Исследование возможности получения электроэнергии на основе экологически Безопасных технологий в районе Аравийского полуострова с учетом климатических и природных условий

Краткое описание

Введение 4

1 Воздействие традиционной энергетики на окружающую среду 9

1.1 Мировой топливно-энергетический баланс 11

1.2 Возобновляемые источники энергии 27

1.3 Рамочная конвенция об изменении климата и Киотский протокол 33

1.4 Выводы 38

2 Демографический рост и проблемы обеспечения населения энергией, .„ водой и продовольствием в странах Аравийского полуострова

2.1 Физико-географические и климатические особенности региона 40

2.2 Демографический рост в странах региона 42

2.3 Энергетический баланс региона 46

2.4 Проблема обеспечения населения и сельского хозяйства водой 57

2.5 Выводы 66

3 Экологически безопасная технология преобразования солнечной ^„ энергии в электроэнергию

3.1 Ресурсы солнечной энергии 69

3.2 Экологически безопасные методы преобразования солнечной „. энергии

3.3 Тенденции развития мировой солнечной энергетики 78

3.4 Оценка потенциала солнечной энергии Аравийского полуострова 84

3.5 Выводы 91

4 Экологически безопасная технология преобразования ветровой ~~ энергии в электроэнергию

4.1 Ресурсы ветровой энергии 92

4.2 Технология преобразования ветровой энергии 100

4.3 Тенденции развития мировой ветроэнергетики 104

4.4 Оценка потенциала ветровой энергии Аравийского полуострова Ц2

4.5 Выводы 118 Заключение 119 Список использованных источников 123
Введение

Сокращения

ТЭБ

МЭА

НВИЭ

т н.э.

АЭС

ТЭС

ГЭС

МАГАТЭ

ВВП

СА

ОАЭ

ССПЗ

КЭС

ДЭС

ФЭС

ФМ

КПД

ВЭУ

ВЭС

РКИК

ЛЭП

Топливно-энергетический баланс

Международное энергетическое агентство

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Тонна нефтяного эквивалента

Атомная электростанция

Тепловая электростанция

Гидравлическая электростанция

Международное агентство по атомной энергии

Внутренний валовой продукт

Саудовская Аравия

Объединенные Арабские Эмираты

Совет сотрудничества государств Персидского залива

Межправительственная группа экспертов по изменению климата

Конденсационная электростанция

Дизельная электростанция

Фотоэлектрическая система

Фотоэлектрический модуль

Коэффициент полезного действия

Ветроэнергетическая установка

Ветровая электростанция

Рамочная Конвенция ООН об изменении климата

Линия электропередачи

Введение

Основу жизни человека составляет окружающая природная среда, а основу современной цивилизации - ископаемые природные ресурсы и вырабатываемая из них энергия, включая самый технологичный ее вид -электроэнергию. Промышленное производство электрической и тепловой энергии сопровождается крупномасштабным материальным и энергетическим обменом с окружающей средой, имеющим своим следствием отрицательное воздействие на нее и, следовательно, вызывающим необходимость ее защиты. Иначе говоря, электроэнергетика порождает свои экологические проблемы, которые, в свою очередь, могут оказывать отрицательное влияние на здоровье и качество жизни человека. Воздействие на состав атмосферы, обезлесение, приводящее к эрозии почв и заилению водоемов, сброс ядерных отходов, аварии и катастрофы, подобные Чернобыльской, относятся к числу основных широко признанных проблем.

Загрязнение воздуха в городах, кислотные дожди, загрязнение токсичными химическими веществами, истощение озонового слоя стратосферы, а также изменения глобальной климатической системы — все это представляет серьезную угрозу экосистемам и благосостоянию человечества.

Главным определителем воздействия энергетики на окружающую среду является источник энергии. В основном, использование угля оказывает наибольшее воздействие на окружающую среду из-за высокого уровня выбросов углекислого газа, создающего, так называемый, парниковый эффект и выброса частиц, связанных с его использованием. Использование угля также создает значительное загрязнение твердыми и жидкими веществами вследствие их выделения и удаления золы. Обычно нефтепродукты оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем уголь, из-за их низкого углеродного содержания и меньшего количества продуктов горения твердых

отходов. Природный газ является самым чистым из топлива природных ископаемых, благодаря равномерному, более низкому содержанию углерода в нем и меньшей предрасположенности вызывать кислотные выделения. Тем не менее, природный газ является одним из основных источников выделения углекислого газа и средством производства природного газа и утечки метана из трубопроводов, являющегося мощным источником парникового эффекта. Атомная энергия оказывает наименьшее воздействие на природу, в смысле выбросов парниковых газов и загрязнения воздуха. Однако существует риск радиоактивных выбросов при несчастном случае, кроме этого, накапливаются высокорадиоактивные отходы, общепризнанный способ захоронения которых еще не найден.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, как энергия солнца и ветра, предлагают наиболее экологически чистый и практически неистощимый источник энергии.

