Ископаемые невозобновляемые источники
Возобновляемые источники энергии и архитектура современных зданий
оглавление
введение
Возобновляемые источники энергии и их виды
Невозобновляемые источники энергии и их виды
Архитектура современных зданий
Использование средств альтернативной энергетики при формировании художественного образа в архитектуре
Заключение
Список использованной литературы
введение
актуальности проблемы
Современная тенденция использования в архитектуре средств альтернативной энергетики дает основание полагать, что в будущем, когда человечество сможет отказаться от массового потребления ископаемого топлива, практически каждое здание будет оснащаться оборудованием, использующим неисчерпаемые или возобновляемые источники энергии. В связи с этим остро встает вопрос повышения выразительности энергоактивных зданий, использующих такие установки и разработки художественных приемов интеграции объектов альтернативной энергетики в архитектуру.
Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии.
Возобновляемая энергия присутствует в окружающей среде в виде энергии, не являющейся следствием целенаправленной деятельности человека.
К возобновляемым энергоресурсам относят энергию:
- Солнца;
- мирового океана в виде энергии приливов и отливов, энергии волн;
|
|
|
- рек;
- ветра;
- морских течений;
- морских водорослей;
- вырабатываемую из биомассы;
- водостоков;
- твердых бытовых отходов;
- геотермальных источников.
Недостатком возобновляемых источников энергии является низкая степень ее концентрации. Но это в значительной степени компенсируется широким распространением, относительно высокой экологической частотой и их практической неисчерпаемостью. Такие источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи энергии на расстояние. Энергетика, работающая на этих источниках, использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве, перераспределяет, но не нарушает их общий баланс.
Неиспользование потоков энергии возобновляемых источников приводит к ее безвозвратной потере, предопределяет несколько иной подход к оценке эффективности устройств, применяющих эти источники, по сравнению с устройствами, работающими на невозобновляемых ресурсах.
Учитывая истощенность энергетических ресурсов, роль использования возобновляемых источников энергии во многих странах с каждым годом возрастает. Так, выработка электроэнергии на ветряных установках увеличивается в среднем в год на 24%, от солнечных батарей - на 17, а на геотермальных станциях - на 4%.
|
|
|
Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии.
Энергия невозобновляемых источников, в отличие от возобновляемых, находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.
К невозобновляемым (невосполняемым) энергетическим ресурсам относят:
- каменный уголь, запасы которого в мире оцениваются в 10-12 трлн. т;
- нефть, запасы которой распределены крайне неравномерно на Земле: на Ближнем и Среднем Востоке - 67, в Африке - 12,5, Юго-Восточной Азии и Дальнем Востоке - 3, Северной Америке - 9, Центральной и Южной Америке - 5,5, Западной Европе - 3 %. По уровню добычи нефти Россия занимает 3-е место в мире, уступая только Саудовской Аравии и США. В 2009 г. ею добыто 500 млн. т.
Подавляющая часть нефти потребляется в Северной Америке, и, прежде всего вСША, в индустриально развитых странах Западной Европы и Японии;
- природный газ, запасы которого характеризуются данными, приведенными в таблице 1.2 Как видно из этих данных, основные разведанные запасы газа в мире сосредоточены в России (32 %), Иране (15,7 %), Катаре (6 %). Добыча газа в России составляет 25,1, в США - 24,1, Канаде -8,1 % от мировой. Владельцами крупных газовых месторождений также являются: Казахстан, Туркменистан, Ирак, Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты, Египет, Алжир, Ливия. Активно осваиваются газовые шельфы в Северном и Норвежском морях. Суммарные запасы природного газа здесь превышают российские. На начало 2000 года месторождения нефти и газа были открыты более чем в 90 странах мира. Разведанные запасы газа в мире составляют 146,6 трлн. м3, нефти - 138, 6 млрд. т. Доля газа в топливно-энергетическом комплексе мира составляет в настоящее время 22 %, в России - более 50 %, в которой открыто 769 месторождений, а разведанные запасы к началу 2000 года насчитывали 46,9 трлн. м3.
|
|
|
Таблица 1. Оценка потенциала возобновляемых источников энергии России [19]
На сегодняшний день одна из главных задач, которая стоит перед архитекторами – это повышение энергоэффективности зданий и сооружений. Использование в архитектуре средств альтернативной энергетики находится в числе основных способов решения данной проблемы [12].
Традиционные ископаемые источники энергии – нефть, уголь, природный газ – представляют собой, как правило, сосредоточенные месторождения природных ресурсов, накопивших энергию в течение очень длительного периода времени, чем обусловлена их высокая эффективность, с одной стороны, и исчерпаемость ресурса – с другой. Проблемы энергетического и сырьевого кризиса заставили начать поиск альтернативных неисчерпаемых и возобновляемых источников энергии. Среди основных источников находятся энергия ветра, солнца, движущейся воды, тепла земли, энергия биомассы. Более подробно в статье будут рассмотрены вопросы интеграции в архитектуру объектов гелиоэнергетики, ветроэнергетики и биотопливных комплексов.
|
|
|
К особенностям альтернативной энергии относятся ее низкая интенсивность и большая рассеянность в пространстве с плотностью менее 300 Вт/м2 [17], что требует размещения большого количества сравнительно маломощных установок, производящих небольшое количество энергии. В связи с этим можно сделать вывод о целесообразности размещения объектов альтернативной энергетики в структуре зданий и на прилегающих участках для увеличения площади энергетической инфраструктуры и повышения общей производительности энергосистемы. Такое решение позволит получать энергию практически со всей территории, включая площадь застройки. Сокращение протяженности инженерных коммуникаций в этом случае поможет значительно снизить затраты на строительство и эксплуатацию инженерных сетей, связывающих между собой многочисленные установки со зданиями-потребителями, а также уменьшить потери при передаче выработанной энергии, которые значительно возрастают по мере увеличения протяженности и снижения удельной мощности энергосетей. В то же время использование новых элементов в архитектуре может стать средством формирования нового высокотехнологичного образа современных зданий.
