CC BY
510
Перспективы развития мировой энергетики и проблемы сохранения экологического равновесия в биосфере. Часть II. Альтернативная энергетика
В.В.Алексашина
Если судьбу цивилизации поставить в зависимость от одного фактора, отличного от глобальной пандемии или войны, этим фактором будет энергия.
А.И.Уткин «XXIвек»
Термин «альтернативные источники энергии» условен и по-разному трактуется в статистике отдельных государств. Чаще всего к альтернативным источникам относят энергию биомассы, Солнца, ветра, океана, воды, геотермальных источников. В ряде случаев сюда причисляют и энергию ГЭС (обычно местных и малых). Некоторые исследователи называют альтернативной энергию водорода и от химических источников электрического тока. Мы будем считать альтернативной энергетикой все источники энергии неуглеродного происхождения, или ВИЭ - возобновляемые источники энергии.
Годовой энергетический потенциал возобновляемых источников в мире оценивается (в млрд. ту.т.) следующим образом: ветровая энергия - 2,8; гелиоэлектростанции - 4,3; солнечные элементы и солнечные коллекторы - 2,0; геотермальная энергия - 1,9; энергия приливов/отливов - 0,4; гидроэнергия - 2,8; энергия биомассы - 5,6 [1].
Стоимость энергии от различных источников (в центах за 1 кВт-ч): гидроэнергия - 3-4; энергия ветра - 4-5; солнечная энергия - 15-20; геотермальная энергия - 5-6; биоэнергия - 8-9; газ - 5-6; атомная энергия - 4-8 [2].
В России сейчас доля использования ВИЭ минимальна и составляет всего 0,9% (к 2020 году правительство поставило задачу довести ее до 4,5%). В северных, труднодоступных и удаленных районах, не подключенных к общим энергосетям, у нас проживает более 10% населения. В целом «северный завоз» оценивается в 7 млн. т нефтепродуктов и 23 млн. т угля. При этом топливо доставляется водным, автомобильным и даже воздушным транспортом. Такое топливоснабжение обходится стране в 500 млрд. рублей ежегодно. А себестоимость производства электроэнергии в некоторых регионах превышает 50 рублей за 1 кВт-ч, тепла - 3000 рублей за 1 Гкал. Огромные затраты делают применение ВИЭ не только экологически, но и коммерчески выгодным [3].
Ветроэнергетика. Одна из наиболее динамичных отраслей альтернативной энергетики, использующая кинетическую энергию воздушных масс в атмосфере. С 1980 года установленная мощность ветровых турбин выросла в 290 раз, а стоимость генерации за тот же период снизилась на 80%. Энергия ветра используется более чем в 70 странах мира, лидерами являются США, Китай и Испания.
Наиболее перспективными для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км от берега, строятся офшорные ветровые электростанции, башни ветрогенераторов устанавливаются на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 м (такая конструкция популярна в странах Западной Европы - Дании, Германии, Норвегии и др.). Но наиболее распространены наземные ветровые электростанции. Их турбины занимают только 1% всей территории ветровой фермы, на остальной площади можно заниматься сельским хозяйством (фундамент полностью находится под землей).
Крупнейшей из наземных (и вообще ветровых) является электростанция в городе Роско, штат Техас, США. Состоящая из 627 ветровых турбин , она была запущена в эксплуатацию в октябре 2009 года. Ее полная мощность - около 780 МВт, а площадь - около 400 км2.
Самой крупной прибрежной электростанцией является Хорс-Холлоу в штате Техас, США. Она состоит из 421 ветровой турбины и имеет мощность 735 МВт.
Крупнейшая офшорная электростанция Миддельгрюнден (Дания) с установленной мощностью 40 МВт построена в 2000 году. В конце 2008 года во всем мире суммарные мощности офшорных электростанций составили 1471 МВт. Самый большой в мире потенциал для создания офшорных станций имеет Великобритания.
Прототип плавающей ветровой турбины с ветрогенера-тором мощностью 80 кВт на плавающей платформе в 10,6 морской мили от берега Южной Италии был построен в декабре 2007 года на участке моря глубиной 108 м. Сегодня заканчивается строительство первой в мире полномасштабной плавающей ветровой электростанции в Норвегии [3].
Неблагоприятное воздействие ветроэнергетики на окружающую среду проявляется в отчуждении земель, отрицательном влиянии на животный мир, шумовом эффекте, визуальных, а также электро-, радио- и телевизионных помехах, инфразву-ковом излучении.
Ветровые генераторы не могут находиться близко друг к другу, так как вследствие интерференции их мощность будет понижаться. Поэтому их размещение требует значительной территории. Ветровые электростанции должны занимать приблизительно 0,1 км2 свободного пространства на 1 МВт
номинальной мощности. Соответственно, электростанции мощностью 200 МВт понадобится около 20 км2.
