Нетрадиционные возобновляемыеисточники энергии

Запасы невозобновляемых сырьевых ресурсов — нефти, газа и угля — будут исчерпаны. Чем активнее их используют, тем меньше их остается и тем дороже они нам обходятся. По расчетам специалистов, при нынешних объемах добычи угля на Земле хватит лет на 400—500, а нефти и газа — максимум на столетие.

К тому же опустошение земных недр и сжигание топлива уродуют планету и год от года ухудшают ее экологическую обстановку. Одним словом, перед человечеством стоит задача освоения экологически чистых, возобновляемых, или, как их еще называют, нетрадиционных, источников энергии. Среди них лишь энергия Солнца и ветра поистине неисчерпаема и не вносит практически никаких изменений в природу.
Согласно энергетической стратегии России к 2020 г. доля альтернативных источников энергии составит как минимум 6—7%.
В энергетической стратегии использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) — солнечной, ветровой, гидравлической, геотермальной, энергии из биомассы, «шахтному газу» — посвящен лишь небольшой раздел. По данным разработчиков стратегии, технический потенциал НВИЭ в России составляет около 4,6 млрд т условного топлива в год, а экономический потенциал — 270 млн т, чуть более четверти от общего объема ежегодного потребления всех топливно-энергетических ресурсов в стране.
Реальная доля возобновляемой энергетики в России в 2001 г. составляла 0,5% от общего производства ресурса, 350 млн м3 — это лес перестойный, пропадающий, гниющий, который служит источником неблагоприятной экологической обстановки. Этот ресурс практически не используется в малой энергетике, хотя во всем мире применяют брикетирование, гранулирование лесных отходов. Древесина в России — это колоссальный, а главное, возобновляемый ресурс.
Для того чтобы бизнесу было интересно заниматься альтернативной энергетикой, необходимо государственное стимулирование. В Госдуме уже создана рабочая группа по разработке системы комплексной государственной поддержки.
Депутаты Госдумы намерены разработать проект федерального закона «О нетрадиционных возобновляемых источниках энергии». Документ разграничит полномочия между органами власти по управлению НВИЭ и определит права собственности на различные виды энергоресурсов. Депутаты намереваются внести дополнительные статьи в Бюджетный и Налоговый кодексы РФ, а также увеличить объемы финансирования НИОКР в этой отрасли.
Для России, учитывая особенности ее физико-географического положения, более перспективно использование ветровой, приливной и геотермальной энергии.
В США принят закон об использовании энергии из возобновляемых источников, обладающих рядом преимуществ по сравнению с традиционными энергоносителями, и о мерах по обеспечению конкурентоспособности техники для производства энергии.
Энергия ветра. Ветровая энергия много десятилетий успешно используется в «простейших» устройствах, работающих с помощью ветровых колес. Испокон веков людям известны ветровые мельницы, ветровые лопасти (колеса) которых работают для подъема воды.
Ведущие европейские компании серийно выпускают ветродвигатели мощностью 660, 850, 1800 и 2000 кВт, предназначенные для работы на энергосеть. Только датская фирма «Vestas Danish Wind Technology» с начала 1980-х годов установила порядка 11 тыс. ВЭС (ветровые электростанции) по всему миру. Несколько лет назад появились ветроустановки мегаваттной мощности с размахом лопастей 90 м и более. По прогнозам фирмы «Боинг», в наступившем десятилетии будут созданы ветроагрегаты мощностью 7 МВт (сегодня самые крупные из них вдвое «слабее»). К 2010 г. США планируют довести мощность ветроустановок до 80 тыс. МВт (около 5% общей мощности), а в Дании за счет нетрадиционных возобновляемых источников, в том числе ветроэнергетики, намереваются получить до 20% энергии.
В мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции.
Мощность ВЭС зависит от скорости ветра и размаха лопастей ветроколеса. Карусельные или роторные ВЭС с вертикальной осью вращения, в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Когда ветровой поток усиливается, карусельные ВЭС быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения ветроколеса стабилизируется. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра.
Конструкция лопастных ветровых электроустановок роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. Подобные ветродвигатели с лопастями разной формы строят в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде, Финляндии. Идея карусельного ветродвигателя в виде так называемого роторного паруса была реализована на знаменитом исследовательском судне «Калипсо», построенном по заказу Ж.-И. Кусто. По данному типу спроектирована и одна из ВЭС в Беларуси номинальной мощностью 250 кВт.
