Глобальные проблемы современной электроэнергетики

В настоящее время основными  источниками энергии являются углеводороды и урановые руды. Их мировые запасы примерно уже известны, и, даже по самым  оптимистическим оценкам, вряд ли разведка даст увеличение их объемов в разы. Поскольку известен и уровень  потребления этих ресурсов, то уже  подсчитан и срок, после которого они будут полностью исчерпаны. Очевидно, что никакой режим экономии невозобновляемых источников энергии  не в состоянии исключить того момента в будущем, когда они  будут полностью исчерпаны. Ситуация усугубляется при этом еще несколькими  факторами.

Во-первых, экспоненциальным ростом промышленного  производства. Так, в прошлом столетии совокупный объем промышленного  производства в мире увеличивался в  среднем каждые 20 лет. Если эта тенденция  сохранится в ХХI в., то через 20 лет  потребность в энергоресурсах вырастет в 2 раза, через 40 лет - в 4, к концу  ХХI в. - в 32, к концу ХХII в. - в 1024 раза. А поскольку даже при сохранении потребления ресурсов на сегодняшнем  уровне их хватит не более чем на несколько десятков лет, то прирост  промышленности катастрофически ускоряет приближение всемирной ресурсной  катастрофы.

Однако  главная проблема современной энергетики в настоящий момент — не только истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка.

Самые острые экологические проблемы (изменение  климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо  или косвенно связаны с производством, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем.

 

Российские проблемы

 

Ключевой  проблемой экономики России является необходимость повышения энергоэффективности. Удельная энергоемкость промышленного  и сельскохозяйственного производства в 3,5 - 4,0 раза выше, чем в развитых странах мира. Это обусловлено  тем, что энергетический сектор экономики  сложился во второй половине прошлого века в условиях, совершенно отличных от современных. Решение проблемы –  сложная, многофакторная задача от банальной экономии энергии до решения фундаментальных и прикладных научных проблем.

2. Пути решения

 

Несомненно, что  в  ближайшей  перспективе  тепловая энергетика  будет  оставаться преобладающей  в энергетическом балансе мира  и  отдельных  стран. Велика вероятность увеличения  доли  углей  и  других  видов  менее  чистого топлива в получении энергии.  В  этой  связи  рассмотрим  некоторые  пути  и способы их использования, позволяющие  существенно  уменьшать  отрицательное воздействие   на   среду.   Эти   способы   базируются   в    основном    на совершенствовании  технологий  подготовки  топлива  и  улавливания   вредных отходов. В их числе можно назвать следующие.

    1. Использование и совершенствование  очистных  устройств.  В  настоящее время на многих ТЭС  улавливаются  в  основном  твердые  выбросы  с  помощью различного вида фильтров.  Наиболее  агрессивный  загрязнитель  -  сернистый ангидрид на многих ТЭС  не  улавливается  или  улавливается  в  ограниченном количестве.  В  то  же  время  имеются  ТЭС  (США,   Япония),   на   которых производится практически полная очистка от данного загрязнителя, а также  от окислов  азота  и  других  вредных  полютантов.   Для   этого   используются специальные десульфурационные (для улавливания диоксида и триоксида серы)  и денитрификационные  (для улавливания окислов азота)  установки.  Наиболее широко  улавливание  окислов  серы  и   азота   осуществляется   посредством пропускания  дымовых  газов  через  раствор  аммиака.  Конечными  продуктами такого процесса являются аммиачная  селитра,  используемая  как  минеральное удобрение,   или   раствор   сульфита   натрия   (сырье    для    химической

промышленности). Такими установками  улавливается  до  96%  окислов  серы  и более 80% оксидов азота. Существуют и другие  методы  очистки  от  названных газов.

    2. Уменьшение  поступления   соединений  серы  в  атмосферу   посредством предварительного обессеривания (десульфурации) углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами.  Этими методами удается извлечь из топлива  от  50  до  70%  серы  до  момента  его

сжигания.