Ветровые энергоустановки в городах. В крупнейших городах мира (мегаполисах) все чаще строятся здания, высота которых исчисляется сотнями метров. На такой высоте даже в городе потоки воздуха характеризуются стабильностью направления и скорости, поскольку не испытывают завихрений от различных барьеров. В мировой архитектуре уже сформировалось понятие ветроэнергоактивного небоскреба - здания со встроенной в его структуру ветровой электростанцией. Имеются реализованные проекты таких зданий, хотя пока их всего четыре. Например, построенный в 2008 году Бахрейнский всемирный торговый центр, представляющий собой две 240-метровые башни-близнецы парусообразной формы. Между башнями расположены три ветровые турбины. Архитектор разработал аэродинамическую форму, концентрирующую ветер с Персидского залива. Вибрации, шум и возможность аварии (повреждения лопастей турбины) сведены к минимуму. В 2010 году в Китае (город Гуанчжоу) построено
ветроэнергоактивное здание высотой 310 м (71 этаж), в конструкцию которого вписано несколько ветровых установок (ВЭУ). Также в 2010 году в Лондоне пущены в эксплуатацию два жилых ветроэнергоактивных дома (один 40-этажный). Впервые в мире построены многоэтажные автономные жилые дома, не зависящие от городской энергосети [4]. Эти дома с включением в их структуру крупных технических элементов в качестве архитектурных деталей, возможно, явятся пионерами нового стиля.
Солнечная энергетика. Практически неисчерпаемый источник энергии, который питает биосферу на протяжении сотен миллионов лет. Однако использование солнечной энергии в технике началось только в конце XIX века. Это связано с относительно низкой плотностью энергии Солнца - около 250 Вт/м2 (для сравнения: тепловой поток на ТЭС составляет 105-106 Вт/м2). Кроме того, поток солнечной энергии непостоянен, он зависит от времени суток и погоды.
В солнечной энергетике существует три главных направления деятельности: использование солнечных коллекторов (водонагревателей) тепловой энергии для обогрева зданий (позволяет уже сегодня до 50% сократить энергозатраты в
Португалия. Парк ветровых электростанций. Первая в мире коммерческая ветровая ферма. 2008 год
Крупнейшая в мире офшорная ветровая электростанция Уолни (Великобритания). Расположена в море в 14,5-25,8 км от берегов графства Камбрия. Первая ее очередь введена в эксплуатацию в 2011 году, вторая - в 2012-м. 102 турбины каждая весом 550 т размещены на площади 73 км2. Мощность станции - 367,2 МВт. Обеспечивает энергией 320 тыс. домов (половину всех домов графства Камбрия)
системах коммунального хозяйства), создание солнечных концентраторов с парогенераторами и фотоэлектрическое преобразование энергии с помощью полупроводниковых «солнечных элементов» на базе аморфного или полукристаллического кремния или арсенида галлия.
Солнечные концентраторы с парогенераторами были созданы во Франции в конце XIX века (первая такая система была изобретена в 1878 году и представлена на Всемирной
выставке в Париже (1889). В 1970-1980 годах были построены мощные системы с паровым циклом - «солнечные башни» типа «Солар-1» (эта система мощностью 10 МВт занимает площадь 52 га в пустыне Мохаве в штате Калифорния, США), «солнечные станции» мощностью 5 МВт в Испании (Альмерия) и СССР (Крым, СЭС-5). Европейский проект «Фобос» связан с солнечной электростанцией мощностью 30 МВт в Иордании. Фирма «Loose» в США выпускает серийные СЭС мощностью 80 МВт, стоимость энергии составляет 9-10 центов за 1 кВт-ч. Время строительства таких СЭС не превышает года (АЭС такой же мощности строится 6-10 лет).
В Израиле установка солнечных коллекторов на крышах домов включается в архитектурные проекты законодательно: 800 000 коллекторов производят 15 млн. МДж и обеспечивают 67 % населения горячей водой. В России также существует производство солнечных коллекторов. Созданы проекты коллекторных систем солнечного теплового снабжения, например «Солнечной станции» под Кисловодском с тепловой мощностью 300 МВт.
По состоянию на 2009 год крупнейшими СЭС являлись следующие: Ольмендилья-де-Аларкон (60 МВт, Испания), Пуэртояно (50 МВт, Испания), Мора (46 МВт, Португалия), Вальдполенц (40 МВт, Германия), Арнедо (34 МВт, Испания). И еще пять мощных СЭС (от 30 до 26 МВт) в Испании. Практически все перечисленные СЭС были построены в 2008 году. Сейчас в пустыне Мохаве в США идет сооружение новой СЭС, состоящей из 550 тыс. параболических 7-метровых рефлекторов, расположенных на высоте 2 м. Электростанция занимает площадь 404 га, обеспечивает энергией 112 500 домов на юге Калифорнии [5].
Экологические проблемы, связанные с солнечной энергетикой, проявляются в отчуждении земель, загрязнении среды высокотоксичными хлоратами и нитритами при утечке рабочих жидкостей, воздействии на растительность и почвы
Первая в мире круглосуточная гелиоэлектростанция Гемисолар (Испания). Построена в 2012 году в Андалусии. Функционирует круглые сутки и в любую погоду. Мощность - 19,9 МВт. Вырабатывает в год около 110 000 МВт энергии, достаточной для обслуживания более 25 000 домов
Солнечная электростанция (фотоэлектрическое преобразование энергии с помощью полупроводниковых «солнечных элементов» на базе аморфного или полукристаллического кремния или арсенида галлия
при их затенении солнечными концентраторами, изменении теплового баланса и влажности в районах расположения станций, теле- и радиопомехах, тепловом воздействии на среду при охлаждении конденсата, загрязнении природных сред при производстве материалов станций, воздействии на климат космических СЭС.
Гидроэнергетика. Наиболее развитая область возобновляемой энергетики. Берет свое начало от водяных колес и мельниц, используемых человечеством с древних времен.
Отличительной особенностью воды как энергоносителя является то, что ее можно использовать многократно, как в каскадах гидростанций. Отсутствие процессов нагревания - охлаждения в гидростанциях дает возможность получать высокий КПД преобразования энергии воды в электрическую, зависящий главным образом от КПД турбины и генератора, значение которого в лучших образцах превышает 90%.
