Проблеми та перспективи сучасної енергетики. Російська енергетика: проблеми та перспективи
Енергетична проблема – одна з найважливіших проблем, які сьогодні доводиться вирішувати людству. Вже стали звичними такі досягнення науки та техніки, як засоби миттєвого зв'язку, швидкий транспорт, освоєння космічного простору. Але це вимагає величезних витрат енергії. Різке зростання виробництва та споживання енергії висунуло нову гостру проблему забруднення навколишнього середовища, яке становить серйозну небезпеку для людства.
Світові енергетичні потреби найближчими десятиліттями інтенсивно зростатимуть. Якесь одне джерело енергії не зможе їх забезпечити, тому необхідно розвивати всі джерела енергії та ефективно використовувати енергетичні ресурси.
На найближчому етапі розвитку енергетики (перші десятиліття ХХІ ст.) найперспективнішими залишаться вугільна енергетика та ядерна енергетика з реакторами на теплових та швидких нейтронах. Однак можна сподіватися, що людство не зупиниться на шляху прогресу, пов'язаного із споживанням енергії у зростаючих кількостях.
Слово "енергія" з грецької означає дію, діяльність. Важливість поняття енергії залежить від того, що вона підпорядковується закону збереження. Уявлення про енергію допомагає зрозуміти неможливість створення вічного двигуна. Робота може здійснюватися тільки внаслідок певних змін навколишніх тіл або систем (горіння палива, падіння води). Здатність тіла при переході його з одного стану до іншого здійснювати певну роботу (працездатність) і була названа енергією. Зараз як ніколи гостро постало питання: що чекає людство – енергетичний голод чи енергетичне достаток. Не сходять зі сторінок газет та журналів статті про енергетичну кризу. Невблаганні закони природи стверджують, що отримати енергію, придатну для використання, можна лише за рахунок її перетворення з інших форм. Вічні двигуни, на жаль, неможливі. А сьогодні 4 з 5 вироблених кіловат електроенергії виходять при спалюванні палива чи використанні запасеної в ньому хімічної енергії, перетворенні її на електричну на теплових станціях. Зрослі ціни на нафту, швидкий розвиток атомної енергетики, зростання вимог захисту навколишнього середовища зажадали нового підходу до енергетики.
Не дарма кажуть: «Енергетика – хліб промисловості». Чим більш розвинені промисловість і техніка, тим більше енергії потрібно їм. Існує навіть спеціальне поняття – «випереджальний розвиток енергетики». Це означає, що жодне промислове підприємство, жодне нове місто чи просто будинок не можна побудувати до того, як буде визначено або створено заново джерело енергії,
яку вони споживатимуть. Ось чому за кількістю енергії, що видобувається і використовується, досить точно можна судити про технічну та економічну міць, а простіше кажучи - про багатство будь-якої держави.
У природі запаси енергії величезні. Її несуть сонячні промені, вітри і маси води, що рухаються, вона зберігається в деревині, покладах газу, нафти, кам'яного вугілля. Практично безмежна енергія, запечатана в ядрах атомів речовини. Не всі її форми придатні для прямого використання.
За довгу історію енергетики накопичилося багато технічних засобів і способів добування енергії та перетворення її на потрібні людям форми. Власне, і людина стала людиною тільки тоді, коли навчився отримувати і використовувати теплову енергію. Вогонь багать запалили перші люди, які ще не розуміли його природи, проте цей спосіб перетворення хімічної
Енергія в теплову зберігається і вдосконалюється вже протягом тисячоліть.
До енергії своїх м'язів та вогню люди додали м'язову енергію тварин. Вони винайшли техніку видалення хімічно зв'язаної води з глини з допомогою теплової енергії вогню - гончарні печі, у яких отримували міцні керамічні вироби. Звичайно, процеси, що відбуваються при цьому, людина пізнала лише через тисячоліття.
Потім люди придумали млина - техніку для перетворення енергії вітряних потоків і вітру в механічну енергії валу, що обертається. Але тільки з винаходом парової машини, двигуна внутрішнього згоряння, гідравлічної, парової та газової турбін, електричних генератора та двигуна, людство отримало у своє розпорядження досить потужні
Технічні пристрої. Вони здатні перетворити природну енергію на інші її види, зручні застосування та отримання великих кількостей роботи. Пошук нових джерел енергії на цьому не завершився: були винайдені акумулятори, паливні елементи, перетворювачі сонячної енергії на електричну та – вже в середині ХХ століття – атомні реактори.
Проблема забезпечення електричною енергією багатьох галузей світового господарства, постійно зростаючих потреб більш ніж шестимільярдного населення Землі стає все більш нагальною.
Основу сучасної світової енергетики складають тепло- та гідроелектростанції. Однак їх розвиток стримується низкою факторів. Вартість вугілля, нафти та газу, на яких працюють теплові станції, зростає, а природні ресурси цих видів палива скорочуються. До того ж багато країн не мають власних паливних ресурсів або відчувають у них недолік. У процесі виробництва електроенергії на ТЕС відбувається викид шкідливих речовин, у атмосферу. Причому якщо паливом служить вугілля, особливо буре, малоцінне для іншого виду використання і з великим вмістом непотрібних домішок, викиди досягають колосальних розмірів. І, нарешті, аварії на ТЕС завдають великої шкоди природі, що можна порівняти зі шкодою будь-якої великої пожежі. У гіршому випадку така пожежа може супроводжуватися вибухом з утворенням хмари вугільного пилу чи сажі.
Гідроенергетичні ресурси в розвинених країнах використовуються практично повністю: більшість річкових ділянок, придатних для гідротехнічного будівництва, вже освоєно. А яку шкоду завдають природі гідроелектростанції! Викидів у повітря від ГЕС немає ніяких, зате
шкоду водному середовищу завдає досить великої. Насамперед страждають риби, які не можуть подолати греблі ГЕС. На річках, де побудовані гідроелектростанції, особливо якщо їх кілька – так звані каскади ГЕС, різко змінюється кількість води до і після гребель. На рівнинних річках розливаються величезні водосховища, і затоплені землі безповоротно втрачені сільського господарства, лісів, лук і розселення людей. Що стосується аварій на ГЕС, то у разі прориву будь-якої гідроелектростанції утворюється величезна хвиля, яка змете всі греблі ГЕС, що знаходяться нижче. Адже більшість таких гребель розташовані поблизу великих міст із населенням у кілька сотень тисяч жителів.
Вихід із становища бачився у розвитку атомної енергетики. На кінець 1989 року у світі побудовано та працювало понад 400 атомних електростанцій (АЕС). Однак сьогодні АЕС уже не вважають джерелом дешевої та екологічно чистої енергії. Паливом для АЕС служить уранова руда – дорога сировина, що важко видобувається, запаси якої обмежені. До того ж будівництво та експлуатація АЕС пов'язані з великими труднощами та витратами. Лише небагато країн зараз продовжують будівництво нових АЕС. Серйозним гальмом подальшого розвитку атомної енергетики є проблеми забруднення довкілля. Усе це додатково ускладнює ставлення до атомної енергетики. Все частіше звучать заклики, які вимагають відмовитися від використання ядерного палива взагалі, закрити всі атомні електростанції та повернеться до виробництва електроенергії на ТЕС та ГЕС, а також використовувати так звані відновні – малі, або «нетрадиційні» види отримання енергії. До останніх відносять насамперед установки та пристрої, що використовують енергію вітру, води, сонця, геотермальну енергію, а також тепло, що міститься у воді, повітрі та землі.
Електроенергетичний комплекс без перебільшення можна назвати однією з ключових галузей промисловості. Без електроенергії неможливе виробництво практично будь-якої іншої області. Таким чином, від енергетики, зрештою, залежить вся економіка нашої країни. Спробуймо розібратися, в якому стані зараз перебуває російська енергетика і чого очікувати від неї у майбутньому.
Росія – один із лідерів світового енергетичного ринку
В даний час Росія входить до десятки найбільших виробників електроенергії і до країн, що володіють найбільшими запасами енергоресурсів. Багато в чому сьогоднішнє лідерство визначили заслуги радянських будівельників – йдеться про масштабне будівництво тепло- та гідроелектростанцій (проект ГОЕЛРО), а згодом і АЕС. У 60-80-х роках прогрес забезпечувався з допомогою активного освоєння природних ресурсів Західного та Східного Сибіру.
А ось в останнє десятиліття XX століття енергетика була практично занедбана. Нові проекти, введені в роботу в той період, можна перерахувати буквально на пальцях. На початку 2000-х ситуація почала потроху виправлятися, але й проблем поки що дуже багато, і темпи зростання не такі великі, як хотілося б.
