4.6 Альтернативные источники энергии и проблемы их освоения

По прогнозным оценкам к концу XXI столетия энергопотребление на планете возрастет в 400 раз. О перспективах использования углеводородов уместно привести мнение академика А. Канторовича:

«В 2030 – 2040 годах ожидается пик извлечения нефти из недр планеты, он продлится 8-10 лет, а потом добыча пойдет неумолимо вниз. По природному газу пик наступит на 10-15 лет позже, но в целом картина та же».

Ниже приводится анализ возможности использования различных альтернативных источников энергии [11].

Солнечная энергия

Солнечная энергетика построена на фотопреобразовании световой энергии в электричество и экономически пока невыгодна. Основным материалом для фотодиодов является кремний с чистотой 99.99%. Его стоимость составляет 40 долларов за килограмм. При КПД 17% себестоимость электроэнергии составляет 40 центов/кВт*час, в то время как средняя себестоимость – 2 цента/кВт*час. Получается, что на производство солнечных батарей надо затратить больше энергии, чем они способны произвести за срок службы. Кроме того солнечная энергетика подвержена суточным, сезонным и погодным колебаниям.

Всего в мире на солнечных батареях производится около 1300 МВт электроэнергии. По мощности это один ядерный реактор. Лидеры в этой области – Япония (более половины солнечной энергетики мира), Германия и США. Но даже в солнечном Израиле для подогрева воды в плавательном бассейне на территории Института имени Вейсмана потребовались солнечные отражатели размером с футбольное поле.

И все же, по мнению академика Ж. Алферова, за солнечной энергетикой будущее. Если КПД фотопреобразования поднять до 50% (а это в принципе возможно), то к 2020 году суммарная мощность всех солнечных станций может достичь 140 ГВт, что равняется нынешней мощности всех электростанций России.

Энергия ветра

В России огромные ресурсы ветровой энергии. Достоинство ветровых генераторов – низкие эксплуатационные расходы и экологичность. Присутствует правда шумовое загрязнение, нестерпимое для многих животных и птиц. Минусом является также дороговизна генераторов и их установки. Так на установку станции мощностью в 5 МВт в Германии ушло 180 тонн стали и 1.3 тыс. куб. м бетона (высота мачты -183 м). Отсюда высокая себестоимость энергии - 10 центов/кВт*час.

Необходимость строительства ветроэнергетических станций (ВЭС) особо стала актуальна с началом мирового финансового кризиса. Страны Запада стремятся снизить финансовые расходы, в том числе и за счет сокращения импорта нефти. В этом смысле ветровая энергия дает ощутимую экономию: мощность мировых ВЭС в 2007 году достигла 94 млн кВт, что заменяет 51 млн т. нефти.

На перспективу прогнозируется, что мировые мощности ВЭС способны заменить до 200 млн.т нефти. Это составит около 8% всего мирового экспорта нефти в 2009 году. Таким образом, ветроэнергетика в развитых странах превратилась в экономически рентабельную отрасль энергетики. Признанными лидерами являются Дания (20% электроэнергии), Германия, Испания, США и Индия. Интерес к ветровой энергии стал проявлять еще ряд европейских стран: Англия (показатели выросли на 47%), Польша, Литва, Венгрия (показатели выросли в 3 раза). Во всем мире ежегодно вводится около 40 ГВт мощностей, производящих ветровую энергию, что примерно соответствует мощности 40 энергоблоков АЭС.

А что же в России? К сожалению не все так благополучно. Доля в общем балансе электроэнергии на ветре составляет около 0,01%. В пользу развития ветроэнергетики говорят следующие обстоятельства:

• сейчас на 70% территории страны отсутствует централизованное энергоснабжения и поэтому необходимо создавать автономные источники энергии;

• ВЭС, будучи как раз автономными, не нуждаются в строительстве и эксплуатации протяженных линий электропередач (ЛЭП).