Следующей особенностью гидростанций является то, что их сооружения (плотина, здание ГЭС, водоводы и т.д.) и оборудование используются в течение 50 и более лет. Имеются ГЭС, проработавшие 100 лет. Это означает, что ГЭС, построенные в начальных экономических условиях, многократно окупились и продолжают производить дешевую энергию. К серьезным недостаткам мощных ГЭС можно отнести зато-
пление земель, заиливание водохранилищ, цветение в них воды, изменение микроклимата, потенциальную опасность крупных катастроф, а также сравнительно высокие удельные капитальные вложения. Кроме того, в районах крупных водохранилищ иногда наблюдаются наведенные землетрясения.
Производство электроэнергии на ГЭС в мире в 2004 году составило 2889 ТВт-ч, или 35,7% экономического потенциала. Достижения стран - лидеров по объему производства электроэнергии на гидроэлектростанциях мира представлены в таблице.
Главные тенденции за 24 года, с 1980 по 2004 год, отраженные в таблице:
- общее производство электроэнергии возросло с 8295 до 17 531 ТВт-ч, или в 2,11 раза, а производство гидроэнергии на ГЭС с 1733 до 2889 ТВт-ч, или в 1,67 раза;
- доля производства электроэнергии на ГЭС в мировом производстве электроэнергии снизилась с 20,9 до 16,5%,
МикроГЭС на ручье в Великобритании. Для повышения напора воды к электростанции подведен водоток Таблица. Страны - лидеры по объему производства электроэнергии на ГЭС [6]
Страны 1980 г. 1990 г. 2000 г. 2004 г.
Всего, ГВт-ч ГЭС Всего, ГВт-ч ГЭС Всего, ГВт-ч ГЭС Всего, ГВт-ч ГЭС
ГВт-ч % ГВт-ч % ГВт-ч % ГВт-ч %
Китай 313264 58210 18,58 650138 126720 19,49 1386931 222414 16,04 2236733 353544 15,81
Канада 373379 251249 67,29 482054 296848 61,58 605573 358620 59,22 598514 341063 56,98
Бразилия 139381 128907 92,48 222820 206708 92,77 349197 304691 87,25 387452 320797 82,80
США 2427320 278781 11,48 3218621 288960 8,98 4052487 279986 6,91 4174481 297894 7,14
Россия 877766 165375 18,84 931865 177783 19,08
Норвегия 84099 83962 99,84 121848 121382 99,62 140079 139386 99,50 110598 109287 98,81
Япония 576331 92092 15,98 844681 95835 11,35 1062737 96817 9,11 1080124 103147 9,55
Индия 119260 46557 39,04 289438 71656 24,76 562191 74462 13,24 667782 84712 12,68
Венесуэла 35803 14587 40,74 59321 36983 62,34 85211 62826 73,73 98482 69927 71,00
Франция 257979 70187 27,21 420733 57331 13,63 541109 71825 13,27 572241 64903 11,34
Швеция 96695 59247 61,27 146514 73033 49,85 145265 78619 54,12 151727 60178 39,66
Весь мир 8294567 1733355 20,90 11859470 2193082 18,49 15427287 2696891 17,48 17530990 2889094 16,48
более или менее существенное снижение доли электроэнергии от ГЭС наблюдалось во всех странах - лидерах по производству электроэнергии на ГЭС;
- в некоторых странах на протяжении 24 лет электроэнергия от ГЭС являлась основой электробаланса и составляла в Норвегии - 98,8%, Бразилии - 82,8%, Венесуэле - 71,0%, Канаде - 57%, Швеции - 39,7%;
Саратовская ГЭС (Россия)
Саяно-Шушенская ГЭС (Россия)
Нурекская ГЭС (Таджикистан)
- самый быстрый рост производства электроэнергии от ГЭС (удвоение за 10 лет) наблюдался в Китае и Венесуэле.
Гидроресурсы для сооружения крупных ГЭС в Европе практически исчерпаны. Поэтому внимание специалистов сосредоточено на малой гидроэнергетике, работающей от силы течения малых рек, каналов и т.д. и способной давать до 10% общего объема гидроэнергии (например, в ЕС). В отрасли используются плотины с небольшим подпором
Микро- и миниГЭС в Великобритании (на малых реках и ручьях)
воды, подводное размещение гидроагрегатов по течению рек или «гирляндные» электростанции в виде лопастей, вращающихся на погруженных тросах. В 2007 году в странах Евросоюза насчитывалось уже свыше 17 тыс. малых ГЭС общей установленной мощностью в 11 ГВт, но это далеко не исчерпывает имеющийся потенциал, который определяется в 27 ТВт в год [7].
С увеличением доли ГЭС, работающих в базовой части графика нагрузки, а также неравномерности суточного ее графика выявилась еще одна функция гидроэнергетики, связанная с использованием ее в качестве мощного аккумулятора в виде гидроаккумулирующих электростанций - ГАЭС. Современная ГАЭС представляет собой уникальную гидростанцию, оснащенную обратными гидромашинами и электромашинами, посредством которых можно аккумулировать (запасать) электрическую энергию, возвращая ее в энергосистему по мере необходимости. Гидромашина может работать в качестве как турбины, так и насоса, а электромашина - в качестве электродвигателя и генератора. Гидрогенераторы ГАЭС связаны с нижним и верхним бассейнами, разница высоты между которыми и составляет напор на ГАЭС. Процесс гидравлического аккумулирования энергии происходит следующим образом. В ночное время, когда нагрузка в энергосистеме резко снижается, генераторы ГАЭС, работая в режиме привода насоса, перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний. В дневной пик нагрузки вода из верхнего бассейна подается в турбины ГАЭС, вращающие генераторы,
которые превращают энергию воды в электрическую. Коэффициент полезного действия ГАЭС равен 0,7-0,8.