Использование возобновляемых источников энергии для России является особенно актуальной задачей, т.к. суровый климат требует больших энергозатрат на отопление и содержание зданий, а обширная площадь не позволяет обеспечить надежное и эффективное энергоснабжение на всей территории страны. Наша страна обладает огромным потенциалом в использовании альтернативных источников энергии (таблица 1) [19]. Так, пока еще слабо развитые районы севера обладают огромными возможностями по использовании энергии ветра, среднегодовое значение скорости которого превышает 8 м/с (необходимый минимум для эффективной работы ветрогенератора составляет 3 м/с). Уровень солнечной радиации на Северном Кавказе, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке превышает 5 кВт·ч/м2·день, что вполне сопоставимо по уровню с такими странами как Испания и Италия, являющиеся одними из лидеров в использовании солнечной энергии. Территории Центральной России, на сегодняшний день являющейся основным потребителем энергии, не обладает ярко выраженными природными условиями, что с одной стороны делает ее комфортной для проживания, с другой – требует совместного использования нескольких различных типов объектов альтернативной энергетики. Кроме того Центральные области обладают развитым сельским хозяйством, что формирует хорошую базу для развития такого направления как биотопливная энергетика.
Сегодня большое количество фирм в России и за рубежом занимается проектированием и разработкой рекомендаций по использованию в зданиях и сооружениях энергоустановок, работающих на неисчерпаемых и возобновляемых источниках энергии. В основном эти работы затрагивают инженерно-технические аспекты проектирования. Вместе с тем помимо грамотного выбора и размещения оборудования важно также учитывать его влияние на внешний облик строения.
Художественные приемы использования объектов альтернативной энергетики в архитектуре основаны на принципе стилистического единства, предполагающего решение ряда задач, связанных с дизайном инженерного оборудования и приемами его интеграции в структуру зданий и генерального плана с целью создания выразительной стилистически цельной архитектурной композиции. Художественные приемы интеграции средств альтернативной энергетики, в первую очередь, связаны с архитектурой оснащаемого здания и характером его окружения. В этом отношении можно выделить два основных подхода к проектированию – адаптация интегрированных установок к уже сложившемуся характеру застройки и создание новых архитектурно-художественных решений, использующих объекты альтернативной энергетики как основной элемент художественного образа. Как видим, в первом случае дизайн и способ интеграции средств альтернативной энергетики подчиняются уже сложившемуся художественному решению здания, во втором – являются его определяющим элементом.
Требования к обеспечению эффективного, удобного и безопасного использования территории и располагаемых на ней строений лежат в основе разработки проектных решений. Для различных природно-климатических условий применяются определенные архитектурно-типологические характеристики застройки [10]. Поэтому перед началом проектирования для каждого объекта необходимо определить и проанализировать весь комплекс факторов, которые, влияют на вид, расположение и способы интеграции в архитектуру средств альтернативной энергетики.
Основным требованием при выборе способа интеграции энергетических установок в архитектуру является создание условий для их оптимальной работы и удобства обслуживания. Объекты альтернативной энергетики могут быть выполнены в виде пристроенных, надстроенных и встроенных в общий объем элементов. Пристроенные установки, представляют собой отдельную структуру, расположенную в плане рядом со зданием и конструктивно связанную с ним, надстроенные – располагаются на кровле. Установки, встроенные в объем, интегрируются в конструкции здания, образуя с ними единую структуру.
Образ здания с использованием объектов альтернативной энергетики может по-разному формироваться в зависимости от расстояния наблюдателя [13]. Для зданий, восприятие которых осуществляется с больших расстояний, наиболее эффективно использование установок формирующих его силуэт, главным образом за счет применения надстроенного и пристроенного типа интеграции. С расстояния 100-500 м, когда форма здания играет основную роль в восприятии его образа, целесообразно использование объектов альтернативной энергетики, встроенных в объем. В непосредственной близости от здания хорошо читается фактура фасадов и кровли, в этом случае большой выразительный эффект может быть достигнут благодаря сочетанию различных материалов отделки и элементов установок.
Размещение на генеральном плане малых архитектурных форм, оснащенных средствами альтернативной энергетики, может не только повысить производительность энергосистемы, но и дополнить образ застройки [11]. Установки, расположенные на общем участке, образуют вместе со зданием единый ансамбль. Объекты альтернативной энергетики могут быть размещены в элементах наружного освещения, в конструкциях беседок и навесов, в элементах мощения дорог, а также в виде самостоятельных художественно оформленных элементов. Кроме того, использование отдельно от зданий объектов некоторых типов – биотопливных установок, крупных ветрогенераторов – позволит увеличить их мощность, не нагружая конструкции здания, и обеспечит необходимые санитарные и противопожарные разрывы.