. В европейской части России в 1995 году построена станция мощностью 1 МВт (Калмыкия) и в Калининградской области сооружается первый ветропарк. В Дальневосточном регионе российская компания «РусГидро» совместно с японским концерном Mitsul строит ветропарк мощностью до 100 МВт на острове Русский. Это строительство планируют завершить к проведению саммита Организаций Азиатско-Тихоокеанского экономического сообщества (АТЭС) в 2012 году.

Другой проект реализует корпорация «Росатом». По оценкам компании, к 2020 году производить из ветра в России будут около 7 ГВт в год. Строить ветропарки корпорация планирует в районах с повышенной повторяемостью устойчивых ветров – Северо-Запад, Дальний Восток, в Сибири и на юге России.

В «Росатоме» считают, что главная проблема в производстве ветряков – генераторы. Подходящих в России не производят, а установка мощных зарубежных оказывается экономически неэффективной из-за их большого веса и стоимости. Прорыву на рынок ветровой энергии может помощь разработка нового генератора на высокотемпературных сверхпроводниках [3]. Новый генератор получит преимущество над существующими благодаря тому, что будет весить в четыре раза меньше (80 тонн против 300). Понятно, что такой агрегат легче поднять и смонтировать на заданной высоте.

Геотермальная энергия

Геотермальные станции – производят дешевую энергию. Эта энергия используется в 62 странах, суммарная мощность станций 19300 МВт.

Доля России на мировом геотермальном рынке составляет примерно 10%. Сейчас на Камчатке работают 3 геотермальные станции мощностью 70 МВт. Они обеспечивают 25% потребностей региона. В целом ресурсы Камчатки оцениваются в 5 тыс. МВт, что позволяет обеспечить регион теплом и энергией в течение 100 лет. Однако для крупных городов и промышленных центров геотермальные станции не подойдут, т.к расположены в труднодоступных районах.

Биотопливо

В США и Европе вкладывают крупные инвестиции на производство биотоплива из растительного сырья. В США, например, на топливный спирт уходит 14% урожая кукурузы. Несмотря на то, что биотопливо дороже бензина некоторые страны ориентируются на него, т.к это экологически чистый вид топлива. Так, 10% биоэтанола добавленного в бензин, снижают выбросы на 30-50%. В Бразилии весь бензин продается с биоэтанолом. В Европе в целом прогнозируется увеличение спроса на биотопливо в 3 раза. В Швеции действует программа полного перевода транспорта на биоэтанол и газ к 2020 году. В этой же стране энергетическая компания «Fortum» имеет сеть ТЭЦ, работающих на биотопливе. 6 таких станций снабжают теплом Стокгольм, население которого составляет 1 800 000 человек ³⁾. Несколько лет назад жители Стокгольма проголосовали за то, чтобы их город отапливался только за счет биоресурсов.

В России первый проект биогазовой станции был осуществлен в 2009 году – биогазовая станция в деревне Дошино Калужской области. Реализовала его компания «Биогазэнергострой», входящая в группу компаний «Газэнергострой». В планах компании «Биогазэнергострой» строительство более 50 биоэнергостанций, работающих на сырье, получаемом от животноводческих комплексов, птицефабрик, отходов кормового стола, бойни, отходов молочных и сахарных заводов, а также на базе очистных сооружений городских водоканалов. В числе регионов: Белгородская, Нижегородская, Новосибирская, Тамбовская, Воронежская, Орловская, Ростовская области, Ставропольский край и др. При этом суммарная мощность станций превысит 120 МВт.

3) За счет этого Стокгольм стал номинантом на звание самого «зеленого» города мира в 2010 году.

Наиболее активно этот процесс идет в Белгородской области. В частности ОАО «Региональный центр биотехнологий» запустил проект, по которому до 2015 года в области появится 56 биогазовых станций. Уже действует станция мощностью 0,5 МВт, работающая на отходах свиноводческих хозяйств. С учетом того, что на территории Белгородской области находится 21 свиноводческий комплекс, область может стать одним из первых регионов, перешедшим на биоэнергетику.