С каждым годом все больше обостряются вопросы, связанные с дальнейшими путями развития энергетики. С одной стороны, рост населения, стремление к повышению жизненного уровня людей диктуют целесообразность наращивания мощностей энергетики, и в первую очередь электроэнергетики. С другой стороны, возникающие экологические проблемы, истощение природных источников сырья, и, в первую очередь, нефти и газа, требуют более экономичного и рационального использования полученной энергии и потенциальной энергии ее источников.

Экологически безопасные технологии получения электроэнергии из нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в противоположность ископаемому топливу не приводят к загрязнению окружающей среды. До недавнего времени, их высокая стоимость привела к тому, что на сегодняшний день, на них приходится лишь малая доля в мировом энергопотреблении. Однако в последние годы наблюдаются тенденции снижения их стоимости.

В последнее время, во всем мире, ведется интенсивный поиск экологически безопасных технологий использования нетрадиционных источников энергии. Особый интерес проявляется к солнечной и ветровой энергии. В районах, где их запасы достаточно велики, развитие фотоэнергетики и ветроэнергетики не только оправдано с точки зрения ресурсосбережения и экологии, но и экономически выгодно особенно в районах, отдаленных от централизованных электроэнергетических сетей. В связи с этим целесообразно изучить ветровой и солнечный потенциал в странах Аравийского полуострова, где проблемы энергоснабжения и водообеспечения актуальны.

Вопросы разработки оптимальной в экологическом и социальном отношении стратегии развития энергетики и обеспечения населения водой и продовольствием имеют специфику для отдельных регионов и стран. Особенно сложные проблемы устойчивого развития сложились для стран Аравийского полуострова, где демографический рост происходит в условиях острого дефицита пресной воды.

В ряде стран этого региона расположены крупнейшие запасы нефти и природного газа, активно используемые мировым сообществом. Благосостояние стран, экспортирующих нефть, позволяет им использовать опреснительные установки и ограничивать неблагоприятные последствия хронического дефицита водоснабжения. Но в Республике Йемен, население которой составляет около 19 млн. человек, добыча нефти не велика и вопросы экологической безопасности приобрели особую остроту. Кроме того, более 75 % населения Республики Йемен проживает в сельских районах, отдаленных от электроэнергетической сети, и лишь 16 % из них обеспечены электроэнергией за счет местных дизель-генераторов. В большинстве районов уровень грунтовых вод понизился, и обеспечение населения водой из колодцев становится все более трудным. Расширение электросетей включает в себя проведение дорогостоящих линий электропередач и строительство

новых тепловых электростанций, которые, с одной стороны, требуют большие капиталовложения, а, с другой стороны, приведут к росту потребления ископаемого топлива.

Применение экологически безопасных технологий выработки электроэнергии (солнечной и ветровой) обеспечивает автономное энергоснабжение населения и народного хозяйства, и, способствует выполнению Рамочной Конвенции ООН об изменении климата (РКИК) и Киотского протокола.

Поэтому исследование возможности получения электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии в странах Аравийского полуострова является важной прикладной задачей.

Целью настоящей работы является исследование возможности получения электроэнергии на основе экологически безопасных технологий (фотоэнергетики и ветроэнергетики) для достижения устойчивого развития в районе Аравийского полуострова с учетом его климатических и природных условий.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1) Проанализировать развитие глобальной энергетики и экологически безопасных технологий выработки электроэнергии;

2) Выявить и проанализировать проблемы энергоснабжения с учетом региональных особенностей водообеспечения населения стран Аравийского полуострова;

3) Обобщить и систематизировать климатические данные многолетних наблюдений по солнечному излучению и ветровому режиму для территории Аравийского полуострова;

4) Оценить солнечный и ветровой потенциалы региона.

