ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина II, брой 1, април 2010

Електричеството на следващото десетилетие

Възобновяеми източници на електроенергия – потенциал и възможности за развитие

Електричеството на следващото десетилетие

В световен мащаб търсенето на електроенергия нараства с бързи темпове, докато ограниченията в традиционното производство от изкопаеми горива стават все по-стриктни. Преходът към устойчиво производство на електроенергия, с използване на значително количество възобновяеми енергийни източници, вече е в пълен ход, но последствията за електрическата система, инфраструктурата и услугите не са още напълно проучени. Очаква се, в рамките на следващото десетилетие, да настъпи промяна на логиката в енергетиката, свързана с овладяване на различни форми на възобновяема енергия, разпределени предимно в природата.

Основна цел на съвременната енергетика е намаляването на емисиите на въглероден диоксид по цялата производствено-потребителска верига на електроенергията.

Три са опорните точки в тази верига, спрямо които се разглеждат технологиите и бъдещите перспективи, позволяващи постигане на ниски нива на въглероден диоксид. Те са формулирани обобщено по следния начин: 1) Производство с минимизирано отделяне на въглероден диоксид, обхващащо използването на възобновяеми енергийни източници и нисковъглеродни алтернативи на изкопаемите горива; 2) Ниско въглеродни електроразпределителни мрежи: електропреносни и разпределителни мрежи от ново поколение, с интелигентна и рационална организация и гарантирано качеството на доставките, съответстващо на нуждите на потребителите; 3) Нисковъглеродно потребление на електроенергия.

Екологичното, нисковъглеродно производство на електроенергия се фокусира върху възобновяемите енергийни източници като вятър; слънчева енергия - фотоволтаични (PV) паркове и системи за концентриране на слънчевата енергия (CSP); хидроенергетични съоръжения, включително и развиване и налагане на нови технологии за оползотворяване на енергията на океана; комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия (CHP) и горивни клетки.

В настоящата статия ще бъдат разгледани в детайли постиженията до момента на всяка една от тези производствени технологии, както и потенциалните им възможности за развитие в бъдеще.

Енергия от вятъра
Електрическа енергия се произвежда от вятъра с помощта на предизвикано от него механично принудено въртене на електрически генератори, посредством вятърни турбини. Вятърните турбини, в зависимост от генерираната мощност, могат да варират от няколко киловатови, които често се наричат микротурбини за битово потребление, до десетки мегавати, които се използват в изграждането на големи ветроенергийни паркове.

Потенциалът на вятъра като възобновяем енергиен източник в света е значителен. Освен това е установено, че когато скоростта му превишава около 6 м/сек съществуват възможности за икономичното му използване, в зависимост от цените на конкурентните енергийни източници. Потенциалът не се ограничава само до наземни вятърни турбини, съществуват значителни възможности за инсталиране на големите паркове за вятърна енергия в плитките води край бреговете и дори по-навътре в офшорните води.

Вятърната енергия е една от най-бързо развиващите се енергийни технологии, със среден растеж в глобален план през последните няколко години от над 30% годишно. В края на 2008 г. общата инсталирана мощност в света надвишаваше 121 000 MW. Около 54% от инсталирания капацитет в световен мащаб (65000 MW) се намира в страните от ЕС. Общото производство през 2008 г. възлиза на 142 TWh, според Европейската асоциация за вятърна енергия EWEA.

По данни на EWEA се очаква електроенергията от вятъра да заеме значителен дял от енергийния микс в Европа през следващите 10 години и дори в по-дългосрочен план.

Според проучванията на асоциацията към 2030 година на територията на Европа ще има повече от 300GW инсталирани производствени мощности, от които 120GW офшорни инсталации, като произвежданата електроенергия ще е 935TWh, от които 469TWh от офшорните съоръжения.

Това количество енергия от вятъра изисква много по-голяма гъвкавост в енергийната система, както в технически план, така и по отношение на енергийния пазар. Повишаването на капацитета на мрежата е приоритет номер едно, предвид на увеличаването на търсенето на електроенергия и остаряването на компонентите. Освен това, с въвеждането на по-голямо количество вятърна енергия в електрическата мрежа, резервната мощност трябва да се увеличи с 10% при дял от 15% на енергията от вятъра.

Независимо от количеството на традиционните производствени мощности, заместени от вятъра, трябва да се съхранява достатъчен запас от конвенционална енергия, за да се гарантира сигурността на енергийните доставки.

CSP – системи за концентриране на слънчевата енергия
Системите за концентриране на слънчевата енергия (CSP), познати още като системи за термо-соларна електроенергия, произвеждат електрическа енергия от топлината, генерирана от слънчевата радиация (топлинна енергия), например чрез топлообменници и парни турбини.

Тази технология се базира на пет основни подсистеми: колектор; приемник; транспортиране; съхранение и преобразуване на енергията.