Технология получения биогаза и концентрата жидкого удобрения на примере переработки отходов птицефермы

Из клеток с перепелками помет падает на ленты транспортеров и доставляется в приемную емкость. Там перемалывается и подается в реактор

— это стакан в стакане, где происходит анаэробное (без доступа кислорода) брожение. Для запуска реактора необходим его небольшой подогрев

(электроэнергией или дровами). Когда реактор выходит на рабочий цикл, его, наоборот, надо даже остужать. Микропроцессоры следят за ходом реакции.

Под давлением она происходит быстрее, чем при естественном хранении

навоза (его сразу нельзя вносить в почву, надо, чтобы он за год перегорел).

Через 15 дней анаэробные микробы съедают все органическое вещество, на дне реактора оседает концентрированное удобрение, наверх выходит метан.

Газ проходит через систему фильтрации, поступает в газгольдер, где

отстаивается и через регулятор давления идет к газовой плите,

электрогенератору, проточному газовому бойлеру, который выдает горячую воду и тепло для всего хозяйства. На сжатом газе работает автотранспорт фермы и его можно его поставлять населению.

Ежедневно в реактор добавляется свежая органика (1/10 часть от объема реактора) и столько же сливается через сепаратор в емкость концентрата

жидкого удобрения. 1 литр концентрата заменяет 100 кг коровьего навоза. Чтобы вносить в почву, его надо разводить 1:20, а для полива — 1:80.

Производство топливных гранул (пеллет)

Топливные гранулы – биотопливо на основе торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Пеллеты считаются наиболее технологичным и экологичным видом топлива. При сгорании меньше выбросов двуокиси серы и парниковых газов, и главное используется возобновляемое сырье. Средняя стоимость пеллет на европейских рынках от 80 до 120 евро за тонну.

Приливные электростанции (ПЭС)

Первая в мире ПЭС была построена во Франции в 1966 году. В 1968 году в СССР в Кислой губе на Белом море была построена приливная станция мощностью 600 кВт. Примечательно, что эта станция оборудована уникальными турбинами, работающими при приливе и отливе. Небольшие приливные станции построены также в Китае и Канаде.

Россия располагает потенциальным ресурсом приливной энергии, соизмеримым с общим количеством энергии, которое вырабатывается и используется в стране. В настоящее время готовы три проекта ПЭС. Один в Белом море и два в Охотском. Так в Пенжинской губе (Охотское море), где самые высокие приливы в мире доходят до 17 метров, станция мощностью 20 тысяч МВт может обеспечить весь Магадан. В перспективе доля приливной энергии может составить до 25% всей вырабатываемой в России электроэнергии.

Термоядерные установки

Термоядерный синтез это энергия Солнца и звезд, а также водородная бомба. По мнению академика Е. Велихова термояд способен решить энергетические проблемы человечества. Какие преимущества этого источника:

• практически неисчерпаем, т.к фактически это производство энергии из воды;

• в отличие от атомной энергии – экологически безопасен;

• в отличии от нетрадиционных источников – супер эффективен. На

единицу термоядерного топлива вырабатывается в 10 млн раз больше энергии, чем при сжигании органического топлива, и в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах АЭС.

В 1950-х годах советские ученые Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили принципиально новую идею, которая воплотилась в легендарные токамаки. Токамак – магнитные камеры в форме бублика, которые удерживают раскаленную до сотен миллионов градусов плазму. С тех пор термоядерные исследования проводятся в ведущих станах мира.

Россия участвует в международном проекте по освоению термояда (проект ИТЭР). Финансовый вклад - 10% от стоимости проекта в 13 млрд долларов. Экспериментальный реактор сооружается в ядерном центре Франции Кадараш. В термоядерном реакторе будет поддерживаться температура в 150 млн градусов. На покорение термояда, по мнению ученых, уйдет не менее 50 лет.

