Энергия ветра
Около 2% поступающей на Землю солнечной энергии превращается в энергию ветра. Ветер – очень большой возобновляемый источник энергии. В течении многих десятилетий в отдаленных районах используются ветряные турбины, вырабатывающие электроэнергию для бытовых нужд и подзарядки аккумуляторных батарей. Генерирующие модули мощностью больше чем 1 МВт теперь функционируют во многих странах.
Мощность электроэнергии, производимая ветряной турбиной, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Их использование наиболее эффективно при скорости ветра приблизительно 7–20 м/с (или 25–70 км/час). К сожалению, на земном шаре не так много районов, где есть такие сильные ветры, дующие постоянно.
Использование энергии ветра (как и энергии Солнца), требует дополнительных дублирующих источников электроэнергии или систем аккумулирования энергии на случай безветренной погоды.
В использовании энергии ветра существуют два основных направления:
сооружение относительно небольших установок (мощностью до 15 кВт), предназначенных главным образом для подъема и перекачки воды, а также для подзарядки электрических аккумуляторов;
разработка и создание более мощных ветродвигателей для производства электроэнергии.
В настоящее время ветряные турбины, работающие в различных частях мира, имеют общую мощность около 15000 МВт. Они являются ценным дополнением к крупным базисным электростанциям. Наиболее экономичными и практичными являются ветряные коммерческие модули мощностью более 1 МВт, которые могут группироваться в небольшие ветряные станции.
Энергия воды
Энергия рек
Гидроэлектроэнергия, которая является преобразованной потенциальной энергией воды в реках, в настоящее время составляет 19% мирового производства электроэнергии.
Схема устройства гидроэлектростанции показана на рис.11.
Создание разности уровней воды достигается сооружением плотины – самого важного и дорогостоящего элемента в ГЭС. Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний, приобретает большую скорость. Быстрые струи воды поступают далее на лопасти турбины и вращают ее ротор.
Преимущество многих гидросистем состоит в их способности компенсировать сезонные и ежедневные пиковые нагрузки в потреблении электроэнергии. Иногда использование запасов воды усложняется запросами на ирригацию, которые могут поступать одновременно с пиковыми нагрузками. В некоторых областях использование гидроэлектроэнергии ограничивается в периоды сезонных дождей.
По-видимому, увеличить производство гидроэлектроэнергии в будущем не удастся, поскольку большинство районов мира, где возможно использовать потенциальную энергию воды, уже или находятся в эксплуатации, или недоступны по другим причинам (например, из соображений охраны окружающей среды).
Энергия приливов
Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях рек было осуществлено во Франции и в России (начиная с 1966 года). Приливно-отливная вода, движущаяся в обоих направлениях, используется для вращения турбин. Этот вид энергии может использоваться там, где есть значительные области с приливно-отливными потоками.
Во всем мире эта технология используется редко, ее потенциальные возможности для производства электроэнергии незначительны.
Энергия волн
Использование энергии движения волн может дать гораздо больший эффект, чем приливно-отливная энергия.
Возможности практического использования энергии волн в свое время исследовалась в Великобритании. Генераторы электроэнергии в этом случае должны располагаться на плавающих платформах или в полостях прибрежных скальных пород.
Высокая стоимость требуемых устройств и многочисленные проблемы их практической реализации делают такие проекты нереальными.
Геотермальное тепло
В некоторых районах горячий подземный пар может достигать поверхности земли и его можно использовать для производства электроэнергии. Такие геотермальные источники энергии получили распространение в Новой Зеландии, в США, на Филиппинах, в Исландии и Италии. В общей сложности эти источники энергии сегодня вырабатывают мощность до 6000 МВт. Для использования этого метода в других районах иногда возможно перекачивать горячую подземную воду в те места, где ее нет.
