CC BY
22УДК 56:54
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ -ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
А.А. Каздым
ФГУП ВИМС им. Н.М. Федоровского, г. Москва, Старомонетный пер., 31 E-mail: kazdym@mail.ru
В статье рассматриваются современные экологические проблемы альтернативной энергетики в России. Отмечено, что одной из глобальных проблем современности является истощение запасов сырьевых ресурсов (нефти, газа, угля, горючих сланцев и т.д.), применяемых в энергетике. Использующиеся сырьевые ресурсы наносят вред экосистеме Земли, поэтому весьма перспективно развитие альтернативных видов энергетики - энергии Солнца, ветра, тепла Земли и приливов.
ECOLOGICAL PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF CONTEMPORARY POWER ENGINEERING IN RUSSIA -POSING OF PROBLEM
A.A. Kazdym
FGUP VIMS, Moscow, Old-Monetary Mountain Pass, 31 E-mail: kazdym@mail.ru
In the article the contemporary ecological problems of alternative power engineering in Russia are examined. It is noted, that one of the global issues of the present is the impoverishment of raw resources (oil, gas, coal, the bituminous shale, etc), used in power engineering the existing raw resources damage on the ecosystem of the Earth; therefore the development of the alternative forms of power engineering - the solar energy, wind, heat of the Earth and flows - is completely promising.
А.А. Каздым
Кандидат геолого-минералогических наук, академик Международной академии наук (МАН); академик Международной академии наук по экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ); советник Российской академии естествознания (РАЕ); действительный член Охотинского общества грунтоведов; действительный член Российского минералогического общества (РМО) и кристаллографического общества России.
Основные научные направления и сфера научных интересов - экология, экология урбанизированных территорий (урбоэкология), палеоэкология, палеогеоэкология, геоэкология, экологические проблемы древности (археологическая экология), археогеология, минералогия техногенеза, техногенная минералогия.
Одной из глобальных проблем современности является истощение запасов топлива, применяемого в энергетике (нефти, газа, угля, горючих сланцев и т.д.). Кроме того, эти виды топлива (применяясь к современным требованиям) неэкологичны, так как при их сжигании выбрасывается в атмосферу большое количество вредных веществ и образуется большое количество твердых отходов (зол и золо-шлаков).
Однако около 50% электроэнергии дают именно тепловые электростанции, сжигающие твердые виды топлива (уголь, торф, горючие сланцы), нефть и газовый конденсат, газ. При сжигании твердого топлива, в первую очередь каменного и бурого угля
(до 30% общего мирового объема сжигаемого топлива), в атмосферу выбрасываются сера и двуокись серы, оксиды азота, углекислый газ, сажа, тяжелые металлы. Именно выбросы электростанций, работающих на каменном угле (и иных видах твердого топлива), и послужили фактором появления кислотных дождей.
Различные фильтры, дымо- и сажеуловители, катализаторы, безусловно, используются, но пока не настолько эффективны и слишком дороги. Кроме того, при сжигании твердого топлива образуется огромное количество золы, шлаков и золошлаков.
На территории России ежегодно накапливается до 3,5 млрд тонн техногенных отходов от электро-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
станций! Отметим, что при добыче 1 тонны угля шахтным методом образуется 0,5 тонны пустой породы, при добыче открытым (карьерным) способом -6 тонн, а при сжигании 1 тонны угля образуется 130 кг золы и золошлаков.
Золы и золошлаки электростанций в настоящее время успешно используются в строительстве, производстве стройматериалов, а также дорожном строительстве (но всего 2% от общего количества отходов!). Ежегодно потребляется для вторичного использования более 61 млн тонн золошлаковых отвалов ТЭЦ (для производства вяжущих веществ, производства керамики, огнеупоров, тепло- и звукоизоляционных материалов, углесодержащие отходы, богатые органическими соединениями, могут использоваться в качестве минеральных удобрений). Это весьма успешный и развивающийся бизнес, исключающий расходы на добычу и (частично) на транспортировку - только на переработку и использование.