Біч енергетики – застаріле обладнання та технології, відсутність кадрів та інвестицій
За оцінками експертів, від 50 до 80% обладнання, зайнятого сьогодні у російському виробництві енергії, вже виробило або найближчими роками виробить свій ресурс. А це означає, що в найближчому майбутньому ми цілком зможемо зіткнутися з нестачею електроенергії і, як не важко здогадатися, з підвищенням цін. Незважаючи на те, що з 2003 року спостерігається зростання обсягу виробництва електроенергії, електроенергія стає дефіцитнішою. У нас не вистачає генеруючих потужностей, та й те, що є, використовується недостатньо ефективно: весь обсяг енергії, що виробляється, часто буває складно передати споживачеві внаслідок недостатнього розвитку електромереж.
Основною проблемою, що дісталася нам у спадок ще від СРСР, є те, що половина електроенергії в країні виробляється на газових паротурбінних блоках, що відрізняються малим ККД. ККД газових паротурбінних блоків у півтора рази нижчий, ніж у парогазових.
Країни Європейського Союзу та США поступово замінюють застарілу паротурбінну технологію. Сьогодні там на таких блоках генерується менше ніж 30% електроенергії.
Експерти Європейського банку реконструкції та розвитку у 2009 році провели дослідження енергетичного комплексу Росії та дійшли висновків про необхідність кардинальної реформи, що включає повну заміну обладнання на більшості гідро- та теплоенергостанцій країни. За їхніми підрахунками, загальні витрати на модернізацію галузі становитимуть не менше 48 мільярдів євро.
Разом з тим, минулого року нам вдалося ввести в дію виробничі потужності, що генерують 6 ГВт електроенергії, що стало рекордним показником з 1985 року.
З іншого боку, російська промисловість продовжує залишатись надзвичайно енергоємною. Витрати енергії на виробництво ВВП перевищують середньосвітовий показник у 2,3 рази, а щодо показника держав Європи – утричі.
Проблемою є зниження науково-виробничого потенціалу в галузі. Сьогодні ми в змозі виробляти генератори та трансформатори, які не поступаються за експлуатаційними параметрами світовим аналогам. Але з погляду надійності та безпеки вже спостерігається певне відставання. Крім того, модернізація наявних виробництв та впровадження нових технологій гальмується, зокрема, і відсутністю необхідної кількості спеціалістів потрібної кваліфікації.
Чого очікувати у майбутньому?
За прогнозами фахівців, у період з 2007 по 2015 рік зростання внутрішнього попиту на електроенергію становитиме в середньому 3,7-4,0% на рік, а в період з 2016 по 2020 роки – 3,6-3,7%. Зниження зростання пояснюють модернізацією виробництва та впровадженням менш енергоємних технологій. У зв'язку з цим енергетики щороку повинні вводити в дію потужності, що генерують 130-200 млн. кВт.
Урядом РФ було прийнято рішення про реалізацію кількох програм, у рамках яких планується зниження енергоємності найрізноманітніших галузей господарства:
- "Енергоефективний квартал". У рамках програми планується докорінна модернізація систем енергопостачання низки дрібних міст та окремих мікрорайонів. Згодом досвід буде поширений на системи усієї країни;
- "Мала комплексна енергетика", в рамках якої планується заміна обладнання локальних генеруючих потужностей;
- «Інноваційна енергетика», проект із впровадження нових технологій та рішень.
Крім того, значна увага приділяється атомній енергетиці. Завдяки накопиченому досвіду Росія має всі можливості зберегти конкурентоспроможність на світовому ринку. Однак необхідно розуміти, що 15 років деградації не могли не позначитися на галузі, тому сьогодні їй необхідні значні інвестиції.
Згідно з державними планами, у 2015 році зростання генеруючих потужностей АЕС має досягти 34-36 ГВт, а до 2020 року – 51-53 ГВт. Починаючи з наступного десятиліття, заплановано поступовий перехід до нової платформи, заснованої на експлуатації реакції швидких нейтронів та замкненому паливному циклі.
Як би там не було, для вирішення проблем в енергетичному комплексі потрібне значне зростання інвестицій, підвищення енергоефективності промисловості, а також розширення виробництва електроенергії за рахунок альтернативних джерел.
На жаль, нещодавно ми припустилися однієї досить серйозної помилки: поділ і приватизацію РАТ «ЄЕС Росії». Планувалося, що якщо допустити до галузі приватний капітал, це стимулює його вкладати кошти у розвиток та модернізацію. Але цього не сталося. Власники генеруючих потужностей та збутових компаній продовжують експлуатувати застаріле обладнання, не бажаючи вкладатись у модернізацію. Тут, як і в багатьох інших галузях, діє те саме правило: орієнтація на «швидкий» прибуток і небажання думати про майбутнє. Вкладення в енергетичний комплекс з боку держави, як і раніше, становлять 85-90% від загальної кількості. Виходить, що гроші вкладає держава, а прибуток отримує приватник.
У зв'язку з усім цим неважко зробити висновок, що сьогодні влада має потурбуватися про внесення змін до законодавства, які були б спрямовані на:
Підвищення контролю над діяльністю підприємств галузі;
встановлення певних показників прибутку, які власник компанії зобов'язаний спрямовувати на оновлення основних фондів і впровадження нових технологій, або, як варіант, економічне стимулювання модернізації за рахунок податкових пільг та інших послаблень;
Повернення чиновників-фахівців до управління держкомпаніями енергетичного сектору. Це дозволить підвищити керованість та краще контролювати ситуацію. Міра, звичайно, багато в чому спірна, але якщо приватні керівники не працюватимуть належним чином, нічого іншого просто не залишиться.
Однією із глобальних проблем сучасності є виснаження запасів палива, що застосовується в енергетиці (нафти, газу, вугілля, горючих сланців тощо). Крім того, ці види палива (застосовуючись до сучасних вимог) неекологічні, тому що при їх спалюванні викидається в атмосферу велика кількість шкідливих речовин і утворюється велика кількість твердих відходів (зол та золошлаків).
Однак близько 50% електроенергії дають саме теплові електростанції, що спалюють тверді види палива (вугілля, торф, горючі сланці), нафту та газовий конденсат, газ. При спалюванні твердого палива, в першу чергу кам'яного та бурого вугілля (до 30% загального світового обсягу палива, що спалюється) в атмосферу викидаються сірка і двоокис сірки, оксиди азоту, вуглекислий газ, сажа, важкі метали. Саме викиди електростанцій працюючих на кам'яному вугіллі (та інших видах твердого палива) послужили чинником появи кислотних дощів.
Різні фільтри, димо- і сажеуловлювачі, каталізатори - безумовно, використовуються, але поки що не настільки ефективні і дорогі. Крім того, при спалюванні твердого палива утворюється величезна кількість золи, шлаків та золошлаків. На території Росії щорічно накопичується до 3,5 млрд тонн техногенних відходів від електростанцій! Зазначимо, що при видобутку 1 тонни вугілля шахтним методом утворюється 0.5 тонн порожньої порід, при видобутку відкритим (кар'єрним) способом 6 тонн, а при спалюванні 1 тонни вугілля утворюється 130 кг золи та золошлаків.
Золи та золошлаки електростанцій (але всього 2% кількості відходів!) в даний час успішно використовуються у будівництві, виробництві будматеріалів, дорожньому будівництві.
Відвали порожньої породи (http://politiko.ua/blogpost79251)
Щорічно споживається для вторинного використання понад 61 млн. тонн золошлакових відвалів ТЕЦ (для виробництва в'яжучих речовин, виробництва кераміки, вогнетривів, тепло- та звукоізоляційних матеріалів, відходи, що містять вугле, багаті органічними сполуками можуть використовуватися як мінеральні добрива). Це дуже успішний бізнес, що розвивається, що виключає витрати на видобуток і (частково) на транспортування – тільки переробку та використання.
Проте фактичне використання відходів енергетики у Росії становить трохи більше 4-5%. Основні проблеми пов'язані як із неповороткістю бюрократичного апарату, величезною кількістю погоджень, так і небажанням бізнесменів вкладати (поки що!) кошти в переробні відходи підприємства, що не приносять швидкого доходу. Без допомоги держави (хоч би законодавчої) та податкових пільг тут не обійтися.
Експерти зазначають, що запаси невідновлюваних видів палива (вугілля, горючі сланці, нафта, газ, для АЕС) небезмежні, і через певну кількість років людство зіткнеться з проблемою енергетичного голоду (за оцінками експертів, запасів нафти в Росії вистачить на 21 рік, газу на 50-60 років). В даний час необхідно і актуально вкладення коштів саме в альтернативні види енергії та палива, розвиток та розширення даних технологій.