Сегодня существует множество различных видов объектов альтернативной энергетики, но наибольшее распространение в архитектуре получили объекты гелиоэнергетики, которые производят до 1,2% мировой энергии [16]. Главным образом эти установки представлены фотоэлектрическими элементами и солнечными коллекторами, использующимися для производства электроэнергии, отопления и горячего водоснабжения зданий. Конструкция основных рабочих элементов объектов гелиоэнергетики выполняется в виде жестких панелей или гибкой пленки, имеющих характерную текстуру поверхности. Для эффективной работы такие элементы требуют определенной ориентации, обеспечивающей максимальную освещенность поверхности солнцем [9]. Таким образом, архитектурно-художественные решения зданий с интегрированными объектами гелиоэнергетики характеризуются спецификой формообразования и использованием декоративного эффекта поверхности солнечных панелей в сочетании с другими материалами отделки фасадов (рис. 1).
Формообразование зданий, использующих объекты гелиоэнергетики в своей структуре, выражается в пластике фасада и кровли, которую образуют расположенные под оптимальным углом к солнцу ограждающие конструкции с интегрированными в них установками (рис. 1а). Композиция может состоять из ряда последовательно расположенных наклонных плоскостей, образующих зубчатый профиль, однако для уменьшения взаимного затенения конструкций предпочтительно объединение солнечных панелей в единую поверхность. Допускается, хотя и является менее эффективной, интеграция объектов гелиоэнергетики в горизонтальные и вертикальные конструкции с южной ориентацией.
Современная технология производства тонкопленочных фотоэлектрических элементов делает также возможным создание сложной криволинейной поверхности энергоактивного покрытия [18]. Солнечные коллекторы, располагаемые на небольшом расстоянии от поверхности ограждающих конструкций, также формируют многоуровневую пластику фасада. Примером здания, в котором объекты гелиоэнергетики совмещены с ограждающими конструкциями, может служить центр оптоволоконных исследований OPTIC в Санкт-Асафе в Великобритании (рис. 1б). Эффективно расположенные гелиоустановки в этом проекте не только обеспечивают центр необходимой энергией, но и подчеркивают образ предприятия, занимающегося высокотехнологичным наукоемким производством.
Для оптимальной ориентации объекты гелиоэнергетики часто располагают на специальных выносных конструкциях, которые позволяют практически не изменять форму самого здания. Архитектурный образ в этом случае формируется структурой из наклонных плоскостей солнечных батарей или коллекторов, которая накладывается на основной объем здания (рис. 1в). Использование дополнительных конструкций, оборудованных системой гелиослежения, не только значительно увеличивает производительность энергосистемы, но и создает принципиально новые архитектурно– художественные решения, превращая монументальное неподвижное здание в «живую машину» [1]. Ярким примером применения этой технологии является эко-здание во Фрайсбурге в Германии (рис. 1г).
Солнечные панели обладают характерной текстурой поверхности, могут иметь различную форму и цветовое решение, комбинирование которых может послужить основой для создания выразительной архитектурной композиции [2]. Так, сочетание фотоэлектрических панелей и солнечных коллекторов образует мозаичный узор на поверхности фасада научно-исследовательского центра «Fiat» (рис. 1д), а применение фотоэлектрических элементов нестандартной конфигурации помогает создать сложный высокотехнологичный образ выставочного павильона Германии (арх. бюро «HAGER Group») на Международной выставке «Expo 2015» в Милане (рис. 1е).
Приемы использования средств гелиоэнергетики в структуре зданий
Для достижения наибольшей выработки энергии, солнечные панели часто покрывают весь фасад здания, и текстура фотоэлектрических элементов является в этом случае основным художественным средством (рис. 1ж). Иногда задействуются также светопрозрачные конструкции. Энергоэффективное остекление в этом случае может быть выполнено в виде массива из отдельных интегрированных фотоэлектрических модулей или полупрозрачной пленки. Фонари верхнего света продовольственного рынка в Испании демонстрирует эффектное сочетание такого полупрозрачного фотоэлектрического покрытия с бесцветным и цветным остеклением, напоминающее работы Мондриана (рис. 1з).
Использование исторических стилей и стремление повысить энергоэффективность существующих зданий, не нарушая их архитектурного облика, требуют адаптации объектов альтернативной энергетики к уже сложившемуся художественному образу [1]. Эта цель достигается стилизацией установок под различные архитектурные элементы и их интеграцией в «традиционные» конструкции, например черепицу, соблюдая существующие членения фасада, словно бы заменяя «обычные» поверхности энергоактивным покрытием. По этому принципу выполнена конструкция кровли старинной церкви в городе Плауэн в Германии, южный скат которой целиком покрыт солнечными панелями, повторяющими форму и цвет, использующегося ранее покрытия (рис. 1и). Размещение солнечных коллекторов в простенках между окнами органично дополняет архитектуру здания Solar XXI в Португалии (рис. 1к). Оконные ставни с интегрированными фотоэлектрическими элементами прекрасно впишутся в сельскую архитектуру (рис. 1л), а использование фальшокон, заполненных солнечными панелями, значительно повысит энергоэффективность здания, оставаясь практически незаметным для обычного зрителя (рис. 1м).