Работа ветроагрегатов сопровождается некоторыми неприятными явлениями. Главное из них — шум. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. На расстоянии 300 м шум снижается до 42-45 дБ.
В «тесной» Европе на таком расстоянии от ближайшего жилья ВЭС уже ставят, в России же имеется возможность удалить их от застройки на 700-1000 м.
Помимо шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный инфразвук частотой 6—7 Гц, вызывающий вибрацию. От него дребезжат стекла в окнах и посуда на полках. Кроме того, ВЭС могут затруднить прием телепередач.
На Западе проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, успешно решены еще в середине 1990-х годов. Выпуск лопастей для ветроагрегатов освоили лидер аэрокосмической отрасли — концерн НАСА и один из ведущих производителей самолетов — фирма «Боинг». Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря этим мерам уменьшился срыв концевых потоков, так называемых вихревых шнуров. Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом. За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает текущая информация.
Ветроагрегаты отключаются и останавливаются при скорости ветра 25 м/с (10 баллов по шкале Бофорта) с помощью двухуровневой тормозной системы. В отключенном виде они выдерживают порывы ветра до 50 м/с. Серьезные аварии практически исключены, поскольку системы дублируют одна другую, а вся механика, особенно лопасти, проходит серьезные испытания на прочность.
Обслуживают станции всего раз в полгода при сроке эксплуатации 20 лет (порядка 180 тыс. ч). ВЭС известных европейских производителей сертифицированы Международной организацией по сертификации, а также независимыми экспертными компаниями (государственными и частными).
Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1000 долларов на 1 кВт установленной мощности. Себестоимость энергии — 3,5—3,8 цента за 1 кВт/ч (10 лет назад было 16 центов). При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рассчитывать на то, что в дальнейшем цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. В подтверждение этого аргумента говорит тот факт, что конструкции ВЭС постоянно совершенствуются: улучшаются их аэродинамика и электрические параметры, уменьшаются механические потери и т. д.
Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5—7 лет, системы «ветродизель» — за 2 года. В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться.
Бытовые ВЭС зарубежного производства пока, к сожалению, слишком дороги. Станция установленной мощностью 1 кВт стоит порядка 2000 долларов. Даже при хорошем ветре она выдает за год в лучшем случае 40% от номинальной мощности, т. е. не больше, чем бензиновый генератор на 400 Вт. Зачастую такой мощности не хватает, поэтому большим спросом пользуются ВЭС на 3 или на 10 кВт (последние стоят уже 25 тыс. долларов). Между тем в России есть более десятка изготовителей малых ВЭС установленной мощностью в несколько киловатт, цена которых не превышает 1500— 2000 долларов.
Большие и малые ВЭС могли бы работать на огромных пространствах России высокоэффективно, ведь наша страна обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт ч электроэнергии в год. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высоте 50—80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11 —12 м/с.
Существуют также аномальные локальные зоны, в которых ветер значительно сильнее. Это, например, район Владивостока, где воздушные массы устремляются из Приханкайской равнины в разрыв между Северо-Корейскими горами и хребтом Сихотэ-Алинь и далее — по акватории Амурского залива. На островах близ Владивостока среднегодовая скорость ветра на высоте 150 м (50-метровая ВЭС на холме высотой 100 м) не бывает ниже 11 м/с (для континентальной Европы параметр недосягаемый).
Несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, у нас до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков. Основная причина — отсутствие инвестиций. В Европе в данной отрасли превалирует народный бизнес. ВЭС строят кооперативы и акционерные общества, причем без всяких государственных дотаций. В России же осуществить дорогостоящие проекты под силу только госструктурам или крупному бизнесу.
В стране строится несколько ветроэнергетических комплексов, в том числе и демонстрационных. В ноябре 2002 г. начала работать сеть ВЭС в маловетреном Башкортостане (мощность 2,2 МВт). После ее ввода в строй общая установленная мощность всех российских ветроэлектростанций едва превысила 8 МВт — в 1000 с лишним раз меньше, чем в относительно небольшой по площади Германии.
Геотермальная энергетика. Использование геотермальных вод весьма перспективно с позиции охраны окружающей среды. Моря с кипящей водой существуют не только в сказках и фантастических романах о путешествиях на другие планеты. Немало их и на Земле. За последние годы только на территории нашей страны геологи нашли более 50 подземных горячих бассейнов.