В СССР параллельно со строительством ГЭС, интенсивным развитием тепловой и атомной энергетики разрабатывались проекты строительства около 20 гидроаккумулирующих станций. Однако сегодня таких станций в России всего две: Загорская ГАЭС в 80 км севернее Москвы - в поселке Богородское Сергиево-Посадского района на реке Кунья и Ставропольская ГАЭС на трассе Большого Ставропольского канала (БСК) [8].
В связи с устойчивым подорожанием нефти и газа экономический потенциал гидроэнергетики возрастет. Стоит принять во внимание и намечающееся масштабное увеличение использования энергии океана. Поэтому некоторые специалисты прогнозируют долю гидроэнергии в мировом энергобалансе 2050 года, равную 25 % [9].
Геотермальная энергетика. Производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счет теплового потока, поступающего на поверхность из недр Земли. Разница в его температуре чаще всего составляет не более 2-3°С на 100 м. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры, порой на глубине нескольких сот метров залегают породы либо запасы воды, нагретые до 100°С и выше, что позволяет создавать геотермальную электростанцию (Гео-ТЭС). Перспективными источниками перегретых вод обладают многие вулканические зоны планеты, в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд. В настоящее время суммарная
Загорская гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС)
3 2013 65
электрическая мощность ГеоТЭС составляет около 10 ГВт, а тепловая мощность геотермальных систем теплоснабжения - 17 ГВт [10].
Первая геотермальная электростанция была построена в 1904 году в Лардерелло (Италия), причем она до сих пор продолжает работать. Вторая появилась лишь в 1950-х годах в Вайракее (Новая Зеландия). Третьей стала электростанция в Долине больших гейзеров (штат Калифорния, США) в начале 1960-х годов. В настоящее время геотермальные ресурсы обнаружены в 90 странах мира, их практическое применение осуществляется в 72. Геотермальное электричество производится в 24 странах. В 2005 году все геотермальные электростанции суммарно произвели 56 786 ГВт-ч электроэнергии, что обеспечило 0,3% ее мирового потребления.
Россия располагает значительными запасами геотермальной энергии. На сегодняшний день пробурено около 4 тыс. скважин на глубину до 5 км, что позволяет перейти к широкомасштабному внедрению современных технологий в местное теплоснабжение. Все российские геотермальные электростанции расположены на Камчатке и Курильских островах. Первенцем нашей геотермальной энергетики является Паужетская электростанция на Камчатке (район села Паужетка около вулканов Кошелева и Камбального),
Первая геотермальная электростанция. Построена в СССР на юге Камчатки. Функционирует благодаря вулканической деятельности
введенная в эксплуатацию в 1966 году. Мощность этой Гео-ТЭС в 2004 году составляла 14,5 МВт при годовой выработке электричества 59,5 млн. кВт-ч.
В настоящее время действуют три типа геотермальных электростанций: 1) станции, работающие на перегретом паре (геотермальный пар напрямую используется для вращения турбин); 2) станции, работающие на парогенераторах (горячая вода из глубоких слоев под высоким давлением закачивается в резервуары при сниженном давлении, образующийся при этом пар вращает турбину); 3) станции с бинарным циклом - умеренно горячая вода контактирует со второй, дополнительной жидкостью с более низкой точкой кипения, тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины.
К достоинствам геотермальной энергии относятся практическая неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнер-гетики и медицины. К недостаткам:
1) высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие в них токсичных соединений и металлов, что, как правило, исключает сброс этих вод в природные водоемы;
2) выбросы в атмосферный воздух сероводорода, углекислого газа, метана, аммиака, водорода, азота, паров ртути, а также радия, радона. Эти поллютанты стимулитруют глобальное потепление, кислотные дожди. Наиболее опасны выбросы сероводорода.
Сегодня геотермальные электростанции выбрасывают в атмосферу в среднем 122 кг СО2 на МВт-ч электроэнергии;
3) загрязнение территории вокруг скважины солями термальных вод, быстрая коррозийность оборудования, опускание земной поверхности, отрицательное воздействие на артезианские скважины в округе.
Приливная энергия. Приливная энергия (энергия приливов - отливов) есть результат взаимодействия сил притяжения в основном трех небесных тел - Земли, Луны и Солнца, а также вращения Земли вокруг своей оси. Таким образом, на Землю действует изменяющееся силовое поле, дважды обегающее ее в течение суток.
Гидравлическую энергию приливов - отливов начали использовать в 1960-х годах. В 1967 году во Франции была построена и введена в эксплуатацию ПЭС «Ля Ранс» мощностью 240 МВт, которая успешно функционирует в настоящее время. В СССР в 1963-1968 годах была сооружена опытно-промышленная ПЭС мощностью 400 кВт на побережье Баренцева моря в Кислой Губе. В дальнейшем было разработано около сотни таких электростанций.