Альтернатива шкідливим викидам електростанцій – атомна енергетика. Однак ця галузь енергетики екологічно небезпечна і загрожує жахливими екологічними проблемами у разі можливих і непередбачуваних катастроф (згадаймо хоча б Чорнобиль 1986 року). Крім того, гостро постає проблема утилізації та переробки радіоактивних відходів (що зокрема проводиться у Росії). На російських підприємствах переробляються радіоактивні відходи з усієї Європи, причому лише 10% збагачуються до природного урану, інші 90% (!!!) можуть лише утилізуватися (МК, 10 березня 2006 р.). Гарантії забруднення радіоактивними відходами довкілля не існує!
Ядерне паливо (уран) відноситься до невідновних запасів природної енергетичної сировини, а Росія нині зазнає «уранового голоду». Ще кілька років тому Глава Федерального агентства з надрокористування А. Лєдовських зазначив (Російська газета, 28 лютого 2006 р.), що після розпаду СРСР, в Росії залишилося не більше 20% усіх розвіданих запасів урану, і при річній потребі в урані 15-16 тис. тонн видобувається трохи більше ніж 3 тис. тонн. Існуючих складських запасів урану вистачить лише до 2015-2020 року.
Тим не менш, добре відомі відновлювані види енергії: вода (гідростанції), сонячна енергія (геліоенергетика), вітер (вітроенергетика), тепло Землі (гідротермальна), сила морських припливів та відливів.
Поточна сила води, тобто. гідроелектростанції, давно (з 1891 року) і широко застосовуються у всьому світі. Вони вважаються (щоправда, дуже умовно) екологічно чистими, оскільки немає викиди в атмосферу. Але каскади електростанцій, що перетворили ряд річок (наприклад, Волгу) на ланцюжки водосховищ, не панацея від усіх енергетичних та екологічних бід. При будівництві та експлуатації водоймищ з'являються серйозні проблеми – відчуження та затоплення сільськогосподарських угідь, лісів, населених пунктів, що потребує переселення мешканців.
Наприклад, при будівництві Новосибірського водосховища пішли під воду 54 населені пункти і було затоплено 281 км 2 тільки сільськогосподарських угідь. При будівництві Ангарського каскаду водосховищ (Іркутського, Братського, Усть-Ілімського) затоплено 760 тис. га земель (230 тис. га орних та пасовищних, 500 тис. га лісових угідь), міста Балаганськ та старий Братськ, понад 300 сіл.
Крім того, водосховища сприяють посиленню та навіть появі сейсмічної активності. Так, наприклад, в 1967 р. в Індії на плато Декан, стався землетрус силою 8 балів, спровокований водосховищем Койда, хоча за попередньо проведеними дослідженнями і дослідженнями цей район вважався сейсмічно безпечним.
Аварії на ГГЕС можуть призвести до серйозних техногенних катастроф, як це було, наприклад, на Саяно-Шушенської ГЕС17 серпня 2009 року. Внаслідок аварії загинуло 75 людей, а обладнання та приміщенням станції завдано серйозних збитків. Роботу станції з виробництва електроенергії було припинено. Наслідки аварії відбилися на екологічній обстановці прилеглої території, а також на соціальній та економічній сферах регіону.
Існує й інші проблеми, пов'язані як із будівництвом гребель (використання мільйонів кубічних метрів різного будівельного матеріалу), так і пов'язані з функціонуванням водосховищ (замулювання дна, спливання торфовищ, абразія берегів, активізація негативних геологічних процесів, загроза прориву гребель та ін.). Таким чином, великі ГЕС хоч і вирішують енергетичні проблеми, але створюють проблеми як екологічні, і соціальні.
Альтернатива великим ГЕС – це міні-ГЕС, тобто. невеликі гідроелектростанції, що не вимагають великого об'єму води (у вигляді водосховищ), і забезпечують енергією, наприклад, якесь місто або підприємство. Каскади міні-ГЕС цілком зможуть конкурувати з великими енергетичними монстрами. Які проблеми та перспективи у цій галузі?
МініГЕС дуже добре можуть себе зарекомендувати в районах з сильним перебігом річок і нині необхідні мінітурбіни саме для невеликих гідроелектростанцій. Виробництво невеликих турбін для міні-ГЕС, а головне залучення інвестицій – це вже потреба. За сучасних проблем енергетики та подорожчання тарифів на електроенергію потрібна автономність та незалежність від енергомереж.
Енергія сонця (геліоенергетика). Останнім часом інтерес до проблеми використання сонячної енергії (геліоенергетики) різко зріс.
Сонячні електростанції можна використовувати як вирішення локальних енергетичних завдань, і глобальних проблем енергетики. Практичне застосування у світі отримали в основному гібридні сонячно-паливні електростанції (ціна електроенергії, що виробляється, становить 0,08-0,12 $ за кВт/год).
Геліоустановки в Іспанії (Андалузія). Фото автора
Як приклад успішного застосування геліотехнологій можна відзначити проект «2000 сонячних дахів» у Німеччині, де розроблено технологію прозорої теплоізоляції будівель та встановлення сонячних колекторів із температурою 90-50°С. Однак дана технологія залежить від резервного джерела електромережі, з якого відшкодовується нестача енергії (у разі надлишку енергія передається в мережу). Зазначимо, що з реалізації цього проекту до 70% вартості установок оплачувалося з федерального і земельного бюджетів.
У США сонячні водонагрівачі загальною потужністю 1400 МВт встановлені у 1,5 млн. будинків. У пустелі Мохаве (США) за 250 км від Лос-Анджелеса створено найбільшу у світі геліостанцію LUZ потужністю близько 600 МВт. Вартість проекту становила 1,5 млрд. доларів.
Масове виробництво та використання геліостанцій у світовій енергосистемі пов'язане зі створенням технологій та матеріалів, що дозволяють знизити вартість встановленої потужності до 1-2 $/Вт, а вартість електроенергії до 0,1 $/кВт.год.
Принциповим обмеженням такого зниження вартості є висока вартість кремнію високої якості – 40-100 $/кг. Тому створення нових технологій одержання кремнію, що забезпечують радикальне зниження його вартості, є завданням номер один у переліку альтернативних технологій в енергетиці. У Росії в даний час є технології та виробничі потужності для виготовлення 2 МВт сонячних елементів та модулів на рік.
Якщо прийняти ККД ТЕС, що працює на мазуті за 33%, то 1 кг кремнію по електроенергії, що виробляється, еквівалентний приблизно 75 тоннам нафти! Величезні запаси кремнію як пісків, кварциту, пісковику, наявні у Росії цілком придатні для екологічних бізнес-технологій що з сучасної геліоенергетикою.
Однак є й свої мінуси… Ефективна діяльність геліостанцій можлива лише у певних районах із високою сонячною інсоляцією. Крім того, геліоенергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії (видобуток кремнієвої сировини та її переробки та збагачення, виготовлення геліостатів, колекторів тощо). Зазначимо, що для виробництва 1 МВт/рік електричної енергії за допомогою сонячної енергетики потрібно витратити від 10000 до 40000 людино-годин, у традиційній енергетиці на органічному паливі цей показник становить 200-500 людино-годин.
Поки що електроенергія, народжена сонячним промінням, обходиться набагато дорожче, ніж отримувана традиційними способами. І хоча зараз сумарна світова потужність автономних фотоелектричних установок досягла 500 МВт, без допомоги держави поки не обійтись. Прийнята у США масштабна програма «Мільйон сонячних дахів», вимагала при її реалізації видатків із федерального бюджету на суму понад 6 млрд. доларів.
На розвиток геліоенергетики в Республіці Казахстан планується лише першому етапі витратити 10 млн. дол.
Вітрова енергія. Вітроенергетика – одна з наймолодших енергетичних галузей, але щорічний приріст оборотів у ній вражає. Наприклад, у 2003 році через світову вітроенергетику «пройшло» близько 3 млрд. євро, а у 2004 році – 8 млрд., у 2005 – 12 млрд. євро! Багато країнах виникла нова галузь – вітроенергетичне машинобудування. У найближчій перспективі вітроенергетика збереже передові позиції, а світовими лідерами із застосування енергії вітру є США, Німеччина, Нідерланди, Данія, Індія.
Сумарна світова встановлена потужність великих вітроенергетичних установок (ВЕУ) та вітроенергетичних станцій (ВЕС), за різними оцінками, становить від 10 до 2
0 ГВт. Питомі капіталовкладення у вітроенергетику нижче, ніж за використанні більшості інших альтернативних видів енергії, зростає як сумарна потужність вітряних установок, а й їх поодинока потужність, перевищила 1 МВт.
