2.3. Альтернативные источники энергии и экология

Сейчас люди уже поняли, что предотвратить загрязнение легче, чем ликвидировать его последствия. Поэтому газоулавливающие установки, очистка сточных вод, установка фильтров на выхлопных трубах автомобилей, переход на более чистые источники энергии совершенно необходимы.

До середины ХХ века дрова и уголь были основными источниками энергии. Начиная с этого времени, в мировом энергетическом балансе всё большую роль играют нефть, природный газ, а в конце ХХ века и атомная энергия. Традиционные источники энергии: уголь, нефть и природный газ - обеспечивают 88% мировой потребности в энергии. Доля России в мировой добыче угля, нефти и газа – от 10 до 30%. Именно традиционные источники энергии послужили основной причиной загрязнения окружающей среды, создав ряд сложных экологических проблем. Поэтому особое внимание необходимо уделять экологически чистым альтернативным источникам энергии. Тем более, что человечеству хватит ненадолго запасов нефти, природного газа и угля, так как они являются невозобновляемыми природными ресурсами. Например, объёмы нефти и газа иссякнут примерно через 40 лет. Россия природным газом намного богаче, чем другие страны (более 40% мировых запасов).

Каменного угля может хватить на сотни лет. Однако он – экологически грязное топливо. Хотя теплотворная способность угля ниже, чем нефти и газа, но его добыча значительно дороже.

Наиболее чистым из всех видов органического топлива является природный газ. Замена им угля, нефти и разных нефтепродуктов даст большой экономический и экологический эффект.

Существует еще богатый источник природного газа-газогидраты (соединение метана с водой), которые залегают под океанами и содержатся в толщах вечной мерзлоты. Природного газа в газогидратах значительно больше, чем в свободном состоянии. Но технология его добычи со дна океана или из-под слоя вечной мерзлоты без серьезного ущерба для окружающей среды пока не разработана.

В разрешении проблемы может помочь водородная энергетика. Она экологически чиста: при сгорании водорода образуются пары дистиллированной воды. Основным неисчерпаемым источником водорода является вода. Однако прямое получение из неё водорода требует больших энергозатрат и на сегодня развито слабо. Первая в мире экспериментальная установка по получению водорода из обыкновенной воды начала работать в Японии в 1986 г.

Солнечная энергия нагревает земную поверхность, поставляет растениям энергию для фотосинтеза, вызывает движение воздуха (ветровая энергия), морские течения и т. д. При этом месторождения угля, нефти и природного газа – это тоже солнечная энергия, ранее аккумулированная растениями.

Энергия солнца может непосредственно преобразовываться в тепло или электрический ток. Использование солнечных лучей подразумевает: солнечные элементы и батареи для производства электроэнергии; гелиоэлектростанции для производства электроэнергии и тепла (высокотемпературного); солнечные коллекторы для получения низкотемпературного тепла с целью теплоснабжения зданий.

Если в одно – или двухэтажном жилом доме площадью в 100 кв.м установлено оборудование, способное утилизировать хотя бы 30% солнечной энергии, падающей на крышу дома, то за сутки будет получено примерно 120 кВт.ч, то есть появится энергия, более чем достаточная для полного обеспечения комфортной жизни в доме. Это оборудование должно включать водяной солнечный коллектор для накопления тепла и солнечные батареи для получения электроэнергии.

Наряду с бытовыми гелиоэлектростанциями, получившими уже значительное распространение в богатых регионах с солнечным и жарким климатом, в этих регионах уже построен целый ряд промышленных предприятий, работающих на солнечной энергии. Основной принципиальный недостаток гелиоэнергетики – зависимость от уровня инсоляции, которая распределяется по поверхности земли весьма неравномерно.

Интересно, что, применение солнечных коллекторов в Европе позволило снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на 20%. Однако полученную электроэнергию с помощью Солнца трудно запасать и передавать на большие расстояния без потерь. Поэтому учеными разработан новый метод преобразования солнечной энергии в химическую. В Саудовской Аравии работает установка, получающая топливо (водород) на основе использования энергии Солнца.

Ветровая энергия – это заключенная в ветре механическая энергия, которая используется человеком с незапамятных времен. Сейчас во многих странах разрабатываются и используются современные ветровые турбины, которые могут эффективно работать при скоростях ветра от 6 до 10 м/с. Такие турбины приходится устанавливать на мачтах высотой несколько десятков метров, чтобы поднять над приземным инерционным слоем атмосферы.