Отсюда видно, что основными направлениями при формировании архитектурно– художественного образа здания с использованием объектов гелиоэнергетики являются проектирование оптимальной формы ограждающих конструкций здания с интегрированными в них установками, использование дополнительной структуры из солнечных панелей, в том числе с применением подвижных модулей системы гелиослежения, а также сочетание различной формы и текстуры поверхности солнечных модулей и материалов отделки фасада. Для проектов, в которых важно сохранить уже сложившийся художественный образ здания, целесообразна стилизация интегрированных установок под характерные для используемого стиля архитектурные элементы и заполнение существующих членений фасада.
Объекты ветроэнергетики обеспечивают 3,7% от мирового производства энергии из возобновляемых источников и также активно используются в структуре зданий [16]. Ветряные мельницы использовались человечеством на протяжении нескольких тысяч лет, и сегодня применение ветряков актуально как никогда. Архитектурные решения интеграции объектов ветроэнергетики в структуру зданий связаны главным образом с проектированием формы будущего строения, обеспечивающей максимальную скорость воздушных потоков в районе ветряной турбины, и непосредственно дизайном ветрогенераторов (рис. 2). Чаще всего ветроустановки выполняются надстроенными, однако существуют примеры пристроенных и включенных в структуру здания.
При интеграции объектов ветроэнергетики в структуру зданий можно выделить несколько подходов: применение высоких конструкций, доминирующих над окружающей застройкой помогает разместить ветрогенераторы в зоне сильных ветров; использование поверхности стен и кровли для концентрации и изменения направления воздушных потоков в районе ветряной турбины, которые вместе с тем формируют объем будущего здания и его художественный образ [15]. Наиболее выразительными примерами решений, использующих данные принципы интеграции объектов ветроэнергетики в архитектуру, могут служить небоскреб «Strata tower» в Лондоне (рис. 2а), проект Центра комплексных исследований в области энергетики в Пенсильвании (рис. 2б) и здание Всемирного торгового центра в Дубаи (рис. 2в). Проект небоскребов «Gullwing Twin Wind Towers» в Дубаи демонстрирует пример создания целой структуры из ветряков, сформировавшей весь его внешний объем и придающей зданию оригинальный футуристический вид (рис. 2г).
Приемы использования средств ветроэнергетики в структуре зданийПриемы использования средств ветроэнергетики в структуре зданий
Следует отметить, что вращающиеся элементы ветряных турбин всегда привлекают к себе большое внимание, что часто делает их композиционным центром. Современные ветрогенераторы обладают оригинальным дизайном, умелое использование которого позволяет создать необычный выразительный художественный образ (рис. 2д). Дополнительные элементы, применяющиеся в ветряных турбинах – конфузоры, хвостовики – также могут стать важной частью внешнего облика здания (рис. 2е). Комбинирование разных по типу и размеру ветрогенераторов позволяет не только объединить их в сложную выразительную композицию, но и спроектировать эффективно работающую в изменяющихся условиях энергетическую систему (рис. 2ж). Колористическое решение поверхностей ветряных установок также является важным средством в формировании художественного образа здания (рис. 2з).
Интеграция объектов ветроэнергетики в существующую застройку является сложной инженерной и архитектурно-художественной задачей. В таких условиях приемы интеграции объектов ветроэнергетики не должны нарушать сложившийся архитектурный облик среды, что достигается грамотным подбором и размещением используемого оборудования [8]. Так, при модернизации Эйфелевой башни в Париже для сохранения силуэта сооружения ветряные турбины размещены внутри ее каркасных конструкций. Наклон и цвет лопастей ветряка повторяют наклон и цвет основного каркаса башни, практически теряясь в нем и не нарушая исторически сложившегося образа сооружения (рис. 2и). При необходимости ветрогенераторы могут быть установлены внутри дополнительно устраиваемых воздухопроницаемых конструкций, которые будут органично взаимодействовать с общим обликом здания, и защитят ветрогенератор от возможных поломок (рис. 2к). Сложный дизайн ветрогенераторов, выполненный в виде элементов здания (рис. 2л) или использующий декор, характерный для рассматриваемых архитектурных стилей, прекрасно впишется в историческую застройку. Примером такого решения может служить ветрогенератор замка Вилен во Франции установленный еще в 1894 году (рис. 2м).
Использование в архитектуре объектов ветроэнергетики требует применения в зданиях высоких конструкций и проектирования определенной аэродинамической формы стен и кровли в районе установки, которые становятся характерной чертой будущих строений. Высоко расположенные вращающиеся элементы ветряных турбин становятся центром архитектурной композиции, что значительно повышает требования к дизайну ветрогенераторов и применяемых в них элементах. В случае, когда необходимо скрыть ветрогенераторы, они могут быть размещены внутри существующих или вновь проектируемых воздухопроницаемых конструкций. Дизайн объектов ветроэнергетики при использовании в застройке исторических архитектурных стилей может быть выполнен с использованием характерных для рассматриваемой эпохи декоративных элементов.