Вітряні установки в Піренеях, кордон Іспанії та Андорри. Фото автора
Тарифа, Андалузії. Вітряні установки на вершинах гір. Фото автора
Франція. Вітряні установки серед виноградників. Фото автора
Франція. Прованс. Вітряні установки. Фото автора
У Німеччині вже працюють 14 тис. вітрових установок, які виробляють третину світового обсягу вітроелектроенергії та існують понад тисячу підприємств, що працюють з технологіями вітроенергетики. Найбільший у світі вітровий генератор потужністю 3000 кВт та висотою 150 метрів встановлений у 1982 р. у Північній Німеччині, у Фрісландії.
У Росії попит на вітроенергетичне обладнання також існує, що пов'язано зі зростанням цін на викопні джерела енергії та електроенергію, необхідністю дотримання екологічних норм, «діяльністю» енергетичних монополій та загалом інфраструктурою країни. Створено зразки вітчизняних вітроенергетичних установок (ВЕУ) потужністю 250 і 1000 кВт, які поки що знаходяться в дослідній експлуатації.
У Росії вже існують компанії з виробництва, встановлення та експлуатації вітроенергетичних установок (компанія «Ветропарк Інжиніринг», ЗАТ «Ветроенергетичний комплекс» та низка інших), що виробляють ВЕУ потужністю від 300 кВт до 500 кВт. Вітчизняні вітрогенератори ("Бриз-5000", "Бриз-лідер") фірми "Електросфера" працюють при швидкості вітру від 3 м/с і видають потужність від 5 до 50 кВт. Вартість різних типів «побутових» електрогенераторів – від 5000 до 10000 Євро (цілком порівняно з ціною на автомобіль!), а термін служби – до 20 років.
Вітрова енергетика для бізнесу Росії – перспективний вид вкладень, оскільки перспективи у разі пов'язані і з екологією, і з повною автономією, незалежністю від енергетичних монополій. Використання енергії вітру можливе для електроенергії в приватних будинках, на підприємствах, а комплекси ВЕУ зможуть забезпечувати електроенергією окремі райони.
Ще 1996 року АТ «Ростовенерго» реалізувало російсько-німецький проект «Ельдорадо-вітер» з будівництва вітроенергетичної станції потужністю 300 кВт біля підсобного господарства «Маркінське» Цимлянського району Ростовської області. Станція займає площу 3 гектари і складається з 10 гратчастих 27-метрових веж, розташованих у шаховому порядку з 12-метровими лопатями, що починають працювати при швидкості вітру вже в 4 м/сек. Отримана енергія передається у загальну електричну мережу через трансформаторну підстанцію та обслуговує потреби невеликого селища. Комплекс автоматизований і керується електронікою, а обслуговують вітроелектричне господарство ... всього 4 особи!
Теплова енергія Землі (гідротермальні джерела).Ісландія повністю забезпечує себе помідорами, яблуками та навіть бананами! Столиця цієї острівної держави місто Рейк'явік (170 тис. чоловік), опалюється лише за рахунок підземних джерел, оскільки інших місцевих джерел енергії в Ісландії практично немає.
Перша електростанція (ГеоТЕС), що використовує тепло Землі, була побудована в 1904 році в італійському місті Лардерелло, і в наші дні потужність станції досягла 360 тисяч кіловат. У Новій Зеландії існує гідротермальна електростанція в районі Вайракеї потужністю 160 тисяч кіловат. У 120 км від Сан-Франциско у США виробляє електроенергію геотермальна станція потужністю 500 тисяч кіловат.
У 1967 р. на Камчатці було створено першу нашій країні Паужетська ГеоТЕС потужністю 5 МВт, доведена згодом до потужності 11 МВт. У 1968 р. з'явилася експериментальна Кислогубська ПЕМ потужністю 0,4 МВт, на будівництві якої було вперше використано прогресивний метод наплавного будівництва греблі.
Калузький турбінний завод освоїв випуск блок-модульних ГеоТЕС потужністю 4 та 20 МВт. Три такі блоки по 4 МВт змонтовані на Верхньо-Мутнівській ГеоТЕС на Камчатці. Наступна на черзі – Мутнівська ГеоТЕС потужністю 40-50 МВт – буде створена найближчими роками. Зауважимо, що гідротермальні джерела є в Росії тільки на Камчатці та Курилах (меншою мірою на Кавказі), тому геотермальна енергетика не може відігравати значної ролі в масштабах країни в цілому, але для вказаних районів, які періодично опиняються на межі виживання в очікуванні чергового танкера з паливом геотермальна енергетика здатна радикально вирішити проблему енергозабезпечення.
Сумарна світова потужність ГеоТЕС становить щонайменше 6 ГВт, вони цілком конкурентоспроможні проти традиційними паливними електростанціями. Однак ГеоТЕС географічно прив'язані до родовищ парогідротерм або термоаномалій, що обмежує сферу застосування геотермальних установок.
Біоенергетика.У біоенергетиці використовується біогаз, що містить метан, і біомаси (гною, рослин, відходів деревопереробної промисловості та сільського господарства), що утворюється при розкладанні (гниття). Частка деревини в біомасі, яку використовують у Європі – 16%, проте деревне біопаливо вважається дуже популярним у країнах ЄС, наприклад, у Швеції біопаливо дає не менше 21% тепла для опалення будинків.
Однак при спалюванні біопалива все одно утворюється вуглекислий газ (хоча і в менших кількостях), крім того, не виключена можливість потрапляння біомаси в ґрунтові та поверхневі води та ґрунт, а метану в атмосферу (при порушенні герметизації) та відповідно забруднення навколишнього середовища. Тим не менш, дуже актуально використання біоенергетичних технологій у російських сільськогосподарських комплексах (птахівничих та тваринницьких), що з одного боку вирішує проблему відходів, а з іншого – виключає залежність від енергетичних компаній, оберігає виробника від зростання цін на електроенергію, що дозволяє знизити собівартість продукції , а також позбавить колосальних збитків при відключенні електроенергії та енергоаваріях (згадаймо енергокризу травня 2005 року).
Енергія припливів та хвиль.У світі існує лише одна велика діюча припливна електростанція (ПЕМ) річною потужністю 544 млн. кВт – у гирлі річки Ранс, у Франції (провінція Бретань), відкрита 1966 року. На більш ніж 800-метровій греблі встановлено 24 турбогенератори, вартість проекту становила 420 млн. франків (у цінах 60-х років XX століття).
Що стосується перспектив приливної енергетики в Росії, то слід зазначити, що приливні електростанції (ПЕМ) повинні мати дуже велику потужність (Мезенська ПЕМ на Білому морі - 19200 МВт, Тугурська ПЕМ на Охотському морі - 7800 МВт). Кілька сотень гідроагрегатів кожної станції, тривалі терміни будівництва, величезні капіталовкладення (як у ПЕМ, і у заходи, необхідних адаптації в рамках енергосистеми) роблять створення ПЕМ предметом дуже віддаленого майбутнього.
Проблеми та перспективи альтернативної енергетики.На жаль, як зазначає доктор технічних наук, завідувач відділення нетрадиційних джерел енергії та енергозбереження АТ «Енергетичний інститут ім. Г.М. Кржижанівського» Борис Тарнижевський, «безкоштовність» більшості альтернативних видів енергії пов'язана із значними витратами на придбання відповідного обладнання. І виникає якийсь парадокс - альтернативну "безкоштовну" енергію здатні виробляти і використовувати головним чином ... багаті країни.
Проте найбільш зацікавлені у розвитку альтернативних видів енергетики держави, що розвиваються, не мають сучасної енергетичної інфраструктури, розвиненої мережі централізованого енергопостачання. І саме для країн, що розвиваються, і (на жаль), у тому числі і для Росії (з її величезною територією та специфічними кліматичними умовами), необхідне створення автономного енергозабезпечення шляхом застосування альтернативних джерел енергії. Багаті ж країни енергетичного голоду поки що не відчувають і виявляють інтерес до альтернативної енергетики в основному з міркувань екології, енергозбереження та диверсифікації джерел енергії.
Використання альтернативних видів енергії у світі набуло відчутних масштабів та стійкої тенденції до зростання, однак за даними МАГАТЕ, частка всіх видів альтернативної енергетики (сонця, вітру, приливних станцій тощо) у світі становить менше 3-5%.
За різними прогнозними оцінками, в яких нині немає нестачі, ця частка до 2015 року. у багатьох державах досягне (або навіть перевершить) лише 10%.
У Росії її практичне застосування альтернативних видів енергії значно відстає від масштабів, досягнутих в інших країнах, незважаючи на такі сприятливі передумови, як практично необмежені ресурси альтернативних видів енергії, досить високий науково-технічний та промисловий потенціал у цій галузі.
