Возобновляемая энергия. Опыт стран ЕС 1990-2010 гг.

15 March 2018

Этим завершу тему солнечных тепловых двигателей и электрогенераторов

Практика строительства индивидуальных систем в Австрии

Быстрый рост индустрии солнечных водонагревателей в Австрии в значительной степени обусловлен установкой систем собственного (домашнего) производства, которое началось в провинции Стирия (Styriа) в 1983 году. К 1986 системы домашнего строительства по примерно одному образцу в Стирии по объему равнялись всем промышленно производимым аналогичным системам в Австрии.

Австрийское Общество Возобновляемой Энергии (Arbeitsgemeinsхаft Erneuerbаre Energize, AEE), основанное в 1988, развивало проекты солнцесборников домашнего производства, проводя учебные семинары и давая напрокат инструменты для строительства. Изначально коммерческие производители не принимали во внимание домашние самодельные системы, даже несмотря на фактическую серийность производства, но в конечном счете пришлось признать, что рынок реагирует на их наличие выпуском специфических запчастей и инструментов, которые покупают не только местные жители-рукодельники, но и местные водопроводчики и строители. В конце 1999 года в Австрии было 2 миллиона м^2 солнцесборников, среди которых около 400 000 м^2 были системами однородной (типовой) конструкции.

Самый главный маркетинговый инструмент австрийской солнечной промышленности – передача информации про успешную работу солнечных систем от их пользователей из уст в уста. Около 60% систем, работающий в DIY группах, было установлено заинтересованными друзьями и соседями, смотрящими на уже установленные системы.

Подобные пробные схемы, как например в Хили Сити Фарм (Heeley City Farm) возле Шеффилда сейчас пробуют применить в Великобритании. Но ожидания больше реальных перспектив. В южной Европе больше солнечного света, так что солнечная система может производить там в два раза больше энергии на квадратный метр, чем в Великобритании. Не удивительно, что Греция имеет высокий уровень использования солнечных водонагревателей, находящихся в собственности жителей. Но кто бы мог подумать, что столько высокого уровня в 1999 достигнет население Австрии? С 1995 по 1998 год там устанавливали около 200 000 м^2 систем за год. Многие из них были самодельными системам.

Солнечное водонагревание также популярно в Германии, где продажи водонагревателей достигли 900 000 м^2 уже в 2001 году, но в 2002 году было некоторое снижение до 540 000 м^2, что отражало неуверенность жителей в немецкой экономике.

Эта неуверенность имеет значения и в любом другом месте. Хотя установка таких систем в Великобритании в те времена имело меньшие масштабы (около 15 000 м^2 за год), производство росло, и с учетом экспорта (большей частью это относится к эвакуирующим трубчатым солнцесборникам), в 2003 году установка составила 40 000 м^2 за год. Бóльшая их часть была выпущена под торговыми марками немецких производителей, а британские продавцы быстро реагируют на успехи немецкого рынка, наращивая обороты.

Опыт таких стран, как Австрия, в 1997 году позволил Европейской Комиссии сделать вывод, что развитие солнечного водонагревания поможет ЕС снизить выбросы CО2 (CEC, 1997). В документах комиссии говорилось, что при таких темпах установки систем в ЕС ежегодный прироста составляет 20% за год, и к 2010 году будет установлено всего 100 млн. м^2. Хотя к 1999 году суммарные объемы установки увеличились, 75% систем находилось в трех странах - Германии, Австрии и Греции. Хотя объемы установки в Испании и Нидерландах с 1994 по 1999 год значительно увеличились, было сомнительно к 2010 году достичь подобных уровней в остальных странах ЕС.

Еще одна важная оценка касается Китая, в котором создан наибольший солнечный рынок во всем мире. В 2001 рынок был оценен в 5,5 млн м^2, по большей части это вакуумные солнцесборники от 1000 производителей.