Колекторът улавя и концентрира слънчевата радиация, която след това се доставя на приемника. Той абсорбира концентрираната слънчева светлина, превръщайки я в топлинна енергия на работен флуид чрез система за трансфер. Системите за транспорт и съхранение подават работния флуид от приемника към системата за енергийно преобразуване, която обикновено е парна турбина.

Слънчевата енергия може или да се преобразува директно в електричество или да се съхранява като топлина за последващо подаване към система за преобразуване. Съхранението прави възможно производство на електроенергия през нощта или при облачно време.

Някои проекти също включват допълнителен топлинен източник на изкопаеми горива, който може да захранва системата за съхранение или да осигурява енергия за задвижване на системата за преобразуване на енергия в периоди с намалено слънчево греене. В допълнение към производство на електроенергия, термичните слънчеви технологии могат да произвеждат топла вода и пара за промишлени приложения.

CSP системите функционират по начин подобен на централизираните конвенционални електроцентрали. Това улеснява значително интегрирането на тези топлоелектрически производства в разпределителна мрежа.

Системата от колектори може да е с различна конфигурация, като самите колектори могат да бъдат с различна форма и различен принцип на концентриране на енергията от слънчевото греене. Най-голяма популярност и разпространение имат параболичните концентратори, чиято обща мощност в световен мащаб по скорошни данни достига 2000MW (работещи електроцентрали и такива в процес на изграждане).

През следващото десетилетие се очаква значително разгръщане на технологиите на концентриращите системи, особено в най-слънчевите части на света. В момента се наблюдава бърз прогрес в развитието на този вид технологии в Испания, значителна активност има и в САЩ, както и нарастващата популярност в Близкия Изток и Северна Африка.

Основна пречка за масовото прилагане на такива системи са разходите за инсталиране и поддръжка.

Намаляването на разходите за експлоатация и поддръжка на тези съоръжения се предвижда през следващото десетилетие, когато ще се задълбочат познанията по отношение на тази технология и това ще позволи оптимизиране на структурата на разходите.

Фотоволтаични системи
Фотоволтаичните клетки конвертират слънчевата енергия, достигнала до тях директно в прав ток (DC). Основните компоненти на една PV система са фотоволтаичния модул (масив от клетки за генериране на електроенергия), батерия, контролер, инвертор DC/AC.

Предимствата на системите са съвместимостта с други енергийни източници, както традиционни, така и възобновяеми; гъвкавостта по отношение на изпълнението и производството на електрическа енергия без емисии на парникови газове. През последните години развитието на сектора се базира основно на свързани с електроразпределителната мрежа приложения, като относителният дял на енергията, произвеждана по този начин, варира в различните страни, в зависимост от местните условия и правителствените стимули. Забележителни като мощност фотоволтаични електроцентрали има в Германия, Италия, Швейцария, Испания и САЩ.

През 2008 г., глобалният пазар на фотоволтаична енергия достигна 5.6GW и кумулативната инсталирана PV мощност възлизаше на почти 15GW в сравнение с 9GW през 2007 г. Испания представлява почти половината от новите инсталации през 2008 г. с около 2.5GW нови производствени мощности, следвана от Германия с 1.5GW. САЩ също заема едно от първите места с 342MW от наскоро въведени фотоволтаични системи, следвана от Южна Корея, която регистрира 274MW от PV инсталации през годината. Италия е присъединила почти 260MW; Франция, Португалия, Белгия и Чешката република също показват добри резултати, потвърждаващи глобалното лидерство на Европа по отношение на внедряването на фотоволтаичната енергия.

Кристалният силиций е доминиращата технология, притежаваща повече от 95% от пазарния дял, тъй като е доказала надеждността си и е основана на знания и технологии, първоначално разработени за електронната индустрия.

Фотоволтаичният пазар остава един от най-динамичните сектори в световен мащаб. В последните години се наблюдава глобален годишен ръст от над 35%. Дори и при временния недостиг на силиций през 2006 г. бяха инсталирани повече системи в сравнение с предходните години.

Възможността PV да се използват в дадени приложения, при сегашните икономически и технически условия, зависи от географското разположение, климатичните условия и цената. Фотоволтаичните генератори обикновено са добро решение за основните нужди на селските райони в приложения за подобряване на жизнения стандарт. За решаването на проблемите, свързани с прекъсвания и дисперсия, се предпочитат хибридни решения с комбиниране на използване на целия спектър от възобновяеми източници на енергия, слънчева, водна енергия, вятърна енергия в крайбрежните зони, и биомаса.

Електроенергия от океана
Генерирането на електричество от енергията на океана се извършва посредством няколко основни технологии.