В цілому, очевидно, що в Росії гальмом розвитку альтернативної енергетики та використання альтернативних видів енергії (як, втім, і багатьох інших напрямів) є як хронічно незадовільний стан економіки, так і скорочення обсягів фінансування у сфері альтернативної енергетики. Крім того, що на шляху дослідників, які працюють у галузі даної проблеми, стоїть потужне лобі олігархічних корпорацій, монополістів, які продають електроенергію, нафту, газ, вугілля тощо. і, звичайно, абсолютно не зацікавлених в ослабленні своїх позицій.
Література
Казнім А.А. Екологічні перспективи розвитку сучасної енергетики у Росії – постановка проблеми / / Альтернативна енергетика та екологія. № 3 (71), 2009. С. 117-121
Деякі шляхи вирішення екологічних проблем
У найближчій перспективі теплова енергетика залишатиметься переважною в енергетичному балансі світу та окремих країн.
Істотно зменшити негативний вплив на навколишнє середовище дозволяють такі шляхи та способи використання палива (що базуються в основному на вдосконаленні технологій підготовки палива та уловлювання шкідливих відходів):
1. Використання та вдосконалення очисних пристроїв (уловлення твердих викидів та оксидів сірки (96 %) та азоту (80 %) та отримання аміачної селітри – добрива та розчину сульфату натрію для хімічної промисловості).
2. Зменшення надходження сполук сірки в атмосферу шляхом попередньої десульфурації вугілля (зниження вмісту сірки в них) та інших видів палива (нафта, газ, горючі сланці) хімічними або фізичними методами. Цими методами вдається витягти з палива до 50 - 70% сірки до його спалювання.
3. Економія електроенергії - зниження енергоємності виробів (у США на одиницю одержуваної продукції витрачалося в 2 рази менше енергії, ніж у колишньому СРСР, в Японії - у 3 рази менше), зниження металомісткості продукції, підвищення якості та, як наслідок, збільшення терміну служби .
4. Економія енергії у побуті та на виробництві за рахунок удосконалення ізоляційних властивостей будівель. Відмова від використання електроенергії як джерело тепла, тому що втрати при виробництві її на ТЕС більше на 60 – 65 %, ніж при отриманні теплової енергії, а на АЕС більше 70 %.
5. Підвищення ККД палива при використанні його замість ТЕС на ТЕЦ за рахунок наближення об'єктів отримання енергії до споживача та зниження теплового забруднення водного середовища при використанні на ТЕЦ тепла, що уловлюється охолодними агентами. Найбільше економічне отримання енергії на невеликих установках типу ТЕЦ (когенерування) безпосередньо в будинках.
Економічна ефективність освоєння енергозберігаючих технологій у широких масштабах стає суттєвою при рівні енергоспоживання приблизно 10 кВт на одну особу. У Росії цей показник тримається лише на рівні приблизно 2 кВт, причому у структурі енергоспоживання тяжить промислова складова.
Наприклад: якщо США на непромислову сферу (побутову, соціально-культурну тощо.) припадає понад 50 % енергоспоживання, то Росії - трохи більше 25 %.
2.14.1. Альтернативні джерела отримання енергії
Основні проблеми сучасних джерел енергії – вичерпність та забруднення середовища. Альтернативними джерелами є енергія Сонця, вітру, вод, термоядерного синтезу та інших джерел. Хоча використання невідновних енергоресурсів викопних палив створює найсерйозніші економічні та екологічні проблеми, людина набагато менше використовує відновлювані енергоресурсиприроди. Не тому, що вони менші (вони набагато більші), а тому, що їхня колосальна енергія непостійна, розподілена на великих просторах, мало концентрована і погано піддається контролю.
2.14.2. Енергія сонця
Сонячна енергіяв порівнянні з іншими видами енергії має виняткові властивості: практично невичерпна, екологічно чиста, керована, а за величиною в тисячі разів перевершує всю енергію інших джерел, які зможе використовувати людство. Потенціал експлуатаційного ресурсу сонячної енергії оцінюється потужністю від 100 до 500 ТВт. Через малу щільність цієї енергії техносфера споживає нікчемну її частину. Деяка кількість використовується у пасивній формі – для створення сприятливого теплового режиму у системах закритого ґрунту. Ця форма використання, а також удосконалення технічних засобів теплового акумулювання сонячної енергії та теплових насосів мають дуже велику перспективу.
Однак більший інтерес виявляють до способів концентрування сонячної енергії та її прямого перетворення на електроенергію. При цьому вирішальне значення мають такі фактори, як енергетична освітленість, площа уловлювання, ККД перетворення та ефективність акумулювання. Технічний потенціал використання сонячної енергії оцінюється у 500 ГВт. Загальна потужність систем прямого перетворення сонячної енергії нині сягнула 4 ГВт, зокрема наземних фотоелектричних перетворювачів - 100 МВт.
Енергію сонця можна використовувати прямо (за допомогою уловлювання технічними пристроями) або опосередковано (через продукти фотосинтезу, кругообіг води, рух повітряних мас та інші процеси, зумовлені впливами сонця.
1. Сонце як джерело теплової енергії.
Використання сонячного тепла – найпростіший і найдешевший шлях вирішення окремих енергетичних проблем. Підраховано, що у США для обігріву приміщень та гарячого водопостачання витрачається близько 25 % енергії, що виробляється в країні. У північних країнах, зокрема й у Росії, ця частка помітно вища. Тим часом значна частка тепла, необхідного для цих цілей, може бути отримана уловлюванням енергії сонячних променів. Ці можливості тим значніші, що більше прямої сонячної радіації надходить на поверхню Землі.
Способи використання:
а) сонячні колектори;
Найбільш поширене вловлювання сонячної енергії за допомогою різного роду сонячних батарей колекторів.
У найпростішому вигляді це темного кольору поверхні для уловлювання тепла та пристосування для його накопичення та утримання. Обидва блоки можуть бути єдиним цілим.
Колектори поміщаються у прозору камеру, що діє за принципом парника. Є також пристрої для зменшення розсіювання енергії (хороша ізоляція) та її відведення, наприклад потоками повітря або води.
б ) нагрівальні системипасивного типу;
Ще простіші, ніж колектори. Циркуляція теплоносія тут здійснюється в результаті конвекційних струмів: нагріте повітря або вода піднімаються вгору, а їх місце займають охолоджені теплоносії. Приклад: приміщення з великими вікнами, зверненими до сонця, і хорошими ізоляційними властивостями матеріалів, здатних довго тримати тепло. Для зменшення перегріву вдень та тепловіддачі вночі використовуються штори, жалюзі, козирки та інші захисні пристрої.
Проблема раціонального використання сонячної енергії вирішується через правильне проектування будинків. Деяке подорожчання будівництва перекривається ефектом використання дешевої та чистої енергії.
У (Каліфорнія) є будівлі, які навіть за пасивному типі акумуляції сонячних променів дозволяють економити до 75 % витрат за енергію, при додаткових будівельних витратах 5 – 10 %.
На Кіпрі в 90% котеджів, багатьох готелях та багатоквартирних будинках проблема теплозабезпечення та гарячого водопостачання вирішується за рахунок сонячних водонагрівачів. В інших країнах цілеспрямоване використання сонячної енергії поки не велике, але інтенсивно збільшується виробництво різноманітних сонячних колекторів. У США зараз діють тисячі подібних систем, хоча забезпечують поки що лише 0,5 % гарячого водопостачання.
в) пристрої для накопичення теплау сонячний час доби у парниках чи інших спорудах;
Для цього в приміщеннях розміщують матеріал з великою поверхнею та гарною теплоємністю. Це може бути каміння, великий пісок, вода, щебеню, метал. Вдень вони накопичують тепло, а вночі поступово віддають його. Такі пристрої широко використовуються в тепличних господарствах півдня Росії, Казахстані, Середній Азії.
2. Сонце як джерело електроенергії.
Способи використання:
а) фотоелементи;
У фотоелементахсонячна енергія індукується до електричного струму без додаткових пристроїв. Хоча ККД таких пристроїв невеликий, але вони вигідні повільною зношуванням через відсутність будь-яких рухливих частин.
Основні труднощі застосування фотоелементів пов'язані з їхньою дорожнечею та потребами у великих територіях для їх розміщення. Проблема певною мірою вирішувана за рахунок заміни металевих фотоперетворювачів енергії еластичними, синтетичними, використання дахів та стін будинків для розміщення батарей, винесення перетворювачів у космічний простір.
У тих випадках, коли потрібне отримання невеликої кількості енергії, використання фотоелементів вже нині економічно доцільне (калькулятори, телефони, телевізори, кондиціонери, маяки, буї, невеликі зрошувальні системи).