Основные научные результаты диссертационной работы:

1) Проведен анализ развития глобальной энергетики и экологически безопасных технологий выработки электроэнергии;

2) Впервые проанализированы проблемы энергоснабжения в связи с региональными особенностями водообеспечения населения стран Аравийского полуострова и участием в международном движении по сокращению использования ископаемых видов топлива;

3) Впервые обобщены и систематизированы климатические данные многолетних наблюдений по солнечному излучению и ветровому режиму для территории Аравийского полуострова, на основе которых произведена оценка гелиоресурсов и ветрового потенциала данного региона;

4) Впервые выполнены расчеты возможной выработки электроэнергии, в данном регионе, с учетом применения современных экологически безопасных технологий фотоэлектричества и ветроэнергетики.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что оценка солнечного и ветрового потенциалов региона и учет тенденций развития экологически безопасных технологий получения электроэнергии позволяют разработать комплекс мероприятий, направленных на:

- Разработку стратегии развития электроэнергетики в странах Аравийского полуострова;

- Внедрение фотоэлектрических и ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения населения и опреснения морской воды, особенно в Республике Йемен, с учетом специфики его развития.

1 Воздействие традиционной энергетики на окружающую среду

Энергетический комплекс оказывает заметное воздействие на все без исключения геосферы планеты на глобальном, региональном и локальном уровнях. К числу масштабных и вызывающих сейчас наибольшую тревогу экологических последствий антропогенной деятельности относятся рост концентрации основных парниковых газов в атмосфере; увеличение средней температуры на поверхности планеты и связанное с этим возможное изменение климата планеты; загрязнение атмосферы токсичными продуктами сгорания органического топлива, в первую очередь оксидами серы (SOX) и азота (NOX). Ухудшение состояния воздуха приводит к росту различных заболеваний в крупных городах и промышленных центрах, кислотные дожди оказывают губительное воздействие на растительный и животный мир на значительных территориях планеты. Кроме того, образующийся в присутствии оксидов азота закись азота является третьим по значению (после углекислого газа и метана) парниковым газом, рост содержания которого в тропосфере в настоящее время определяет около 10 % суммарного парникового эффекта. Одновременно поступление оксидов серы в атмосферу приводит к образованию тропосферного аэрозоля, который оказывает негативное влияние на изменения теплового радиационного баланса, компенсируя до 30 % парникового эффекта. Эти факторы также необходимо учитывать в оценках глобального влияния энергетики на природную среду и климат, особенно при выборе систем энергоснабжения для локальных и региональных объектов.

По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), на сжигание угля, нефти и природного газа приходится боле трех четвертей общего объема выбросов диоксида углерода (СОг). Добыча и потребление ископаемых видов топлива также приводит к выбросам

диоксида углерода (СО2), метана (СН4), оксида углерода (СО) и других загрязнителей воздуха. В настоящее время, на производство энергии приходится около 44 % глобальных выбросов СОг в результате сжигания ископаемых видов топлива, на сжигание топлива в промышленности и строительстве - 18 %, на транспорт - 24 % и на жилой сектор - 8 %; остальные 6 % приходятся на сжигание топлива в секторе коммерческих и административных зданий и сельском хозяйстве.

По данным МГЭИК, за последние полвека, в результате сжигания органического топлива глобальные выбросы СОг выросли в 4 раза с 1612 в 1950 г. до 6443 млн.т в 2002 г. (рисунок 1.1).

3 о о

Q,

ю

3 ffl

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

I I II 1 I I I I I it

шш I П 1 I I I I I I П I I I I I I I I

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Годы

Рисунок 1.1- Глобальные выбросы СОг в результате сжигания ископаемых

видов топлива

В результате накопления парниковых газов в атмосфере Земли средняя температура на планете в течение XX в. повысилась на (0.6 ± 0.2) °С. Согласно оценкам МГЭИК, при условии сохранения существующих тенденций роста выбросов парниковых газов в следующие 100 лет произойдет глобальное потепление климата Земли на 1.4 - 5.8 °С.

10

По данным МГЭИК, средний уровень моря, за последние 100 лет, повысился на 10 - 20 см. это связанно с повышением температуры поверхности моря, таянием морского льда и наличием большого количества испарений. Согласно прогнозам экспертов, подъем мирового океана в XXI веке составит от 9 до 88 см, что представляют угрозу для ряда стран и отдельных территорий, расположенных в зоне возможного затопления.

Эти проблемы накладывают определенные ограничения на темпы и пропорции развития мировой энергетики, являющейся основной причиной глобальной угрозы загрязнения окружающей среды.

Главным определителем воздействия энергетики на окружающую среду является источник энергии.

При сжигании угля в СО2 переходит примерно 1.23 т углерода на тонну нефтяного эквивалента (т н.э), жидкого топлива - около 0.95 т, а природного газа-0.61 т/т н.э.

Для оценки воздействия энергетики на окружающую среду важное значение имеет структура топливно-энергетического баланса.

