Микрогенерация — это мелкомасштабное производство тепла или электроэнергии из «низкоуглеродного источника» в качестве альтернативы или дополнения к традиционной централизованной электросети.
Технологии микрогенерации включают в себя небольшие ветровые турбины , микрогидроэлектростанции , солнечные фотоэлектрические системы , микробные топливные элементы , геотермальные тепловые насосы и микрокомбинированные теплоэлектростанции . [1] Эти технологии часто объединяются для формирования гибридного энергетического решения, которое может обеспечить превосходную производительность и более низкую стоимость, чем система, основанная на одном генераторе. [2]
В Соединенных Штатах микрогенерация берет свое начало в нефтяном кризисе 1973 года и войне Судного дня , которые подтолкнули к инновациям. [3]
20 июня 1979 года в Белом доме были установлены 32 солнечные панели . [4] Солнечные элементы были демонтированы 7 лет спустя во время правления Рейгана. [5]
Использование солнечного водонагрева началось еще до 1900 года [6] , когда «первый практически применимый солнечный элемент был разработан Bell Labs в 1954 году». [7] «Университет Делавэра считается создателем одного из первых солнечных зданий, «Solar One», в 1973 году. Строительство велось на основе комбинации солнечной тепловой и солнечной фотоэлектрической энергии. Здание не использовало солнечные панели; вместо этого солнечные батареи были встроены в крышу». [8]
В дополнение к электростанции (например, ветряная турбина и солнечная панель), инфраструктура для хранения и преобразования энергии и подключение к обычной электросети обычно необходимы и/или предусматриваются. Хотя подключение к обычной электросети не является обязательным, оно помогает снизить затраты, допуская схемы финансовой компенсации . Однако в развивающихся странах начальные затраты на это оборудование, как правило, слишком высоки, что не оставляет выбора, кроме как выбирать альтернативные установки. [9]
Все оборудование, необходимое для создания работающей системы и для автономной генерации и/или подключения к электросети, называется балансом системы [10] и состоит из следующих частей с фотоэлектрическими системами:
Основная проблема автономных солнечных и ветровых систем заключается в том, что электроэнергия часто требуется, когда солнце не светит или когда ветер спокойный; для систем, подключенных исключительно к сети, это, как правило, не требуется:
или другие средства хранения энергии (например, водородные топливные элементы , маховиковое хранилище энергии , гидроаккумулирующие электростанции , баллоны с сжатым воздухом , ...) [12]
Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный ток, необходимый для многих приборов, или для подачи избыточной мощности в коммерческую электросеть:
Обычно в микрогенерации для домов в развивающихся странах вместо этого используются готовые системы домашней электропроводки (в виде жгутов проводов или готовых распределительных устройств ). [13] Упрощенные коробки и кабели для домашней электропроводки, известные как жгуты проводов, можно просто купить и смонтировать в здании, не требуя больших знаний о самой проводке. Таким образом, даже люди без технических знаний могут их установить. Они также сравнительно дешевы и обеспечивают преимущества безопасности. [14]
Для ветряных турбин, гидроэлектростанций, ... дополнительное необходимое оборудование [15] [16] [17] [18] более или менее такое же, как и для фотоэлектрических систем (в зависимости от типа используемой ветряной турбины), [19] но также включает:
Разрабатывается новая технология ветровой энергии, которая преобразует энергию вибраций энергии ветра в электричество. Эта энергия, называемая технологией Vibro-Wind, может использовать ветер меньшей силы, чем обычные ветряные турбины, и может быть размещена практически в любом месте.
Прототип состоял из панели, на которой были установлены осцилляторы из кусков пены. Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью пьезоэлектрического преобразователя — устройства из керамики или полимера, которое при напряжении испускает электроны. Созданием этого прототипа руководил Фрэнсис Мун, профессор машиностроения и аэрокосмической техники в Корнеллском университете . Работа Муна в области технологии вибро-ветра финансировалась Центром Аткинсона по устойчивому будущему в Корнелле. [20] Вибро-ветроэнергетика пока не является коммерчески жизнеспособной и находится на ранних стадиях разработки. Для коммерциализации этого предприятия на ранней стадии потребуется значительный прогресс.