У країнах із великою кількістю сонячної радіації є проекти повної електрифікації окремих галузей господарства, наприклад сільського, за рахунок сонячної енергії. Одержувана таким шляхом енергія, особливо з урахуванням її високої екологічності, за вартістю виявляється вигіднішою, ніж енергія, одержувана традиційними методами. Сонячні станції привабливі також можливістю швидкого введення в дію та нарощування їх потужності в процесі експлуатації простим приєднанням додаткових батарей – сонцеприймачів.
б) перетворення води на пару, який надає руху турбогенератори;
У цих випадках для енергонакопичення найчастіше використовуються енерговежіз великою кількістю лінз, що концентрують сонячні промені, а також спеціальні сонячні ставки, Що складаються з двох шарів води: нижнього з високою концентрацією солей та верхнього з прозорою прісною водою. Роль матеріалу, що накопичує енергію, виконує сольовий розчин. Нагріта вода використовується для обігріву або перетворення на пару рідин, що киплять при невисоких температурах.
3. З лінійна енергія як джерело для отримання водню з води шляхом електролізу.
Водень називають "паливом майбутнього". Розкладання води та вивільнення водню здійснюється у процесі пропускання між електродами електричного струму, отриманого на гелеоустановках. Недоліки таких установок поки що пов'язані з невисоким ККД (енергія, що міститься у водні, лише на 20 % перевищує ту, яка витрачена на електроліз води) та високою займистістю водню, а також його дифузією через ємності для зберігання.
Німеччиною розглядаються проекти одержання рідкого водню, використовуючи надлишкові гідроресурси Канади або розміщення сонячних батарей у пустелі Сахара, а потім транспортування отриманого електролізом рідкого водню в танкерах або мережею трубопроводів до місця споживання. Особливо перспективне його застосування як палива для літальних апаратів, автотранспорту та космічної техніки. Однак є труднощі для реалізації проекту: водень, що отримується, може перебувати в рідкому стані при атмосферному тиску тільки при температурі -253 °С і при цьому він легко випаровується, тому особливі вимоги пред'являються до ємностей для зберігання - необхідно спорудження контейнерів у вигляді посудини Догоара для забезпечення наднизьких температур та запобігання швидкому випаровуванню. Крім того, ціна водню висока, дорожча за бензин.
4. Використання сонячної енергії через фотосинтез та біомасу (біопаливо).
У біомасі концентрується щорічно менше 1% потоку сонячної енергії. Однак ця енергія суттєво перевищує ту, яку отримує людина з різних джерел у цей час і отримуватиме у майбутньому.
Способи використання:
а) пряме спалювання біомаси;
Це найпростіший шлях використання енергії фотосинтезу. В окремих країнах, які не вступили на шлях промислового розвитку, такий метод є основним.
б) переробка біомаси в інші види палива;
Так можна отримувати біогаз (шляхом анаеробного – без доступу кисню бродіння) або етиловий спирт (шляхом аеробного бродіння).
Це найбільш виправданий метод. Є дані про те, що молочна ферма на 2 тисячі голів здатна за рахунок використання відходів забезпечити біогазом не тільки саме господарство, а й приносити відчутний прибуток від реалізації енергії, що отримується. Великі енергетичні ресурси зосереджені також у каналізаційному мулі, смітті та інших органічних відходах.
Так, Бразилія з 70-х років ХХ століття значну частину автотранспорту перевела на спиртове пальне або на суміш спирту з бензином - бензоспирт. Досвід використання спирту як енергоносія є у США.
Для отримання спирту використовується різна органічна сировина – цукрова тростина у Бразилії, кукурудза у США, різні зернові культури, картопля, деревна маса (тирса) – в інших країнах. Обмежувальними факторами для використання спирту як енергоносія є нестача земель для отримання органічної маси та забруднення середовища при виробництві спирту (спалювання викопного палива), а також більш висока вартість (приблизно вдвічі дорожча за бензин).
Для Росії, де велика кількість деревини, особливо листяних порід (береза, осика), практично не використовуються (не вирубується або залишається на лісосіках), дуже перспективним є одержання спирту з цієї біомаси за технологіями, в основі яких лежить гідроліз. Великі резерви для одержання спиртового пального або теплової енергії є також на базі відходів лісопильних та деревообробних підприємств.
в) вирощування "енергетичних культур" або "енергетичних лісів";
"Енергетичні ліси" - це фітоценози, що вирощуються для переробки їх біомаси в газ або рідке пальне. Під "енергетичні ліси" зазвичай відводяться землі, на яких за інтенсивними технологіями за короткі терміни (5 - 10 років) вирощується і знімається врожай видів дерев, що швидко ростуть (тополь, евкаліпти та інші). Загалом біопаливо можна розглядати як суттєву допомогу у вирішенні енергетичних проблем у майбутньому. Основна перевага цього ресурсу – його постійна та швидка відновлюваність, а при грамотному використанні та невичерпність.
2.14.3. Вітер як джерело енергії
Вітер, як і вода, що рухається, є найбільш древніми джерелами енергії. Протягом кількох століть ці джерела використовувалися як механічні на млинах, пилорамах, системах подачі води до місць споживання. Вони ж використовуються і для отримання електроенергії, хоча частка вітру в загальному обсязі виробництва є вкрай незначною (у Данії 3,7 % від загального обсягу виробництва електроенергії).
Інтерес до використання вітру отримання електроенергії пожвавився останніми роками. На цей час випробувані вітродвигуни різної потужності, аж до гігантських. Зроблено висновки, що в районах з інтенсивним рухом повітря вітроустановки можуть забезпечувати енергією місцеві потреби.
Виправдано використання вітротурбін для обслуговування окремих об'єктів (житлових будинків, неенергоємних виробництв). Разом з тим, стало очевидним, що гігантські вітроустановки поки не виправдовують себе внаслідок дорожнечі споруд, сильних вібрацій, шумів, швидкого виходу з ладу. Економічніші комплекси з невеликих вітротурбін, об'єднаних в одну систему.
У США споруджено вітроелектростанцію на базі об'єднання великої кількості дрібних вітротурбін потужністю близько 1500 МВт (приблизно 1,5 АЕС). Широко проводяться роботи з використання енергії вітру в Канаді, Нідерландах, Данії, Швеції, Німеччині. Крім невичерпності ресурсу та високої екологічності виробництва, до переваг вітротурбін відноситься невисока вартість одержуваної на них енергії. Вона тут у 2-3 рази менша, ніж на ТЕС та АЕС.
Для більшості відомих вітрогенераторів розрахункова швидкість вітру, при якій забезпечується номінальна потужність, повинна становити 8-14 м/с і з економічних міркувань має витримуватись не менше 2500 годин на рік. Таких умов на значній частині територій РФ відсутні.
2.14.4. Використання нетрадиційних гідроресурсів
Гідроресурси залишаються важливим потенційним джерелом енергії за умови використання екологічніших, ніж сучасні, методів її отримання. Наприклад, вкрай недостатньо використовуються енергоресурси середніх та малих річок (довжина від 10 до 200 км). Тільки Росії таких річок є понад 150 тисяч. У минулому саме малі та середні річки були найважливішим джерелом отримання енергії.
Невеликі греблі на річках не так порушують, скільки оптимізують гідрологічний режим річок і прилеглих територій. Їх можна як приклад екологічно обумовленого природокористування, м'якого втручання у природні процеси.
Водосховища, що створювалися на малих річках, зазвичай не виходили за межі русел. Такі водосховища гасять коливання води в річках та стабілізують рівні ґрунтових вод під прилеглими заплавними землями. Це сприятливо позначається на продуктивності та стійкості як водних, так і заплавних екосистем. Є розрахунки, що у дрібних і середніх річках можна отримувати не менше енергії, ніж її отримують на сучасних великих ГЕС.
В даний час є турбіни, що дозволяють отримувати енергію, використовуючи природний перебіг річок, без будівництва гребель. Такі турбіни легко монтуються на річках і за потреби переміщуються в інші місця. Хоча вартість одержуваної таких установках енергії помітно вище, ніж великих ГЕС, ТЕС чи АЕС, але висока екологічність робить доцільним її отримання.
2.14.5. Енергетичні ресурси морських, океанічних
та термальних вод
Великі енергоресурси мають водні маси морів і океанів. До них відносяться енергія припливів та відливів, морських течій, а також градієнтів температур на різних глибинах. В даний час ця енергія використовується в украй незначній кількості через високу вартість отримання. Це, однак, не означає, що й надалі її частка в енергобалансі не підвищуватиметься.
1. У світі поки що діють три припливно-відливні електростанції. У Росії її можливості приливно-отливной енергії значні Білому морі. Однак, крім високої вартості енергії, електростанції такого типу не можна зарахувати до високоекологічних. При їх будівництві греблями перекриваються затоки, що різко змінює екологічні чинники та умови проживання організмів.
2. В океанічних водах для одержання енергії можна використовувати різницю температур на різних глибинах. У теплих течіях, наприклад, у Гольфстрімі вони досягають 20 °С. В основі принципу лежить застосування рідин, що киплять і конденсуються при невеликих різницях температур.
Тепла вода поверхневих шарів і використовується для перетворення рідини на пару, яка обертає турбіну. Холодні глибинні маси – для конденсації пари у рідину. Проблеми пов'язані з громіздкістю споруд та його дорожнечею. Установки такого типу знаходяться поки що на стадії випробувань (наприклад, США).
3. Незрівнянно реальніші можливості використання геотермальних ресурсів. У разі джерелом тепла є розігріті води, які у надрах землі. У окремих районах такі води виливаються не поверхню як гейзерів (наприклад, на Камчатці). Геотермальна енергія може використовуватись як у вигляді теплової, так і для отримання електрики.
4. Ведуться також досліди щодо використання тепла, що міститься у твердих структурах земної кори. Таке тепло з надр витягується за допомогою закачування води, яку потім використовують так само, як і інші термальні води.
Вже нині окремі міста чи підприємства забезпечуються енергією геотермальних вод. Це, зокрема, стосується столиці Ісландії – Рейк'явіку. На початку 80-х у світі вироблялося на геотермальних електростанціях близько 5000 МВт електроенергії (приблизно 5 АЕС). У Росії її значні ресурси геотермальних вод є на Камчатці, але використовуються вони у невеликому обсязі. У колишньому СРСР за рахунок цього виду ресурсів вироблялося лише близько 20 МВт електроенергії.
2.14.6. Термоядерна енергія
Сучасна атомна енергетика базується на розщепленні ядер атомів на два легших із виділенням енергії пропорційно до втрати маси. Джерелом енергії та продуктами розпаду при цьому є радіоактивні елементи. З ними пов'язані основні екологічні проблеми ядерної енергетики.
Ще більша кількість енергії виділяється в процесі ядерного синтезу, при якому два ядра зливаються в одне важче, але також із втратою маси та виділенням енергії. Вихідним елементом синтезу є водень, кінцевим – гелій. Обидва елементи не надають негативного впливу на середовище і практично невичерпні. Результатом ядерного синтезу є енергія сонця. Людиною цей процес змодельовано під час вибухів водневих бомб. Завдання у тому, щоб ядерний синтез зробити керованим, яке енергію використовувати цілеспрямовано.
Основна складність полягає в тому, що ядерний синтез можливий за дуже високих тисків і температур близько 100 млн °С. Відсутні матеріали, з яких можна виготовити реактори для здійснення високотемпературних (термоядерних) реакцій. Будь-який матеріал при цьому плавиться та випаровується.
Вчені пішли шляхом пошуку можливостей здійснення реакцій у середовищі, не здатної до випаровування Для цього в даний час випробовуються два шляхи. Один із них заснований на утриманні водню у сильному магнітному полі. Установка такого типу отримала назву ТОКАМАК (тороїдальна камера з магнітним полем), розроблена в інституті ім. Курчатова. Другий шлях – використання лазерних променів, з допомогою яких забезпечується отримання потрібної температури й у місця концентрації яких подається водень.
Незважаючи на деякі позитивні результати щодо здійснення керованого ядерного синтезу, висловлюються думки, що у найближчій перспективі він навряд чи буде використаний для вирішення енергетичних та екологічних проблем. Це з невирішеністю багатьох питань та з необхідністю колосальних витрат за подальші експериментальні, а тим паче промислові розробки.
ª Запитання для самоперевірки
1. Які нові методи використання палива дають змогу зменшити вплив енергетики на ОС?
2. У чому переваги використання сонячної енергії, порівняно з іншими видами енергії?
3. Назвіть способи використання сонця як джерела теплової та електроенергії.
4. Які перспективи застосування рідкого водню в енергетиці?
5. Що таке біопаливо, як його одержують?
6. Що таке “енергетичний ліс”?
7. Які проблеми перешкоджають широкому використанню вітру як джерела енергії?
8. Порівняйте вплив на ОС малих та великих ГЕС.
9. У чому полягає негативний вплив припливно-відливних ГЕС на екосистеми?
10. Яким є принцип отримання енергії за рахунок градієнтів температур в океані?
11. Які умови протікання реакції термоядерного синтезу та які складності із цим пов'язані нині?
Сучасна електроенергетикамає чимало проблем, вони обумовлені високою вартістю палива, негативним впливом на екологію тощо.
Так, наприклад, гідроенергетичні технології мають багато переваг, але є істотні недоліки. Тираж, дощові сезони, низькі водні ресурси в посухи можуть серйозно впливати на кількість виробленої енергії. Це може стати серйозною проблемою там, де гідроенергія становить значну частину в енергетичному комплексі країни, гребель є причиною багатьох проблем: переселення жителів, пересихання річок природних русел, замулення водосховищ, водних суперечок між сусідніми країнами, значної вартості цих проектів. ГЕС на рівнинних річках призводить до затоплення великих територій. Значна частина площі водойм, що утворюються - мілководдя. У літню пору за рахунок сонячної радіації в них активно розвивається водна рослинність, відбувається так зване «цвітіння» води.
Зміна рівня води, що місцями доходить до повного висушування, призводить до загибелі рослинності. Греблі перешкоджають міграції риб. Багатокаскадні ГЕС вже зараз перетворили річки на ряд озер, де виникають болота. У цих річках гине риба, а довкола них змінюється мікроклімат, ще більше руйнуючи природні екосистеми.
Щодо шкідливості ТЕС, то при згорянні палива в теплових двигунах виділяються шкідливі речовини: закис вуглецю, сполуки азоту, сполуки свинцю, а також виділяється в атмосферу значної кількості теплоти.
Крім того, застосування парових турбін на ТЕС вимагає відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Щорічно у світі спалюється 5 млрд. тонн вугілля та 3,2 млрд. тонн нафти, це супроводжується викидом в атмосфері 2 10 Дж теплоти. Запаси органічного палива на Землі розподілені вкрай нерівномірно, і за нинішніх темпів споживання вугілля вистачить на 150-200 років, нафти - на 40-50 років, а газу приблизно на 60 років. Весь цикл робіт, пов'язаних із видобутком, транспортуванням та спалюванням органічного палива (головним чином вугілля), а також із утворенням відходів, супроводжується виділенням великої кількості хімічних забруднювачів. Видобуток вугілля пов'язаний із чималим засоленням водних резервуарів, куди скидаються води з шахт. Крім цього, у воді, що відкачується, містяться ізотопи радію і радону. ТЕС, хоч і має сучасні системи очищення продуктів спалювання вугілля, викидає за рік в атмосферу за різними оцінками від 10 до 120 тис. тонн оксидів сірки, 2-20 тис. тонн оксидів азоту, 700-1500 тонн попелу (без очищення - 2 -3 рази більше) та виділяє 3-7 млн. тонн оксиду вуглецю. Крім того, утворюється понад 300 тис. тонн золи, що містить близько 400 тонн токсичних металів (миш'яку, кадмію, свинцю, ртуті). Можна відзначити, що ТЕС, яка працює на вугіллі, викидає в атмосферу більше радіоактивних речовин, ніж АЕС тієї ж потужності. Це з викидом різних радіоактивних елементів, які у куті як вкраплень (радій, торій, полоній та інших.). Для кількісної оцінки впливу радіації вводиться поняття «колективна доза», тобто. добуток значення дози на кількість населення, що зазнали впливу радіації (він виражається в людино-зиверт). Виявилося, що на початку 90-х років минулого століття щорічна колективна доза опромінення населення України за рахунок теплової енергетики становила 767 чол/н та за рахунок атомної – 188 чол/н.
Нині у повітря щорічно викидається 20-30 млрд. тонн оксиду вуглецю. Прогнози свідчать, що при збереженні таких темпів у майбутньому до середини століття середня температура на Землі може підвищитись на кілька градусів, що призведе до непередбачуваних глобальних кліматичних змін. Порівнюючи екологічну дію різних енергоджерел, необхідно врахувати їх вплив на здоров'я людини. Високий ризик для працівників у разі використання вугілля пов'язаний з його видобутком у шахтах та транспортуванням та з екологічним впливом продуктів його спалювання. Останні дві причини стосуються нафти та газу та впливають на все населення. Встановлено, що глобальний вплив викидів від спалювання вугілля та нафти на здоров'я людей діє приблизно так само, як аварія типу Чорнобильської, що повторюється щорічно. Це — «тихий Чорнобиль», наслідки якого є безпосередньо невидимими, але постійно впливають на екологію. Концентрація токсичних домішок у хімічних відходах стабільна, і врешті-решт вони перейдуть в екосферу, на відміну від радіоактивних відходів АЕС розпадаються.