Солнце, энергия ветра, приливы и волны очень важны в тех районах Земли, где для их использования созданы особые (зачастую - уникальные) условия. Эти источники, тем не менее, не могут заменить использование угля, газа или ядерной энергии при производстве электроэнергии. Такие технологии вносят свой вклад в мировую энергетику, но никогда не станут основой для удовлетворения энергетических нужд планеты. Если человечество найдет в будущем способы эффективного хранения электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или ветряных генераторов, вклад этих технологий в удовлетворение энергетических потребностей увеличится.
В некоторых местностях избыточную энергию угольных или ядерных электростанций (во время небольших нагрузок на сеть) можно использовать для накопления воды в водохранилищах, которую затем расходуется гидроэлектростанциями, когда необходимо компенсировать пиковые нагрузки.
К сожалению, не так много мест имеют возможности для строительства необходимых подкачиваемых плотин. Хранение сжатого воздуха в подземных хранилищах используется в гораздо меньшей степени. Способы хранения больших количеств электроэнергии в гигантских аккумуляторных батареях пока не разработаны.
Мы видим, что возобновляемые естественные источники энергии не могут обеспечить потребности в электроэнергии или компенсировать пиковые нагрузки. Практически они могут дать лишь 10–20% от общей потребности в энергии и никогда не заменят уголь, газ или ядерную энергию.
Рассмотрев все доступные человеку источники энергии, мы неизбежно приходим к выводу, что без ядерной и атомной энергетики обойтись нельзя. Ядерные реакторы нужны, потому что таковы сырьевые ресурсы нашей планеты. Бойкот ядерных реакторов равнозначен не только отказу от технологического и промышленного развития. Без ядерной энергетики невозможно уже сегодня поддерживать современный уровень цивилизованности.
Энергетика России сегодня и завтра
Предполагается, что доминирующим энергоносителем первой половины ХХI века будет природный газ. Его использование в качестве основного топлива обеспечит высокую энергетическую и экономическую эффективность производства.
Из всех органических видов топлива газ - наиболее экологически чистый. Но все равно останутся нерешенными проблема выброса двуокиси углерода при сжигании газа и проблема потерь метана при его добыче и транспортировке. Некоторые эксперты полагают, что развитие газовой промышленности способно обеспечить не только решение задач энергетики, но и стимулировать ряд крупных технологических прорывов во многих отраслях промышленности и социальной сфере. В производстве энергии – это создание новых газотурбинных и парогазотурбинных установок, использование сжатого, сжиженного и конвертированного газа в автомобильном, железнодорожном и авиационном транспорте, в сельскохозяйственных и других машинах.
Для России это очень благоприятный вывод, учитывая, что у нас находятся 33% разведанных запасов и свыше 40% прогнозируемых ресурсов газа планеты. Для России газ является не просто эффективным энергоресурсом, а и важнейшим средством решения социальных и экономических проблем за счет валютных поступлений от экспорта газа. Эти валютные поступления направляются на федеральную поддержку промышленности и социальной сферы. Эти соображения лежат в основе прогнозов на устойчивый рост производства газа в России в начале наступившего века. Эти же аргументы использованы и при подготовке программы промышленного развития России на ближайшие годы.
Однако эти прогнозы относятся к близкой перспективе. А хорошо известно, что к середине столетия, пройдя через максимум, добыча и использование природного газа начнет снижаться. Это обусловлено истощением запасов дешевого природного газа и необходимостью освоения месторождений с трудными и более дорогими условиями добычи (залежи на Ямале, разработки на морском шельфе). Для того, чтобы обеспечить надежное энергоснабжение, потребуется создание сети газохранилищ и резервирования магистральных газопроводов. Все это снизит экономическую эффективность применения газа. В замедлении темпов использования газа скажется также стремление сохранить его для потомков, а также экологические требования к снижению выброса двуокиси углерода и других тепличных газов.
