Использование возобновляемых источников энергии

Гидроэнергетика.Гидроэлектростанции традиционно считались сравнительно дешевыми и экологически чистыми источниками энергии. Под влиянием этой иллюзии были созданы Братская, Красноярская, Енисейская и другие ГЭС. Сейчас доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии составляет 6 %. Сегодня ГЭС и создаваемые при их строительстве водохранилища – это наиболее крупные техногенные объекты, расположенные в густо­населенных районах страны. Площадь Самарского водохранили­ща составляет 6450 км², Братского – 5470 км² (соизмерима с площа­дью, например, Телецкого озера в Горном Алтае), Рыбинского – 4550 км², Волгоградского – 3120 км² и т.д.

Регулирование рек в своё время позволило направить воду на орошаемые поля, заводы, электростанции. Гидроузлы ликвидировали во многих районах опасность весенних наводнений. Однако, на сегодняшний день состояние гидротехнических сооружений близко к нормативному износу, что приводит к ситуации постоянной катастрофической угрозы. При строительстве водохранилищ было изъято из пользования много миллионов гектаров пашни, лесов, лучших заливных лугов, а также затопили дороги, селения, памятники культуры, месторождения полезных ископаемых и другие ценные объекты. Просачиваясь в грунт, во­да подтапливает и заболачивает обширные территории, изменяя их ландшафт и микроклимат. Только в европейской части России под водохранилища отдано около 18 % посевных площадей.

Горький опыт показывает, что у плотин ГЭС гибнет в огром­ных количествах животный и растительный мир рек. «Живая во­да» верхнего бьефа водохранилищ становится «мертвой» в ниж­нем бьефе. Многолетние наблюдения говорят о том, что количе­ство рыбы, уничтожаемой на водозаборах ГЭС, многократно превышает то, что дают все рыбные предприятия страны.

Подготовка ложа водохранилищ всегда велась с нарушением требований экологии. По «экономическим» соображениям пол­ная вырубка лесов ложа была «нецелесообразна» и к тому же отодвигала сроки ввода ГЭС на несколько лет. Только при строительстве Усть-Илимской ГЭС под водой оказалось более 20 млн.м³ древесины. После нескольких лет эксплуатации приходится расплачи­ваться за «экономию»: лес гниет, водоемы становятся непригод­ными для всего живого и для судоходства (из-за появления бревен на поверхности).

При строительстве водохранилищ не были учтены факторы накопления донных отложений, которые с учётом восстановительной среды в них за время своего существования накопили огромного количество токсикантов. Огромные зеркала поверхностей водохранилищ с колоссальным испарением влаги приводят к изменению климата.

Ветроэнергетика.Ветроэнергетика – преобразование энергии ветра во враща­тельное движение лопастного колеса, в колебания, воспринимае­мые пьезоэлектрическими преобразователями, или в поступа­тельное движение объекта с помощью ветродвижителей (парусов, роторов). Коэффициент полезного действия ветроустановок дос­тигает 0,25-0,5, что делает их весьма перспективными для ис­пользования.

Основной элемент ветроустановок – колесо. Используются самые различные типы колес для ветроустановок с горизонталь­ным или вертикальным расположением оси.

Запасы энергии ветра на Земле невероятно велики и по неко­торым оценкам превышают 80 трлн.кВт-ч в слое воздуха толщи­ной до 500 м. Ветроустановки – старая технология для челове­чества. Совсем недавно ветряные мельницы были привычным элементом пейзажа в любой стране. Например, в России в XIX в. было 250 тыс. ветряных мельниц, которые вырабатывали около 1500 МВт энергии.

Интересно отметить, что над территорией России сосредото­чена значительная часть мировых ветровых ресурсов. Наиболее перспективные регионы по ветроэнергетике находятся на Севере и в Поволжье.

Если для первого этапа освоения ветроресурсов взять только нижний 200-метровый слой и разместить ВЭУ общей мощностью 3-5 млрд. кВт (одна установка на 200 км²), то за год можно выра­ботать 10 трлн. кВт-ч электроэнергии, что в 5 раз больше гидро­энергетического потенциала страны. Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать изменчивостью ветра в пространстве. Если объе­динить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет практически постоянной. В отличие от рек, пото­ки воздуха не знают «засух» и способны гарантировать надежное энергоснабжение.

Хотя ВЭС принято считать экологически безопасными, одна­ко их эксплуатация выявила ряд отрицательных факторов. При работе они генерируют интенсивный инфразвук, который вызы­вает у людей угнетенное состояние, чувство беспокойства и дис­комфорта. Исследователи из США установили, что инфразвук от ВЭС не выдерживают ни животные, ни птицы. Таким образом, территория, где размещены ВЭУ, становится непригодной для использования в качестве среды обитания.