Енергия от вълните: Енергията от движението на океанските вълни може да се преобразува в електроенергия чрез: 1) устройства, които преобразуват вертикалното движение на шамандурата, носеща се по вълните в електричество; 2) осцилиращи водни колони – устройства, които при движението на вълната насочват въздух от затворена камера към електрогенератор; 3) устройства, които преобразуват относителното вертикално движение на сегментирано плаващо тяло в електричество.

Енергия от приливите: Водния стълб, създаден от приливите и отливите може да се преобразува в електроенергия чрез поставяне на електрически генератор между морето и устието на река.

Осмотична енергия: Електроенергия може да бъде произведена и чрез използване на разликата в напрежението, породена от смесването на солена и сладка вода при вливането на реките в океаните. Процесът се извършва посредством осмотична мембрана.

Преобразуване на термичната енергия на океана: OTEC (Ocean thermal energy conversion) е енергийна технология, която преобразува слънчевата радиация в електрическа енергия. Системите използват естественият температурен градиент на океана – факта, че слоеве вода в океана имат различни температури – за да създаде цикъл за производство на електроенергия. Тъй като температурите между топлата повърхност на водата и студените дълбочини се различава с от около 20°С, със системите, работещи на този принцип може да се произведе до значително количество енергия.

Всички тези технологии да имат потенциала да дадат ценен принос към световните енергийни нужди в дългосрочен план. Въпреки това, технологията в момента е едва в началото на пазарното си развитие.

CHP – комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия
При когенерацията, известна още като комбинирано производство на топлинна и електроенергия (CHP), отпадната топлина от производствения процес може да бъде оползотворена за отопление, вместо да се изхвърля в околната среда.

CHP системите могат да бъдат разработени в широк диапазон от размери, приложения, горива и технологии. В най-простия си вид, те използват газова турбина, двигател или парна турбина за задвижване на алтернатор, и получената електроенергия може да се използва изцяло или частично на място. Топлината, отделена по време на производство на електроенергия се използва повторно, при редица индустриални процеси, също за осигуряване на топла вода и отопление на помещения, или, с монтиране на подходящо оборудване, за охлаждане.

Поради факта, че CHP-системите използват максимално топлинната енергия, отделена по време на процеса на производство на електроенергия, те може да достигнат обща ефективност от повече от 70% в момента на употреба. За сравнение, ефективността на конвенционалните въглищни и газови електроцентрали, които третират тази топлина като отпаден продукт, обикновено е около 38% и 48% съответно, в атомната електроцентрала. Ефективността на мястото на използване е дори по-ниска, поради загубите, които възникват по време на преноса и разпределението.

Висока ефективност на CHP-системите води до намаляване на използването на първична енергия. Ценните изкопаеми горива се използват много по-ефективно, т.е в доста по-малки количества. А по-малко използвано гориво означава значително по-ниски разходи за енергия за крайния потребител.

По-малкото използвано гориво означава също намаляване на емисиите на въглероден диоксид (основният парников газ) и други продукти от горенето. Всъщност CHP-системите могат да допринесат значително за намаляване на емисиите на въглероден диоксид. Системите CHP могат да бъдат проектирани така, че да продължат да работят и обслужват основните потребители по време на прекъсване в доставките на мрежово захранване, което повишава сигурността на енергийните доставки.

Горивни клетки
Горивните клетки са устройства, които позволяват комбиниране на водород и кислород с цел производство на електроенергия – обратният процес на електролизата. Принципът на работа на горивната клетка е подобен на този при батериите. И в двете устройства има двата електрода - анод и катод, които са разделени с електролит. Акумулаторната батерия е затворена единица, съдържаща всички вещества, участващи в процесите на електро-химично окисляване и, следователно, има ограничен капацитет. За разлика от нея, при горивната клетка реагентите са разположени външно и тя работи непрекъснато, докато се захранва с гориво.

Съществуват пет различни вида горивни клетки, в зависимост от електролита, който използват: към нискотемпературните типове се отнасят алкалните горивни клетки (AFC) и горивните клетки с твърд полимер (SPFC); със средна температура – фосфорно-киселинни горивни клетки (PAFC); високотемпературните типове горивни клетки са горивната клетка с разтопен карбонат (MCFC) и твърдооксидна горивна клетка (SOFC).

Кислородът от въздуха е оксидант във всички разновидности горивни клетки, но различни горива може да бъдат „изгаряни” в качеството на анод.

PAFC, MCFC и SOFC, както в последно време и PEMFC се разглеждат като потенциални източници на енергия в по-голям мащаб. MCFC и SOFC централи се очаква да са достъпни на пазара в следващите години, първоначално с капацитет 20 MW и работещи с природен газ.

Въпреки че към момента горивни клетки се използват основно като електрически захранващи блокове, непрекъснатите подобрения в икономическата им и функционална ефективност предполагат бъдещото им използване на много по-голям пазар: “превозни средства с нулеви емисии” (ZEVs) или малки централи за комбинирано производство на топлинна и електроенергия (3-10 KW).