Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Понятие устойчивого развития включает в себя как обязательный компонент постепенный переход от энергетики, основанной на сжигании органического топлива (нефть, уголь, газ и др.), к нетрадиционной (альтернативной) энергетике, использующей возобновляемые экологически чистые источники энергии ¾ солнце, ветер, энергию биомассы, подземное тепло и др. (рис. 21.5).

Рис. 21.5. Классификация возобновляемых источников энергии
(Энергоактивные здания, 1988, с изм.)

В послании международной экологической организации Гринпис правительствам всех стран отмечается, что «правительства должны признать, что углеводородное топливо ¾ основная причина изменения климата и что единственной стабильной системой энергоснабжения, способной отвечать нашим энергетическим потребностям, может быть система, основанная на возобновляемых источниках энергии».

Основные преимущества возобновляемых источников энергии хорошо известны: практическая неисчерпаемость запасов (рис. 21.5) и относительная экологическая безвредность, в связи с отсутствием побочных эффектов, загрязняющих природную среду. Сдерживает их развитие недостаточный на сегодняшний день технический уровень индустриальных методов использования.

В жилищно-строительной сфере, как и во всех других видах человеческой деятельности, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии получило широкое развитие.

Энергия Солнца. В современной мировой практике энергоснабжения излучение Солнца ¾ возможно, главный нетрадиционный источник энергии. Появилась новая отрасль энергетики ¾ гелиоэнергетика, созданы специальные энергетические установки ¾ гелиосистемы.

«Ливень» солнечной энергии неисчерпаем. Лишь незначительная часть излучения Солнца (0,02%) попадает в биосферу Земли, но и этого количества энергии достаточно, чтобы в тысячи раз перекрыть общую мощность всех электростанций мира.

К недостаткам солнечной энергии относят дискретность (прерывистость) ее поступления на поверхность Земли (по часам суток, времени года, географическим поясам) и зависимость от метеорологических условий. Например, в России специалисты рекомендуют размещать гелиополигоны южнее 55° с. ш. В связи с этим многие зарубежные ученые работают над проблемой выноса гелиосистем на околоземную орбиту. Предполагается строительство в Европе 40 спутниковых солнечных электростанций, способных обеспечить около 20% потребности в электроэнергии. Однако не исключено, что солнечные электростанции могут причинить ущерб окружающей среде в процессе передачи энергии на Землю (А. И. Мелуа и др., 1988).

Существует два основных направления использования солнечной энергии: выработка электрической энергии и получение тепловой энергии (теплоснабжение). Применение солнечных электрогенераторов находится все еще в начальной стадии, зато использование солнечного теплоснабжения для обогрева жилых зданий занимает в мировой практике уже значительное место.

Так, в США в 1977 г. насчитывалось около 1000 солнечных домов, в 90-е гг. число их превысило 15 тыс. Солнечные установки для подогрева воды имеют 90% домов на Кипре и 70% в Израиле. Только за последние 15 лет в Японии построены сотни тысяч зданий с солнечным подогревом, что позволило резко уменьшить выбросы в атмосферу диоксида углерода и других парниковых газов.

Солнечная энергетика в России развита совершенно недостаточно, хотя половина ее территории находится в благоприятных для использования солнечной энергии условиях ¾ в год ее поступает не менее 100 кВт ч/м², а в таких районах, как Дагестан, Бурятия, Приморье, Астраханская область и др. ¾ до 200 кВт ч/м² (Стребков, 1993).

Солнечная энергия очень удобна для энергоснабжения зданий. Как показали экспериментальные исследования, только за счет энергии солнечных лучей, падающих на ограждающие конструкции зданий, можно полностью решить энергетические проблемы, связанные с их обогревом, горячим водоснабжением и др.

Существует три вида гелиосистем, служащих для удовлетворения тепловых нужд здания: пассивные, активные и смешанные (Швецов, 1994).

В пассивных гелиосистемах само здание служит приемником и преобразователем солнечной энергии, а распределение тепла осуществляется за счет конвенции.

Основным элементом более дорогостоящей активной гелиосистемы является коллектор ¾ приемник солнечной энергии, где солнечный свет преобразуется в тепло. Гелиоколлектор представляет собой теплоизолированный ящик: видимый свет от солнца проходит сквозь прозрачное покрытие (стекло или пленку), попадает на зачерненную панель и нагревает ее. При специальной конструкции коллектора внутри его достигается очень высокая температура, позволяющая успешно осуществлять горячее водоснабжение.

Оценивая эффективность применения солнечного теплоснабжения в нашей стране, Н. Пинигин и А. Александров (1990) показали, что использование солнечных установок в режиме круглогодичного горячего водоснабжения зданий экономически целесообразно практически для всей южной части Российской Федерации.