Биологическая энергетика.Биоэнергетика основана на получении биомассы, которая не­посредственно или после соответствующей переработки исполь­зуется в качестве топлива. В основе всех вариантов энергетиче­ского использования биомассы лежит явление фотосинтеза, так как под воздействием солнечной энергии все фотосинтезирующие организмы включаются в планетарный круговорот углерода. Поэтому получение энергии в результате использования биомас­сы практически не зависит от того, где добывается биомасса: на суше или в воде. Выделяют три направления получения тепловой энергии с помощью биомассы:

- непосредственно сжигание ее;

- брожение биомассы;

- использование таких энергоносителей, как биогаз или спирты, извлекаемые в процессе образования биомассы.

Геотермальная энергетика.Среди возобновляемых энергетических источников одним из наиболее перспективных и экологически безопасных представля­ется геотермальная энергия, получаемая за счет использования природного тепла земных недр. Несмотря на постоянные потери теплоты, Земля остывает очень медленно, ее недра будут оста­ваться горячими еще миллиарды лет, так как ядро Земли является источником энергии. Подсчитано, что на глубине до 5 км количе­ство сосредоточенной теплоты многократно превышает энергию, заключенную во всех видах ископаемых энергоресурсов. Глубин­ное тепло можно использовать для выработки электроэнергии, отопления, горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий, разнообразных технологических нужд.

Различают геотермальные источники с естественными и ис­кусственными теплоносителями. В первом случае в качестве ра­бочего тела в энергетических установках используют термальные воды или пароводяные смеси естественного проис­хождения. Потенциальные ресурсы естественных геотермальных источников на территории России эквивалентны 100 млн т ус­ловного топлива в год. Наиболее мощные естественные аккуму­ляторы тепловой энергии находятся на Камчатке, Сахалине и Курильских островах. Подсчитано, что их потенциал составля­ет 2 тыс. МВт, т.е. эквивалентен годовой экономии 4 млн.т услов­ного топлива.

На Камчатке, у реки Паужетки, на базе горячих подземных источников построена и эксплуатируется геотермальная электро­станция (геоТЭС) мощностью 5 МВт.

Чаще используют термальные воды неглубокого залегания с температурой 50-100 °С. Так, скважина с суточным дебетом 1500 м³ термальной воды с температурой 60 °С, обеспечивает нужды в го­рячей воде поселка с населением 14 тыс. жителей. В северных широтах подземные термальные воды используются для отопле­ния жилищ, для лечебных целей, для выращивания овощей и да­же фруктов в специальных оранжереях.

В искусственных геотермальных источниках в качестве рабо­чего тела применяют жидкость или газ, которые по пробуренным скважинам циркулируют в толще горных пород, имеющих высо­кие температуры.

Гелиоэнергетика.При получении энергии от Солнца путем преобразования ее в другие виды энергии принято выделять наземную и космическую гелиоэнергетику.

Как известно, основным источником всех процессов, происхо­дящих в биосфере, является солнечная энергия, падающая на гори­зонтальную поверхность Земли со средней плотностью 1,36 кВт/м². Использование лишь 0,01 % общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить мировые потребности в энергии. Подсчитано, что за год от Солнца на Землю поступает в 10 раз больше энергии, чем ее запасено во всех разведанных ископаемых энергоносителях.

Солнечная энергия, приходящая к Земле, перераспределяет­ся по двум каналам: отражается в Космос и преобразуется в гео­сферах Земли. Преобразованная в геосферах Земли солнечная энергия аккумулируется в виде невозобновляемых источников (ископаемые энергоносители) или возобновляемых (растения, ветер, волны и т.д.).

Энергию Солнца преобразуют в тепловую с помощью солнечных коллекторов, которые нагревает тот или иной теплоноситель. В таких гелиоконденсаторных ус­тановках солнечная энергия с помощью отражателей фокусиру­ется на тепловоспринимающую поверхность солнечного коллек­тора. Далее теплоноситель идет на отопление жилых и промыш­ленных зданий или поступает в паровую турбину. Первая солнечная электростанция в СССР мощностью 5 МВт была по­строена в Крыму.