Относительно влияния на окружающую среду, та от солнечных водонагревающих схем в Великобритании оно была бы минимальным. Используемые материалы - те же, что для обычного строительства и слесарного дела. Солнцесборники с насосами могут быть установлены на обычных крышах, и визуально панели почти не отличаются от нормальных кровельных материалов, а резервуары теплохранения скрыты в пространстве под крышей. В странах Средиземноморья, правда, используются свободно стоящие термосифоны на плоских крышах, что выглядит не эстетично, некоторым не нравится визуально. Но не так много солнцесборников связаны с такой проблемой, имеют установленный наверху резервуар хранения теплоносителя. (Компании солнечных водонагревателей Бейли «День и ночь» также пришлось сталкиваться с этими проблемами. И она предложила маскировать резервуар хранения под дымоход).

Нагревание воды плавательного бассейна

В конце 2001 года Великобритания оценивала объемы незастекленных солнцесборников в 89 000 м^2. Бóльшая их часть использовалась для бассейнов. Такие системы могут быть проще и дешевле, чем системы для местного нагревания воды. По оценкам DTI's от 1999 года, в Великобритании 20 м^2 системы, возможно, стоили бы от 950 до 2700 фунтов (включая налоги). Они, как и следует ожидать, производят приблизительно 300 кВт*час на квадратный метр солнцесборника. Время их окупаемости примерно соответствует ожидаемой продолжительности их жизни - около 15 лет. Есть около 100 000 бассейнов в Великобритании, и это количество планируют удвоить к 2025 году. К тому времени суммарное энергосбережение планируется увеличить на 7%, на эту же цифру повысится расход энергии на нагрев воды для жилых домов.

Активное солнечное космическое нагревание и районное нагревание

Хотя индивидуальное солнечное космическое нагревание домов технически выполнимо, вероятно было бы гораздо более экономически выгодно инвестировать средства в теплоизоляцию, чтобы уменьшить потребность в нагревании. Исследование 1992 года (Long, 1992) показало, что с правильно подобранными солнцесборником и теплохранилищем время окупаемости системы, использующейся для межсезонного энергохранения в Великобритании, могло бы быть сокращено до 30 лет, но только если эта система дополнит существующую районную теплосеть.

И все же с высокой степенью вероятности для обеспечения энергией теплосетей будет выбран другой источник (возможно, биотопливо). Теплостанции произведут тепловую энергию, затем районная теплосеть передаст потребителям это тепло. Такие системы по мнению большинства заслуживают развития и вложений. Но это и одновременно препятствует более активному использованию солнечной энергии. Но в масштабах целых экономик инвестиции в солнечные теплосистемы обоснованы.

Датское исследование от 1999 года показало: 26 больших систем с 1990 по 1999 год в среднем собирали 384 кВт*час/(м2*год) (CADDET, 2001). Это можно принять за эталон технической работы. Такая программа должна окупаться, а установка солнцесборников должна осуществляться по приемлемой цене. Анализ недавней пилотной немецкой программы установки больших солнечных систем с возможностью краткосрочного хранения энергии показал: на 60-70% повышена экономическая эффективность (по соотношению затрат к выгодам), если сравнить с использованием индивидуальных солнечных водонагревателей (см. Dаlenbаck, 1999).

Относительно влияния на окружающую среду: понятно, что большие теплосборники, установленные на крышах домов, не имеют на окружающую среду ощутимого влияния. Однако, если на крышах будет недостаточно места для размещения нагревательных систем, может потребоваться достаточно дорогая городская земля. И эти системы достаточно трудно будет защищать от вандализма.

Пассивное солнечное нагревание и дневной свет

В его узком смысле увеличения количества солнечной энергии, непосредственно используемого для обеспечения полезного пространственного нагревания, или пассивное солнечное нагревание чрезвычайно экономичное, можно считать бесплатное. Обогреваемые пассивно солнечным светом здания часто заказываются архитекторам и строителям их владельцами. Поэтому умение их проектировать и строить представляет практический интерес для строителей и архитекторов.