Однако фактическое использование отходов энергетики в России составляет не более 4-5%. Основные проблемы связаны как с неповоротливостью бюрократического аппарата, огромным количеством согласований, так и нежеланием бизнесменов вкладывать (пока!) средства в перерабатывающие отходы предприятия, не приносящие быстрого дохода. Без помощи государства (хотя бы законодательной) и налоговых льгот здесь не обойтись.
Эксперты отмечают, что запасы невозобновляе-мых видов топлива (уголь, горючие сланцы, нефть, газ, для АЭС) небезграничны, и через определенное количество лет (по разным оценкам - от 20 до 100 лет) человечество столкнется с проблемой энергетического голода (по оценкам экспертов, запасов нефти в России хватит на 21 год, газа - на 50-60 лет). В настоящее время необходимо и актуально вложение средств именно в альтернативные виды энергии и топлива, развитие и расширение данных технологий.
Конечно, альтернатива вредным выбросам электростанций есть - это атомная энергетика. Однако эта отрасль энергетики экологически небезопасна и грозит чудовищными экологическими проблемами в случае весьма возможных и непредсказуемых катастроф (вспомним хотя бы Чернобыль 1986 года). Кроме того, остро встает проблема утилизации и переработки радиоактивных отходов (что, в частности, производится в России). На российских предприятиях перерабатываются радиоактивные отходы со всей Европы, причем только 10% обогащаются до состояния природного урана, остальные 90% (!!!) могут лишь утилизироваться («МК», 10 марта 2006 г.). Гарантии загрязнения радиоактивными отходами окружающей среды не существует!
Ядерное топливо (уран) относится к невозобно-вимым запасам природного энергетического сырья, а Россия в настоящее время испытывает «урановый голод». Глава Федерального агентства по недрополь-
зованию А. Ледовских отметил («Российская газета», 28 февраля 2006 г.), что после распада СССР в России осталось не более 20% всех разведанных запасов урана и при годовой потребности в уране 15-16 тыс. тонн добывается чуть более 3 тыс. тонн. Существующих складских запасов урана хватит лишь до 2015-2020 года.
Тем не менее, хорошо известны возобновляемые виды энергии: вода (гидростанции), солнечная энергия (гелиоэнергетика), ветер (ветроэнергетика), тепло Земли (гидротермальная), сила морских приливов и отливов.
Гидроэлектростанции, использующие текучую силу воды, давно (с 1891 года) и широко применяются во всем мире. Они считаются (правда, весьма условно) экологически чистыми, так как от них практически отсутствуют выбросы в атмосферу. Но каскады электростанций, превратившие ряд рек (например, Волгу) в цепочку водохранилищ, - не панацея от всех энергетических и экологических бед. При строительстве и эксплуатации водохранилищ появляются серьезные проблемы - отчуждение и затопление сельскохозяйственных угодий, лесов, населенных пунктов, что вызывает необходимость переселения жителей.
Например, при строительстве Новосибирского водохранилища ушли под воду 54 населенных пункта и был затоплен 281 км2 только сельскохозяйственных угодий. При строительстве Ангарского каскада водохранилищ (Иркутского, Братского, Усть-Илимского) затоплено 760 тыс. га земель (230 тыс. га пахотных и пастбищных, 500 тыс. га лесных угодий), города Балаганск и старый Братск, более 300 деревень.
Кроме того, водохранилища способствуют усилению и даже появлению сейсмической активности. Так, например, в 1967 г. в Индии на плато Декан произошло землетрясение силой 8 баллов, спровоцированное водохранилищем Койда, хотя по предварительно проведенным изысканиям и исследованиям данный район считался сейсмически не опасным.
Существуют и другие проблемы, связанные как со строительством плотин (использование миллионов кубических метров различного строительного материала), так и с функционированием водохранилищ: заиливание дна, всплывание торфяников, абразия берегов, активизация негативных геологических процессов, угроза прорыва плотин и др. Таким образом, крупные ГЭС хотя и решают энергетические проблемы, но создают проблемы как экологические, так и социальные.