Энергия из космоса

Идея заключается в сборе энергии Солнца прямо на орбите еще до земной атмосферы, которая поглощает и рассеивает солнечное излучение. При установке на геостационарной орбите (36 тысяч км) зеркала размером 10*10 км, дневной свет прольется на район Земли 400*400 км с освещенностью как ясный зимний день в Москве. В 1960–х годах в СССР были разработаны проекты орбитальных электростанций. Сейчас эти работы продолжаются в НАСА, где создано несколько вариантов – например проект «Солнечная башня» на высокотемпературных сверхпроводниках. Чтобы снизить электромагнитное влияние на атмосферу, можно передавать энергию по высоковольтному кабелю с центром масс на стационарной орбите. Проект является составной частью крупного проекта «Космический лифт».

Получение энергии из морской и речной воды

Принцип действия такой электростанции основан на явлении известном как осмос: молекулы воды переходят из отсека с пресной водой в отсек с морской водой, стремясь выровнять концентрацию соли по обе стороны мембраны, расположенной между отсеками, которая проницаема лишь для молекул воды. При этом увеличивается объем воды в отсеке с морской водой и ее давление возрастает. Так как давление соленой воды больгше чем атмосферное, возникает мощный поток воды, который и приводит в действие гидротурбину.

Очевидное преимущество данного способа – соленая вода является неисчерпаемым природным ресурсом. В отличие от солнечных батарей, которые в настоящее время еще дороги, метод, основанный на явлении осмоса, обходится намного дешевле. По затратам он сопоставим с ветроэнергетикой.

К недостаткам следует отнести ограниченность использования метода. Осмотическая электростанция может использоваться только в устьях рек, где пресная вода вливается в соленую.

Первая в мире осмотическая энергоустановка мощностью 5 кВт была построена в норвежском городе Торфе (близ Осло) и запущена 24 ноября 2009 года. Стоимость проекта, который реализовала компания Stftkraft, составила 20 млн долларов. Эта же компания оценивает потенциал данного типа энергетики в 1600 – 1700 ТВт/ч, что составляет примерно 10% от всего мирового потребления электроэнергии. Планируется создание еще одной экспериментальной электростанции, мощностью до одного мегаватта [48].

Геополитическое значение освоения альтернативных источников энергии

По причине дороговизны энергетических ресурсов и проблем с их доставкой в отдаленные районы Севера, Сибири и Дальнего Востока за последнее десятилетие было официально закрыто 11 тысяч поселков, а в 13 тысячах никто не живет [3]. В связи с этим возникает политическая проблема.

Основной политический вопрос – это вопрос присутствия в регионе. Реальная принадлежность территории определяется, в том числе и их заселенностью теми или иными нациями и народами. А при определении экономических зон на шельфе государственная принадлежность прилегающих побережий становится ключевым вопросом ⁴⁾.

Выход из данной ситуации - развитие сети децентрализованных, автономных источников энергоснабжения. Географическими предпосылками к этому является то, что указанные выше районы России характеризуются как наиболее перспективные для развития в частности ветроэнергетики. При этом бы отпала необходимость завоза дорогого топлива в отдаленные районы страны.

Освоение альтернативных источников энергии требует упомянутый выше федеральный закон [44]. Согласно ему, к 2020 году не менее 4,5% энергии в России должно производиться станциями, использующими энергию солнца, земли, воды и ветра.

Контрольные вопросы

1. Почему уголь из Кузбасса не выгодно экспортировать?

2. Какие ископаемые запасы именуются промышленными?

3. Что понимается под топливно-энергетическим балансом?

4. Какая масса угля составляет одну тонну условного топлива

5. Назовите перспективные месторождения углеводородов на территории России.

6. Перечислите альтернативные источники энергии и их ресурсы на территории России.

7. Опишите суть явления осмоса.

8. В каком из субъектов РФ наиболее активно внедряется биоэнергетика?

9. В чем геополитическое значение освоения альтернативных источников энергии в удаленных районах страны?

4) К примеру, так возник конфликт за Фолклендские острова между Великобританией и Аргентиной.