В последние годы созданы установки с сезонным аккумулированием тепла, что позволяет даже в условиях Сибири сохранить до 30% топливных ресурсов и использовать их для обогрева небольших домов в зимний период. Необходимы дальнейшие поиски использования солнечной энергии не только в южных, но и в северных районах России, особенно учитывая, что в Норвегии и Финляндии такой опыт уже имеется.

Использование солнечной энергии в жилищно-строительной сфере не ограничивается только теплоснабжением жилых зданий. Так, АО «ПИ-2» разработало серию проектов гелиополигонов (стационарных и мобильных, сезонных и круглогодичного действия), в которых впервые в мире для термовлажностной обработки сборных железобетонных конструкций и изделий была использована солнечная энергия без промежуточных превращений (Великолепов, 1995) (рис. 21.6). После укладки гелиопокрытия (СВИТАП) железобетонное изделие превращается в аккумулятор тепла, после чего начинает действовать другой источник тепла ¾ экзотермия цемента.

Рис. 21.6. Общий вид и технологическая схема гелиополигона круглогодичного действия:
1 ¾ гелиокамеры; 2 ¾ форма на колесах; 3 ¾ СВИТАП; 4 ¾ запирающий щит;
5 ¾ инфракрасные излучатели; 6 ¾ механизм передвижения форм; 7 ¾ производственный корпус с БСЦ;
8 ¾ бетоновозная эстакада; 9 ¾ склад арматурных каркасов; 10 ¾ бетоноукладчик;
11 ¾ склад готовой продукции с зоной дозревания; 12 ¾ козловой кран

Строительство таких гелиополигонов позволяет: сократить объемы строительно-монтажных работ, повысить долговечность и качество изделия, снизить его стоимость, отказаться от котельной, теплотрасс, пропарочных камер, уменьшить нагрузку на окружающую среду и, главное, экономить условное топливо. По мнению авторов проекта, необходимо пересмотреть способы производства сборного железобетона и создать условия для широкого внедрения энергосберегающих технологий, использующих солнечную энергию.

В заключение приведем высказывание лауреата Нобелевской премии Жореса Алферова (2001) по поводу использования солнечной энергии: «Солнце ¾ это термоядерный реактор, который работает миллионы лет надежно и безопасно. И задача преобразования солнечной энергии в электрическую будет решена. Может быть, даже в нашем ХХI веке. Академик Иоффе мечтал о солнечной энергетике и ее широком применении, когда КПД солнечных преобразований равнялся 0,1%. Сегодня КПД солнечных преобразований на гетероструктурах достиг 35%. Да, это по-прежнему дороже, чем атомная энергетика. Но дороже не на порядок, а лишь в несколько раз. И хочется верить, что лет через пятнадцать - двадцать солнечная энергетика будет сравнима или даже обойдет другие виды».

Завораживающей сознание выглядит идея, предложенная японскими специалистами, о строительстве единой для всей планеты гигантской солнечной электростанции где-нибудь в Сахаре или пустынях Австралии. Для этой станции потребовалась бы площадь, эквивалентная квадрату со стороной 800 км. Но уже сейчас суммарная площадь солнечных отражателей, используемых в мировой практике, превышает 6 млрд м² (США ¾ 1,8 млрд м², Япония ¾ 1,3 млрд м² и т. д.).

Энергия ветра. Направление энергетики, связанное с ветровой энергией, называют ветроэнергетикой, а здания, в которых энергия ветра преобразуется в электрическую, тепловую и другие виды энергии, ¾ ветроэнергоактивными.

Ветроэнергетика становится рентабельной при средних скоростях ветра от 3 до 10 м/с при повторяемости около 60-90% и, следовательно, может использоваться лишь в районах с постоянным ветром (Крайний Север, побережье Охотского моря, Камчатка, Курилы, Прикаспийская низменность и др.).

В ветроэнергоактивном здании энергия ветра преобразуется с помощью ветрового колеса, размещенного в здании. Основным рабочим органом является ротор, который вращает генератор.

По А. Н. Тетиору (1991), важной экологической проблемой является защита здания и жителей от механических колебаний, генерируемых ветроустановкой. Применение различных способов виброизоляции, включая размещение ветроэнергетических установок вне жилых зданий, приводит к удорожанию их строительства. Значительным недостатком ветроэлектростанции является также генерация ими инфразвукового шума.

И, тем не менее, ветроэнергетика имеет большое будущее. За последние 20 лет она прошла путь от небольших агрегатов до современной многомиллиардной отрасли, обеспечивающей большое количество энергосистем. В 2001 г. ветротурбины, мощность которых составляла 14 000 МВт, генерировали «чистую» электроэнергию в более чем 30 странах мира. Только в США работает 9000 ветровых электроустановок, в Дании ¾ 1500. По данным Европейской ассоциации ветровой энергии, к 2020 г. ветровые электростанции обеспечат 10% мировой потребности в электроэнергии.