Существует два основных типа приливных электростанций:
- использующие кинетическую энергию движущейся воды (подобные ветровым электростанциям, работающим благодаря воздушным потокам);
- заграждающие, способные использовать потенциальную
энергию разницы в высоте приливов и отливов; для них необходимо сооружение плотины, полностью перегораживающей приливной эстуарий1.
Главным результатом воздействия приливных электростанций второго типа на окружающую среду является снижение естественного водообмена отсеченной части акватории с морем, что вызывает:
1 Эстуарий (от лат. аезШапит - затопляемое русло реки) - одно-рукавное воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря. Устья-эстуарии имеют реки Енисей, Темза, Св. Лаврентия и др.
Парк подводных электростанций на морском течении
Первая в США прибрежная волновая поплавковая электростанция (штат Орегон). В перспективе будет состоять из 10 бакенов и обслуживать 400 домов
Кислогубская приливная электростанция (Россия)
- изменение распределения скоростей течения в заливе;
- перераспределение донных отложений;
- снижение устойчивости водной среды залива (опреснение, повышение температуры, загрязнение и т.д.) вследствие влияния наземных процессов;
- уменьшение амплитуды колебания уровня воды в заливе;
- снижение мутности воды.
По сравнению с гидроэлектростанцией аналогичной мощности негативное влияние ПЭС на экологию гораздо меньше.
В удаленных от центра остродефицитных регионах европейского Севера страны и Дальнего Востока практически только строительством приливных электростанций могут быть решены актуальные проблемы энергетики и сохранения природной среды.
В России работают три мощные ПЭС: Мезенская (мощность 15 ГВт, годовая выработка 45,4 ТВт-ч) в Архангельской области, Пенжинская (87 ГВт и 191,3 ТВт-ч) в Камчатской области и Тугурская (6,8 ГВт и 16,2 ТВт-ч) в Хабаровском крае .
Волновые (поплавковые) электростанции. Во многих регионах и странах проблемы энергоресурсов в значительной степени могут быть решены путем использования волновых ресурсов Мирового океана. Морские волны являются перспективным энергоносителем, так как способны развивать наибольшую для возобновляемых источников энергии удельную мощность, а совокупная волновая мощность Мирового океана, доступная для утилизации, оценивается величиной приблизительно 1010 кВт и может без какого-либо ущерба для экосистемы обеспечить удвоение производства электроэнергии на планете. Перспективным устройством, преобразующим энергию морских волн в электроэнергию, является поплавковая волновая электростанция (ПВЭС). В мире уже имеется более двух тысяч патентов на преобразователи энергии волн, причем концепции, положенные в основу их работы, могут быть сведены к нескольким базовым моделям: колеблющийся водяной столб, переливные устройства, пассивные вертикально или горизонтально колеблющиеся устройства (точечные); качающиеся и рычажные устройства. На основе концепций, определяющих принцип действия преобразователей, целым рядом компаний в разных странах были созданы экспериментальные образцы ПВЭС и подтверждена возможность использования энергии морских волн в качестве первичного источника для получения электроэнергии.
Первая в мире коммерческая волновая электростанция была открыта в Агусадере (Португалия) в сентябре 2008 года. Ее генераторы работают с мощностью 2,25 МВт. Считается, что в дальнейшем можно будет увеличить количество генераторов этой станции, подняв тем самым ее мощность до 21 МВт.
В отличие от ветра и солнца, волны предсказуемы, а количество энергии, которое можно от них получить, огромно. В мире уже есть около тысячи различных маломощных волновых установок для навигационных целей. Однако будущее за установками мощностью примерно 1 МВт и размером - 50 м
вдоль фронта волны. Подобные установки могут быть экономически выгодными для замены дизельгенераторов, что актуально особенно в условиях проживания на островах или в местах, удаленных от сетей общего пользования на берегах незамерзающих морей [6].
К основным достоинствам поплавковых ВЭС по сравнению с другими преобразователями энергии волн относятся:
- эффективная и надежная работа при любых длинах, интенсивностях и направлениях распространения морских волн;
- возможность размещения энергоустановок и энергопромышленных комплексов прямо в морях и океанах, в местах малопригодных либо совсем непригодных для обитания человека или мореплавания;
- возможность перемещения установок в зависимости от волновой активности морской акватории и сезонно-синоп-тических условий;
- возможность утилизации энергии возобновляемого источника экологически чистым способом без нарушения естественного энергетического баланса природной среды;
- простота монтажа и демонтажа;
- возможность работы в необслуживаемом режиме;
- низкая стоимость эксплуатации.
В последние годы многие государства приняли программы по вытеснению углеводородного топлива из сферы энергетики и доведению уровня использования возобновляемых источников энергии до 40% к 2030 году. Великобритания намерена к 2050 году ввести в эксплуатацию только волновые и приливные электростанции на общую мощность 30 ГВт, что равно почти 70% нынешних потребностей страны в электроэнергии. Не менее серьезные планы имеются и у других стран с развитой экономикой.
Осмотическая энергия. Из всех видов энергии океана наиболее велики запасы осмотической энергии. Для ее получения необходимо наличие двух растворов с разной концентрацией соли. Районами, где можно использовать такую энергию в больших масштабах, являются устья рек. Пресная и морская вода заполняют замкнутую камеру, разделенную полупроницаемой мембраной. Вследствие различия в значениях химического потенциала пресной и соленой воды происходит диффузия пресной воды через мембрану. В результате в камере с морской водой создается избыточное гидростатическое давление, которое и приводит в движение турбину. Первая в мире электростанция на основе осмотической энергии мощностью 4 кВт была открыта в ноябре 2009 года норвежской энергокомпанией «Статкрафт» в 60 км от Осло [1].