Ветровая энергия может быть использована ветроэнергетическими установками с КПД около 40% для выработки электроэнергии и приведения в действие различных механизмов (водяных насосов, мукомольных мельниц). В результате потребители получают дешевую электроэнергию. Так, например, в США их насчитывается около 9000, в Дании – 1500. Они есть в Германии, Голландии.

Ветроэнергетические установки оправдывают себя только в районах с достаточно устойчивыми ветрами, поэтому их выгодно размещать на горных перевалах и на морских берегах. Мощность отдельных установок колеблется в пределах от 10 до 1000 кВт. Слишком большие турбины ненадежны и не могут работать при слабых ветрах. Для получения значительной мощности турбины специально группируют в ветряные электростанции или фермы. Они не требуют чрезмерных капиталовложений, но их основной недостаток – нестабильность работы, вызываемая колебаниями скорости ветра.

Гидроэнергетика составляет общую возобновляемую энергию Мирового океана; включает в себя мощь волн приливов и отливов, океанских течений и т. д. Уже сейчас гидроэнергетика занимает заметное место в производстве электроэнергии (до 25%). Она обеспечивает 100% потребления энергии в Норвегии и около 75% в Швейцарии, Австрии и Канаде. Гидроэлектростанции надежны и имеют большой срок службы. Они не загрязняют атмосферу и позволяют накапливать паводковые воды для орошения. Приливные мельницы и лесопилки располагают в небольших бухтах и отгораживают дамбами. Самая крупная приливная электростанция (ПЭС) расположена на берегу Ла-Манша, есть в Канаде, КНР, Индии и др. странах.

Однако приливные гидроэлектростанции, использующие морские приливы и отливы для выработки энергии, не могут сыграть существенной роли, так как на всей Земле существует только около двух десятков подходящих для их строительства мест. Тем не менее «запас» гидроэнергетических ресурсов еще далеко не исчерпан, особенно на равнинных реках. Вместе с тем опыт показывает, что расширение использования равнинных рек для строительства гидроэлектростанций не всегда оправдано, так как при создании водохранилищ большие площади сельскохозяйственных угодий уходят. Водохранилища могут быстро заиливаться, и ценные породы рыб лишаются нерестилищ.

Геотермальная энергия передается с помощью гейзеров, вулканов, т.е. горячих подземных вод, поднимающихся к поверхности земли. Так, например, в Исландии 80% населения обогревает свои дома геотермальным теплом. В России существует единственная установка небольшой мощности на Камчатке, построенная в 1966 году, хотя здесь геотермальные ресурсы огромны.

Биоэнергетика, или биогаз, который образуется в биогазовых или очистных установках в процессе разложения (под действием бактерий) растительных и животных отходов, в том числе нечистот, без доступа кислорода. Биогаз, состоящий в основном из метана, употребляется для приготовления пищи, отопления, в газовых двигателях. Твердые остатки от процесса используются как удобрение.

Наиболее перспективное использование растительной биомассы для производства автомобильного горючего – это получение этилового и метилового спиртов (этанола и метанола) путем брожения и перегонки. Для этой цели могут использоваться древесные и сельскохозяйственные отходы, городские стоки и т.д. Полученные спирты обходятся дешевле бензина и могут применяться в современных автомобилях при минимальном переоборудовании, а в смесях с бензином – без всякого переоборудования. Первый опыт в этом направлении был осуществлен и накоплен в Бразилии, где основу 2/3 автомобильного топлива составляет этиловый спирт (этанол), и 90% производимых автомобилей могут работать на чистом этаноле. Около 10% высококачественного бензина в США содержат до 15% этанола. Дизельные двигатели прекрасно работают на смеси метанола (метилового спирта) с обычным дизельтопливом.

Немецкие экологи подсчитали мировой технический потенциал альтернативных источников энергии в год, который составил 20,3млрд.т. условного топлива. Для сравнения: потребление первичной энергии в мире составляет 9 млрд. тонн условного топлива, что более чем в 2 раза превышает потребность в первичной энергии.

Таким образом, человечество располагает достаточными ресурсами альтернативных источников, чтобы избежать энергетического голода и одновременно отвести от себя угрозу экологической катастрофы. Но для этого необходимо своевременно и целенаправленно строить новую энергетическую политику.