Однако, потенциал их ограничен: далеко не все традиционные опорные конструкции могут быть заменены нагревательными элементами. Департамент Торговли и Промышленности оценил потенциал Великобритании к 2010 году по первоначальному энергосбережению в 10 TВт*час/год. Этот показатель следует сравнить с потенциалом мер энергосбережения и строительства:

- изоляция чердаков - 6 TВт*час/год,
- изоляция полостей строительных конструкций - 31 TВт*час/год,
- энергосберегающее освещение - 6 TВт*час/год (DTI, 1999).

Проектирование зданий ведется для использования солнечного света и для энергосбережения, и для пассивного солнечного нагревания. Учреждение Строительных Исследований (Building Research Establishment) оценило национальный потенциал эксплуатации дневного света в Великобритании по стоимости между 5 и 9 ТВт*час/год к 2020 году. В теплых странах дневной свет, возможно, гораздо более важен: они могут сэкономить, снижая расход электроэнергии летом не только на освещении, но и на кондиционировании.

Проектирование и выбор места для постройки зданий, чтобы улучшить использование солнечного света экологически выгодны, и многие города уже построены с учетом этой выгоды. Например, когда в 1904 муниципальный совет Бостона (Массачусетс, США), рассматривал проект строительства 100 м небоскреба, подробно обговаривался вопрос затемнения соседних зданий. Изучение вопроса показало большое затемнение, и на постройку были наложены ограничения по высоте.

Однако, стоит прояснить: в Великобритании традиции градостроения частично основаны на викторианских понятиях оздоровительного действия «света и воздуха», которые резко контрастируют с перенаселенностью. Невысокие постройки не препятствуют проникновению солнечной энергии в здания, но поощряя строительство невысоких зданий, англичане растягивают пригороды и увеличивают расход энергии на транспортировку тепла и электричества по сетям.

Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы

Как начали это делать еще пионеры отрасли, в первую очередь средства нужно вкладывать в строительство тепловых энергетических систем в действительно солнечных регионах. Для того, чтобы производить тепло высоких температур, местный климат должен иметь большое количество прямого, не рассеянного солнечного света. Низкие цены на ископаемые топлива во всем мире снизили интерес к солнечному теплоэлектричеству, при этом интерес к фотовольтаике остается неизменно высоким. Отчет SolarPACES хорошо описывает ситуацию развития этих технологий в государстве (Tyner и др., 2001).

В США официальная цена электроэнергии заводов SEGS составляет от 12 до 14 американских центов за кВт*час (8-9 пенсов за кВт*час). Даже с учетом того, что каждая установка компании дает максимум 80 МВт, все вместе они выдают не менее 150-200 МВт. Это обеспечено возможностями коммерческих энергетических турбин и масштабами заказанных стекол для зеркал.

В настоящее время в солнечных безлюдных регионах солнечное теплоэлектричество дешевле, чем фотоэлектричество по текущим ценам. Это свидетельствует, что такие системы сохранятся в солнечных регионах, даже если цены на солнечные батареи упадут (Quаshning и Blаnco, 2001).

Полный потенциал таких систем огромен. Если вернуться к 1914 году, Фрэнк Шуман вел переговоры о строительстве солнцесборников в Сахаре площадью 20 000 квадратных миль (50 000 квадратных км). При возможностях современных заводов это подразумевало бы пиковую выработку электричества в объеме приблизительно 2 500 ГВт - приблизительно 50 пиковых спросов британской электросети. Проблемно было бы найти пути передачи электроэнергии потребителям. Одной из таких возможностей было бы производство водорода как формы энергохранения. Это обсуждается далее по тексту.

Экологические последствия использования солнечных тепловых энергетических станций несколько смешаны. Главная проблема - большое количество требуемой земли. Стандартный завод SEGS с оптимальными характеристиками занял бы 3-4 км2. Хотя только треть всех солнцесборников обычно устанавливается на земле (а не на крышах), эту землю физически трудно использовать для чего-либо другого. (Еще вариант перевода ближе к тексту, но менее понятный: Хотя типично солнцесборники занимают треть свободной земли, эту землю физически трудно использовать для чего-либо другого.) Это в отличие от ветростанций, где турбины стоят далеко друг от друга, и между ними могут расти урожаи. Даже когда все возобновляемые энергоресурсы полностью приняты во внимание (включая ветры и пустыню), заводы SEGS не используют больше земли, чем другие энергетические заводы.