1.1 Мировой топливно-энергетический баланс

В 60-е годы XIX столетия примерно три четверти мирового потребления топлива покрывалось дровами и растительными суррогатами, почти четверть - углем. На долю нефти и газа приходилось около 1 %. Но использование ископаемого топлива последовательно возрастало. В 1900 г. доля угля в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) мира возросла до 57 %, доля нефти и газа составляла соответственно 2.3 и 0.9 % [1].

Прогресс в переработке нефти, изобретение в конце XIX века способа сжигания мазута и создание двигателей внутреннего сгорания вызвало бурное развитие нефтедобывающей промышленности. Нефть и нефтепродукты обладают высокой теплотворной способностью. При сжигании 1 кг нефти

11

выделяется столько же тепла, сколько при горении 1.3 кг антрацита или 3.1 кг бурого угля. А теплотворная способность ряда производных нефти еще больше, чем у самой нефти: у этана в 1.5 раза, пропана - в 2.2, бутана -в 2.9 раза и т.д.

В конце 20-х - первой половине 30-х годов XX века, доля нефти в мировом ТЭБ возросла почти до 17 %. Удельный вес природного газа в общем объеме мировых энергоресурсов до середины XX века оставался незначительным [2].

С развитием наземного, водного и воздушного транспорта нефть заняла главенствующее положение в мировом производстве и потреблении топливных ресурсов. В 1950 г. доля угля в мировом ТЭБ снизилась до 54 %, а доля нефти возросла до 24 %, газа - до 9 %. Уже к 1970 г. нефть вышла на первое место и ее вклад в мировое энергопроизводство составил 46.8 %. Доля угля уменьшилась до 17.2 %. А доля природного газа возросла. Затем доля нефти стала снижаться, а доля природного газа возрастать (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Структура мирового производства топливно-энергетических ресурсов [3,4].

Вид энергетического ресурса Структура по годам, в процентах

1970 1980 1990 2000 2002

Уголь 29.23 25.14 26.45 23.02 23.72

Нефть 46.75 46.06 38.71 39.35 38.52

Природный газ 17.22 18.92 21.54 22.98 23.29

Атомная энергия 0.42 2.62 5.77 6.44 6.56

Гидравлическая энергия 5.64 6.24 6.41 6.88 6.62

НВИЭ 0.74 1.02 1.12 1.34 1.29

Следует отметить, что с 1970 г. вклад атомной энергии вырос с 0.4 до 6.6 % в 2002 г. (рисунок 1.2).

12

Нефть

Природный газ

23.3 %

Атомная

энергия

6.6 %

Гидравлическая

энергия

6.6 %

1.3%

Рисунок 1.2 - Вклад энергоресурсов в мировое энергопроизводство, 2002 г.

Мировое производство первичной энергии за последние 30 лет увеличилось почти в два раза: с 5.43 в 1970 г. до 10.16 млрд.т н.э. в 2002 г. (рисунок 1.3).

д.т н.э. 12 10 8 - Атомная энергия ^. Гидравлическая НВИЭ энергия \ ------fc —|

млр \ 6 Природныйгаз________

[ергия, 4 _____________________________________¦ .----------------—------ Нефть

Г) п Уголь

"ill 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Годы

Рисунок 1.3 - Вклад различных энергоресурсов в мировое производство

первичной энергии [3, 4]

13

При этом доля нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), включая гидравлическую энергию, увеличилась с 6.4 в 1971 г. до 7.9 % в 2002 г.

В структуре мирового ТЭБ уголь занимает важное значение, поскольку он является наименее дефицитным видом ископаемого топлива. Его запасов хватит человеку на гораздо более длительное время, чем запасов нефти и природного газа; он довольно равномерно распространен на Земле.

Значение угля связано также с его незаменимостью при производстве железа и стали; около 70 % стали выплавляется за счет железа, полученного в домнах с использованием угля и кокса. Подсчитано, что при сохранении современных уровней добычи и потребления угля его экономически доступных мировых запасов хватит на 200 лет.

По данным МЭА и [6], в 2002 г. добыча угля составляла 4.77 млрд.т (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Мировое производство угля [3, 6]

Более половины общемировой добычи угля в настоящее время обеспечивает около 37 % мирового производства электроэнергии. Экономика

14

многих стран в значительной степени зависит от угля как энергоносителя, включая, по состоянию на 2000 год, Польшу (96 %), ЮАР (90 %), Австралию (86 %), Китай (81 %), Индию (75 %), Чехию (74 %), Грецию (70 %), Данию (59 %) и США (56 %) [7].