Загалом реальний радіаційний вплив АЕС на довкілля набагато (в 10 і більше разів) менший від допустимого. Якщо зважити на екологічну дію різних енергоджерел на здоров'я людей, то серед відновлюваних джерел енергії ризик від нормально працюючих АЕС мінімальний як для працівників, діяльність яких пов'язана з різними етапами ядерного паливного циклу, так і для населення. Глобальний радіаційний внесок атомної енергетики на всіх етапах ядерного паливного циклу зараз становить близько 0,1% природного фону і не перевищить 1% навіть за інтенсивного її розвитку в майбутньому.
Видобуток та переробка уранових руд також пов'язані з несприятливою екологічною дією.
Колективна доза, отримана персоналом встановлення та населенням на всіх етапах видобутку урану та виготовлення палива для реакторів, становить 14% повної дози ядерного паливного циклу. Але головною проблемою залишається поховання високоактивних відходів. Обсяг особливо небезпечних радіоактивних відходів становить приблизно одну стотисячну частину загальної кількості відходів, серед яких є високотоксичні хімічні елементи та їх стійкі сполуки. Розробляються методи їхньої концентрації, надійного зв'язування та розміщення у стійких геологічних формаціях, де, за розрахунками фахівців, вони можуть утримуватися протягом тисячоліть. Серйозним недоліком атомної енергетики є радіоактивність палива, що використовується, і продуктів його поділу. Це вимагає створення захисту від різного типу радіоактивного випромінювання, що значно підвищує енергії, що виробляється АЕС. З іншого боку, ще одним недоліком АЕС є теплове забруднення води, тобто. її нагрівання.
Цікаво зазначити, що за даними групи англійських медиків, особи, які працювали протягом 1946—1988 років на підприємствах британської ядерної промисловості, живуть у середньому довше, а рівень смертності серед них від усіх причин, включаючи рак, значно нижчий. Якщо враховувати реальні рівні радіації та концентрації хімічних речовин у атмосфері, можна сказати, що останніх на флору загалом досить значний проти впливом радіації.
Наведені дані свідчать, що під час роботи енергетичних установок екологічне вплив атомної енергетики в десятки разів нижчий, ніж тепловий.
Невиправним злом для України залишається Чорнобильська трагедія. Але вона більше стосується того соціального устрою, що його породив, аніж атомної енергетики. Адже на жодній АЕС у світі, крім Чорнобильської, не було аварій, які безпосередньо призвели до загибелі людей.
Імовірнісний метод розрахунку безпеки АЕС загалом свідчить, що при виробленні однієї й тієї ж одиниці електроенергії, ймовірність великої аварії на АЕС у 100 разів нижча, ніж у разі вугільної енергетики. Висновки з такого порівняння є очевидними.
Зростання масштабів використання електричної енергії, загострення проблем охорони навколишнього природного середовища значно активізували пошуки екологічно чистих способів вироблення електроенергії. Інтенсивно розробляються способи використання непаливної відновлюваної енергії — сонячної, вітряної, геотермальної, енергії хвиль, припливів і відливів, енергії біогазу тощо.
Новітні дослідження спрямовані переважно вироблення електричної енергії з допомогою енергії вітру. Споруджуються ВЕС переважно постійного струму. Вітряне колесо рухає динамо-машину — електричного струму, який одночасно заряджає паралельно з'єднані акумулятори.
Сьогодні вітроелектричні агрегати надійно забезпечують струмом нафтовиків, вони успішно працюють у важкодоступних районах, на далеких островах, Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу великих населених пунктів та електростанцій загального користування.
Широкому застосуванню вітроелектричних агрегатів у звичайних умовах поки що перешкоджає їхня висока собівартість. При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії у вітряну погоду та нестачу її в період безвітря. Використання енергії вітру ускладнюється тим, що має малу щільність енергії, а також змінюється його сила та напрямок. Вітроустановки здебільшого використовують у тих місцях, де гарний вітровий режим. Для створення вітроустановок великої потужності необхідно, щоб мав більші розміри, крім того, повітряний гвинт треба підняти на висоту достатню, оскільки на більшій висоті вітер більш стійкий і має велику швидкість. Тільки одна електростанція, що працює на органічному паливі, може замінити (за кількістю виробленої енергії) тисячі вітрових турбін.
Повіками люди розмірковували над причиною морських припливів та відливів. Сьогодні ми достовірно знаємо, що могутнє природне явище – ритмічний рух морських вод – викликають сили тяжіння Місяця та Сонця. Енергія припливів величезна, її сумарна потужність Землі становить близько 1 млрд. кВт, що більше сумарної потужності всіх річок світу.
Принцип дії приливних електростанцій дуже простий. Під час припливу вода, обертаючи гідротурбіни, заповнює водойму, а після відливу вона з водоймища виходить в океан, знову обертаючи турбіни. Головне – знайти зручне місце для встановлення греблі, в якому висота припливу була б значною. Будівництво та експлуатація електростанцій – складне завдання. Морська вода викликає корозію більшості металів, деталі установок обростають водоростями.
Тепловий потік сонячного випромінювання, який сягає Землі, дуже великий. Він більш ніж 5000 разів перевищує сумарне використання всіх видів паливно-енергетичних ресурсів у світі.
Серед переваг сонячної енергії— її вічність та виняткова екологічна чистота. Сонячна енергія надходить на всю поверхню Землі, тільки полярні райони планети страждають від її нестачі. Тобто практично на всій земній кулі тільки хмари і ніч заважають користуватися нею постійно. Така загальнодоступність робить цей вид енергії неможливим для монополізації, на відміну від нафти та газу. Звичайно, вартість 1 кВт · год. сонячної енергії значно вища, ніж отримана традиційним методом. Лише п'ята частина сонячного світла перетворюється на електричний струм, але ця частка продовжує зростати завдяки зусиллям вчених та інженерів світу.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена великою площею (іншими словами, має низьку щільність), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збірний пристрій з достатньою поверхнею. Найпростіший пристрій такого роду - плоский колектор; в принципі, це чорна плита, добре ізольована знизу.
Існують електростанції дещо іншого типу, їхня відмінність полягає в тому, що сфокусоване на вершину вежі сонячне тепло призводить до руху натрієвий теплоносій, який нагріває воду до утворення пари. На думку фахівців, найбільш привабливою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту у напівпровідниках. Однак поверхня сонячних батарей для забезпечення достатньої потужності повинна бути досить значною (для добового вироблення 500 МВт-год. Необхідна поверхня площею 500 000 м 2), що досить дорого. Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії тягне за собою гігантське збільшення потреби в матеріалах, а отже, у трудових ресурсах для видобутку сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення. Ефективність сонячних електростанцій в районах, віддалених від екватора, досить мала через нестійкі атмосферні умови щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, а також її коливання, зумовлені чергуванням дня і ночі.
Геотермальна енергетика використовує високі температури глибоких надр земної кори для вироблення теплової енергії.
У деяких місцях Землі, особливо на краю тектонічних плит, теплота виходить на поверхню у вигляді гарячих джерел – гейзерів та вулканів. В інших областях підводні джерела протікають через гарячі підземні пласти і цю теплоту можна забрати через системи теплообміну. Ісландія є прикладом країни, де широко використовується геотермальна енергія.
Наразі розроблено технології, що дозволяють видобувати горючі гази з біологічної сировини в результаті хімічної реакції розпаду високомолекулярних сполук на низькомолекулярні за рахунок діяльності спеціальних бактерій (які беруть участь у реакції без доступу кисню повітря). Схема реакції: біомаса + бактерії -> горючі гази + інші гази + добрива.
Біомаса - це відходи сільськогосподарського виробництва (тварини, переробної промисловості).
Основною сировиною для біогазу є гній, який доставляють на біогазові станції. Головним продуктом біогазової станції є суміш горючих газів (90% суміші становить метан). Цю суміш поставляють на установки для вироблення тепла, електростанції.
Відновлювані джерела (крім енергії води) мають загальний недолік: їхня енергія дуже слабо сконцентрована, що створює чималі труднощі для практичного використання. Вартість відновлюваних джерел (без урахування ГЕС) набагато вища, ніж традиційних. Як сонячна, так і вітрова та інші види енергії можуть успішно використовуватися для вироблення електроенергії в діапазоні потужностей від кількох кіловат до десятків кіловат. Але ці види енергії цілком неперспективні для створення потужних промислових енергоджерел