Экологические последствия эксплуатации соляных станций связаны с повреждением живых организмов при заборе воды или на мембранах; воздействием на пресноводные виды при спуске воды большей солености; изменением циркуляции воды, влияющим на движение питательных веществ и концентрацию кислорода; попаданием токсических биоцидов,
используемых для предотвращения загрязнения мембран, в трофические цепи.
Энергия океанических течений. Пока относящиеся к категории потенциально пригодных источников, океанические течения содержат огромный запас энергии, которую можно преобразовать в электрическую. Например, Гольфстрим несет воды в 50 раз больше, чем все реки мира. На его основе возможно получение мощности более 100 млн. кВт. Производство электроэнергии базируется на кинетической энергии движущейся воды (аналогично ветровым электростанциям, работающим благодаря движущемуся воздуху).
Воздействие подобных электростанций на окружающую среду пока совершенно не исследовано. Очевидно, что основными его факторами будет гибель рыб и крупных морских млекопитающих из-за контакта с лопастями турбин, а также изменение характера водной циркуляции с негативными последствиями для некоторых видов гидробионтов.
По некоторым оценкам, мощность морских течений достигает 5 ТВт, то есть превышает общую мощностью приливной энергии. Но в отличие от приливной, эта энергия довольно постоянна, и единственный ее недостаток - удаленность от суши и связанная с этим дороговизна установок.
Представляются довольно перспективными установки, аналогичные ветроустановкам под водой, в башне которых размещается все электромеханическое оборудование. Поскольку плотность воды в 1000 раз выше плотности воздуха, при прочих равных условиях подводные установки могут иметь мощность в 1000 раз большую, чем ветровые. Интенсивные работы в этом направлении ведутся в Великобритании.
Энергия перепада температур. Перепад температур как источник энергии обусловлен тем, что солнечная радиация не проникает глубоко в океанические воды, поэтому ниже теплого слоя на небольшой глубине находятся холодные воды. Электростанции могут использовать только тепло поверхностных вод, превращая охлаждающую жидкость в пар. Холодная вода с глубин в сотни метров будет охлаждать и конденсировать этот пар, создавая область низкого давления, в которую будут стремиться новые порции пара, вращая турбины.
Использование подобных электростанций может привести к изменению циркуляции вод, нарушениям биологического баланса, изменению климата. Для создания таких станций понадобится большое количество цветных металлов (магния, титана и др.) и новых синтетических материалов, производство которых связано с серьезным загрязнением природной среды.
Биоэнергетика (энергия биомассы). Наибольшее количество первичной биомассы сосредоточено в лесах. Россия находится на первом месте в мире по площади лесов (более 850 млн. га). Плантация лесов площадью 700-800 км2 может дать материал для электростанций, эквивалентный 1 млн. ту.т, а каждая тонна отходов лесозаготовок и лесопереработки -700-800 м3 генераторного газа. По энергетическому эффекту 8,5 м3 этого газа эквивалентны 1 кг мазута.
Важное направление биоэнергетики представляет биоконверсия органических отходов растениеводства, животноводства и птицеводства, а также органической составляющей бытового мусора. Наиболее распространенная технология биоконверсии - анаэробное метановое брожение, продукт которого - биогаз - содержит от 50 до 90% метана. Побочным продуктом являются экологически чистые высококачественные удобрения. Срок окупаемости биогазовых установок составляет всего 1-2 года. По данным статистической отчетности, сегодня в России действует около 30 малых ТЭС (мощностью 500 кВт и выше) с совместным использованием углеводородного топлива и биомассы общей установленной мощностью 1,4 ГВт. На этих установках только за счет сжигания биомассы было выработано к настоящему времени 22 млрд. кВт-ч электроэнергии и 9,7 млн. Гкал тепла.
Объем используемого сегодня биотоплива достаточно велик - около 1,2 млрд. т н.э., или более 11% мирового потребления первичных ресурсов. Это потенциально наиболее масштабный возобновляемый источник энергии для человечества. Главной мотивацией к его использованию является рост цен на бензин (однако же более 95% всех потребностей в топливе для транспорта удовлетворяется пока за счет нефти).
После отходов лесного и сельского хозяйства важным источником биогаза можно считать твердые бытовые отходы. С 1 м3 биогаза можно получить от 2 до 3 кВт-ч электроэнергии.
На схеме показаны основные технологии производства биотоплива [10].
С точки зрения воздействия на окружающую среду производство электроэнергии из биомассы считается наиболее экологически безопасной отраслью энергетики, поскольку способствует снижению загрязнения окружа-
Схема. Основные технологии производства биотоплива
ющей среды всевозможными отходами (животноводства, бытовыми, лесной и деревообрабатывающей промышленности и т.д.).
Вместе с тем при ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол возникает значительное количество побочных продуктов (промывочные воды, остатки перегонки), существенно загрязняющих окружающую среду. Например, при производстве одного литра этанола образуется 13 литров жидких отходов. Кроме того, происходят тепловое загрязнение, обеднение почвенной органики, истощение и эрозия почв.