Тепловая энергия вулканических источников используется в 62 странах, суммарная мощность станций составляет 19,3 тыс. МВт. Человечество в ожидании кризиса традиционной углеводородной энергетики все больше задумывается о развитии возобновляемых источников. За последние четыре года рост использования геотермальной энергии для производства электричества и прямого теплового потребления составил 4% в год.
В нашей стране большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка, Чукотка, Курилы, Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область. По данным Института вулканологии Дальневосточного отделения РАН, геотермальные ресурсы одной только Камчатки оцениваются в 5 тыс. МВт. На Камчатке работают три геотермальные станции — Паужетская, построенная еще в 1967 г., Верхне-Мутновская и Мутновская, введенные в эксплуатацию в 1990-е годы. Суммарная мощность этих станций достигает 70 МВт и может обеспечить 25% потребностей региона в электроэнергии, ослабить зависимость от поставок дорогостоящего мазута. Отсюда интерес к геотермальной энергии.
Место для сооружения Мутновских геотермальных станций в 90 км от Петропавловска-Камчатского у подножия вулкана Мут- новский было выбрано по рекомендациям ученых Института вулканологии, которые составили прогноз теплового выноса подземных вод. Для проектирования Мутновского каскада пришлось восстанавливать российскую научную базу по этой тематике, которая после сооружения Паужетской станции не использовалась. Всероссийский теплотехнический институт участвовал в проекте одной из лучших в мире по экономическим и техническим параметрам Мутновской станции, мощность которой достигает 50 МВт.
Для регионов с вулканической активностью геотермальные источники — источник дешевой и часто беспредельной энергии. Но температура газа на рабочих лопатках турбин в этом цикле не достигает даже 200°С. Турбины для геотермальных станций делают в Калуге. Выбор Калужского турбинного завода связан с тем, что главная его специализация — турбины для подводных лодок, где температура газа на рабочих лопатках тоже относительно невысока. По этой причине в мире совсем немного стран, которые обладают технологиями, позволяющими строить турбины для геотермальных электростанций.
Россия может на своих геотермальных источниках создать сеть локальных, надежных, дешевых и экологически чистых тепло- и электростанций. Себестоимость электроэнергии на Мутновской станции минимум в два раза ниже, чем на ТЭЦ, которые работают на мазуте. В некоторых районах снабжение этой энергией может составить 50—90% общего потребления.
Развитию геотермальных станций препятствует то, что горячие подземные источники расположены в труднодоступных районах со сложными климатическими условиями. Например, вокруг Мутновской станции даже летом высятся снежные сугробы. Зимой толщина снежного покрова превышает 10 м.
На Камчатке нет иного пути, кроме развития геотермальной энергетики. Будет реконструирована старая Паужетская станция, введены новые блоки Мутновского каскада на прогрессивном бинарном цикле, разрабатывается программа строительства новой геотермальной теплостанции в поселке Елизово, планируется перевод ТЭЦ-1 с мазута на гидро- и геотермальную энергию. В России есть немало и других перспективных геотермальных проектов — в Краснодарском и Ставропольском краях, в Дагестане, Калининградской области.
Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый — пароводяные, в которых под землей сосредоточены запасы горячей воды или пара. Они характерны для районов с активной вулканической деятельностью, например, для Камчатки, Исландии, Японии. Сейчас освоены такие источники.
Второй тип геотермальных ресурсов связан с теплом сухих пород. В принципе, на Земле их очень много, и когда мы говорим, что Россия обладает большими запасами геотермальной энергии, то имеем в виду не только геотермальные месторождения, но и геотермальные источники. Весь вопрос в том, как научиться эффективно и экономно извлекать это тепло из недр Земли.
Геотермальная энергия в основном низкопотенциальна, т. е. температура воды или пара, выходящих из скважины, невысока. А это существенно сказывается на эффективности применения такой энергии. Для производства электроэнергии экономически целесообразна температура теплоносителя не ниже 150°С, в этом случае он направляется непосредственно на турбину.
Все чаще эксперты говорят об использовании раскаленного ядра Земли. В районе Нижнего Рейна был проведен эксперимент. Обнаружив 2 скважины глубиной 3,5 км, соединенные между собой трещинами в подземном граните, исследователи стали закачивать в одну из них воду под большим давлением. Из другой воду откачивали, там вода достигала температуры 135°С. По расчетам экспертов, с увеличением глубины на каждые 100 м температура поднимается на 6°С. Ученые предполагают, что уже в первые десятилетия нового века магма станет для человека новым, весьма важным энергоресурсом.