Мировые ресурсы нефти и газа

До середины XIX века нефть добывалась в небольших количествах (от 2 до 5 тыс.т в год) из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на поверхность. Промышленная революция, основанная на широком использовании паровых машин, предопределила широкий спрос на смазочные вещества и источники света (керосин). Начал возрастать и спрос на нефть.

С внедрением в конце 60-х годов столетия бурения нефтяных скважин мировая добыча нефти десятикратно увеличилась с 2 до 20 млн.т к концу XIX века. В 1900 г. нефть добывалась в 10 странах: России, США, Голландской Ост-Индии, Румынии, Австро-Венгрии, Индии, Японии, Канаде, Германии и Перу. Почти половина общей мировой добычи нефти приходилась на Россию (9.93 млн.т) и США (8.33 млн.т) [2].

На протяжении XX века потребление нефти в мире продолжало возрастать быстрыми темпами. Накануне первой мировой войны, в 1913 г., главными нефтедобывающими странами являлись: США — 33 млн.т, Россия -10.3 млн.т, Мексика - 3.8 млн.т, Румыния -1.9 млн.т, Голландская Ост-Индия -1.6 млн.т, Бирма и Индия - 1.1 млн.т, Польша- 1.1 млн.т [8].

В 1938 г. мировая добыча достигла 280 млн.т. После второй мировой войны география добычи нефти существенно расширилась. В 1945 г. уже 45 странами было добыто свыше 350 млн.т нефти. В 1950 г. мировая добыча нефти достигла 549 млн.т, почти вдвое превысила довоенный уровень. В последующие годы мировая добыча нефти удваивалась каждые 10 лет:

15

1.12млрд.т в 1960 г., 2.34 млрд.т в 1970 г. Мировое производство нефти в 2001 г. составило 3.3 млрд.т.

В 1973-1974 гг. в результате многолетней борьбы 13 развивающихся нефтедобывающих стран, объединившихся в организацию стран -экспортеров нефти (ОПЕК), и их победы над международным нефтяным картелем произошло почти четырехкратное увеличение мировых цен на нефть. Это вызвало глубокий энергетический кризис, из которого мир вышел в конце 70-х - начале 80-х годов. Установившиеся чрезмерно высокие цены на нефть вынудили развитые государства активно внедрять нефтесберегающие технологии [2].

Максимум мировой добычи нефти — 3.11 млрд.т пришелся на 1979 г. Но к 1983 г. добыча снизилась до 2.49 млрд.т, а затем начала вновь возрастать. В 2002 г. в мире было добыто 3.3 млрд.т нефти (рисунок 1.5). Накопленная с начала разработки нефтяных месторождений суммарная мировая добыча нефти составила к 2002 г. около 120.7 млрд.т.

Рисунок 1.5 -Мировое производство нефти [3, 9]

16

Добыча любых полезных ископаемых зависит от количества разведанных в недрах запасов минерального сырья. Они подразделяются на геологические и извлекаемые (т.е., которые могут быть извлечены из недр современными методами) [2].

Запасы, предполагаемые в недрах до начала разработки месторождения, называются «начальными». Мировые начальные разведанные извлекаемые запасы нефти оцениваются в 245.8 млрд.т. На начало 2003 г. их оставшаяся часть (за вычетом накопленной добычи) составляла около 140,3 млрд.т [10]. Это обеспечивает современный уровень добычи нефти в мире почти на 43 года.

К середине 70-х в мире сформировалось 5 главных регионов размещения нефтегазовой промышленности: СССР, Ближний и Средний Восток, Северная Америка и Венесуэла, Северная и Западная Африка, Северное море [2].

Самыми большими запасами нефти располагает Ближний Восток. Для него характерно не только наличие огромных запасов нефти, но и концентрация их преимущественно на крупных и уникальных месторождениях с очень высокими дебитами скважин. Например, в Саудовской Аравии они составляют более 30.3 млрд.т [10]. При годовой добыче 367 млн.т (2004 г.) [11] их хватит примерно на 68 лет. В Саудовской Аравии находится крупнейшее месторождение Гавар с начальными запасами нефти около 12 млрд.т, крупнейшее морское нефтяное месторождение Сафания (около 5 млрд.т) и др. Начальные запасы нефти месторождения Бурган в Кувейте оцениваются от 8.5 до 10 млрд.т [12].

Подтвержденные мировые запасы природного газа, по оценкам МЭА и [10] составляют 155.9 трлн. м3. При современном уровне потребления (рисунок 1.6) их хватит примерно на 60 лет.

17

Список литературы