В России всегда одним из главных видов топлива был уголь . Есть мнение, что без твердого топлива российская энергетика никогда не сможет обойтись. Это мнение вполне обосновано: долгие, холодные зимы, большие расстояния, растянутые коммуникации, вряд ли позволят ограничиваться каким-то одним типом энергетики. В некоторых, особенно малонаселенных, районах очень гибкой и рентабельной энергопитающей системой могут стать ТЭС на твердом топливе. В Ростовской области проходят испытания новейшие установки по сжиганию угля, в Кузбассе строятся экологически чистые угольные котельные. Доступные запасы угля в России вполне сопоставимы с американскими или австралийскими. У нас есть месторождения высококачественных углей, спрос на которые очень велик как внутри страны, так и на мировых рынках.
Выработка электроэнергии на ГЭС, которая в России относится к базовой энергетике, зависит от природных случайностей — засух, паводков, чрезмерных холодов.
Поставщики нефти, а точнее, тяжелой ее фракции — мазута, как основного типа жидкого топлива, понимают, что в недалеком будущем потребление этого вида топлива можно будет полностью заместить на газ или уголь. Доля России в мировых запасах нефти составляет 10 – 15%, что заметно ниже, чем доля в запасах газа. В современных тенденциях развития нефтепереработки наметился поворот, поскольку производство тяжелых видов топлива будет постепенно снижаться. Одной из причин этого является повышенное внимание общества к экологическому аспекту деятельности нефтяных компаний. «Зеленые» выступают за ужесточение экологических норм, автопроизводители начинают разработку водородных двигателей и т.д.
Таким образом, можно утверждать, что в энергетике России роль всех основных энергоносителей будет по-прежнему велика. И уголь, и газ, и мазут эффективно работают в хозяйственном производстве сегодня. А завтра? В середине столетия уже некогда будет обсуждать вопросы о производстве энергии, о том, какие типы энергоносителей нужно и возможно использовать, какие истощатся быстрее, какие следует сохранять для других целей. Именно поэтому уже сегодня возникает вопрос о завтрашнем типе энергопроизводства. И в этом случае мы обязаны поставить на одно из первых мест наиболее чистое энергетическое производство с практически неограниченными запасами сырья – атомную энергетику. При этом, несомненно, сохранится энергетика, основанная на твердом топливе, особенно, если учесть развитие и использование экологически чистых и высокопроизводительных технологий.
Очевидно, что даже при существенном преимуществе ядерной энергии по принципиальным показателям (ресурсы топлива и экологические достоинства) решающую роль в выборе того или иного источника энергии определяют экономические показатели стоимости производства электричества. Они должны включать стоимость непосредственной генерации электричества (с учетом стоимости топлива), экологический аспект и возможный ущерб от аварийных ситуаций с приемлемым показателем риска.
Полная стоимость производства электричества оценивалась для трех типов источников энергии: ядерной (АЭС), газ (ПГУ), уголь (ТЭС). Расчеты показали, что вклад в эту величину так называемой «социальной» стоимости (учет воздействия каждой из рассмотренных технологий на человека и окружающую среду) больше для органического топлива, особенно – для угля. Однако при внедрении новейших способов полного и экологически безопасного сжигания угля стоимость производства энергии снижается. Поэтому твердотопливная энергетика, модернизированная под новые технологии может считаться весьма перспективной в будущем.
Если заглянуть чуть дальше, то уже лет через 30-40, ближе к середине века, добыча и использование газа, как энергетического сырья, будут практически прекращены.
Международная топливная энергетическая ассоциация предсказывает, что к 2030–2040 году наступит период «новой ядерной волны», проще говоря, ядерное энергопроизводство станет основой базовой энергетики. Равноправным ее партнером, по-видимому, станет чистая угольная энергетика. Именно ядерная энергетика способна стать прочным фундаментом развития страны, этому способствуют ее надежность, производительность, экономичность и, главное, экологическая чистота производства. Однако исключительно важная роль отводится при этом и тепловой твердотопливной энергетике, которая способна гибко реагировать на меняющиеся во времени запросы потребителей. Новые технологии мобильной твердотопливной энергетики станут отличным дополнением мощи и надежности ядерного энергопроизводства.