Альтернатива крупным ГЭС - это мини-ГЭС, т. е. небольшие гидроэлектростанции, не требующие большого объема воды (в виде водохранилищ) и обеспечивающие энергией, например, какой-либо город или предприятие. Каскады мини-ГЭС вполне смогут конкурировать с крупными энергетическими монстрами. Каковы проблемы и перспективы в этой области?
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Мини-ГЭС очень хорошо могут себя зарекомендовать в районах с сильным течением рек, и в настоящее время необходимы мини-турбины именно для небольших гидроэлектростанций. Производство небольших турбин для мини-ГЭС, а главное, привлечение инвестиций - это уже осознанная необходимость. При современных проблемах энергетики и удорожании тарифов на электроэнергию требуется автономность и независимость от энергосетей.
Энергия солнца (гелиоэнергетика). В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии (гелиоэнергетике) резко возрос.
Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики. Практическое применение в мире получили в основном гибридные солнечно-топливные электростанции (стоимость вырабатываемой электроэнергии составляет 0,08-0,12 $ за кВт-ч).
В качестве примера успешного применения ге-лиотехнологий можно отметить проект «2000 солнечных крыш» в Германии, где разработана техно -логия прозрачной теплоизоляции зданий и установки солнечных коллекторов с температурой 90150° С. Однако данная технология все равно зависит от резервного источника электросети, из которого возмещается нехватка энергии (в случае же избытка энергия передается в сеть). Отметим, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов.
В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн домов. В пустыне Мохаве (США) в 250 км от Лос-Анджелеса создана крупнейшая в мире гелиостанция LUZ мощностью около 600 МВт. Стоимость проекта составила 1,5 млрд $.
Массовое производство и использование гелио-станций в мировой энергосистеме связано с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности. Но принципиальным ограничением для снижения стоимости является высокая стоимость кремния высокого качества -40-100 $/кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике. В России в настоящее время имеются технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год.
Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, за 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти! Огромные запасы кремния в виде песков, кварцита, песчаника, имеющиеся в России, вполне пригодны для экологических бизнес-технологий, связанных с современной гелиоэнергетикой.
Однако есть и свои минусы... Эффективная деятельность гелиостанций возможна лишь в определенных районах с высокой солнечной инсоляцией. Кроме того, гелиоэнергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии (добыча кремниевого сырья и его переработка и обогащение, изготовление гелиостатов, коллекторов и т. д.). Отметим, что для производства 1 МВт/год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10000 до 40000 человеко-часов, в традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 челове-кочасов.
Пока электроэнергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. И хотя в настоящее время суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт, без помощи государства пока не обойтись. Принятая в США масштабная программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 года, потребовала при ее реализации расходов из федерального бюджета в сумме более 6 млрд долларов. На развитие гелио-энергетики в Республике Казахстан планируется только на первом этапе затратить 10 млн $.
Ветровая энергия. Ветроэнергетика - одна из самых молодых энергетических отраслей, но ежегодный прирост оборотов в ней впечатляет. Например, в 2003 году через мировую ветроэнергетику «прошло» около 3 млрд евро, а в 2004 году - 8 млрд, в 2005 - 12 млрд евро! Во многих странах возникла новая отрасль - ветроэнергетическое машиностроение. В ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции, а мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия.
Ветряки в Испании (Каталония, предгорья Пиренеев) Wind turbines in Spain (Catalonia, foothills of the Pyrenees)
Суммарная мировая установленная мощность крупных ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэнергетических станций (ВЭС), по разным
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт. Удельные капиталовложения в ветроэнергетику ниже, чем при использовании большинства других альтернативных видов энергии, возрастает не только суммарная мощность ветряных установок, но и их единичная мощность, превысившая 1 МВт.