Биотопливная энергетика на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных направлений энергетики. За последние десять лет объемы производства в этой отрасли выросли в семь раз, а доля от всей произведенной энергии за 2015 год составила 2% [16]. Биогазовые комплексы способны обеспечить здания электроэнергией, применяться для их отопления и горячего водоснабжения, приводить в движение механические устройства. И хотя биотопливные установки чаще всего представляют собой отдельные сооружения, они влияют на формирование архитектурной среды и активно используются в концепциях зданий и городов будущего (рис. 3).
Проекты «Небесная ферма», концептуальное строение «Harvest Green Project» компании «Romses Architects», проект «Hydrogenase» и небоскреб-ферма «Dragonfly» демонстрируют оригинальные архитектурные решения по включению биогазовых комплексов в структуру зданий (рис. 3а). Большинство таких проектов представляют собой городские фермы или теплицы, интегрированные в здания другого назначения. Связано это с тем, что производство биотоплива осуществляется путем переработки органических веществ растительного и животного происхождения, поэтому основной задачей при использовании этих установок в архитектуре является обеспечение их сырьевой базой. Внешний вид зданий с интегрированными объектами биотопливной энергетики, как правило, характеризуется большими стеклянными фасадами, сквозь которые видны выращиваемые внутри растения. Основными выразительными средствами в этом случае являются сама форма здания и членения стеклянного фасада.
риемы архитектурно-художественных решений биогазовых комплексов
Однако сейчас биотопливные установки практически не используются в структуре зданий– потребителей, что связано со сложностью производственных процессов, большом количестве вспомогательных инженерных средств и крупными размерами их отдельных элементов [13]. Расстояние от мест обработки биоотходов до жилых районов в зависимости от типа, мощности и конструктивных особенностей предприятия должно стоставлять от 300 м до 1000 м1. В связи с этим наибольшее распространение современные биотопливные установки получили в сельской местности, в местах с развитым сельским хозяйством и представляют собой отдельно стоящие производственные сооружения. Чаще всего в качестве объектов биотопливной энергетики используются биогазовые установки – метантенки (биогазовые реакторы) и газгольдеры, которые, как правило, представляют собой конструкции промышленного изготовления, максимально оптимизированные для выполнения производственных процессов. В связи с этим особенно важно повысить художественную выразительность и оригинальность таких типовых элементов.
1 СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны, санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов».
Сегодня компании предлагают достаточно широкий выбор оборудования: установки различной вместимости от 50 до 2000 кг перерабатываемого сырья в сутки, метантенки, имеющие вертикальную или горизонтальную ось реактора. По степени заглубления в грунт различают надземные, частично заглубленные и подземные реакторы. При этом в биогазовых комплексах часто используется несколько таких установок, что дает возможность объединения и создания сложной пространственной композиции из нескольких различных типов таких объектов (рис. 3б).
Биогазовые установки могут быть размещены внутри специально построенных павильонов (рис. 3в). Такое решение повышает удобство обслуживания и ремонта оборудования, обеспечит условия для его оптимальной работы, а главное -придает комплексу выразительный вид. Архитектурно-художественные решения таких павильонов могут быть выполнены в общем ключе с окружающей застройкой или контрастировать с ней.
Уникальный образ биогазового комплекса можно создать также средствами дизайна внешних поверхностей установок, используя графические композиции и декоративные элементы (рис. 3г). Так, например, нанесенный на ограждающие поверхности рисунок «растворит» внешне непривлекательные сооружения и дополнит окружающую застройку, а ряд из нескольких метантенков, окрашенных в разные цвета, придаст комплексу яркий, запоминающийся образ. Аналогичное решение, примененное к инженерным системам, можно увидеть в Национальном центре искусства и культуры Жоржа Помпиду в Париже и в производственном цехе «Высота 239» на Челябинском трубопрокатном заводе.
Когда особенно важно сохранить характер окружающей застройки, использование декоративных элементов, характерных для окружающих зданий и сооружений, при проектировании установок поможет вписать объекты биотопливной энергетики в существующую среду. Близким к такому решению является Московский газовый завод, построенный в 1914 году Фальшокна, декоративная кладка карнизов, цоколь и пилястры, устроенные по периметру газгольдеров, не только придают выразительность архитектуре комплекса, но и создают образ типичного городского здания, помогая органично разместить крупные промышленные сооружения в центре города (рис. 3д).
Естественных биоотходов для полноценного энергоснабжения зданий, часто бывает недостаточно, поэтому биотопливные комплексы необходимо обеспечивать дополнительной сырьевой базой. Для этих целей используются культуры растений, которые при переработке в биореакторе способны выдавать большое количество биогаза. Самой распространенной культурой является силосная кукуруза, которая дает урожай до 70 тонн биомассы с гектара, что достаточно для выработки 30 тыс. м3 биогаза или 30 МВт*ч энергии (с учетом 30% потерь на работу установки). Другим видом сырья является амарант, который помимо высоких характеристик по выработке биогаза очень красив и обладает ценными лекарственными свойствами [7].