Масштабы использования термальных вод для теплоснабжения более велики, чем для производства электроэнергии, однако и они не играют значительной роли в энергетике. Как и на электростанциях, здесь используют тепло лишь термальных вод, а не окружающих пластов земли. Единичные мощности установок невелики. Они ограничены запасами термальной воды и наличием мест для ее сброса.
Под Ярославлем намечается сооружение уникальной геотермальной станции. Вода из этого замечательного, самой природой созданного колоссального резервуара, поднятая на поверхность земли насосами, станет служить человеку: даже в самую лютую стужу она согреет русскую деревню.
Глубоко в земных недрах расположено море площадью 600 тыс. км2, простирающееся на территориях нескольких областей — Ярославской, Ивановской, Костромской, Владимирской, Московской, Вологодской и др. И самое главное — запасы теплой воды с температурой 60°С в этом море неисчерпаемы.
Приливные электростанции. Приливные электростанции (ПЭС) — экологически чистые источники энергии. Могучая волна океанского прилива каждые 12 ч 25 мин поднимает уровень моря на Беломорском и Охотском побережье на 9—13 м. Прилив обладает огромной энергией, лишь в Европейской части России от прилива может быть получено 40 млрд кВт-ч электроэнергии в год. Для современной энергетики очень важно, что среднемесячная величина приливной энергии остается неизменной в любой период года и не зависит от его водности, в отличие от энергии рек, подверженной значительным сезонным и многолетним колебаниям.
Идея использования энергии морских приливов, проекты приливных электростанций, ПЭС двустороннего действия и наплавной способ их строительства предложены советскими учеными более 25 лет назад. Они позволяют использовать приливную энергию с сохранением природного цикла прилива — отлива, без нарушения экосистемы, относительно малыми затратами. При этом отсутствуют какие бы то ни было затопления, а плотина ПЭС, обеспечивая пропуск естественных расходов воды, остается биологически проницаемой.
Энергию морских приливов впервые использовала Кислогуб- ская ПЭС (Мурманская область). Станция до сих пор находится в удовлетворительном состоянии и считается самым долговечным сооружением в районах Арктики.
ПЭС повсеместно признаются одним из самых перспективных направлений энергетики. Они работают на возобновляемой энергии, не загрязняют воздух, не затопляют земель, не представляют потенциальной опасности для населения и много дешевле всех прочих источников энергии.
Строительство Кислогубской ПЭС велось наплавным способом: станция была сооружена в одном месте, а затем по морю отбуксирована за 100 км в Кислую губу и погружена на подводное основание. Такой способ получил название «российского» и считается сегодня единственно целесообразным для морского строительства. Им пользуются японцы, транспортируя электростанции через Тихий океан. Так же строятся все гигантские платформы для глубоководной добычи нефти. Уникальным событием называют специалисты создание особого морозостойкого бетона, прочность которого со временем лишь увеличивается.

Мощность Кислогубской ПЭС невелика — 400 кВт. Уже после нее построены самая большая в мире ПЭС, в Аннаполисе (Канада) — 20 тыс. кВт и семь ПЭС в Китае суммарной мощностью 20 тыс. кВт. В России с тех пор приливных станций, к сожалению, не строили.
Выполнен проект Тугурской ПЭС на Охотском море, ее мощность вдвое выше Братской ГЭС. Тугурскую ПЭС предлагается создать отсечением южной части Тугурского залива Охотского моря.
Плотина длиной 18 км образует бассейн. Глубина в створе доходит до 20 м. Наличие рыхлых отложений мощностью 10 м позволяет обеспечить здесь установку четырех агрегатных наплавных блоков здания ПЭС без дорогостоящей подводной скальной выемки. 105 таких блоков будут изготавливаться в строительном доке, расположенном у восточного берега.
В плотине на расстоянии 10 км располагается здание ПЭС, в котором размещены 420 капсульных гидроагрегатов общей мощностью 6,8 млн кВт, двухсторонняя работа которых (в сторону бассейна и обратно в море) обеспечивает ежегодную выдачу 16,2 млрд кВт, распределенную равномерно по месяцам и не зависящую от водности года и сезона. Эта неизменность определяется астрономическими факторами и является исключительно важной для системы, в которой работает ПЭС. Благодаря природной гарантии приливная электростанция стала важным партнером речных ГЭС, выработка которых зависит от водности года.