Возможны несколько вариантов микрогенерации. Это:
Все упомянутые установки могут работать как на одной электростанции, так и на комбинации электростанций (в этом случае это называется гибридной энергосистемой ). В целях безопасности установки, подключенные к сети, должны автоматически отключаться или переходить в «режим анти-островка» при отказе основного электропитания. Подробнее об этом см. статью об условиях островка .
В зависимости от выбранной схемы (финансовая схема компенсации, электростанция, дополнительное оборудование) цены могут различаться. Согласно Practical Action , микрогенерация в домашних условиях, которая использует новейшие технологии экономии затрат (жгуты проводов, готовые платы, дешевые самодельные электростанции, например самодельные ветряные турбины), может быть чрезвычайно дешевой для домохозяйств. Фактически, Practical Action упоминает, что многие домохозяйства в фермерских общинах в развивающихся странах тратят менее 1 доллара на электроэнергию в месяц. . [23] Однако, если вопросы решаются менее экономично (используя больше коммерческих систем/подходов), затраты будут значительно выше. Однако в большинстве случаев финансовая выгода все равно будет получена при использовании микрогенерации на возобновляемых электростанциях; часто в диапазоне 50-90% [24], поскольку местное производство не имеет потерь при транспортировке электроэнергии по линиям электропередач на большие расстояния или потерь энергии из-за эффекта Джоуля в трансформаторах, где в целом теряется 8-15% энергии. [25]
В Великобритании правительство предлагает как гранты, так и выплаты обратной связи, чтобы помочь предприятиям, сообществам и частным домам установить эти технологии. Предприятия могут списать полную стоимость установки из налогооблагаемой прибыли, в то время как домовладельцы получают фиксированную ставку гранта или платежи за кВт·ч электроэнергии, произведенной и возвращенной в национальную сеть. Общественные организации также могут получить до £200 000 в виде грантового финансирования. [26]
В Великобритании Схема сертификации микрогенерации предусматривает одобрение установщиков и производителей микрогенерации, что является обязательным требованием таких схем финансирования, как тарифы на подачу электроэнергии и стимулирование использования возобновляемых источников тепла.
Сетевой паритет (или паритет розеток ) возникает, когда альтернативный источник энергии может генерировать электроэнергию по приведенной стоимости энергии (LCOE), которая меньше или равна цене покупки электроэнергии из электросети . Достижение сетевого паритета считается точкой, в которой источник энергии становится претендентом на широкомасштабное развитие без субсидий или государственной поддержки. Широко распространено мнение, что массовый переход генерации на эти формы энергии произойдет, когда они достигнут сетевого паритета.
Сетевой паритет был достигнут в некоторых местах с использованием наземной ветровой энергии около 2000 года, а с использованием солнечной энергии он был достигнут впервые в Испании в 2013 году. [27] [28] [29]
Большинство форм микрогенерации могут динамически балансировать спрос и предложение на электроэнергию, производя больше энергии в периоды высокого спроса и высоких цен на электроэнергию и меньше энергии в периоды низкого спроса и низких цен на электроэнергию. Эта «гибридная сеть» позволяет как системам микрогенерации, так и крупным электростанциям работать с большей энергоэффективностью и экономической эффективностью, чем каждая из них могла бы работать по отдельности.
Микрогенерация может быть интегрирована как часть самодостаточного дома и обычно дополняется другими технологиями, такими как домашние системы производства продуктов питания ( пермакультура и агроэкосистема ), сбор дождевой воды , компостные туалеты или даже полные системы очистки серых вод . Бытовые технологии микрогенерации включают: фотоэлектрические солнечные системы , небольшие ветровые турбины, микрокомбинированные теплоэлектростанции , биодизель и биогаз .
