження, що можуть утилізуватися тепловими насосами, оцінюються у 22,7 млн.т у.п. на рівні 2030 року. Передбачається збільшити обсяги використання потенціалу вітроенергетики з 0,018 млн. т у.п. у 2005 році до 0,7 млн. т у.п. у 2030 році.

Державна Програма реформування, модернізації та розвитку комунальної теплоенергетики України

Основний зміст Програми - перелік і послідовність дій по реформуванню і розвитку комунальної теплоенергетики, складається з органічного поєднання двох частин: відновлення основних фондів комунальної теплоенергетики і суттєвого підвищення ефективності використання палива в цій сфері народного господарства.

В сфері генерування реалізуються ресурсозберігаючі (паливозберігаючі) технології, які дозволяють виробляти ту ж кількість теплоти при менших витратах палива, або ж забезпечувати теплопостачання населення за рахунок інших джерел енергії. До цих технологій належать:

Використання вторинних енергоресурсів різноманітних технологічних процесів (скидного потенціалу);

Використання потенціалу вторинних енергоресурсів дозволить зменшити споживання палива ще на 5%.

В результаті поліпшення технологічних процесів генерування теплоти можна зекономити по Україні до 2-3% природного газу.

Лекція 8

Ресурсна база невідновлювальних джерел енергії: вугілля, нафти, природного газу, ядерного палива. Енергетична оцінка резервів.

Характеристики основної паливно-енергетичної сировини:

Нафта - масляниста горюча рідина світла коричневого, , темно бурого, і чорного кольору зі специфічним запахом, , розповсюджена у осадовому шарі Землі ..

Із чого складається нафта:

С–82,5-87%;

Н–11,5-14,5%;

О–0,05-0,35% до0,7%;

S–0,001-5,5% до8%;

N–0,02-1,8%.

Кисень у нафті зосереджений у нафтових кислотах, асфальтенах, смолах.

Сірка - сірководень, меркаптени, сульфіди, дисульфіди, тіофани.

Азот - гомолог іпіридину, гідропіридину, гідрохіноліну.

Механічні домішки:

Розчинені гази (т.зв. супутній нафтовий газ) у кількості 30-300 м³ на 1 т нафти

Вода - 50-10000 кг на 1 т нафти

Мінеральні солі-10-100 г на літр води.

Зольність нафтей не перевищує десятої частки відсотка.

Нафти концентрують у своєму складі: ванадій(до 0,1%) нікол (до0,01%), молібден (до0,005%) та інші хімічні елементи.

Основні нафтові родовища

Запаси нафти:

Видобуток нафти

Одиниці виміру

Кількість:

- барель (міжнародна одиниця виміру нафти, в одному барелі 158,9 літра)

- тонна (в основному використовується в Росії й країнах СНД).

Густина:

- градуси Американського нафтового інституту -American Petroleum Institute (API) - міжнародна одиниця виміру густини нафти

- кг/м³ - в основному використовується в Росії й країнах СНД

Переведення щільності з кілограм на метр кубічний у градуси API проводиться в три етапи.

На першому етапі, виходячи зі співвідношення F= 9/5 С-32 (F- градуси шкали Фаренгейта, С - градуси шкали Цельсія) визначаємо, що 60 F відповідають 15,56 °С. У введеному з 1 липня 2002 р. ДЕРЖСТАНДАРТ Р 51858-2002 «Нафта. Загальні технічні умови» зазначено, що «визначення щільності при 20 °С обов'язково до 1 січня 2004 р., визначення щільності при 15 °С обов'язково з 1 січня 2004 р.» і зазначена температура трохи нижче отриманого значення - 15,56 °С

На другому етапі визначаємо щільність нафти при температурі 15,6 °С по формулі [2]: , (ρ_15,6 і ρ₂₀ - щільність нафти відповідно при 15,6 і 20 ºЗ; ζ = 1,825-0,00131ρ₂₀ - температурне виправлення).

На третьому етапі розраховуємо щільність у градусах API по формулі:

API= 141,5/ρ_15,6-131,5.

Основні марки нафти та їх опис

Brent (Brent Crude) - еталонна марка нафти, що добувається в Північному морі (знаходиться між узбережжями Норвегії, Данії й Британських островів). Своєю назвою марка зобов'язана однойменному родовищу в Північному морі, відкритому в 1970 році. Слово Brent утворене від перших букв назв нафтоносних шарів - Broom, Rannoch, Etieve, Ness і Tarbat. Brent є світовим еталоном нафти, оскільки її якість, властивості й склад є найбільш оптимальними з погляду переробки й виробництва нафтопродуктів (зокрема, бензину й середніх дистиляторів). Її щільність становить 38° API, вміст сірки - 0,2-1%.

Тому ціна нафти Brent є основою для ціноутворення близько 40 % всіх світових сортів нафти. Тобто, чим гірше нафта, чим далі вона відстоїть по своїй якості, властивостям і складу від еталона Brent, тим менше її ціна. Зазвичай Brent переробляється на Північному заході Європи, але при сприятливій ціновій кон'юнктурі, може доставлятися для переробки в США й країни Середземномор'я.

WTI (West Texas Intermediate, Light Сrude) - марка нафти, що добувається в штаті Техас (США), щільність становить 40° API, вміст сірки - 0,4-0,5%, в основному використовується для виробництва бензину й тому на цей тип нафти високий попит, зокрема в США й Китаї.

REBCO (Russian Export Blend Crude Oil) - з осені 2006 року ця російська марка нафти торгується на NYMEX (Нью-йоркській товарно-сировинній біржі). Однак ліквідність поки дуже низька й укладається дуже мало угод. Основна проблема це недовіра покупців до нових контрактів, що є нормальним для нової марки, але найближчим часом прогнозують збільшення ліквідності. За вмістом сірки й щільності REBCO поступається Brent.

Urals - сорт нафти з високим вмістом сірки (більше 2%), що добувається в Східному Сибіру. Вартість російської нафти визначається дисконтуванням ціни на Brent, оскільки вважається менш якісною через високий вміст сірки.

Природні горючі гази (ПГГ)

Суміші вуглеводнів метанового ряду й невуглеводних компонентів, що зустрічаються в осадовому шарі земної кори:

•у вигляді вільних скупчень;

•у розчиненому стані (у нафті й пластових водах);

•у розсіяному стані (сорбованому гірськими породами;

•у твердому стані (газогидратні родовища).

Склад й властивості ПГГ

Вуглеводні метанового ряду (метан, зазвичай більше 80-85%), етан, пропан, бутан, рідше пентан (у сумі від 0,1% до 20% у ПНГ - Астраханське - 6,5%).

Азот - 2-3%, не більше 10%, в окремих випадках більше 99% (Учаральське -99%, Амангельди - 80%).

Вуглекислота - 0,1- до 10-15% (Астраханське - 22%).

Сірководень - до 2-3% (Астраханське - 22,5%).

Інертні гази (гелій, аргон і ін.) - 0,00n-0,0n% до 5-8% (США, Канада).

Ртуть, волога (пари), водень, меркаптани, сіркоокис вуглецю, пари жирних кислот і ін.

Теплота згоряння - 32,7 МДж/м³

Запаси горючих газів