Строительство Тугурской ПЭС в Охотском море не приведет к каким либо затоплениям и кардинальным изменениям природного цикла. Оно не сопровождается вредоносными выбросами, которые дают ТЭС, вырабатывающие эквивалентное с ПЭС количество энергии. Например, приливная промышленная ПЭС «Ране» (Франция) облагородила природу бассейна и даже улучшила в итоге биогенные факторы водной среды, обеспечивающие развитие ценных популяций и ихтиофауны.
Абсолютная надежность ПЭС, уменьшение высоты экстремальных колебаний уровня прилива, снижение скорости, осветление воды и уменьшение количества бактерий — вот положительные результаты, которые дают сооружения ПЭС.
Заканчивается проектирование Мезенской ПЭС на Белом море, ее мощность в 500 раз больше канадской. Все западные проекты уступают российским.
В 1998 г. британская компания «Ай-Ти-пауэр» получила гранд Евросоюза в 1,1 млн долларов на строительство ПЭС. По оценкам экспертов, приливные течения у берегов Великобритании способны обеспечить 20% потребности страны в электроэнергии. Подводная турбина с лопастями диаметром 12—15 м устанавливается на стальном основании, закрепленном на дне на глубину 30 м. Электроэнергия будет передаваться по кабелю в национальную сеть. Ее мощности 300 кВт достаточно для снабжения электроэнергией небольшого населенного пункта.
Солнечная энергия. Люди создали энергетику, поглощающую ресурсы, запасы которых стремительно сокращаются (нефть, газ, уголь и другие невозобновляемые источники). За год сжигается столько нефти, сколько ее образовалось в недрах Земли за 2 млн лет. Получается, мы живем «взаймы», за счет будущих поколений, в то время как Солнце — гигантский неисчерпаемый источник энергии. За год ее приходит на Землю в 20 Тыс. раз больше, чем потребляют все страны мира. Казалось бы, вот он почти вечный, да еще бесплатный кладезь энергии. Однако у него низкая плотность, из-за чего КПД его преобразования в электричество невелик — около 10%. Если бы удалось поднять его вдвое, ситуация в корне изменилась бы. Именно это — цель проекта «Полный спектр», в котором участвует 19 научных центров из разных стран. Дело в том, что пока в электроэнергию с довольно высокой эффективностью преобразуется лишь малая часть солнечного спектра. Важно раздвинуть эти границы. В этой работе участвует и коллектив, возглавляемый академиком Жоресом Алферовым.
Другая задача науки — снизить цену кремния, на котором работают солнечные электростанции. Ведь степень очистки материала от примесей должна быть почти абсолютной, около 100%, а это обходится недешево.
Сейчас каждый год объемы производства и продаж систем для получения «солнечной» электроэнергии увеличиваются на 30%. Это самые высокие темпы роста.
В Германии успешно развивается малая солнечная энергетика. Согласно правительственной программе «Сто тысяч солнечных крыш» к концу 2004 г. в стране должно быть установлено 100 тыс. солнечных батарей общей мощностью 300 МВт для снабжения энергии жилых домов. Темпы ее выполнения таковы, что цель могла бы быть достигнута на год раньше срока. Однако возникает проблема: нехватка кремния, второго по распространенности на Земле элемента (из окиси кремния состоит обычный песок).
Для получения I кВт солнечной энергии требуется 11-15 кг кремния. В стране сейчас более двух десятков заводов по производству солнечных батарей, они используют отходы сверхчистого кремния от изготовления микросхем. Для солнечных батарей мог бы использоваться кремний не столь высокой очистки и вдвое менее дорогой, но он в Германии не производится, а отходов электронной промышленности уже не хватает. Для немецкой солнечной программы необходимо более 3 тыс. т кремния, а мировая потребность в кремнии для солнечных батарей в 2005 г. составит 6 тыс. т. Германское производство микросхем дало в прошлом году только 1 тыс. т отходов.
Две немецкие компании сейчас планируют построить фабрики кремния низкой чистоты годовой мощностью 5 тыс. т, но пока производителям батарей приходится закупать дорогой сверхчистый кремний, в сущности, им не нужный.
