2.6 Альтернативные источники энергии

Традиционная энергетическая отрасль, использующая ископаемые горючие материалы (нефть, уголь), является одним из основных источников загрязнения окружающей среды и потребителем невозобновимых природных ресурсов.

Использование альтернативных источников получения энергии – это один из способов экономии имеющихся традиционных источников энергии (горючие полезные ископаемые), обеспечения экологической безопасности, сохранения окружающей природной среды.

К альтернативным источникам энергии относятся: ветроэнергетика, биоэнергетика, геотермальная энергетика, гелиоэнергетика, морская энергетика, водородная энергетика.

2.6.1 Ветроэнергетика. Ветроэнергетика – это преобразование энергии ветра во вращательное движение лопастного колеса, в колебания, воспринимаемые пьезоэлектрическими преобразователями, или в поступательное движение объекта с помощью ветродержателей (парусов, роторов). КПД ветроустановок достигает 25…50%, что делает их перспективными для использования. Основной элемент ветроустановок – колесо. Запасы энергии на Земле очень велики и превышают 80 трлн. кВт*час в слое воздуха до 500м.

Недостатки ветроэнергетики:

• 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;

• ветроэнергостанции (ВЭС) генерируют интенсивный инфразвук, который вызывает угнетенное состояние, чувство беспокойства и дискомфорта; территория размещения ВЭС становится непригодной для обитания;

• в районах размещения ВЭС нарушается тепловой баланс вследствие изменения условий переноса тепла вдоль земной поверхности. Это может привести к изменению розы ветров;

• большие лопасти ВЭУ опасны для пернатых, особенно если они расположены на пути миграции птиц;

• из-за отражения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазона от лопастей ВЭУ нарушается нормальная работа навигационной аппаратуры и затрудняется прием телевизионных передач.

Для решения данных проблем можно выносить ВЭУ в море, открытый океан. Скорость ветра увеличивается по мере удаления от береговой линии. Так на настоянии 40 км от берегов, скорость возрастает на 20…25%, что позволяет получись от нее в 2 раза больше энергии при тех же параметрах ВЭУ. Кроме того, размещение ВЭУ в морских акваториях позволяет обеспечить энергией добывающие платформы и экономить земельные площади.

2.6.2 Биологическая энергетика. Биоэнергетика основана на получении биомассы, которая непосредственно или после соответствующей переработки используется в качестве топлива. Выделяют три направления получения тепловой энергии с помощью биомассы:

• непосредственное сжигание биомассы;

• брожение биомассы;

• использование таких энергоносителей, как биогаз или спирты, извлекаемые в процессе образование биомассы.

При первом направлении биомасса непосредственно используется в качестве топлива путем сжигания. При этом ее запасы восстанавливаются путем выращивания быстрорастущих видов растений в искусственных условиях (осина, тополь, ива, ольха на плантациях). Древесное топливо имеет ряд экологических преимуществ перед ископаемым топливом: эмиссия углекислого газа при сжигании дерева компенсируется тем, что само дерево за срок своей жизни поглощает такое же количество углекислого газа. Недостаток: большой объем, высокий процент влаги.

Второе направление – использование теплоты, которую выделяют при брожении органические отходы (навоз, опилки и т.п.) и которую можно употреблять для обогрева парников, теплиц и др.

Третье направление - извлечение из биомассы энергеносителей, как биогаз или спирты. Биогаз получают из отходов растениеводства или животноводства. Его можно использовать в небольших фермерских хозяйствах. Из растительных отходов получают спирт, добавляют его в бензин, при этом экономятся расходы нефти и снижается токсичность выхлопных газов.

2.6.3 Геотермальная энергетика. Это один из самых эффективных и экологически безопасных способов получения энергии за счет использования природного тепла земных недр. Подсчитано, что на глубине до 5 км количество теплоты многократно превышает энергию, заключенную во всех видах ископаемых энергоресурсов. Глубинное тепло можно использовать для выработки электроэнергии, отопления, горячего водоснабжения, 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. Суммарная мощность всех ГеоТЭС мира составляет 17,6 млн. кВт. Чаще используют термальные воды неглубокого залегания с температурой 50…100⁰С.

В искусственных термальных источниках в качестве рабочего тела применяют жидкость или газ, которые по пробуренным скважинам циркулируют в толще горных пород, имеющих высокие температуры. Например, холодную воду закачивают в скважины, пробуренные до глубины 4 км в зону горячих пород. Примерно 3/5 закаченной воды через другие скважины поступает на поверхность, но уже в виде горячего пара. Этот пар можно использовать для выработки электроэнергии, парового отопления. Таким способом можно получить тепловую энергию из земных недр практически в любом месте нашей планеты.