В Германии работают уже 14 тыс. ветровых установок, которые производят треть мирового объема ветроэлектроэнергии, и существует более тысячи предприятий, работающих с технологиями ветроэнергетики. Крупнейший в мире ветровой генератор мощностью 3000 кВт и высотой 150 м установлен в 1982 г. в Северной Германии, в Фрисляндии.
В России спрос на ветроэнергетическое оборудование также существует, что связано с ростом цен на ископаемые источники энергии и электроэнергию, с необходимостью соблюдения экологических норм, «деятельностью» энергетических монополий и в целом инфраструктурой страны. Созданы образцы отечественных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся пока в опытной эксплуатации.
В России уже существуют компании по производству, установке и эксплуатации ветроэнергетических установок (компания «Ветропарк Инжиниринг», ЗАО «Ветроэнергетический комплекс» и ряд других), производящие ВЭУ мощностью от 300 до 500 кВт. Отечественные ветрогенераторы («Бриз-5000», «Бриз-лидер») фирмы «Электросфера» работают при скорости ветра от 3 м/с и выдают мощность от 5 до 50 кВт. Стоимость различных типов «бытовых» электрогенераторов - от 5000 до 10000 евро (вполне сопоставимо с ценой на автомобиль, и даже ниже!), а срок службы - до 20 лет.
Ветровая энергетика для бизнеса России - пер-спективнейший вид вложений, так как перспективы в данном случае связаны как с экологией, так и с полной автономией, независимостью от энергетических монополий. Использование энергии ветра возможно для производства электроэнергии в частных домах, на предприятиях, а комплексы ВЭУ смогут обеспечивать электроэнергией отдельные районы.
Еще в 1996 году АО «Ростовэнерго» реализовало российско-германский проект «Эльдорадо-ветер» по строительству ветроэнергетической станции мощностью 300 кВт на территории подсобного хозяйства «Маркинское» Цымлянского района Ростовской области. Станция занимает площадь в 3 гектара и состоит из 10 решетчатых 27-метровых башен, расположенных в шахматном порядке с 12-метровыми лопастями, начинающими работать при скорости ветра уже в 4 м/сек. Полученная энергия передается в общую электрическую сеть через трансформаторную подстанцию и обслуживает потребности небольшого поселка. Комплекс автоматизирован и управляется электроникой, а обслуживают ветроэле-ктрическое хозяйство ... всего 4 человека!
Тепловая энергия Земли (гидротермальные источники). Исландия полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Столица этого островного государства город Рейкьявик (170 тыс. человек), отапливается только за счет подземных источников, так как других местных источников энергии в Исландии практически нет.
Первая электростанция (геоТЭС), использующая тепло Земли, была построена в 1904 году в итальянском городе Лардерелло, и в наши дни мощность станции достигла 360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует гидротермальная электростанция в районе Вайракеи мощностью 160 тысяч киловатт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.
В 1967 г. на Камчатке была создана первая в нашей стране Паужетская геоТЭС мощностью 5 МВт, доведенная впоследствии до мощности 11 МВт. Калужский турбинный завод освоил выпуск блок-модульных геоТЭС мощностью 4 и 20 МВт. Три таких блока по 4 МВт смонтированы на Верхне-Мутновской геоТЭС на Камчатке. Следующая на очереди - Мутновская геоТЭС мощностью 40-50 МВт -будет создана в ближайшие годы. Заметим, что гидротермальные источники имеются в России только на Камчатке и Курилах (в меньшей степени на Кавказе), поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны в целом, но для указанных районов, которые периодически оказываются на грани выживания в ожидании очередного танкера с топливом, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения.
Суммарная мировая мощность геоТЭС составляет не менее 6 ГВт, они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако геоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, что ограничивает область применения геотермальных установок.
Биоэнергетика. В биоэнергетике используется биогаз, содержащий метан и образующийся при разложении (гниении) биомассы (навоза, растений, отходов деревоперерабатывающей промышленности и сельского хозяйства). Доля древесины в биомассе, которую используют в Европе, - 16%, тем не менее, древесное биотопливо считается весьма популярным в странах ЕС, например в Швеции биотопливо дает не менее 21% тепла для отопления домов.