Частная генерация децентрализует генерацию электроэнергии и может также централизовать объединение избыточной энергии. Хотя их нужно покупать, доступны и солнечные черепицы, и панели. Капитальные затраты высоки, но экономят в долгосрочной перспективе. При соответствующем преобразовании энергии солнечные фотоэлектрические панели могут питать те же электроприборы, что и электричество из других источников. [32]
Пассивный солнечный нагрев воды — еще один эффективный метод использования солнечной энергии. Самый простой метод — солнечный (или черный пластиковый) мешок. Поставьте емкость объемом от 5 до 20 литров (от 1 до 5 галлонов США) на солнце и дайте ей нагреться. Идеально подходит для быстрого теплого душа. [33]
Нагреватель «хлебница» можно легко построить из переработанных материалов и базового строительного опыта. Он состоит из одного или нескольких черных баков, установленных внутри прочной коробки, изолированной снизу и по бокам. Крышка, горизонтальная или наклонная, чтобы улавливать больше солнца, должна быть хорошо герметичной и из прозрачного материала для остекления (стекло, стекловолокно или термостойкий формованный пластик). Холодная вода поступает в бак около дна, нагревается и поднимается наверх, откуда по трубам возвращается в дом. [33]
Тепловые насосы на основе геотермального источника используют стабильную температуру грунта, используя способность земли аккумулировать тепловую энергию. Обычно тепловые насосы на основе геотермального источника имеют высокую начальную стоимость и их сложно установить среднестатистическому домовладельцу. Они используют электродвигатели для передачи тепла от грунта с высоким уровнем эффективности. Электроэнергия может поступать из возобновляемых источников или из внешних невозобновляемых источников.
Биодизель — это альтернативное топливо , которое может питать дизельные двигатели и использоваться для отопления жилых помещений. Для производства биодизеля можно использовать многочисленные формы биомассы, включая соевые бобы, арахис и водоросли (которые дают наибольший выход). Переработанное растительное масло (из ресторанов) также можно преобразовать в биодизель.
Биогаз — еще одно альтернативное топливо, созданное из отходов животных. Хотя это менее практично для большинства домов, фермерская среда является идеальным местом для внедрения этого процесса. Смешивая отходы и воду в резервуаре с пространством для воздуха, в воздушном пространстве естественным образом образуется метан. Этот метан можно отводить по трубам и сжигать, а также использовать для приготовления пищи на костре.
Политики привыкли к энергетической системе, основанной на крупных централизованных проектах, таких как атомные или газовые электростанции. Изменение мышления и стимулов выводит микрогенерацию в русло мейнстрима. Правила планирования также могут потребовать оптимизации для облегчения модернизации микрогенерирующих объектов в домах и зданиях.
В большинстве развитых стран, включая Канаду (Альберта), Великобританию, Германию, Польшу, Израиль [34] и США, действуют законы, разрешающие продажу микрогенерированной электроэнергии в национальную сеть.
В январе 2009 года вступил в силу Регламент правительства Альберты о микрогенерации, устанавливающий правила, которые позволяют жителям Альберты производить собственную экологически чистую электроэнергию и получать зачет за всю электроэнергию, которую они отправляют в электросеть.
В декабре 2014 года польское правительство проголосует за законопроект, призывающий к микрогенерации, а также к крупным ветряным электростанциям в Балтийском море в качестве решения по сокращению выбросов CO2 от угольных электростанций страны, а также к снижению зависимости Польши от российского газа. Согласно условиям нового законопроекта, частные лица и малые предприятия, которые генерируют до 40 кВт «зеленой» энергии, будут получать 100% рыночной цены за любое электричество, которое они возвращают в сеть, а предприятия, которые создают крупные морские ветряные электростанции в Балтийском море, будут иметь право на субсидирование со стороны государства. Расходы на реализацию этих новых политик будут компенсированы за счет создания нового налога на неустойчивое использование энергии. [35]
В Соединенных Штатах существует непоследовательная политика в области генерации энергии в 50 штатах. Энергетическая политика и законы штатов могут значительно различаться в зависимости от местоположения. Некоторые штаты ввели требования к коммунальным службам, согласно которым определенный процент от общего объема генерации электроэнергии должен быть из возобновляемых источников. Для этой цели возобновляемые источники включают в себя энергию ветра, гидроэлектроэнергию и солнечную энергию, будь то крупные или микрогенерирующие проекты. Кроме того, в некоторых районах энергетическим компаниям необходимы передаваемые кредиты на «возобновляемые источники энергии» для выполнения этих требований. В результате в некоторых частях Соединенных Штатов энергетические компании будут оплачивать часть стоимости проектов микрогенерации из возобновляемых источников в своих зонах обслуживания. Эти скидки предоставляются в дополнение к любым федеральным или государственным налоговым льготам на доход от возобновляемой энергии, которые могут применяться. В других районах такие скидки могут отличаться или могут быть недоступны.