Водородная энергетика. Сегодня в центре внимания проблема освоения не только уже известных возобновляемых источников энергии, но и действительно новых - водорода и термоядерной реакции, которые рассматриваются уже не как паллиативы, а как реальные элементы неуглеродной энергетики будущего. Водородная энергетика стала актуальной не только из-за якобы предстоящего истощения запасов нефти и газа, ведь для получения водорода нужно затратить энергию, количественно даже большую, чем можно получить после его сжигания (окисления) в смеси с кислородом. Но этот вид трансформированной энергии обладает принципиально новыми свойствами, связанными с эффектом накопления, возможностью транспортировки и экологически чистого «сжигания» в местах его потребления - как правило, в мегаполисах, зонах рекреации или труднодоступных местностях. Немаловажной особенностью этого вида энергии является также то, что при сжигании водорода вновь получается вода - не меньший дефицит в местах использования этих энергоисточников.
Водород получают несколькими способами: путем преобразования ископаемого топлива, расщепления воды, из
3 2013 69
биомассы, с помощью ядерных технологий и др. Преобразование водорода2 в электроэнергию может осуществляться в результате как электрохимических реакций в специальных генераторах, так и термодинамических процессов в паротурбинных, газотурбинных и комбинированных (парогазовых) установках при сжигании водорода в кислороде или воздухе, а также использовании водорода в качестве добавки к традиционному энергетическому топливу с целью повышения эффективности процессов сгорания топлива и снижения вредных выбросов. В гибридных энергоустановках реализуются оба основных способа преобразования энергии -электрохимический и термодинамический.
Использование энергии водорода может стать стратегической альтернативой традиционной энергетике при условии доработки технологии ее получения до высокорентабельного уровня.
Основные преимущества водорода по сравнению с углеводородным топливом:
- возможность диверсификации источников водорода. Суммарная масса водорода (в Мировом океане, запасах природных углеводородов, вулканических газах, биомассе) составляет 1% общей массы нашей планеты, а технический ресурс этого вида топлива - десятки миллиардов тонн - превышает запасы углеводородов;
- возможность аккумулирования энергии и транспортировки топлива к местам его массового потребления. Тру-
2 Водород является простейшим и наиболее распространенным химическим элементом и энергоносителем на Земле и во Вселенной. Теплота его сгорания очень велика. Вопрос о его получении в больших количествах возник в конце XVIII века в связи с необходимостью наполнения им (как самым легким из газов) дирижаблей. Дирижабли использовались уже в первой половине ХХ века как в мирных целях, так и в военных в Первой мировой войне, а аэростаты - для воздушного заграждения от налетов авиации во Второй мировой войне. Известно, что в блокадном Ленинграде в 1941 году военный инженер Борис Щелищ из-за нехватки бензина предложил перевести машины на водород, который производился для наполнения аэростатов. И вскоре по Ленинграду уже ездили 200 автомобилей на водороде [10].
Ветровая электроустановка с горизонтальными лопастями, расположенная возле отработавшей нефтяной платформы и обслуживающая электроэнергией производство жидкого водорода путем расщепления морской воды
бопроводный транспорт газообразного водорода дешевле воздушной электропередачи такого же количества энергии;
- высокая теплотворная способность водорода - почти в три раза выше по сравнению с бензином;
- возможность прямого преобразования энергии «холодной» химической реакции слияния водорода и кислорода непосредственно в электрическую в топливных элементах3;
- экологичность - при использовании водорода вместо моторного топлива не происходит выбрасывания в атмосферу токсичных веществ;
- возможность опреснения воды наряду с получением энергии, что в будущем может стать более важной задачей;
- универсальность - может заменить моторное топливо на всех видах транспортных средств, пригодно для воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Применимо как в большой энергетике, так и в установках автономного питания, для мобильных телефонов и ноутбуков.
Для промышленного получения водорода необходимы предварительные затраты энергии, которые затем окупаются посредством более эффективного использования этого промежуточного энергоносителя.
Термоядерная энергетика. Имеет в своей основе реакцию синтеза легких ядер, а не распада тяжелых ядер урана и плутония, как в атомной энергетике, и не дает вредных продуктов распада, способствующих радиоактивному загрязнению окружающей природной среды. В этом плане она гораздо экологичнее атомной, а по количеству производимой энергии существенно превосходит ее возможности.
Попытки создать термоядерный реактор предпринял Э.Ферми в 1942 году, но впервые термоядерная реакция была использована в водородной бомбе, созданной научными коллективами с участием Э.Теллера в США и А.Д.Сахарова в СССР. Для использования в мирных целях термоядерная энергетика весьма перспективна. Термоядерная энергия практически неисчерпаема. В Мировом океане содержится 5x1013 т дейтерия, что соответствует 1024 кВт-ч. Этой энергии человечеству должно хватить на сотни миллионов лет. Количество дейтерия Д в 1 л воды может дать энергии столько же, сколько 300 л бензина. Затраты энергии на извлечение
3 Топливный элемент (ТЭ), или электрохимический генератор, - это устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую и тепловую за счет взаимодействия двух реагентов - топлива (в частности, водорода) и окислителя (не обязательно кислорода воздуха). Основу ТЭ составляют два электрода, разделенных твердым или жидким электролитом. Топливный элемент - это аналог обычной батарейки или аккумулятора, но с существенным отличием - он не нуждается в перезарядке и работает до тех пор, пока в него подаются топливо и окислитель (наподобие биологической клетки). Идея создания топливных элементов была высказана английским ученым Уильямом Гроувом в 1839 году. Бум вокруг водородной энергетики и топливных элементов возник с началом космической гонки между Советским Союзом и США. В 1960-1980-е годы были созданы топливные элементы мощностью от 1 до 10 кВт для американских и советских космических кораблей. В 1980-е годы были построены и электростанции мощностью приблизительно 100 кВт на топливных элементах. В США и Японии имеются опытные электростанции в 10 МВт.