На развитие альтернативной энергетики направлена европейская программа «Альтенер». В соответствии с новой европейской идеологией создания единого научного пространства программа призывает все государства мира присоединиться к странам — членам Евросоюза и проводить совместные исследования, а также обмениваться технологиями. Европейцы не хотят сразу переводить всю энергетику на солнце. Они понимают нереальность огромных проектов и предпочитают политику малых, но успешных дел.
Один из примеров — проект «Климасол», в котором участвуют энергетические агентства европейских регионов, в том числе Баскское. Цель проекта — оборудовать системы кондиционирования солнечными батареями. Проблема возникла не на пустом месте. В отличие от России на большей части Европы, особенно Южной, приходится бороться не с холодом, а с теплом. Высокий уровень жизни европейцев требует и высокой степени комфорта. Поэтому количество кондиционеров в домах растет очень быстро, а значит, повышается и потребление ими энергии. В начале 2003 г., например, власти Испании и Италии даже вынуждены были обратиться к согражданам с призывом экономить электричество и давать кондиционерам небольшой отдых на протяжении знойного дня. А вместе с количеством использованной энергии растут и выбросы углекислого газа от ее получения. Ученые подсчитали, что если кондиционеры только в 2% новых европейских офисов питать от альтернативного источника, то в атмосферу не будет выбрасываться 27 тыс. т углекислого газа в год.
Вот как планируется выполнять этот проект. Сначала будет проведен опрос во всех европейских странах, чтобы выявить, какие технологии в его разработке могут пригодиться. Затем, чтобы обеспечить последующее воспроизведение опыта во всех европейских странах, будет отобрано 20 технологий, и их жизнеспособность проверят на реальных объектах как можно в большом количестве мест. Результаты испытаний сообщат политическим деятелям, органам власти, архитекторам, техническим службам и опубликуют для широкой публики. А для того чтобы новые технологии оказались востребованы промышленностью, обучат специальных консультантов, которые обеспечат ученым связь со строителями энергетических комплексов.
Если в среднеазиатской пустыне квадрат со стороной 100 км устлать полупроводниковыми преобразователями солнечной энергии на основе кремния, то такая «плита» удовлетворит потребности в электроэнергии всех бывших стран СНГ, утверждают петербургские ученые-физики. Однако полупроводниковые системы всегда были слишком дороги, да и коэффициент полезного действия
их невелик — всего лишь 10—12%. В Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук создан новый фотоэлемент, светочувствительная поверхность которого под действием солнечных лучей производит электрический ток с рекордным КПД — 25—27%, что сравнимо с показателями тепловых станций. Авторам удалось создать особый вид «слоеных» полупроводников на основе арсенида галлия с арсенидом алюминия. С этой целью в лаборатории были разработаны необычайно тонкие технологии, позволяющие вносить необходимые примеси в слои толщиной около полумикрона.
В городке Серре на юге Италии работает самая большая в мире солнечная электростанция. Ее батареи размещены на площади 7 га, она полностью автоматизирована, стоимость станции примерно 26 млн долларов. Ежегодно эта электростанция вырабатывает 5 млн кВт электроэнергии, которой хватает для обеспечения 3 тыс. семей.
Семь лет рабогает солнечная электростанция «Соляр-2» мощностью 10 МВт, построенная в пустыне Мохаве в американском штате Нью-Мексико. Приемниками солнечного излучения служат 1900 зеркал, каждое площадью 50 м2, ориентация которых регулируется компьютерной системой. Зеркала направляют солнечные лучи на 100-метровую башню, заполненную концентрированным раствором поваренной соли, нагревая его до 560°С. Это тепло отводится для нагрева воды и получения пара, который вращает лопасти турбины, соединенной с электрогенератором. СЭС дает коммерческую энергию.
Солнечные электростанции еще не стали заметным компонентом энергетической политики государства, и каждый такой объект — лишь очередной эксперимент в области альтернативных источников энергии.
Переход потоков солнечного света в электрический ток с помощью фотопреобразователей можно использовать на мощнейших гелиостанциях на орбитах и передавать энергию на Землю.
Энергия отходов. Растения, отходы сельского хозяйства, городские отходы — все это биомасса. Содержание ее в биосфере — 800 млрд т, причем ежегодно возобновляются 200 млрд т (это соответствует 100 млрд т нефти). Конечно, биомасса никогда не сможет полностью заменить ни нефть, ни другие ископаемые виды топлива. Но в качестве дополнительного, экологически чистого, постоянно возобновляемого источника энергии она, несомненно, со временем займет заметное место в энергетике.