Правительство Великобритании опубликовало свою Стратегию микрогенерации [36] в марте 2006 года, хотя многие комментаторы посчитали ее разочарованием. [37] Напротив, Закон об изменении климата и устойчивой энергетике 2006 года был расценен как позитивный шаг. [38] Чтобы заменить более ранние схемы, Министерство торговли и промышленности (DTI) запустило Программу низкоуглеродных зданий в апреле 2006 года, которая предоставляла гранты отдельным лицам, сообществам и предприятиям, желающим инвестировать в технологии микрогенерации. Эти схемы были заменены, в свою очередь, новыми предложениями Министерства энергетики и изменения климата (DECC) по возврату чистой энергии через льготные тарифы [39] для генерации электроэнергии с апреля 2010 года и стимулирование возобновляемого тепла [40] для генерации возобновляемого тепла с 28 ноября 2011 года.
Тарифы на подачу электроэнергии предназначены для стимулирования мелкомасштабной (менее 5 МВт) генерации электроэнергии с низким уровнем выбросов углерода . Эти тарифы на подачу электроэнергии работают вместе с Обязательством по возобновляемым источникам энергии (RO), которое останется основным механизмом стимулирования развертывания крупномасштабной генерации возобновляемой электроэнергии. Стимулирование возобновляемого тепла (RHI) предназначено для стимулирования генерации тепла из возобновляемых источников. В настоящее время они также предлагают до 21 пенса за кВт·ч с декабря 2011 года в тарифе на фотоэлектрические системы плюс еще 3 пенса за экспортный тариф — общая цифра, которая может позволить домохозяйству получать вдвое больше, чем оно в настоящее время платит за свою электроэнергию. [41]
31 октября 2011 года правительство объявило о внезапном снижении тарифа на электроэнергию с 43,3 пенсов/кВт·ч до 21 пенса/кВт·ч, при этом новый тариф будет применяться ко всем новым солнечным фотоэлектрическим установкам с датой вступления в силу 12 декабря 2011 года или позже. [42]
Известные британские политики, объявившие об установке микрогенерирующих установок в своих домах, включают лидера Консервативной партии Дэвида Кэмерона и министра науки Лейбористской партии Малкольма Уикса . Эти планы включали небольшие ветровые турбины бытового размера. Кэмерон, прежде чем стать премьер-министром на всеобщих выборах 2010 года , был задан во время интервью на BBC One's The Politics Show 29 октября 2006 года, вопрос о том, сделает ли он то же самое, если доберется до Даунинг-стрит , 10. «Если бы мне разрешили, то да», — ответил он. [43]
В декабрьском бюджетном отчете 2006 года [44] правительство объявило, что продажа излишков электроэнергии с установок, предназначенных для личного пользования, не будет облагаться подоходным налогом . Законодательство по этому поводу было включено в законопроект о финансах 2007 года. [45]
Несколько фильмов и телешоу, такие как «Берег москитов» , «Иерихон» , «Машина времени» и «Беверли-Хиллз Семья Робинсон» внесли большой вклад в повышение интереса к микрогенерации среди широкой общественности. Такие веб-сайты, как Instructables и Practical Action, предлагают решения «сделай сам» , которые могут снизить стоимость микрогенерации, тем самым увеличивая ее популярность. Специализированные журналы, такие как OtherPower и Home Power, также предоставляют практические советы и рекомендации. [46]