Солнечным водоемам и каминам были бы нужны даже большие области плоской земли из-за их низкой термодинамической эффективности.

Для всех этих видов систем нужны солнечные пустыни в пределах досягаемости больших городов, нуждающихся в электричестве. В Калифорнии пустыня Мохаве (Mojаve) идеальна. В Европе интересные возможности предоставляют некоторые части центральной Испании и южные средиземноморские страны.

Экологические последствия использования систем OTEC смешанные. С одной стороны, большие количества перекачиваемой для работы систем воды распространяют питательные вещества и могут увеличить количество рыбы. С другой, высвобождается больше углекислоты из-за того, что вскаламучивается осадочная порода на дне. Это снижает преимущества использования этого вида возобновляемого энергии. Только дальнейшие эксперименты решат эти проблемы.

Хотя северная Европа вероятно слишком облачная, чтобы поддерживать развитие солнечных теплоэлектрических систем экономически, это не должно останавливать промышленность. Массивные зеркальные солнечные поля, используемые в схемах SEGS, не были произведены в США, а большей частью ввезены из Германии (см. Benemаnn, 1994). Как с много другие возобновляемые источники энергии, солнечный свет бесплатен, но требуется производить технические средства для его использования.

Заключение

Солнечная энергия - ресурс, который доступен везде. Все, что нужно - производить необходимые технические средства. Мы уже делаем большое количество оборудования для использования пассивной солнечной энергии и дневного света, но для развития отрасли нужны дотации. Требуются также усилия по правильному проектированию и выбору мест для строительства зданий, чтобы улучшить их использование.

Методы активного солнечного нагревания и производства солнечной электроэнергии технически выполнимы, во многих странах хорошо испытаны и расценены как экономически выгодные. Например, 80% из жилых зданий в Израиле имеют солнечные теплосети. Могут ли солнечные системы продвигаться в менее солнечных странах – другой вопрос. Эта система чрезвычайно зависима экономически не только от специфического местного климата и потребностей в энергии, но и, как показал австрийский опыт, от отношения к ее использованию людей.