Электроэнергия геотермических станций в 2 раза дешевле энергии, вырабатываемой на ГРЭС, и во много раз дешевле энергии станций, работающих на твердом и жидком топливе.

Пока наиболее перспективными являются районы современного вулканизма. В будущем будут создаваться сеть сверхглубоких скважин с погруженными в них термобатареями. Такая сеть сможет дать практически неограниченное количество энергии.

2.6.4 Гелиоэнергетика. Это получение энергии от Солнца. Использование только 0,01% общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить мировые потребности в энергии. За год от Солнца на Землю поступает в 10 раз больше энергии, чем ее запасено во всех разведанных ископаемых энергоносителях.

Гелиоэнергетика бывает наземная и космическая. Энергию Солнца преобразуют в тепловую с помощью солнечных коллекторов, которые нагревают тот или иной теплоноситель (например, вода). Недостаток: солнечная энергия рассеяна, из-за этого необходимо сооружения, огромные по площади и с большим расходом конструкционных материалов фокусирующих отражателей. Это также приводит к нарушению теплового баланса региона из-за изменения коэффициента отражения земной поверхности.

Солнечная энергия может преобразоваться непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей, из которых комплектуются солнечные батареи. При этом применяют фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия. КПД составляет 13…15%.

Основным преимуществом космической гелиоэнергетики является то, что она будет обеспечивать круглосуточное генерирование электроэнергии, однако встает трудноразрешимый вопрос о ее передаче на Землю. Высказываются предположения о преобразовании электроэнергии в лазерное излучение или излучение микроволнового диапазона, т.е. в те излучения, для которых атмосфера прозрачна. Однако на Земле требуются большие площади, над этими зонами не должны проходить маршруты самолетов, пути миграции перелетных птиц и т.д.

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

Волновая энергетика. Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд. кВт, что составляет около 30% потребляемой в мире энергии. Целесообразность размещения волновых электростанций определяется региональными особенностями и, прежде всего, плотностью приходящей энергии, т.е. ее значением на единицу длины волнового фронта. Функциональный принцип работы волновых электростанций состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций, которая в дальнейшем приводит во вращение вал электродвигателя. Такие электростанции могут быть сооружены непосредственно на берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега. Преобразователи волновой энергии влияют на изменение волнового режима: амплитуда волн ослабляется. Недостатки: низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени.

Энергия течений. Использование энергии океанских течений. Преобразователи энергии в зависимости от принципа действия подразделяют на водяные и объемные насосы. К первым относят лопастное колесо. Преобразователи второго типа представляют сопло Вентури, критическое сечение и срез расширяющейся части сопла 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. Недостаток: при недостаточном заглублении преобразователей возможно изменением температуры воды вследствие торможения потока и турбулентного перемешивания воды, что может отрицательно сказаться на обитателях поверхностных слоев воды.

Использование разности температур различных слоев морской воды. 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, где в качестве рабочего тела используется морская вода или промежуточное рабочее тело (аммиак, фреоны, пропан и др.). Недостаток: нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны губительные последствия для теплолюбивой фауны при изменении абсолютной температуры. Кроме того, содержание углекислого газа в глубинных водах больше, чем в поверхностных, и это обуславливает то, что углекислый газ может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в данном регионе.

2.6.6 Водородная энергетика. Это получение водорода как энергоносителя с помощью термохимических и электролитических методов, а также биологических процессов. Теплотворная способность водорода в 3 раза выше, чем углеводородных топлив.

При сжигании водород превращается в водяной пар. Единственным вредным соединением могут быть оксиды азота, которые образуются из-за окисления атмосферного азота при особо высоких температурах горения. Для получения водорода используются различные метода разложения воды: электрохимический, термохимический, фотоэлектрохимический. Более перспективны химические реакции с применением катализаторов и последующим разложением образующихся продуктов. Например, получение водорода из сероводорода, содержащегося в морской воде.

В Казахстане в настоящее время доля альтернативных источников энергии от общего энергопотребления составляет 0,02%; для сравнения: в Европейском союзе - 6%, в США - 3%, в России - 0,3%. Вместе с тем, в Казахстане имеется значительный потенциал для развития гидроэнергетики, ветроэнергетики, геотермальной энергетики.

Гидроэлектроэнергетический потенциал Казахстана оценивается в 170 млрд кВт*ч в год. Особенно перспективным направлением является создание наиболее экологически чистых микроГЭС, работающих без подпорных плотин. В ветроэнергетике может быть реализован потенциал в 1,8 трлн кВт*ч. Потенциально возможная выработка солнечной энергии оценивается в 2,5 млрд кВт*ч в год, а также огромным резервом является применение биологического топлива: за счет переработки отходов сельскохозяйственного производства может быть получено ежегодно до 35 млрд кВт*ч электрической и 44 млн Гкал тепловой энергии.