   3. Большие и реальные возможности уменьшения  или стабилизации поступления  загрязнений  в  среду  связаны  с   экономией   электроэнергии.

Особенно велики такие возможности  для России за счет снижения  энергоемкости получаемых  изделий.  Например,  в  США  на  единицу  получаемой   продукции расходовалось в среднем в 2 раза  меньше  энергии,  чем  в  бывшем  СССР.  В Японии такой расход был меньшим  в  три  раза.  Не  менее  реальна  экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения  ее  качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно  энергосбережение за счет  перехода  на  наукоемкие  технологии,  связанные  с  использованием

компьютерных и других устройств.

    4.  Не  менее  значимы   возможности  экономии  энергии   в  быту  и   на

производстве  за  счет  совершенствования   изоляционных   свойств   зданий.

Реальную экономию энергии дает  замена  ламп  накаливания  с  КПД  около  5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше.

    Крайне расточительно  использование электрической энергии  для  получения тепла. Важно иметь в  виду,  что  получение  электрической  энергии  на  ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС - не менее  70% энергии. Энергия теряется также при передаче ее по проводам  на  расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа,  намного рациональнее, чем через превращение его в электричество,  а  затем  вновь  в тепло.

    5. Заметно повышается  также КПД топлива при  его   использовании  вместо ТЭС на ТЭЦ. В последнем случае  объекты  получения  энергии  приближаются  к местам ее потребления и тем самым уменьшаются потери, связанные с  передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется  тепло,  которое улавливается   охлаждающими   агентами.   При   этом   заметно   сокращается вероятность  теплового  загрязнения  водной   среды.   Наиболее   экономично получение  энергии  на  небольших  установках   типа   ТЭЦ   (иогенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае  потери  тепловой  и  электрической энергии снижаются до минимума. Такие способы  в  отдельных  странах  находят все большее применение.

 

3. Альтернативные источники получения энергии

 

    Основные современные  источники получения энергии  (особенно  ископаемое топливо) можно рассматривать  в  качестве  средства  решения  энергетических проблем на ближайшую перспективу. Это связано с их исчерпанием и  неизбежным загрязнением  среды.  В  этой  связи  важно  познакомиться  с  возможностям использования  новых  источников  энергии,  которые  позволили  бы  заменить существующие. К таким  источникам  относится  энергия  солнца,  ветра,  вод, термоядерного синтеза и других источников.

 

3. Солнце как источник электрической энергии

 

    Преобразование солнечной  энергии в электрическую  возможно  посредством использования фотоэлементов, в  которых  солнечная  энергия  индуцируется  в электрический ток безо  всяких  дополнительных  устройств.  Хотя  КПД  таких устройств невелик,  но  они  выгодны  медленной  изнашиваемостью  вследствие отсутствия  каких-либо  подвижных  частей.  Основные  трудности   применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и занятием  больших  территорий  для размещения. Проблема в какой-то мере решаема за  счет  замены  металлических фотопреобразователей энергии эластичными синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей  в  космическое пространство и т. п.

    В тех случаях, когда  требуется получение небольшого  количества энергии, использование   фотоэлементов   уже   в   настоящее    время    экономически целесообразно. Б. Небел в качестве примеров  такого  использования называет калькуляторы, телефоны,  телевизоры,  кондиционеры,  маяки,  буи,  небольшие оросительные системы и т. п.

    В странах с большим   количеством  солнечной  радиации  имеются  проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например  сельского,  за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия,  особенно  с  учетом ее высокой экологичности,  по  стоимости оказывается более выгодной,  чем энергия, получаемая традиционными методами.

    Солнечные станции подкупают  также возможностью быстрого  ввода в строй и наращивания их  мощности  в  процессе  эксплуатации  простым присоединением дополнительных батарей-солнцеприемников. В Калифорнии построена гелиостанция, мощность которой достаточна для обеспечения электроэнергией 2400 домов.

    Второй путь преобразования  солнечной энергии в электрическую  связан  с превращением воды в пар, который  приводит  в  движение турбогенераторы.  В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни  с большим  количеством  линз,  концентрирующих   солнечные   лучи,   а   также специальные солнечные пруды. Сущность последних заключается в том,  что  они состоят из  двух  слоев  воды:  нижнего  с  высокой  концентрацией  солей  и верхнего,  представленного  прозрачной  пресной   водой.   Роль   материала, накапливающего   энергию,   выполняет   солевой   раствор.   Нагретая   вода используется для обогрева или  превращения  в  пар  жидкостей,  кипящих  при невысоких температурах.

    Солнечная энергия в  ряде случаев перспективна также   для  получения  из воды водорода, который  называют  «топливом  будущего».  Разложение воды  и высвобождение  водорода  осуществляется   в   процессе   пропускания   между электродами электрического тока, полученного на  гелеустановках.  Недостатки таких установок пока  связаны  с  невысоким  КПД  (энергия,  содержащаяся  в водороде, лишь на 20% превышает ту, которая затрачена на электролиз воды)  и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости  для хранения.

 

 

 

 

3. Ветер как источник энергии

    Ветер, как и движущаяся  вода, являются  наиболее  древними  источниками энергии. В течение нескольких  столетий  эти  источники  использовались  как механические на мельницах,  пилорамах,  в  системах  подачи  воды  к  местам потребления и т. п. Они же  использовались  и  для  получения  электрической энергии, хотя доля ветра в этом отношении оставалась крайне незначительной.

    Интерес к использованию  ветра для получения электроэнергии  оживился  в последние годы.  К  настоящему  времени  испытаны  ветродвигатели  различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией  местные потребности. Оправдано использование ветротурбин для обслуживания  отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств и  т.  п.).  Вместе  с  тем стало очевидным, что гигантские  ветроустановки  пока  не  оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого  выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин,  объединяемых в одну систему.

    В США сооружена ветроэлектростанция на базе объединения большого  числа мелких ветротурбин мощностью около 1500  МВт (примерно  1,5  АЭС).  Широко ведутся работы по использованию энергии ветра в Канаде, Нидерландах,  Дании, Швеции, Германии и других странах. Кроме неисчерпаемости ресурса  и  высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин  относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2-3 раза ниже, чем  на  ТЭС и АЭС.

 

3. Возможности использования нетрадиционных гидроресурсов

    Гидроресурсы  продолжают  оставаться  важным  потенциальным источником энергии  при  условии  использования  более  экологичных,  чем современные, методов  ее  получения.  Например,     крайне   недостаточно   используются энергетические ресурсы сред-; них и малых рек (длина от  10  до  200  км). Только в России таких рек имеется более 150 тысяч. В прошлом именно малые  и средние реки являлись важнейшим источником получения энергии. Не-,;  большие плотины на реках не столько нарушают, сколько  оптимизируют  гидрологический режим рек и  прилежащих  территорий.  Их можно  рассматривать  как пример экологически  обусловленного  природопользования,  мягкого  вмешательства  в природные процессы. Водохранилища, создававшиеся на малых реках,  обычно  не выходили за пределы русел. Такие водохранилища гасят колебания воды в  реках и стабилизируют уровни грунтовых вод  под  прилежащими  пойменными  землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и  устойчивости  как  водных, так и пойменных экосистем.

    Имеются расчеты, что  на мелких и средних реках  можно получать не меньше энергии, чем ее получают на  современных  крупных  ГЭС.  В  настоящее  время имеются  турбины,  позволяющие  получать  энергию,  используя   естественное течение рек, без строительства , плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при  необходимости  перемещаются  в  другие  места.  Хотя  стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше,  чем  на  крупных  ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.

 

4. Энергетические ресурсы морских, океанических и термальных вод

    Большими  энергетическими   ресурсами  обладают  водные  массы  морей  и океанов. К ним относится энергия приливов  и  отливов,  морских  течений,  а также градиентов температур на различных глубинах.  В  настоящее  время  эта энергия  используется  в  крайне  незначительном  количестве  из-за  высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля  в энергобалансе не будет повышаться.