Геотермальная энергия. На территории СНГ запасы еще одного нетрадиционного источника энергии ¾ геотермального тепла, оцениваются в десятки миллионов тонн условного топлива. Идея использования тепла Земли как альтернативного энергоресурса не нова. Еще в 20-е гг. ХХ в. К. Э. Циолковский и В. А. Обручев считали возможным использование геотермального тепла. К началу ХХI в. мощность энергии геотермальных систем в мире превысила 16 млн кВт ч, что достаточно для обогрева многих тысяч квартир. Исландия полностью отказалась от использования органического топлива, и широко использует геотермальные воды.

Наиболее экономически выгодный вариант использования геотермального тепла ¾ строительство ГЭС с использованием водяного пара (температурой 200-400 °С). К сожалению, месторождения термального пара в России, да и в мире, редки, поэтому основное применение находят геотермальные (теплоэнергетичекие) воды с температурой до 200 °С, выходящие на поверхность земли в виде источников. Достаточно упомянуть в связи с этим Паужетскую гидротермальную станцию, построенную в 1967 г. на Камчатке.

Перспективным направлением в энергосбережении специалисты считают извлечение тепловой энергии из водонасыщенных пластов, залегающих на глубинах 2-3 км и имеющих температуру 150-200 °С. На выбранной площадке бурятся вертикальные и наклонные нагнетательные скважины, по которым закачивается теплоноситель, который прогревается горячими породами, а затем откачивается. Подобная теплоэнергетическая система называется циркуляционной и ее применение вполне целесообразно во многих районах СНГ (Северный Кавказ, Крым, Армения, Закарпатье и др.). Первая в России термоциркуляционная система действовала в г. Грозном, где вода после использования в теплицах нагнеталась на глубину 1 км, там она вновь нагревалась.

Энергия биомассы. Биомасса ¾ это выраженное в единицах массы количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема. В процессе переработки она преобразуется в органические отходы и биогаз.

В настоящее время биомасса широко используется в качестве топлива, что является результатом постоянных усилий ученых и специалистов по созданию экологически чистой энергии и предотвращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

В энергетических целях биомассу либо сжигают, используя теплоту сгорания (в этом случае продукты пиролиза могут загрязнять атмосферу), либо перерабатывают путем анаэробного сбраживания с целью получения биогаза (рис. 21.7). Биогаз, состоящий на 60-70% из метана и на 20-40% из углекислого газа, получают в специальных установках, основной частью которых является реактор (метантенк), т. е. бродильная камера, в которую загружают биомассу.

Рис. 21.7. Принципиальная схема переработки ТБО методом
анаэробного компостирования для получения биогаза:
1 ¾ приемный бункер; 2 ¾ мостовой грейферный кран; 3 ¾ дробилка; 4 ¾ магнитный сепаратор;
5 ¾ насос-смеситель; 6 ¾ метантенк; 7 ¾ шнековый пресс; 8 ¾ рыхлитель; 9 ¾ емкость для сбора
отжима; 10 ¾ цилиндрический грохот; 11 ¾ упаковочная машина; 12 ¾ крупный отсев;
13 ¾ склад удобрений; 14 ¾ газголдер; 15 ¾ компрессор; 16 ¾ уравнительная касера; I ¾ направление
движения отходов; II ¾ направление движения биогаза

Материалом для переработки на биогазовых установках служат твердые бытовые отходы, навоз, отходы деревообработки (кора, опилки, стружки), осадки биологических очистных устройств и др.

С экологической точки зрения укажем на некоторые отличительные особенности использования этого энергетического направления:

1) биотехнологическая трансформация биомассы в энергию считается абсолютно безвредной;

2) в отличие от традиционных источников энергии данный метод не загрязняет окружающую среду;

3) вырабатывается не только энергия, но и одновременно природная среда очищается (освобождается) от продуктов жизнедеятельности и других отходов.

После очищения от углекислого газа и сероводорода биогаз сжигают и используют в стандартных водонагревателях, газовых плитах, горелках и других приборах.

В строительной сфере биогаз, как показывает мировой опыт, широко используется как источник экологически чистой энергии при производстве многих строительных материалов: гипса, стекла, керамзита и др. Доказано также, что при сухом способе производства цемента экологически и экономически выгоднее во вращающихся обжиговых печах использовать не традиционные источники энергии, а биогаз.

К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии относят также энергию приливов, энергию ветровых волн, тепловые насосы, энергию температурных колебаний различных слоев морской воды и т. д.

Перспективным методом использования нетрадиционных источников энергии считается объединение ряда зданий в единую энергосистему в виде гелио- и ветрогелиокомплексов, а также ветроэнергоактивных комплексов, дополненных тепловыми насосами для трех сред (Селиванов, 1993). Эксплуатация подобных жилищно-энергетических комплексов позволит не только экономить невозобновляемые источники энергии, но и исключить или свести к минимуму вредное воздействие энергетики на окружающую среду.