Однако при сжигании биотоплива все равно образуется углекислый газ (хотя и в меньших количествах), кроме того, не исключена возможность попадания биомассы в грунтовые и поверхностные воды и почву, а метана - в атмосферу (при нарушении гер-метизациии) и соответственно загрязнения окружающей среды. Тем не менее, весьма актуально использование биоэнергетических технологий в рос-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
сийских сельскохозяйственных комплексах (птицеводческих и животноводческих), что, с одной стороны, решает проблему отходов, а с другой - исключает зависимость от энергетических компаний, оберегает производителя от роста цен на электроэнергию, что позволяет снизить себестоимость продукции, а также избавит от колоссальных убытков при отключении электроэнергии и энергоавариях (вспомним энергокризис мая 2005 года).
Энергия приливов и волн. В мире существует только одна крупная действующая приливная электростанция (ПЭС) годовой мощностью 544 млн кВт
- в устье реки Ранс, во Франции (провинция Бретань), открытая в 1966 году. На более чем 800-метровой плотине установлено 24 турбогенератора, стоимость проекта составила 420 млн франков (в ценах 60-х годов XX века).
Что касается перспектив приливной энергетики в России, то следует отметить, что приливные электростанции должны обладать весьма большой мощностью (Мезенская ПЭС на Белом море - 19200 МВт, Тугурская ПЭС на Охотском море - 7800 МВт). В 1968 г. появилась экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт, на строительстве которой был впервые использован прогрессивный метод наплавного строительства плотины.
Несколько сотен гидроагрегатов на каждой станции, длительные сроки строительства, огромные капиталовложения (как непосредственно в ПЭС, так и в мероприятия, необходимые для адаптации их в рамках энергосистемы) делают создание ПЭС предметом отдаленного будущего.
Проблемы и перспективы альтернативной энергетики. К сожалению, как отмечает доктор технических наук, заведующий отделением нетрадиционных источников энергии и энергосбережения АО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» Борис Тарнижевский, «бесплатность» большинства альтернативных видов энергии связана со значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. И возникает некий парадокс
- альтернативную «бесплатную» энергию способны производить и использовать главным образом . богатые страны.
Однако наиболее заинтересованы в развитии альтернативных видов энергетики именно развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, развитой сети централизованного энергоснабжения. И именно для развивающихся стран, и (к сожалению) в том числе и для России (с ее огромной территорией и специфическими климатическими условиями), необходимо создание автономного энергообеспечения путем применения альтернативных источников энергии. Богатые же страны энергетического голода пока не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.
Использование альтернативных видов энергии в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту, однако, по данным МАГАТЭ, доля всех видов альтернативной энергетики (солнца, ветра, приливных станций и т.д.) в мире составляет менее 3%. По различным прогнозным оценкам, в которых в настоящее время нет недостатка, эта доля к 2010-2015 гг. во многих государствах достигнет (или даже превзойдет) лишь 10%.
В России практическое применение альтернативных видов энергии значительно отстает от масштабов, достигнутых в других странах, несмотря на такие благоприятные предпосылки, как практически неограниченные ресурсы альтернативных видов энергии, достаточно высокий научно-технический и промышленный потенциал в данной области.
В целом очевидно, что в России тормозом развития альтернативной энергетики и использования альтернативных видов энергии (как, впрочем, и многих других направлений) является хронически неудовлетворительное состояние экономики, а особую тревогу вызывает сокращение объемов финансирования в сфере альтернативной энергетики. Не исключено, что на пути исследователей, работающих по данной проблеме, стоит мощное лобби олигархических корпораций, монополистов, продающих электроэнергию, нефть, газ, уголь и т. д. и, естественно, не заинтересованных в ослаблении собственных позиций.
■ J
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
121