Энергетические культуры предлагается выращивать на отдельных участках, расположенных вблизи биогазового комплекса. Целесообразным представляется благоустройство и параллельное использование этой территории для нужд населения. На таких участках возможно устройство парковых прогулочных зон, размещение спортивных сооружений, водоемов, сохраняя при этом необходимые площади для подготовки сырьевой базы биогазовых установок [5]. Достижение художественной выразительности такой территории достигается средствами ландшафтной архитектуры, планировкой территории, использованием растительных композиций и малых архитектурных форм. Внешне близкими к такому решению, хотя и имеющими другое происхождение, являются так называемые круги на полях – огромные узоры из выкошенной травы, возникающие на сельхозугодиях. Созданная по такому же принципу сеть дорожек и площадок будет эффектно смотреться с возвышенности, и восприниматься изнутри (рис. 3е).
Для того чтобы пейзаж не выглядел унылым и однообразным, рекомендуется сочетать разные виды растений. Так, амарант имеет красивые соцветия, отличающиеся по форме и цвету у разных сортов, которые летом ярким ковром заполняют все поле (рис. 3ж). Допускается также вблизи дорожек и площадок для создания выразительных ландшафтных композиций использовать декоративные растения и малые архитектурные формы [4] (рис. 3з).
Как показано выше, современные объекты биотопливной энергетики – это крупные промышленные комплексы, расположенные в сельской местности. Повышение художественной выразительности таких объектов осуществляется средствами дизайна отдельных элементов установок и их объединением в единую выразительную пространственную композицию. Прилегающая территория, использующаяся для выращивания энергетических культур, формируется средствами ландшафтной архитектуры и образует вместе с биотопливным комплексом общую архитектурно– ландшафтную среду.
Приоритетными задачами строительной науки и практики в настоящее время стали проблемы повышения энергетической эффективности архитектурных объектов и необходимость модернизации архитектуры энергоактивных зданий с использованием средств альтернативной энергетики. Поэтому вопрос разработки архитектурно– художественных приемов интеграции объектов альтернативной энергетики является одним из самых важных для современной архитектуры.
Каковы вообще потенциальные источники энергии для человечества? Их немного:
- ископаемые невозобновляемые источники — основа современной промышленности
- атомная энергия
- термоядерный синтез
- возобновляемая энергетики (приливная, геотермальная, солнечная, ветряная, гидро)
Ископаемые невозобновляемые источники
Сейчас мы потребляем нефть, газ и уголь со скоростью, примерно в миллион раз превышающей скорость их образования в земной коре. Если сопоставить остающиеся в распоряжении человечества ископаемые энергоресурсы и возможные сценарии развития мировой экономики, демографии и технологии, то это время, в зависимости от степени оптимизма авторов, составляет от нескольких десятков до одной сотни лет. В исследовании, проведенном в 2010 г. специалистами The Oil Drum, пик поставок всех видов ископаемого топлива прогнозируется к 2018 году, а с 2025 года намечается длинный спад. Если посмотреть на современную разработку месторождений, будь то глубоководная разработка в Арктике или сланцевый газ и сланцевая нефть, то становится понятно, что инвестиции и связанные с добычей риски для окружающей среды вышли на беспрецедентный уровень. Это демонстрирует пример с гидравлическим разрывом пласта, во время добычи сланцевого газа в США в 2011 г., в ходе которого выделилось огромное количество токсичной отходной воды вблизи густонаселенных районов на Северо-Востоке США. Или, например, шельфовое бурение. Катастрофа платформы Deepwater Horizon компании ВР в Мексиканском заливе показала, чем оно чревато.
История добычи углеводородных ресурсов и использования ВИЭ в истории человечества
Атомная энергия
Ядерные реакторы на тепловых нейтронах — основа современной мировой атомной энергетики. Главная причина беспокойства — ограниченное количество дешевых месторождений урана. Во многих странах создаются стратегические запасы. В настоящее время добыча урана чрезвычайно сильно отстает от спроса. По мере оскудения запасов нефти, уран как ресурс будут эксплуатироваться все больше. Серьезной проблемой являются транспортировка топлива, а также конструкций самих АЭС, срок службы которых составляет 30 — 40 лет. Проблема, о которой мало говорят честно — захоронение радиоактивных отходов (ОЯТ), технически проблемы утилизации не решены и фактически перекладываются на следующие поколения. На перспективу ближайшего столетия, в этом классе останется, возможно, атомная энергетика на быстрых нейтронах на основе плутония. Но безопасная технология плутониевой энергетики с замкнутым безотходным циклом до сих пор не разработана. Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы, в 1960-80-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах активно велись в США, СССР и ряде европейских стран. К началу 1990-х большинство этих проектов было прекращено из-за риска аварий и высоких эксплуатационных затрат. Кроме того, технология опасна с точки зрения распространения ядерного оружия.
Термоядерный синтез
Здесь нет ресурсных ограничений, но технические проблемы очень серьезны и нет весомых оснований ожидать, что они будут решены в ближайшем будущем. Слишком велики технические трудности создания высокотемпературной дейтерий-тритиевой плазмы в реакторах с положительным выходом энергии. По мнению академика Е. П. Велихова — в прошлом одного из наиболее энергичных сторонников термоядерной технологии, — даже в случае успеха, мощность коммерческих термоядерных реакторов к концу 21 века во всем мире не превысит 100 ГВт. Заметим, что установленная мощность всех источников энергии на земном шаре в настоящее время превысила 3,5 ТВт.