Внимание, уделяемое в последние годы биомассе, связано как с постоянно растущим дефицитом ископаемых топлив, угля, нефти, природного газа, так и с поисками им замены. О том, что биомасса обладает достаточным энергетическим потенциалом, говорит хотя бы такой факт: только в континентальных лесах ее накапливается ежегодно до 70 млрд т. По энергосодержанию это втрое превышает потребление энергии в мире.
С энергетической проблемой тесно связана проблема экологическая. Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, а также дальнейшая урбанизация неизбежно приведут" к тому, что концентрация разнообразных органических отходов в ближайшие десятилетия резко увеличится. А это значит: нужно будет принимать неотложные меры по их утилизации. Переработка отходов, т. е. биомассы, позволит, таким образом, в определенной степени решить и экологическую, и энергетическую проблемы.
По предварительным подсчетам, только из отходов, производимых ежегодно в бывших странах СНГ, перевозка которых не требует значительных затрат, можно добывать биогаз (на 70% он состоит из метана, а на 30% — из СО) в количестве, эквивалентном 100 млн условных тонн. И кроме того, получать 150—160 млн т азота, высококачественных органоминеральных удобрений, содержащих 6,25 млн т азота, 3 млн т фосфора и 7,5 млн т окиси калия в виде минеральных солей, легко усваиваемых растениями. Следовательно, при переработке биомассы решается и еще одна проблема — продовольственная.
Получение биогаза весьма перспективно. Его можно использовать как топливо в энергоустановках, в двигателях внутреннего сгорания, в котлах, а также в качестве сырья для производства белковых концентратов. Кроме того, утилизируя стоки, животноводы решают и экологические проблемы.
Во Всероссийском НИИ комплексного машиностроения для животноводства и кормопроизводства разработана биогазовая установка модульного типа.
Комплект оборудования установки предназначен для ферм на 400 коров и 4000 свиней. В его составе — два горизонтальных реак- тора-метантенка, каждый емкостью 125 м. Для более крупных ферм реакторов может быть больше. Кроме реакторов в комплект входят измельчитель навоза, подогреватель-выдерживатель, газгольдер, теплообменные нагревательные устройства, водогрейный котел, насос-дозатор навоза, газовые компрессоры, система автоматического управления и контроля.
Навоз с фермы загружают в измельчитель, где разрушаются длинноволокнистые включения — солома, ботва. Измельченная масса направляется в подогреватель-выдерживатель и нагревается здесь до 35—42°С с помощью теплообменных нагревательных устройств, через которые прокачивается горячая (70°С) вода. Из подогревателя-выдерживателя подготовленная масса насосом-дозатором четыре раза в сутки подается в реакторы-метантенки. Здесь в течение 3—5 сут при температуре 40—42°С идет процесс анаэробного брожения биомассы, в результате которого образуется биогаз. Определенные его запасы хранятся в газгольдере.
Биогаз можно использовать в топке водогрейного котла или в двигателе внутреннего сгорания — для привода электрогенератора. В последнем случае вода из системы охлаждения двигателя поступает в теплообменники подогревателя-выдерживателя и реакторов.
По сравнению с энергией малых ГЭС, ветровой и солнечной энергией, где энергетические установки используют экологически чистый энергоресурс, биогазовые установки — «активно чистые», так как устраняют экологическую опасность своих первичных источников энергии, получаемых от многих вредных для окружающей среды производств, выступают как природоохранные сооружения.
Воздействие на социальную обстановку региона строительства выражается в освобождении (высвобождении) огромных территорий, находящихся под свалками и «полями орошения». Например, поля фильтрации и биологические пруды на сахарных заводах занимают площадь примерно 17 тыс. га.
В России разработаны, апробированы и внедрены способы извлечения биогаза для выработки тепла во многих регионах страны, причем для изготовления этих установок не требуется больших материальных затрат. В условиях дефицита топлива и высоких цен на энергоносители эти установки позволяют экономить топливо непосредственного использования, практически снимают проблемы его транспорта и высвобождают большое количество земель от свалок и навозных потоков, убивающих все живое. За рубежом ведутся исследования по созданию низкотемпературных генераторов на биохимическом электролите. Их КПД оценивается на уровне 80— 85% (теоретически до 95%). Генераторы могут работать на природном газе (в том числе на нефтяном, на сбросных газах нефтеперерабатывающих заводов, получаемых в результате дегазации угольных пластов, на биогазе, получаемом в процессе переработки сельскохозяйственных отходов и др.).
