Рабочая программа дисциплины Альтернативная энергетика Направление подготовки 240100 Химическая технология

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

Институт химии

Саратов, 2011 год

Целями освоения дисциплины «Альтернативная энергетика» являются:

• 
  развитие у студентов личностных качеств, формирование общекультурных и профессиональных компетенций в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по данному направлению подготовки;
  
• 
  формирование способностей к приобретению новых знаний в области техники и технологии;
  
• 
  вырабатывание способности и готовности осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции;
  
• 
  ознакомление студентов с существующими традиционными и новейшими технологиями получения энергии;
  
• 
  понимание студентами необходимости перспективного перехода энергетики и топливной промышленности на возобновляемое сырье;
  
• 
  изучение производства углеводородных систем с улучшенными экологическими характеристиками (бензинов, дизельных, котельных и реактивных топлив);
  
• 
  понимание роли охраны окружающей среды и рационального природопользования для развития и сохранения цивилизации;
  
• 
  приобретение основ общепрофессиональных и специальных профессиональных знаний, позволяющих выпускнику успешно работать и развиваться в своей профессиональной области и быть активным членом общества;
  
• 
  повышение культурного уровня и формирование социально-личностных качеств обучающихся: целеустремленности, организованности, трудолюбия, ответственности, гражданственности, коммуникабельности, толерантности.
  

Дисциплина «Альтернативная энергетика» относится к вариативной части профессионального цикла ООП по направлению 240100 – Химическая технология.

Обучение базируется главным образом на знаниях, полученных студентами в процессе изучения следующих курсов:

гуманитарный, социальный и экономический цикл:

• 
  введение в специальность;
  
• 
  менеджмент в нефтеперерабатывающей промышленности;
  

• 
  математика;
  
• 
  физика;
  
• 
  общая и неорганическая химия;
  
• 
  органическая химия;
  
• 
  аналитическая химия и физико-химические методы анализа;
  
• 
  физическая химия;
  
• 
  промышленная экология;
  
• 
  технология нефтехимического и органического синтеза;
  
• 
  современные технологии и экологический риск;
  
• 
  охрана окружающей среды в нефтепереработке;
  

• 
  общая химическая технология;
  
• 
  процессы и аппараты химической технологии;
  

В результате изучения дисциплины студент должен обладать следующими общекультурными (ОК) и профессиональными компетенциями (ПК):

• 
  культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);
  
• 
  способностью и готовностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3);
  
• 
  к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства, способен приобретать новые знания в области техники и технологии, математики, естественных, гуманитарных, социальных и экономических наук (ОК-7);
  
• 
  работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-12);
  
• 
  понимать роль охраны окружающей среды и рационального природопользования для развития и сохранения цивилизации (ОК-13);
  

• 
  способностью и готовностью осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции (ПК-7);
  
• 
  обосновывать принятие конкретного технического решения при разработке технологических процессов; выбирать технические средства и технологии с учетом экологических последствий их применения (ПК-11);
  
• 
  использовать правила техники безопасности, производственной санитарии, пожарной безопасности и нормы охраны труда; измерять и оценивать параметры производственного микроклимата, уровня запыленности и загазованности, шума, и вибрации, освещенности рабочих мест (ПК-12);
  
• 
  проводить стандартные и сертификационные испытания материалов, изделий и технологических процессов (ПК-22);
  
• 
  способен использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК-23);
  
• 
  изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-25).
  

•Знать:

• 
  основные направления альтернативной энергетики;
  
• 
  классификацию альтернативных источников энергии;
  
• 
  факторы экономической и экологической эффективности различных способов энергопроизводства.
  

• 
  работать на лабораторных установках проточного и импульсного типа;
  
• 
  рассчитывать каталитическую активность,
  
• 
  рассчитывать селективность реакций;
  
• 
  пользоваться микрошприцем;
  
• 
  пользоваться программой статистической обработки данных;
  
• 
  анализировать и рассчитывать хроматограммы;
  

• 
  навыками работы с информацией в глобальных компьютерных сетях, систематизировать и анализировать полученную информацию,
  
• 
  навыками работы с программным обеспечением Office 2010 (Word 2010, Excel 2010, PowerPoint 2010) для представления результатов своей работы в виде мультимедийной презентации.
  

• 
  навыками физико-химического анализа и опытом осуществления основных технологических процессов на лабораторных установках, для выполнения научно-исследовательских и практических работ;
  
• 
  способностью использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности.
  

Общая трудоемкость дисциплины составляет 180 часов, 5 зачетных единиц.

В связи с истощением мировых запасов углеводородов и усилением техногенного воздействия на окружающую среду альтернативная энергетика (АлЭ) становится одним из приоритетных направле­ний в глобальной энергетической политике.

АлЭ является наиболее ёмким собирательным термином для различных способов производства и использования энергии, которые замещают в текущий момент (либо в перспективе) менее эффективные способы энергетического использования природных источников. Повышенная эффективность подраз­умевается как по одному, так и по группе параметров (большая экономичность, нанесение наименьшего ущерба окружающей среде, меньшая ресурсозатратность и т.д.).

Главной составляющей АлЭ является энергетика на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). К ВИЭ относят:

• 
  сезонно воспроизводимую биомассу растений и животных (биоэнергетика);
  
• 
  энергопотенциал падающих солнечных лучей (солнечная энергетика);
  
• 
  энергопотенциал водяных потоков (гидроэнергетика);
  
• 
  энергопотенциал движущихся воздушных масс (ветроэнергетика).
  

• 
  газификация твёрдых топлив с последующей выработкой энергии из газового теплоносителя путём сжигания;
  

• 
  ожижение твёрдых топлив через газификацию;
  
• 
  получение жидких топлив из природных газов;
  
• 
  прямое ожижение твёрдых топлив;
  
• 
  псевдоожижение твёрдых топлив;
  
• 
  ресурсо- и энергосберегающие технологии.
  
• 
  При этом выделяются в особые направления:
  
• 
  получение и применение водорода (водородная энергетика);
  
• 
  производство альтернативных моторных топлив (этанол, биодизель, и др.).
  

Все источники энергии подразделяются на первичные (природные) источники и на вторичные (энергоносители). Вторичные энергоносители - производятся из первичных источников механиче­ским, физическим, термическим, химическим способом, либо их комбинацией. Они являются бо­лее энергоёмкими (на единицу веса или объёма), технологичнее в применении, хранении и транс­портировке, имеют, как правило, улучшенные экологические характеристики при использовании. В то же время важно заметить, что на производство вторичных источников необходимо затрачивать энергию либо от перерабатываемого первичного источника, либо от сторонних источников. Её ве­личина находится обычно в пределах от 10 до 40% теоретического энергопотенциала первичного источника. Т.е. при большем удельном энергопотенциале вторичного источника его интегральный энергопотенциал всегда будет меньше (из-за энергопотерь) чем энергопотенциал первичного ис­точника, либо его сумма с затраченной на производство энергии.

• 
  прямая энергия падающих лучей Солнца;
  
• 
  солнечная энергия, трансформированная в механическую энергию водяных и воздушных
  потоков;
  
• 
  солнечная энергия, трансформированная в химический потенциал биопродуцентных веществ;
  
• 
  солнечная энергия, накопленная в произросшей ранее биомассой (угольные и углеводородные
  полезные ископаемые);
  
• 
  кинетическая энергия вращения Земли, трансформируемая за счёт гравитационного
  взаимодействия с Луной в приливы-отливы.
  

• 
  энергия тепла Земли вследствие процессов, происходящих в её глубинах;
  
• 
  энергия вращения Земли, преобразованная в ветровые потоки вблизи экваториальной зоны;
  
• 
  синтезированные внутри Земли и накапливаемые в земной коре углеводороды небиологического
  происхождения;
  
• 
  энергия ядерного и термоядерного топлива.
  

Падающая на поверхность Земли на границе с атмосферой полная энергия Солнца, составляет 2,5 млрд Гкал/мин. Удельная солнечная энергия составляет при этом 20 ккал/(м²хмин). В спектре солнечного света приходится:

• 
  45% энергии - на инфракрасную, преимущественно, коротковолновую область;
  
• 
  48% - на видимую;
  
• 
  7% - на ультрафиолетовую.
  

• 
  углекислым газом и метаном (инфракрасное длинноволновое излучение);
  
• 
  озоном (ультрафиолетовое);
  
• 
  парами воды, пылью (весь спектр); кислородом (в небольшом количестве).
  

Концентрация и накопление солнечной энергии в огромных количествах происходит в биомассе, бла­годаря покрытию плоской листвой деревьев и травянистых растений практически всей твёрдой зем­ной поверхности. В воде - это макро- и микроводоросли, отдельные виды т.н. фототрофных бактерий (пурпурные, зелёные и цианобактерии). Механизмом преобразования солнечной энергии растениями в химический потенциал их биомассы является фотосинтез. Он происходит с участием поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.).

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно образуется 150 млрд. тонн органических веществ. При этом усваивается 300 млрд.тонн СО₂ и выделяется 200 млрд. тонн свободного кислорода. Энергопотенциал ежегодно воспроизводимой органики почти в 8 раз превышает мировые энерго­потребности человечества.

В процессе существования Земли кислород, выделяемый растениями, накапливался в атмосфере. Он является легко доступным окислителем. Если произвести мысленно сжижение земной атмосферы, толщина её слоя составит около 10 м. Если при этом расслоить жидкость, то толщина кислородного слоя будет около 2 м, а углекислого газа всего около 1,5 мм. Остальное - азот и инертные газы.

Биомасса остаётся и скапливается по месту произрастания растений, и является более труд­нодоступной.

Под землёй биомасса разлагается на следующие вещества, имеющие энергетический потенциал: газ, преимущественно метан - СН₄; жидкие углеводороды; каменный уголь.

Процесс накопления под землёй угля и углеводородов из растений идёт непрерывно, но очень медленно. При этом реализуется цепочка: древесина и травянистые растения > торф (при малом ко­личестве биомассы - чернозём) > бурый уголь > молодой каменный уголь > каменный уголь старый (тощий с малым содержанием летучих веществ) > антрацит.

Останки микро- и макроскопических животных постепенно битумизируются и превращаются в нефтепродукт. Выделяемый в процессе трансформации биомассы природный газ скапливается в осадочном слое земной поверхности, а также частично выходит наружу в атмосферу, в особенности на начальном этапе процесса.

Процесс консервации и трансформации биомассы начинается на поверхности в присутствии кис­лорода, и часть её окисляется в двуокись углерода как за счёт прямого контакта с воздухом, так и за счёт деятельности аэробных микроорганизмов. Затем процесс трансформации биомассы идёт сначала при недостатке, затем и при отсутствии кислорода (анаэробное разложение).

Классификация топлив органического происхождения следующая. Древесина и травянистые растения относятся к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). Торф считается условно возоб­новляемым ископаемым (период накопления несколько тысяч лет). Все другие горючие ископаемые, включая каменные угли, горючие сланцы, нефть и природный газ, относятся к не возобновляемым источникам энергии (НВИЭ), поскольку скорости их накопления {десятки тысяч и миллионов лет) и современного потребления (сотни лет) несоизмеримы. Оставшийся для всеобщего потребления от­носительно доступный ресурс нефти и газа составляет по разным оценкам от 40 до 100 лет. Ресурс же каменного угля оценивается в 1 -2 тысячи лет. В принципе, уголь и биомасса могут стать полной заменой ископаемым углеводородам, если будут доведены до совершенства (в т.ч. в плане эколо­гии) промышленные масштабные технологии их энергоутилизации.

Интенсивное энергопроизводство путём окисления кислородом воздуха топлив, содержащих углерод (и НВИЭ, и ВИЭ), ведёт во всех случаях к нарушению установившегося баланса веществ и теплового баланса в экосфере Земли. Нарушение происходит, преимущественно, вследствие на­копления углекислого газа, который, как считают, не успевают полностью поглощать растения при их существующем на Земле количестве. Кроме того, увеличение количества разлагающейся с вы­бросом метана биомассы, вскрытие угольных пластов с метановыми выбросами, потеря метана при газо- и нефтедобыче по отдельным оценкам дают не меньший вклад. Поэтому Киотский протокол поощряет как уменьшение выбросов углекислого газа (достигается преимущественно повышением КПД энергоустановок и снижением энергозатратности производств), так и увеличение его поглоще­ния, в т.ч. за счёт увеличения площади зелёных насаждений.

Биоэнергетическая отрасль, занимается вопросами преобразования химического потенциала в накопленной сезонной биомассе в тепловую, электрическую и механическую энергию. К энергети­ческой биомассе, используемой в промышленных масштабах относятся:

• 
  торф;
  
• 
  древесина и её отходы;
  
• 
  специальные энергетические растения для сжигания и выработки энергоносителей;
  
• 
  отходы сельскохозяйственного и других производств;
  
• 
  отходы от жизнедеятельности человека и животных.
  

1. 
   Практическая неисчерпаемость сезонно накапливающих энергию источников, благодаря их ежегодному самовосстановлению;
   
2. 
   Принципиальная возможность (при необходимости) наращивания производства биотоплива вплоть до полного удовлетворения человеческих потребностей;
   
3. 
   Меньшее нарушение природного баланса земной экосистемы по сравнению с НВИЭ;
   
4. 
   Принципиальная возможность достижения относительно низкой цены вырабатываемой энергии, преимущественно за счёт реализации локального энергопроизводства на местных источниках.
   

• 
  оптимизация агротехнологий выращивания и первичной переработки энергетических растений;
  

• 
  компактирование биомассы вблизи места её производства для удешевления хранения и транспортировки (совершенствование процессов и оборудования производства топливных пеллет и брикетов улучшенного качества, новые технологии ожижения);
  

• 
  совершенствование процессов сжигания и повышение КПД оборудования;
  

• 
  создание индустрии производства моторных биотоплив, их поставки конечным потребителям, совершенствование технологий и оборудования, использующего эти биотоплива.
  

Энергия водяных и воздушных потоков используется людьми тысячелетиями. На сегодня гидроре­сурсы крупных рек почти полностью исчерпаны. Современная тенденция направлена на создание по­близости от потребителей мини-ГЭС мощностью от единиц и десятков киловатт до нескольких мега­ватт. Как правило, это - высоконапорные участки (горные и предгорные районы), причём с небольши­ми водохранилищами, а также не использовавшиеся ранее или запущенные малые водохранилища. Затраты на строительство таких мини-ГЭС и на передачу энергии невелики, а окупаемость составляет от 2 до 3 лет. К тому же обеспечивается минимальное воздействие на окружающую среду.

Другое направление - это сооружение в прибрежной зоне открытых морей приливных ГЭС. К сожалению, мест, где их можно строить, не так много. Вырабатываемая мощность не постоянна в течение суток. Их строительство пока дорогостояще, необходимы специальные низконапорные тур­бины. Тем не менее, создание приливных ГЭС в отдельных районах весьма рентабельно.

Третье направление гидроэнергетики - это строительство гидроаккумулирующих ГЭС (ГАЭС). Назначение ГАЭС - компенсация провалов и пиков в суточном локальном потреблении энергии. Их строительство ведётся, как правило, на крутых берегах рек, где можно создать достаточно вмести­тельные заполняемые - опустошаемые в течение суток водохранилища.

Кроме того, в приморсих регионах ведётся большое число разработок по использованию энергии волн.

Современные ветроустановки в отличие от ветряных мельниц - это сложные дорогостоящие сооружения с ценой установочной мощности порядка 2-3 тыс. евро за киловатт. Из-за дороговизны и нестабильности ветряных потоков их строительство рентабельно только в зонах устойчиво дующих, достаточно сильных ветров. Ветро-электростанции (ВЭС) не создают проблем с ведением вблизи них сельскохозяйственной деятельности. Они, как и ГЭС с малыми водохранилищами, практически не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.

Выработка энергии от водяных и воздушных потоков обусловлена кинетической энергией движу­щихся масс жидкости и воздуха. Вырабатываемая мощность пропорциональна произведению мас­сового расхода на квадрат скорости воды, ветра), т.е. произведению куба скорости на плотность жидкости (воздуха) и на площадь проходного сечения гидро- и ветроагрегата. Сечение пропорцио­нально квадрату поперечного размера.

Эти зависимости объясняют то, что, например, при всех одинаковых параметрах по геометрии и скорости рабочего тела, мощность ветроустановки будет в тысячу раз меньше мощности гидроуста­новки из-за тысячекратной разности плотностей рабочих тел.

Если при одинаковых скоростях требуется обеспечить одинаковую мощность диаметр воздушной турбины должен быть в 33 раза больше, чем водяной для обеспечения равных массовых расходов. При одинаковых же геометрических параметрах турбины для достижения одинаковых мощностей скорость ветра должна быть на порядок выше, чем для воды. В силу всего сказанного ветроуста­новки имеют огромные лопасти, и ось вращения поднимают как можно выше от поверхности земли, где выше скорость ветра.

Для гидропотока квадрат скорости пропорционален напору, а массовый расход определяется дебетом реки. Иными словами для повышения мощности ГЭС необходимо повышать гидронапор. Его увеличение связано с почти квадратичным увеличением поверхности водохранилищ. Поэтому при строительстве ГЭС по экологическим и экономическим соображениям предпочтение отдаётся горным рекам, текущим внутри ущелий и каньонов.

Гидро- и ветроэнергетика являются наиболее «экологически чистыми», как и солнечная энерге­тика. Однако, как указано выше, они также требуют концентрации потоков воды и воздуха (искус­ственной или естестественной). Естественная концентрация энергии водяных потоков происходит в тех случаях, когда на небольшом по протяжённости участке реки имеется значительный перепад высот. Но и в этом случае необходимо создание специальных водонапорных водоводов и неболь­ших по площади водохранилищ; при этом может, хотя и незначительно, нарушаться локальная экология. Рельефная зависимость во многом ограничивает ореол строительства и больших, и малых ГЭС. Для строительства приливных ГЭС также необходимо наличие рельефных аккумуля­торов энергии (бухты с узким входом, фьёрды). Необходимы также места с высоким приливным эффектом (моря открытые в океан).

Для воды имеются природные аккумуляторы, дающие относительно устойчивое питание гидроу­становкам (ледники, поверхностные массивы, впитывающие влагу). Это обеспечивает достаточно устойчивую суточную и даже сезонную выработку энергии гидростанциями. Этого нельзя сказать о ВЭС; поэтому они должны включаться крупную электросеть, либо в замкнутой сети работать в тан­деме с другими, регулируемыми по мощности источниками энергии (дизель-генераторы, мини-ГЭС и т.д.). Иногда ветроустановки подключают замкнуто или в параллель к «необязательному» потреби­телю (мельницы, водокачки и т.д.).

Концентрация воздушных потоков искусственно не создаётся. Для размещения ветро-энергооборудования используют существующие особенности рельефа, либо географического по­ложения, создающие максимальные скорости ветра и относительно устойчивое суточное движение воздушных потоков. Это - возвышенности, локальные впадины, побережья крупных естественных и искусственных водоёмов с бризовыми ветрами.

Научно-технологические разработки в области гидроэнергетики направлены на создание эффективных низконапорных турбин и унифицированных конструкций модульных, легко монтируемых микро-ГЭС (мощностью от 0,1 до 2 МВт) и мини-ГЭС (мощностью до 2-20 МВт), а также микро-ГЭС для индивидуальных потребителей с мощностью от 1 -10 до 100 кВт.

Разработки по ветроэнергетике направлены на создание принципиально новых конструкций, не требующих создания дорогостоящих высоких башен, на разработку надёжных систем обеспече­ния постоянства характеристик электрического тока при меняющейся скорости вращения лопа­стей генератора.

2.5. «Чистый уголь»

Лучший сорт каменного угля - антрацит является высоко калорийным и вполне экологически чистым топливом. Однако его разведанных запасов с трудом хватает на нужды химической и ме­таллургической промышленности. Прогнозируемые на тысячелетнее использование запасы угля приходятся, к сожалению, преимущественно на бурые угли, причём низкосортные, такие как, на­пример, в подмосковном бассейне. Рентабельность их применения низка из-за высокой зольности. Следствием этого являются высокие (в пересчёте на единицу фактически получаемой мощности) затраты на перевозку и низкий КПД теплоэлектростанций (ТЭС), работающих по традиционным схе­мам (не превышает 30%). Из-за низкого КПД высоки не только удельные (на единицу мощности) затраты, но и удельные выбросы углекислого газа и других вредных для атмосферы веществ. Те же самые проблемы имеют торф и сланцы.

Основные усилия в повышении эффективности использования угля направлены на то, чтобы до­стигнуть наибольшей экологической чистоты его применения, т.е. сделать уголь «чистым». Это на­правление в английском имеет название «clean coal» (CC), дословно - «чистый уголь».

Существует несколько направлений технологий СС.

Достижение высоких экологических и экономических показателей энергетики невозможно без рачительного подхода. Есть два способа удовлетворения человечества в потребностях энергией: увеличение её производства и альтернативный ему - уменьшение потребления. Запрос на энергию будет тем меньше, чем более энергосберегающие технологии производства используются и чем бережнее люди относятся к той энергии, которая уже произведена.

По некоторым оценкам возведение энерго- и ресурсосбережения в ранг государственной, хоро­шо контролируемой и стимулируемой политики способно при нарастании объёмов выпуска товар­ной продукции снизить годовое энергопотребление почти в полтора раза уже к 2050 г. Это автома­тически могло бы решить все крупные экологические проблемы, включая глобальное потепление. Поэтому сбережение энергии и ресурсов для её производства можно считать самым главным на­правлением в альтернативной энергетике.

2.6.2. Водородная энергетика

Водород является самым высоко калорийным видом топлива, причём самым экологичным (продукт сгорания – вода). Однако он, к сожалению, не существует в природе в свободном виде, а только, преимущественно, в виде окисла - вода, а также углеводородов (продукты органического синтеза). Меньшая часть его находится в виде сложных соединений -кислот и гидридов. Чтобы добыть водород, воду или углеводородные соединения необходимо разложить, затратив на это энергию. Получить её можно только из первичных источников (либо от вторичных, полученных также энергозатратной конверсией первичных). Например, для раз­ложения воды необходимо затрачивать энергию 126 МДж/кг. В последствии при окислении в энергоустановках эта энергия вернётся по месту энерговыработки, но, к сожалению, с потерями до 50% и более.

Технологии получения водорода хорошо известны и в достаточной степени отработаны. Это - электролиз, а также термическое разложение воды в присутствии катализаторов (для снижения температуры процесса), термический и термомеханический крекинг углеводородов, термохимические процессы с неполным сжиганием угля и биомассы при паровой конверсии.

Помимо высокой локальной экологии привлекательность водородной энергетики состоит в воз­можности аккумуляции энергии в расщеплённой на кислород и водород воде. Проблема при этом состоит в создание крупных хранилищ водорода.

Другая привлекательность водорода базируется на его высокой химической активности к окис­лению. Вследствие неё возможна выработка электроэнергии из полученного водорода не через сжигание, а через низкотемпературное окисление с образованием ЭДС в специальных т.н. топлив­ных элементах. Для их работы водород должен обладать высокой чистотой.

Водород является самым лучшим и самым экологически чистым моторным топливом. Он особен­но привлекателен для автотранспорта мегаполисов с высокой загазованностью. Хотя транспорт на водороде пока дорог, уже начат промышленный выпуск автомобилей на водородном топливе.

Следует отметить, что научные основы не являются на сегодня преградой для развития водород­ной энергетики. Однако большой ряд не до конца решённых технологических проблем сдерживает пока развитие водородной энергетики. На сегодня применение водорода, как топлива, рентабельно в небольших масштабах и там, где невозможно иными средствами улучшить локальную экологию. Кроме того, водород применяют при необходимости обеспечить максимальную мощность при мини­мальном весе топлива, например, в ракетных двигателях. Гораздо важнее то, что водород даже при небольших добавках (например, в природный газ, жидкое моторное топливо) существенно повы­шает экологические и технологические характеристики энергоустановок. Кроме того, водород - это главный компонент при выработке синтетического жидкого топлива.

Основные усилия в развитии водородной энергетики направлены на решение следующих про­блем технического характера:

1. 
   Безопасное и относительно дешёвое хранение водорода: высокотемпературные гидриды, бал­лоны из композитных материалов для хранения при высокой компрессии, крупные криогенные
   хранилища.
   
2. 
   Безопасная транспортировка и использование, исключающие образование и взрыв гремучей смеси (от 8% по объёму с воздухом).
   
3. 
   Создание топливных элементов, доступных для массового потребления.
   

Земное ядро имеет температуру нескольких тысяч градусов. Благодаря этому существует темпе­ратурный градиент и поступление тепла в направлении от центра к поверхности Земли. Имеется два принципиальных способа утилизации земного тепла.

В районах расположенных на морских побережьях или у других крупных водоёмов для отбора тепла используют их воду. Подобным образом в ряде городов ЕС и России даже утилизируют тепло канализационных стоков.

На сегодня самым эффективным по совокупности параметров: экологичность-энергоэффективность-удобство транспортировки и использования был и остаётся природный газ. За ним следуют нефтепродукты. Другой серьёзной альтернативы углеводородам, помимо атомной энергетики, пока, к сожалению, нет. Энергетику на возобновляемых источниках на данном этапе её развития можно назвать «энергетикой рачительных хозяев», использующих то, что всё равно «про­падает задаром». Перспектива выдвижения альтернативной энергетики на лидирующую позицию определяется не только технологиями, но и экономическими и экологическими показателями. Их необходимо правильно и корректно отражать и учитывать.

При экономической оценке того или иного уже работающего производства энергии её стоимость определяется автоматически, исходя из совокупности затрат. Они включают в себя стоимостные показатели на следующих этапах (участках):

• 
  добыча (получение) первичного источника (сырья);
  
• 
  процессы переработки сырья в квалифицированное топливо;
  
• 
  транспортировки на различных стадиях процесса;
  
• 
  получение конечного потребляемого вида энергии;
  
• 
  доставки энергии потребителю;
  
• 
  выплата налогов и обязательных платежей.
  

Использование энергоустановок является наиболее эффективным только при максимальной за­грузке их энергоблоков. Отклонение энергоблока от номинальной мощности часто принципиально невозможно более чем на 20-30%. Работы с маневрированием мощности снижают ресурс оборудования, удорожают энергопроизводство. Потребление энергии всегда имеет большие суточные и сезонные колебания. В масштабной энергетике они сглаживаются включением производителей в общую сеть с огромным числом потребителей. Большая же часть установок, работающих на ВИЭ, рассчитана на локального потребителя энергии, который, к тому же, часто является замкнутым (не подключен к общей сети). Подключение объектов малой энергетики к энергосетям в России очень дорого. Монопольно определяемые тарифные стоимости на подключение непомерно высоки для мелких производителей. Цены, по которой монополист будет принимать закачиваемую сторонним производителем энергию отличаются в несколько раз от продаваемой им из электросети. Тарифная политика пока не отрегулирована должным образом законодательно как на государственном, так и на региональных уровнях. Всё это является самым большим тормозом во внедрении АлЭ.

При оценке «экологичности» какого-то способа производства энергии необходимо корректно предоставлять информацию о нём, причём на каждом этапе цепочки производства энергии, а не только для энергогенерирующей установки:

1. 
   указывать конкретный механизм (причину - следствие) вредного воздействия;
   
2. 
   идентифицировать объекты (субъекты) подвергающиеся воздействию (люди, животные, растения, размер групп, площади воздействия и т.д.);
   
3. 
   отражать степень интегрального и локального воздействия:
   

• 
  на воздушный бассейн в целом;
  
• 
  на атмосферу над конкретным регионом;
  
• 
  на определённые территории суши, местный водоём, реку, море, океан и т.д.
  

Рассмотрим более подробно, какие параметры влияют на экологичность и экономическую эффектив­ность процессов при сжигании топлив (в т.ч. по выбросам СО₂). Поэлементный стехиометрический со­став рабочей массы топлива (т.е. массы, подвергаемой сжиганию) даётся приблизительной формулой:

С^р + Н^р + S^p + О^р +N^p + А^р +W^p = 100%

где слагаемые - это процентные массовые количества веществ и соединений (относительно к общей массе топлива): С^р - углерод; Н^р - водород; S^p - летучая горючая сера (в свободном виде и в составе колчеданного соединения FeS₂); О^р - кислород; N^p - азот; А^р - суммарные составляющие золы; W^p - вода.

Первые три элемента являются горючими составляющими и определяют предельно возможную теплотворность топлива. Одинаковый стехиометрический состав не всегда означает автоматически одинаковую теплотворность топлива, т.к. эти горючие составляющие могут находиться в составе раз­ных химических соединений, а на разрушение этих соединений при окислении может требоваться раз­личная энергия. Сера, хотя и принимает участие в выработке тепловой энергии при сжигании, считает­ся нежелательным компонентом. Образуемый при её сгорании сернистый газ SO_2, соединяется затем с водяными парами в продуктах сгорания и даёт в выбросах серную кислоту - H₂SO₄, которая вредно воздействуют на элементы оборудования и окружающую среду, выпадая т.н. кислотными дождями.

О^р и N^p являются внутренним балластом, они входят в состав химических соединений с горючими составляющими. А^р и W^p являются внешним балластом. Их количество зависит от внешних фактов: условия образования сырья, добыча, хранение и т.д.

Количество влаги - W^p может в значительной мере колебаться для одного и того же вида топлива в зависимости от способа добычи, транспортировки и хранения.

4. 
   Альтернативная энергетика в России.
   

К счастью, опыт не был утерян полностью. Сохранились многие научные школы, инженерные кадры. Бережливость населения в энергетической сфере начинает восстанавливаться с помощью рыночных механизмов. Успехи российской науки в таких направлениях, как водородная энергетика, химический катализ при конверсии топлив и др. вызывает большой интерес у зарубежных специалистов.

Говоря о внутренних потребностях в альтернативной энергетике, многие специалисты, сталки­вавшиеся с этой проблемой на практике, отмечают следующее. В развитии альтернативной энерге­тики заинтересованы, в первую очередь, «на местах» - руководители муниципальных образований, а также предприятий, страдающие от монополистической газовой политики. Наличие лимитов на отпуск газа сдерживает развитие мелких производств и социальной сферы в стране. Главная при­чина лимитирования на сегодня это - ценовые «ножницы» для внутренних и внешних поставок при­родного газа (3-5 раз), заставляющие газопроизводителей отдавать преференцию экспорту газа. Намечаемое увеличение цен на газ и выравнивание их с мировыми, безусловно, должно решить проблему лимитов. Однако при этом в России может возникнуть другая, более серьёзная проблема. Рост цен на газ сделает отечественное товаропроизводство менее конкурентоспособным в сравне­нии с импортом. Отечественные и импортные цены на товарную продукции ныне почти одинаковы. Цены на такие энергоёмкие продукты, как, стройматериалы, в особенности цемент, уже сравнялись и превзошли мировые. Топливная составляющая достигает в них от 20 до 50% и более. Поэтому не случаен интерес у энергозатратных производств уже сейчас к альтернативам пока дешёвому газа и уже дорогим нефтепродуктам.

Надежда на то, что энергетика на местных возобновляемых энергоисточниках может стать бы­строй альтернативой дорожающему газу не вполне правильна по двум причинам. Из-за террито­риальной рассредоточенности ВИЭ, зависимости их наработки от климатических условий, из-за отсутствия необходимой индустрии первичной переработки сырья, дорожно-транспортных проблем использование ВИЭ пока сложно сделать рентабельным в крупных масштабах. Не последнюю роль, как сдерживающего фактора, играет тарифная политика энергомонополий и отсутствие правовых норм стимулирования развития АлЭ. На сегодня альтернативная энергетика может лишь дополнять существующее базовое производство энергии.