Возобновляемая энергетика
ВИЭ — это единственный вид энергии, сопровождавший человека всю его историю. До 17 века солнечная энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккумулируется благодаря фотосинтезу, были единственными источниками энергии для человека. В 2010 году, впервые, всемирная суммарная установленная мощность ветряных турбин, заводов биотоплива и электростанций на сжигаемых отходах и солнечных электростанций достигла 381 ГВт, превысив общую мощность ядерных электростанций, равную 375 ГВт. Из 55 ГВт новых мощностей, которые были введены в ЕС в 2010 г., 22,7 ГВт пришлись на ВИЭ. Говоря о будущем развитии энергетики, стоит упомянуть, что Европа готова избрать путь развития, основанный на ВИЭ и на иной, чем сейчас архитектуре энергосистем. Так, согласно последнему стратегическому сценарию Еврокомиссии — «Дорожной карте по энергетике до 2050 г.« — доля ВИЭ в конечном потреблении к 2050 г. определена на уровне 75%, а в электрогенерации — 97%.
Учеными Калифорнийского и Стенфордского университетов более 5 лет назад показано, что энергии ветра, воды и солнечного света теоретически может быть достаточно для стопроцентного перехода на ВИЭ. Условно-необходимы около четырёх миллионов ветровых турбин, мощностью 5 МВт каждой. Солнечных фабрик — 90 тыс. — и тех, что вырабатывают электричество напрямую, и таких, которые концентрируют солнечную энергию для нагревания теплоносителя. Мощность одной электростанции должна составлять 300 МВт. Плюс к этому потребуется 1,7 млрд 3-киловаттных фотогальванических покрытий на крышах домов. Это, конечно, крайне упрощенная модель, но видно, что такой масштаб задач не представляет непреодолимого препятствия. Важно заметить, что эти оценки включает только те технологии, которые уже применяются или близки к этому, а вовсе не те, внедрение которых может начаться лишь через 20–30 лет. Это освоенные в промышленности солнечные элементы на базе кремния, тонкопленочные элементы на базе CdTe, GaAs/Ge, существующие аккумуляторы, инверторы и прочее. Нет необходимости ждать появления новых, невиданных сегодня решений.
Традиционно говорят о дороговизне ВИЭ. Но сегодня альтернативная энергетика подешевела. После 2011 г. она конкурирует по цене с традиционной. Вот, например, отчет 2011 г. Комиссии по коммунальным услугам Калифорнии, из которого следует, что штат подписал контракт на 2012 г. на поставку электричества с владельцами солнечной электростанции мощностью в 500 МВт по цене ниже, чем с газовиками. Из исследования Bloomberg new Energy Finance 2012 г. следует, что уже в 2016 году береговые ветряки повсюду в Европе дадут ток дешевле, чем газовые турбины смешанного цикла. В Китае и США фотовольтаика достигнет паритета с традиционной энергетикой в ближайшие несколько лет. США достигнут сетевого паритета, как ожидается, уже в 2014 году. Большинство регионов в стране достигнет сетевого паритета в соответствие со средними ценами на электроэнергию в жилом секторе к 2017 году. Аналитики ожидают, что в большинстве регионов Китая сетевой паритет будет достигнут к 2015—2016 гг.
(Доклад GlobalData, 2012 г.) Важно сказать о таком параметре, как, так называемая «уравновешенная стоимость электроэнергии» (Levelized Cost Of Electricity; LCOE). LCOE — это цена электроэнергии, отпускаемой непосредственно с электростанции.
Согласно методологии оценки LCOЕ, для расчета стоимости электроэнергии складываются амортизированные капитальные затраты и текущие эксплуатационные расходы. Для возведения солнечной станции привлекаются финансовые ресурсы, которые имеют свою цену, определяемую через процентную ставку. Выплату процентов за использование этих ресурсов также необходимо учитывать при определении капитальных затрат и стоимости электроэнергии солнечной электростанции. В течение ближайших лет LCOE для солнечных батарей будут продолжать снижаться из-за снижения капитальных затрат и увеличения коэффициента использования генерирующих мощностей. Все это в сочетании с отсутствием затрат на покупку топлива, низкими операционными расходами и издержками на техническое обслуживание (не говоря уже о постоянно возрастающей стоимости ископаемых видов топлива) означает, что к 2017 году показатель LCOE для солнечных батарей, по прогнозам, будет ниже, чем средние розничные цены на электроэнергию.
Альтернативная энергетика надежнее обычной. В 2011 г. после серьезных аварий в сетях штата Техас, США, когда отказали несколько станций, от «блэкаута» Техас спасли ветряки, о чем заявил глава энергетической комиссии штата.
Много говорят о необходимости дотировать ВИЭ. Альтернативная энергетика получает в 75 раз меньше дотаций, чем нефтяники. С 1994 по 2009 год в США нефть и газ были дотированы из бюджета на $447 млрд, а ВИЭ за тот же период — на $6 млрд. Более того, в начале ХХ века, когда топливная индустрия бурно развивалась, нефть и газ получали до 0,5% федерального бюджета США на свое развитие, тогда как солнце, ветер и приливы получают сегодня не более 0,1%. За последние 15 лет в Соединенных Штатах ядерная и ветровая энергетика произвели сопоставимые объемы электроэнергии (2.6 миллиарда кВтч в ядерной энергетике против 1.9 миллиарда кВтч в ветровой), но субсидирование ядерной отрасли превышает ветровую более чем в 40 раз ($39.4 миллиарда против $900 миллионов). Думаем, по другим странам, включая Россию, ситуация аналогичная.
Говоря о будущем развитии энергетики, стоит упомянуть, что Европа, видимо, готова избрать путь развития, основанный на возобновляемых ресурсах и иной архитектуре энергосистем. Так, согласно, последнему стратегическому сценарию Еврокомиссии — Дорожной карте по энергетике до 2050 г., доля ВИЭ в конечном потреблении к 2050 г. определена на уровне 75%, а в электрогенерации — 97%.
Отметим еще, что сегодня в нашей жизни мы используем колоссальные по энергозатратности машины, требующие строительства все новых ТЭЦ, АЭС. Но, учитывая все ресурсные и экологические ограничения, в ближайшем будущем перед человечеством неизбежно встанет задача — создание новых технологий и систем использования энергии, замена сегодняшнего щедрого энергопотребителя системами, воспроизводящими объекты живой природы. Природа использует и запасает солнечную энергию через процесс фотосинтеза. В солнечной энергетике мы моделируем природный процесс переработки солнечной энергии, используем модельную полупроводниковую структуру. Но природе хватает солнечной энергии, а нам пока нет. Природа — экономный энергопользователь, она использует каждый квант солнечного света, ей вполне достаточно фотосинтеза.
Из этого следует, что при достижении к.п.д. фотовольтаики 25–30%, (сравнимого с сегодняшним к.п.д. двигателя внутреннего сгорания или эффективностью фотосинтеза) и при фактически достигнутом «ценовом паритете», солнечная энергетика с места «вспомогательного игрока» практически безальтернативно перемещается в «основные игроки». Очевидно, что этот процесс произойдет постепенно, видимо, увы, через ряд кризисов. Будут экстренные саммиты, дипломатические инициативы, срочные попытки геологоразведки, но сумятица не утихнет.
Эффективность передачи и хранения энергии — по мере роста «солнечных» мощностей важность этой проблемы будет расти. Известно, что существенными недостатками солнечной энергетики являются нестабильность (суточная, сезонная, погодная) и относительно малая плотность энергетического потока — на земной поверхности в среднем за год от 150 до 250 Вт/м2. Если вы хотите привести в движение индустриальную экономику с ее опорой на аэропорты, самолеты, грузовики, миллионы километры шоссейных дорог, гигантские небоскребы и круглосуточную доступность топлива, то нерегулируемых источников энергии будет недостаточно. Солнечные станции должны иметь накопитель (аккумулятор), позволяющий выравнивать сезонные и часовые колебания выработки. Представляется, что необходимо поставить цель, например, — за 10 лет добиться уд.энергии аккумуляторов 1000 Втч/кг на 10000 циклах заряда-разряда. Такие характеристики обеспечат перспективу солнечной энергетике. Эти цифры не являются чем-тофантастическим и по отдельности они достигнуты на ряде разработок.
По мере роста эффективности накопителей (плотности запасаемой энергии) ключевое значение приобретает безопасность применения. 1000 Втч\кг — это величина уд.энергии аккумулятора, вполне сопоставимая с углеводородным топливом.
Итого, краткие выводы:
Существующая углеводородная имеет историю около 150 лет, а перспективу — около 80 лет.
В силу ресурсных, экономических, экологических ограничений современная «индустриальная» энергетика должна быть постепенно заменена на «новую». Конечная цель — создание гибридной системы хозяйствования с иными механизмами производства и потребления энергии.
В основу «новой» энергетики должна войти возобновляемая энергетика, контуры которой уже заложены и пути развития определены. Мечтания о «неисчерпаемых» источниках энергии неясного происхождения и бездействие просто опасны. В условиях, когда доступные нефть и газ заканчиваются, а реальных прорывных технологий, способных заменить их, так и не создано, единственной альтернативой остается энергия, вырабатываемая на водных, солнечных, ветряных и приливных станциях. В основе ВИЭ, видимо, будет лежать фотовольтаика, поскольку др.виды энергии имеют более выраженные географические привязки и ограничения. Приливная энергетика технически реализуема только в прибрежных районах, а геотермальная — только в некоторых странах, где есть достаточное количество геотермальных источников. Фотовольтаика имеет значительный (и быстрореализуемый) потенциал повышения эффективности и снижения стоимости. Это стало особенно очевидно после 2011 г., который показал резкое снижение стоимости «солнечного» кВт часа.
Кремний останется основой фотовольтаики, особенно, когда речь пойдет о десятках гигаватт вводимых мощностей. По мере роста объемов производства фотовольтаики встанет проблема роста объемов производства «солнечного» кремния. Сегодняшние решения через «Сименс-процесс» не являются экологически оптимальными. Видимо, после 2020 г. интенсифицируются процессы бесхлорного получения «солнечного» кремния.
Развитие энергетики в России и государственная политика в этой области, включая «Энергетическую стратегию России на период до 2030 г.», пока выдержаны в духе индустриальной энергетики и ориентированы на наращивание добычи ископаемого топлива и энергетических мощностей. Недостаточное внимание уделяется развитию ВИЭ, децентрализации энергоснабжения. Стратегия энергообеспечения должна основываться на принципе упреждения, а развитие ВИЭ должно осуществляться ускоренными темпами.
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 907; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!