дейтерия Д из воды пренебрежительно малы в сравнении с энергией, выделяющейся при ядерном синтезе.
Идея удержания плазмы в магнитном поле и создания системы типа «Токамак» принадлежит И.Е.Тамму и А.Д.Сахарову. Международные исследования в этой области стали возможными после лекции И.В.Курчатова в английском атомном центре в Харуэлле. В 1978 году СССР предложил объединить международные усилия для создания термоядерного источника энергии.
В 1988 году было подписано соглашение о начале проектирования международного термоядерного реактора. Был создан проект ИТЭР, в который включились СССР, Япония, европейские страны, Канада и США [5].
Вопреки первоначальным ожиданиям термоядерная энергия не выйдет на коммерческий рынок ранее середины века, хотя для ее освоения уже строится экспериментальная установка в городе Кадараш, Франция. Обсуждаются еще пять проектов термоядерных энергетических реакторов мощностью 1500 МВт каждый.
Видимо, придется согласиться, что никакой другой источник не сможет в перспективе закрыть очевидные бреши в мировом энергобалансе.
Литература
1. Говорушко С.М. Экологические последствия использования энергии океана // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 1.
2. Карабанов С.М., Безруких П.П., Гордиенко Г.В., Куропов М.В. Возобновляемая энергетика в энергобалансе страны // Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 2.
3. Энергополис. 2012. № 1-2. С. 59.
4. Рябов А.В. Ветроэнергетика как новое направление в архитектурном формообразовании высотных зданий // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 1.
5. Родионов В.Г. Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. М.: ЭНАС, 2010.
6. Энергия - вода - эволюция / Под общ. ред. В.В.Бушуева. М.: ИАЦ «Энергия», 2008.
7. Каныгин П. Экономика возобновляемых источников энергии // Мировая экономика и международные отношения. 2009. № 6.
8. Кармызов А. Мощный буфер энергосистемы // Энергополис. 2012. № 3.
9. Байков Н.М., Гринкевич Р.Н. Прогноз развития отраслей ТЭК в мире и по основным регионам до 2030 года. М.: ИМЭМО РАН, 2009.
10. Глобальный прогноз «Будущее цивилизаций на период до 2050 года». Ч. 3. Энергетическое будущее цивилизаций / Научные редакторы Ю.В.Яковец, Б.Н.Кузык, Н.С.Бектурганов. М.: МИСК, 2008.
11. Верещагин 0. Стратегические альтернативы традиционным энергоносителям // Мировая экономика и международные отношения. 2009. № 2.
Literatura
1. Govorushko S.M. Ekologicheskie posledstvija ispolzovanija energii okeana // Alternativnaya energetika i ekologiya. 2011. № 1.
2. Karabanov S.M., Bezrukih P.P., Gordienko G.V., Kuropov M.V. Vozobnovlyaemaya energetika v energobalanse strany // Alternativnaya energetika i ekologiya. 2010. № 2.
3. Energopolis. 2012. № 1-2. S. 59.
4. RyabovA.V. Vetroenergetika kak novoe napravlenie v arhi-tekturnom formoobrazovanii vysotnyh zdanij // Alternativnaya energetika i ekologiya. 2011. № 1.
5. Rodionov V.G. Energetika: problemy nastoyashchego i vozmozhnosti budushchego. M.: ENAS, 2010.
6. Energija - voda - evolyutsija / Pod obshch. red. V.V.Bu-shueva. M.: IATS «Energiya», 2008.
7. Kanygin P. Ekonomika vozobnovlyaemyh istochnikov energii // Mirovaya ekonomika i mezhdunarodnye otnosheniya. 2009. № 6.
8. Karmyzov A. Moshchnyj bufer energosistemy // Energopolis. 2012. № 3.
9. Bajkov N.M., Grinkevich R.N. Prognoz razvitiya otraslej TEK v mire i po osnovnym regionam do 2030 goda. M.: IMEMO RAN, 2009.
10. Globalnyj prognoz «Budushchee tsivilizatsij na period do 2050 goda». CH. 3. Energeticheskoe budushchee tsivilizatsij / Nauchnye redaktory Yu.V.Yakovets, B.N.Kuzyk, N.S.Bekturganov. M.: MISK, 2008.
11. Vereshchagin 0. Strategicheskie alternativy traditsion-nym energonositelam // Mirovaya ekonomika i mezhdunarodnye otnosheniya. 2009. № 2.
Prospects of the Global Economy Development and Problems of Ecological Balance Conservation in the Biosphere.
By V. V. Aleksashina
The article provides information about alternative energy sources, i. e. renewable non-carbon sources in contrast to traditional ones that generate energy by burning fossil fuel (coal, oil, gas),which deposits are depleting and cost is rising. Burning of fossil fuel contaminates biosphere with combustion products that are poisonous for human beings and all biota and also induce climate change. The article studies the influence of each type of alternative energy sources on people and the biosphere and proves that it is much weaker than the influence of traditional power sources.
Ключевые слова: электростанции волновые, приливные, геотермальные, гидравлические, гидроаккумулирующие, солнечные, ветровые; энергия океанических течений, осмотическая, водородная, термоядерная, биоэнергетика.
Key words: tidal, geothermal, hydro, pumped-storage, solar power plants, wave and wind farms; marine current, osmotic, hydrogen, thermonuclear power, bioenergetics.