Если говорить о крупномасштабной альтернативе на перспективу как для России, так и других стран, то ей, скорее всего, станет газифицируемый каменный уголь. Его запасы имеются почти во всех странах в значительных количествах, в особенности, в России (по разным оценкам - на 3-5 тыс. лет для внутреннего потребления). Современные технологии позволяют в меньшей степени беспо­коиться о качестве угля, чем ранее. Важно отметить, что технологии термической газификации биотоплив, торфа и углей близки между собой. Процессами их газификации, а также трансформации в жидкие топлива занимаются, практически одни и те же специалисты. В России имеется большое количество коллективов, занимающихся различными сторонами данной проблемы. Однако их коор­динация и кооперация с зарубежными специалистами могли бы быть лучше.

Говоря о международном сотрудничестве в развитии альтернативной энергетики необходимо чётко идентифицировать сферы взаимных интересов. Всеми сторонами отмечается, что междуна­родное сотрудничество по альтернативной энергетике крайне выгодно как России, так и её зару­бежных партнёров. Здесь можно указать следующие основные мотивы взаимных интересов:

1. Выполнение Киотского протокола необходимо для всех стран-подписантов и для России в том числе; невозможно одностороннее решение глобальных природоохранных проблем.

2. 
   Чем больше Россия сожжёт «топливного мусора» на собственные нужды, тем выше будут её экспортные возможности по пока имеющемуся кондиционному топливу (нефти и газу). При возрастании объёмов поставок этих топлив возрастёт общий доход России, а покупатели мо­гут рассчитывать при этом на более низкие экспортные цены.
   
3. 
   Россия с большими незадействованными пахотными площадями (около трети), слабо исполь­зуемыми лесными массивами, крупнейшими в мире запасами торфа имеет большой экспортный ресурс поставок биотоплива. Для этого необходимо развить соответствующий внутренний рынок, техническую базу и транспортную сеть в России, и это будет выгодно всем сторонам.
   
4. 
   Научный потенциал России велик, её научные школы признаны во всём мире, продолжаю­щиеся процессы конверсии оборонных производств высвобождают всё больше квалифици­рованных специалистов, в том числе для важнейших энергетических отраслей. Выполнение научно-технологических разработок на существующем в России оборудовании привлекатель­но для Запада относительно меньшей стоимостью, а для России созданием новых оплачивае­мых рабочих мест. Всем при этом взаимовыгодны как научные контакты, так и обмен опытом внедрения разработок.
   

Что сдерживает пока развитие альтернативной энергетики и широкого сотрудничества? Помимо указанных выше факторов проблема России в развитии альтернативной энергетики даже для соб­ственного потребления состоит в несформированности российского рынка для оказания услуг производства и потребления энергии, вырабатываемой мелкими энергопроизводителями, которые доминируют в альтернативной энергетике. Необходимо создание предприятий, обеспечивающих комплексные услуги заказчикам от начала до конца в цепочке: заготовка + переработка сырья + гарантированные поставки топлива + надёжное и гибкое энергетическое оборудование под разные виды топлива.

Подобные энергосервисные компании должны брать на себя:

• 
  промоутерские действия по альтернативной энергетике;
  
• 
  координацию спроса - предложений;
  
• 
  грамотную оценку технико-экономической ситуации у заказчиков;
  

• 
  профессиональный подбор комплекса оборудования от разнопрофильных поставщиков и производителей;
  

• 
  обучение персонала;
  
• 
  заготовку сырья;
  
• 
  переработку его в квалифицированное топливо;
  
• 
  энергопроизводство;
  
• 
  доставку энергии;
  
• 
  распределение и учёт.
  

При освоении дисциплины используются следующие образовательные технологии:

- курс лекций сопровождается мультимедийными материалами (в программе Power Piont);

- подготовлен инновационный учебный материал для практических и лабораторных занятий в формате видеороликов и интерактивных моделей; проведения вычислений, с помощью программы статистической обработки данных;

- лабораторные занятия предполагается осуществлять в форме деловых игр, с обсуждением различных вариантов осуществления поставленных задач, по тематике лабораторные работы будут привязаны к темам самостоятельной работы и позволят контролировать уровень самостоятельной подготовки студентов.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Виды самостоятельной работы:

• 
  Составление опорных конспектов, различных видов таблиц (концептуальных, сравнительных), поиск информации в сети Интернет.
  
• 
  Разработка проектов (индивидуальных, групповых).
  
• 
  Изучение дополнительной литературы.
  

• 
  контрольные срезы;
  
• 
  подготовку и защиту рефератов;
  
• 
  решение практических проблемных ситуаций;
  
• 
  тестовые задания;
  
• 
  деловая игра;
  
• 
  экзамен.