Литература

  • Achard, P. and Gicquel, R. (eds) (1986) European Passive Solar Handbook (preliminary edition), Commission of the European Communities, DG XII.
  • Baker, N. et al. (eds) (1993) Daylighting in Architecture - A European Reference Book, European Commission Handbook EUR 15006 EN, Luxembourg.
  • Benemann, J. (1994) The use of glass in solar applications, Sun at Work in Europe, vol. 9, no. 3, Sept. 1994. [An interesting account of the production of large-scale mirrors.]
  • Butti, K. and Perlin, J. (1980) A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology, Marion Boyars.
  • CADDET (2001) Solar Collectors Supplement District Heating System, Centre for the Dissemination of Demonstrated Energy Technologies. Online at: http://www.caddet-re.org [accessed 3/10/2003].
  • Cavanagh, J. E., Clarke, J. and Price, R. (1992) 'Ocean energy systems', in Johannson, T. (ed.) (1992) Renewable Energy, Island Press.
  • Commission of the European Communities (1997J Energy for the Future: Renewable Sources of Energy- White Paper, COM(97) 599 final, ISBN 92- 78-28533-1, Luxembourg, C.E.C.
  • Dalenback, J-O (1999) Information Brochure on Large-Scale Solar Heating, European Large Scale Solar Heating Network. Downloadable from main.hvac.chalmers.se/cshp [accessed 3/10/2002].
  • Dalenback, J-O (2002) European Large-Scale Solar Heating Plants, European Large Scale Solar Heating Network. Downloadable from main.hvac.chalmers.se/cshp [accessed 3/10/2002].
  • DTI (1999) New and Renewable Energy: Prospects in the UK for the 21st Century - Supporting Analysis, ETSU-R122, Department of Trade and Industry.
  • DTI (2003) Energy Consumption in the United Kingdom, Department of Trade and Industry. Downloadable from www.dti.gov.uk [accessed 29/09/2003].
  • Duffie, J. A. and Beckman, W. A. (1980) Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley. [A classic textbook on the physics and engineering of solar thermal energy systems.]
  • EST (2003) The Hockerton Housing Project, Energy Efficiency Best Practice in Housing New Practice Profile 119, Energy Saving Trust. Downloadable from www.est.org.uk [accessed 2/10/2003].
  • ESTIF (2003) Sun in Action II - A Solar Thermal Strategy for Europe, European Solar Thermal Industry Federation, April 2003. Downloadable from www.estif.org [accessed 15/11/2003].
  • ETSU (eds) (1985) Active Solar Heating in the UK, Energy Technology Support Unit, Report R 25, HMSO.
  • Everett, R. et al. (1986) Tennyland and Linford Low Energy Housing Projects', Journal of Ambient Energy, Vol. 7, No. 2.
  • Ford, B. (1982) Thermal Performance Modelling of a Terrace House with Conservatory, ETSU Report 5-1056b.
  • Goulding, J. R., Lewis, J. O. and Steemers, T. C. (eds) (1992) Energy in Architecture - The European Passive Solar Handbook, Batsford. [A mine of technical information, highly recommended.]
  • Granqvist, C. G. (1989J 'Energy efficient windows: options with present and forthcoming technology', in Johansson, R. B., Bodlund, B. and Williams, R. H. (eds) Electricity - Efficient End Use, Lund University Press.
  • Hutchins, M. (1997) Glazing Materials for Advanced Thermal Performance and Solar Gain Control, Proceedings of Conference C69 of the UK Solar Energy Society, Using Advanced Glazing to Improve Daylighting and Thermal Performance in Buildings, May 1997.
  • IEA (2003) Solar Update Newsletter No.39, International Energy Agency, Feb. 2003. Downloadable from www.iea-shc.org [accessed 15th November 2003].
  • Long, G. (1992) Solar Aided District Heating in the UK, Energy Technology Support Unit, Report S 1190.
  • Mazria, E. (1979) Passive Solar Energy Book, Rodale Press. [A classic beautifully illustrated introduction to design for passive solar heating.]
  • Norton, B. (2000) Heating Water by the Sun - a layperson's guide to the use of solar energy for providing domestic hot water and for heating swimming pools, Solar Energy Society.
  • Osuna, R. etal. (2001) PS10, A 10 MW Solar Tower Power Plant for Southern Spain. Downloadable from http://www.solarpaces.org [accessed 14 March 2003].
  • Quaschning, V. Blanco, M. (2001) Solar power - Photovoltaics or Solar Thermal Plants?, Proceedings of VGB Congress Power Plants 2001. Downloadable from http://www.dlr.de/psa [accessed 14 March 2003].
  • Sadler, R. (1996) The 1995 UK National Survey of Solar Water Heating, Proceedings of Conference C67 of the UK Solar Energy Society, Solar Water Heating - Opportunities Today.
  • Schlaich, J. (1995) The Solar Chimney - Electricity from the Sun, Edition Axel Menges, Stuttgart.
  • Smith, P.F. (2001) Architecture in a Climate of Change, Architectural Press. [An up-to-date book on low energy building design for the UK.]
  • Tyner. C. E. et al. (2001) Concentrating Solar Power in 2001, SolarPACES. Downloadable from http://www.solarpaces.org [accessed 14 March 2003].
  • Weiss, W. (2000) Successful Dissemination of 400 000 m2 of Solar Systems by Do-It-Yourself Groups in Austria, Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie, http://www.aee.at/verz/english/self01.html [accessed 14 March 2003].
  • Weiss, W. (2001) Current development of the market and the potential of solar thermal systems in the medium-term, Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie, http://www.aee.at/verz/english/thermlle.html [accessed 14 March 2003].

Обсудить в моем Живом журнале и тут

Каталог первых трех разделов перевода Оксфордского учебника

Также рекомендую:

Несколько характеристик атомной энергетики
Энергия и материя Вселенной