По оценкам специалистов, гелиоконденсаторные установки могут сыграть очень важную роль в решении локальных проблем некоторых пустынных районов мира и, возможно, даже некото­рых южных стран в целом. Однако значительный вклад гелиоконденсаторных установок в мировую энергетику невозможен из-за рассеянности солнечной энергии и необходимости сооружения колоссальных по площади и расходу конструкционных материа­лов фокусирующих отражателей. Такие отражатели занимают бо­лее 10 % площади, занимаемой гелиоконденсаторной станцией, что приводит к изменению коэффициента отражения земной по­верхности и, как следствие этого, к нарушению теплового баланса региона. Компенсировать это явление можно, разместив на тер­ритории станции пассивные отражатели.

Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи (СБ). В качестве элементов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяют фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия.

Фотоэлектростанции (ФС) используются в Калифорнии для превращения солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пи­ковыми нагрузками, возни­кающими в летние месяцы, когда усиленно работают установки кондиционирования воздуха. Преобразование солнечной энергии в излучение оптического диапазона предполагает ее концентрацию и передачу по светопроводящим каналам к потребителю.

Морская энергетика.Морская энергетика базируется на использовании энергии волн, возникающих на поверхности акваторий, морских течений и приливов, а также разности температур и солености в различ­ных слоях морской воды.

Волновая энергетика. Волны – непременное явление на по­верхности любого водоема. Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд.кВт, что составляет около 30 % потребляе­мой в мире энергии. Целесообразность размещения волновых электростанций (ВЭС) определяется региональными особенно­стями и, прежде всего плотностью приходящей энергии, т.е. ее зна­чением на единицу длины волнового фронта. Функциональный принцип работы ВЭС состоит в преобразо­вании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пуль­саций и пульсаций в однонаправленное усилие, которое в даль­нейшем приводит во вращение вал электродвигателя.

Энергетика течений. Одним из перспективных направлений развития морской энергетики является создание гидроэлектростанций, использующих энергию океанских течений (Гольфст­рима, Куросио и т.д.)

Преобразователи энергии океанских течений в зависимости от принципа действия подразделяют на водяные и объемные на­сосы. К первым относят обычное лопастное колесо и различные его модификации: ленточное колесо, оснащенное жесткими ло­пастями или устройствами типа парашютов, которые автоматиче­ски раскрываются при движении по потоку.

Преобразователи второго типа представляют сопло Вентури, критическое сечение и срез расширяющейся части, сопла кото­рого соединены с атмосферой трубками. В критическом сечении сопла жидкость движется со скоростью, большей скорости входя­щего потока, это создает пониженное давление, вследствие чего воздух засасывается из атмосферы. При выходе из расширяющей­ся части сопла сжатый воздух поступает в напорную трубку, в ко­торой расположена пневмотурбина. При недостаточном заглублении преобразователей возможно изменение температуры воды вследствие торможения потока и турбулентного перемешивания воды, что может отрицательно сказаться на обитателях поверхностных слоев океана

Приливная энергетика. Причиной колебаний уровня Мирового океана является приливообразующая сила, возникающая при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. Приливообразующая сила Луны в данной точке земной поверх­ности определяется как разность местной силы притяжения Луны и центробежной силы от вращения системы Земля-Луна вокруг общего центра тяжести.

Использование разности температур различных слоев морской воды. Средняя разность температур по Мировому океану на глу­бине 400 м и на поверхности составляет 12 °С. Кроме слоев воды существуют перепады температур между поверхностными слоями воздуха, а также между составляющими дно породами и придон­ными водами. Для преобразования энергии, обусловленной перепадом тем­ператур, используют системы, построенные:

- по открытому принципу и одноконтурной схеме, когда в качестве рабочего тела применяется морская вода;

- по закрытому принципу и двухконтурной схеме, когда при­меняется промежуточное рабочее тело (фреоны, аммиак, пропан и т.п.).

Использование градиента солености. В настоящее время про­веден широкий круг теоретических исследований и опытно-конструкторских работ, которые подтвердили возможность соз­дания энергетики, основанной на перепадах солености. Вопрос практического ис­пользования этих систем не до конца изучен.

Водородная энергетика– получение водорода как энергоно­сителя с помощью термохимических и электролитических мето­дов, а также биологических процессов. Теплотворная способность водорода как перспективного энергоносителя в 3 раза выше, чем углеводородных топлив. Водо­род – экологически чистое топливо, в отличие от традиционных видов природного топлива. При сжигании водород превращается в водя­ной пар. Единственными вредными соединениями в этих условиях могут стать окислы азота, которые образуются из-за окисления атмосферного азота при особо высоких температурах горения. Это негативное явление удается сравнительно легко локализовать некоторыми катализаторами. Водород пригоден для использова­ния в качестве не только горючего, но и универсального аккуму­лятора энергии.