Для широкого развития фермерских хозяйств вопросам использования биогаза в быту должно уделяться большее внимание.
Варианты энергоснабжения от биоэнергетической установки при современных ценах на топливо и электроэнергию особенно эффективны в районах, где у потребителя отсутствует источник электричества. Подавая биогаз на малую электростанцию, можно выработать электроэнергию потребительского напряжения. В качестве электростанции используются два агрегата АПЭС-14 (газовый дизельгенератор). На базе таких агрегатов, а также другой мощности опытным заводом ВНИИ газа выпускаются блочные автоматизированные электростанции мощностью 3,5 (однофазная система), 7 и 14 кВт (трехфазная система).
В различных регионах России планируется строительство показательных домов-усадьб в сельской местности с полным автономным энергоснабжением от установок нетрадиционной энергетики, включая биогазовые системы. На птицефабрике «Октябрьская» Глебовского ПГТО успешно функционирует биоэнергетический комплекс по переработке 10 т помета в сутки с получением биогаза, тепловой и энергетической энергии, экологически чистых минеральных удобрений. Биологическая система ВНИИКОМЖ перерабатывает куриный помет 500 м3/сут, включает 2 метантанка объемом 5 тыс. м3, цех разделения сброженного помета и рыбоводно-биологические пруды. Ежегодный выход биогаза составляет 35 млн м3 и 18 тыс. т концентрированных удобрений.
В мировой практике добыча и утилизация отходов начала осваиваться в конце 70-х — начале 80-х годов в США, а позже в странах Западной Европы. В настоящее время за рубежом газ на свалках все чаще рассматривают как альтернативный источник энергии, в США его добыча считается коммерчески выгодной. В Германии системы экстракции биогаза и его переработки действуют на 35 полигонах ТБО, в Великобритании — на 25. Во многих развитых странах биогаз улавливается и обезвреживается из чисто экологических соображений.
Использование биогаза — относительно экологически чистого вида топлива — получает все более широкое распространение в различных странах мира. В КНР в 70-е годы было установлено более 6 млн устройств для получения газа из бытовых отходов, в 60-е годы ежегодно вводится в эксплуатацию до 500 тыс. таких устройств.
Вблизи Лос-Анджелеса действует первая в США коммерческая ТЭЦ, где для получения электроэнергии используется коровий навоз. ТЭЦ, построенная одной западногерманской компанией, успешно прошла испытания и работает на 75—70% мощности (15 мВт) электроэнергии. Топливо для нее поступает с близлежащих ферм, где насчитывается 250 тыс. голов крупного рогатого скота, 70 грузовиков занимаются его перевозкой на ТЭЦ, которая потребляет в час 40 т навоза.
Высушенный брикетированный навоз по конвейерам поступает в топки. Использование этого не совсем обычного альтернатив

ного источника энергии позволяет стране ежегодно экономить 300 тыс. баррелей нефти.
При современном уровне развития техники и технологии переработки мусора появляются возможности получения биогаза в относительно больших количествах, причем не только из массива мусора, складируемого на загородных полигонах, но и в городских условиях в специальных контейнерах для подключения его к городской газовой сети либо использования в качестве альтернативного топлива для автомобилей. Автомобилю массой 27 т для работы в течение дня достаточно 8 баллонов с газом. Затраты по доработке автомобиля окупают себя в 2—3 года. Например, в западноберлинском районе Ваннзее строится электростанция. Три ее энергоблока обшей мощностью 4,5 МВт будут работать на биогазе, произведенном из отходов со свалки, находящейся в 500 м от электростанции. Газ намечено извлекать из отходов с помощью 135 труб. Затем он будет подаваться к электростанции по трубопроводу. В зимнее время вторичное тепло предполагают использовать для отопления близлежащих зданий.

<< | >>

↑

Источник: Новиков Ю. В.. Экология, окружающая среда и человек: Учеб, пособие для вузов, средних школ и колледжей. 2005

Еще по теме Нетрадиционные возобновляемыеисточники энергии:

- Детская психология - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -