Альтернативные источники энергии: современная география и перспективы использования

Установленная мощность ветроэнергоустановок в мире увеличилась  с 6172 МВт в 1996 г. до 12 тыс. МВт в 1999 г. и примерно 36 тыс. МВт к 2007 г. Высокими темпами наращивается производство электроэнергии за счет ветра в Германии, где установленная мощность ветроустановок составляет 4444 МВт, США – 1819, Дании – 1752, Испании – 1539, Индии – 1100, в России – 4 МВт. Франция пытается достичь выработки более 20 % электроэнергии с помощью возобновляемых источников, в том числе за счет строительства 6 тыс. новых ветряных турбин. Вместе с тем ветроэнергетические установки создают негативные экологические нагрузки на окружающую среду: шум и вибрация воздушной среды не позволяют размещать их вблизи жилых построек.Т

ГЕОТЕРМ

Среди ученых нет единого  мнения о перспективах развития геотермальной  электроэнергетики. Одни считают эти  перспективы довольно ограниченными, исходя из того, что на Земле (в том числе и при помощи космических снимков) разведано лишь около ста «горячих точек» конвективного выхода глубинного тепла Земли.  Другие, напротив, оценивают эти перспективы весьма высоко. Можно добавить, что главным координатором работ в этой области служит Международная геотермальная ассоциация, периодически созывающая свои симпозиумы [3].

Геотермальные станции  устроены относительно просто: здесь  нет котельной, оборудования для  подачи топлива, золоулавливателей и многих других приспособлений, необходимых для обычных тепловых электростанций. Постольку топливо у геоТЭС бесплатное, то и себестоимость вырабатываемой электроэнергии в несколько раз ниже.

Установленная мощность геотермальных электростанций (ГеоЭС) возросла с 678 до 8 тыс. МВт. При этом лидируют США – 2228 МВт, Филиппины – 1909, Мексика – 755, Италия – 785, Индонезия  - 589, Россия – 23 МВт. Среднегодовой прирост мощности ГеоЭС за последние 30 лет составил 8,6 % к предыдущему году.Т

МОРСКИЕ

Мощным источником водных течений являются приливы и отливы. Известно, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Это примерно столько же, сколько способны дать разведанные запасы каменного и бурого угля, вместе взятые; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года – на 1150 млрд. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но это пока не реально.

Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и у в России, на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции. Сегодня ПЭС не конкурентоспособна по сравнению с тепловой энергетикой: кто будет вкладывать миллиарды долларов в сооружение ПЭС, когда есть нефть, газ, уголь, продаваемые развивающимися странами за бесценок странам более развитым? Завтра же она станет такой же важной составляющей мировой энергетики, какой сегодня является, к примеру, природный газ. Практически на сооружение ПЭС в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, может быть, даже столетия. Но процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.

Существуют проекты  крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м.

Благоприятные предпосылки  для более широкого использования  энергии морских приливов связаны  с возможностью применения геликоидной  турбины Горлова, которая позволяет  сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство.

Огромные энергоустановки, мощность которых можно сравнить с атомными электростанциями, в течение десяти лет появятся  в водах Японии. Эти экологически чистые установки будут преобразовывать энергию солнца и ветра в эллектрическую энергию.

Каждая станция будет  производить порядка 300 МВ/часов электроэнергии. Часть этой энергии будет теряться во время передачи электричества на сушу, но можно объединить вместе три установки, и получить эффект такой же, как и у обычной электростанции, объясняют специалисты японского университета.

Большие сети будут натянуты между платформами - они помогут  выдержать вес ветряных турбин и солнечных батарей (высокоэффективных солнечных панелей). Установки будут полностью автоматизированными и автономными.

Часть энергии, преобразованной  дрейфующими генераторами, будет направляться для питания подводных светодиодов, которые будут освещать «заповедники» для специальных чудо водорослей, которые  поглощают углекислый газ и служат пищей для различны видов редких рыб и планктона.

Ученые обещают, что  проект дрейфующих экологических электрогенераторов сможет стать реальностью уже через три года. [16]

Созданная более 40 лет  назад во Франции приливная электростанция (ПЭС) «Юзин моремотрис де ля Ранс»  в устье р. Ранс, залив Сен-мало в провинции Бретань, вырабатывает в год 544 Мкв·ч. Здесь на 804-метровой плотине установлены 24 турбогенератора. Подобная станция сооружена на побережье Баренцева моря – Кислогубская ПЭС. Приливные электростанции построены также в Великобритании, Канаде, Индии, США и других странах.

Еще одним из энергетический ресурс Мирового океана являются океанические (морские) течения, которые обладают огромным энергетическим потенциалом. Достаточно вспомнить, что расход Гольфстрима даже в районе Флоридского пролива составляет 25 млн м³/с, что в 20 раз превышает расход всех рек земного шара. А после того как Гольфстрим уже в океане соединяется с Антильским течением, его расход возрастает до 82 млн м³/с. Уже не раз предпринимались попытки подсчитать потенциальную энергию этого потока шириной 75 км и толщиной 700–800 м, двигающегося со скоростью 3 м/с.

Когда говорят об использовании  температурного градиента, то имеют  в виду источник уже не механической, а тепловой энергии, заключенной  в массе океанских вод. Обычно разность температур воды на поверхности океана и на глубине 400 м составляет 12 °C. Однако в акваториях тропиков, расположенных между 20° с. ш. и 20° ю. ш., верхние слои воды в океане могут иметь температуру 25–28 °C, а нижние, на глубине 1000 м, – всего 5 °C. Именно в таких случаях, когда амплитуда температур достигает 20° и более, считается экономически оправданным использование ее для получения электроэнергии на гидротермальных (моретермальных) электростанциях.

Теоретическая возможность  такого использования сильного перепада температур океанских вод была доказана французскими учеными и инженерами еще в конце XIX в. Однако вплотную к техническому осуществлению этой идеи подошли только в 70-х гг. XX в. По современным представлениям, моретермальная электростанция является плавучей установкой, в теплообменнике которой нагретая Солнцем поверхностная океанская вода подогревает жидкость, испаряющуюся при сравнительно невысокой температуре, например аммиак. Получаемый при этом пар поступает к турбине, которая соединена с генератором, а затем отводится в глубинный холодный слой, где снова превращается в жидкость. Такая система имеет непрерывное действие, не нуждается в горючем и не оказывает отрицательного влияния на окружающую среду. Издержки на ее эксплуатацию также невысоки. Однако моретермальные электростанции требуют больших инвестиционных затрат и имеют низкий (7—10 %) коэффициент преобразования энергии.

В целом же энергетические ресурсы Мирового океана правильнее было бы отнести к ресурсам будущего. [17]

Экономический потенциал  гидроэнергии в мире составляет 8100 млрд кВТ·ч, установленная мощность гидростанций мира – 669 000 МВт, вырабатываемая электроэнергия – 2691 млрд кВт·ч, т. е. экономический потенциал используется на 33 %. Потенциал малых и микроГЭС на реках составляет примерно 10 %, но используется еще меньше.

Малые и микроГЭС известны в Китае, где в ближайшее десятилетие  запроектировано строительство  более 40 тыс. малых ГЭС с ежегодным  вводом до 1000 МВт. Такие станции работают в Австрии, Финляндии, Швеции и других странах.Т

Широкое распространение в мире получило строительство небольших электростанций местного значения на твердом бытовом топливе (США, Дания, Италия и др.), дизель-генераторных установок на биогазе (Китай, Индия и др.), на основе специально выращиваемых «энергетических лесов» и продуктов лесопереработки (Южная Америка, Скандинавия и др.). Многие страны продолжают использовать традиционное угольное топливо, а также газификацию угля и комбинированный парогазовый цикл производства электроэнергии (электростанция Пуэртольяно в Испании и др.).Т

К наиболее привлекательному, но не менее проблематичному относится  способ получения так называемой бестопливной энергии, где теплоносителем является теплота окружающей среды.

При просмотре сайта  известного российского энергетика Ю. Виноградова (www.glavniyzakon.novoemnenie.ru) выясняется, что США готовы переключиться на бестопливную энергетику, когда теплоносителем является бесплатный и везде доступный источник энергии. Этот источник – теплота окружающей среды. Работы в США в этом направлении начались еще в начале ХХ в. Сегодня в США и Израиле уже выпускаются необходимые агрегаты. Предполагается, что топливосжигающая энергетика во всем мире может быть заменена на бестопливную в течение одного года. Этому способствует тот факт, что агрегаты такой энергетики могут выпускаться с заводской готовностью 100 %, а агрегаты мощностью до 20 тыс. кВт (массой менее 40 тонн) могут вырабатывать электроэнергию даже во время транспортировки. Кроме того, автор увязывает это с мировой тенденцией создания сетевой территориально распределительной системы энергогенерирования. Россия якобы также стоит на пороге внедрений такой нетопливной энергетики.Т

Таблица 3

Характеристика основных источников энергии мира

Биомасса также представляет собой особый класс энергоресурсов, включающий в себя древесину, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, растениеводства и животноводства. Когда биомассу относят к НВИЭ, то имеют в виду не прямое ее сжигание, например в виде дров или навоза, а газификацию и пиролиз, биологическую переработку с целью получения спиртов или биогаза. Для этой цели в зависимости от сельскохозяйственной специализации той или иной страны обычно используют отходы сахарного тростника, рисовую шелуху, стебли кукурузы, хлопчатника, скорлупу кокосовых, земляных и других орехов, а также навоз. Производство биогаза, хотя и полукустарными способами, получило наибольшее развитие в Китае, где насчитывают миллионы биогазовых установок, рассчитанных на одну семью. Быстро растет число таких установок в Индии. Есть они также в странах Юго-Восточной Азии, Центральной Америки, СНГ.

Крупнейший в мире производитель этилового спирта – Бразилия. С целью замены импортной  нефти здесь в 1970-х гг. была разработана, а затем осуществлена в широких  масштабах специальная программа  «Этанол», предусматривавшая создание специальных плантаций сахарного тростника, из которого получают этиловый спирт, сооружение в сельской местности 280 дистилляционных заводов. Теперь значительная часть автопарка страны работает либо на чистом этаноле, либо на спирто-бензиновых смесях [3].

К альтернативным источникам энергии можно отнести также синтетическое горючее. В качестве сырья для его получения обычно рассматривают каменный и бурый уголь, горючие сланцы, битуминозные песчаники и биомассу [3].

В абсолютных величинах  количество потребляемой энергии в  мире возрастет к 2050 г. более чем  вдвое.

В Беларуси в результате реализации Государственной комплексной  программы по энергетике, утвержденной Указом Президента РБ от 15 ноября 2007 г. № 575, увеличение использования местных нетрадиционных и возобновляемых источников энергии к 2010 г. составит до 20,5 %. При этом, кроме традиционных местных ресурсов (торф, древесина, коммунальные отходы, лигнин и др.), предполагается увеличить производство электроэнергии за пять лет за счет гидроресурсов в количестве 190 млн кВт·ч, ветровой энергии – более 26 млн кВт·ч(рис.), солнечной энергии – 6,3 тыс. т у. т. Однако основной сдвиг в структуре топливно-энергетического баланса Беларуси должен произойти после 2020 г. с пуском первой и других очередей АЭС, а также в результате снижения энергоемкости ВВП.Т

После 2030 г. в Беларуси, по-видимому, сложится примерно следующее  соотношение основных энергоносителей  в топливно-энергетическом балансе: уголь – 10 %, природный газ – 30 %, продукты нефтепереработки – 5 %, атомная энергия – 35 % и возобновляемые энергоресурсы – 20 %.