Лекция 1

Введение. Традиционные и нетрадиционные энергоносители. Ограниченность запасов традиционных энергоносителей и экологические аспекты их использования. Виды нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Актуальность и научные принципы их использования

Известно, есть энергия – светло и тепло. Нет энергии – темно и холодно. Есть энергия – всё, что надо, движется, крутится, летает, плавает, действуют системы связи и компьютеры. Нет энергии – всё неподвижно, холодно, нет благ  цивилизации.

Энергия, реализуемая в замкнутой системе, не исчезает бесследно, а переходит из одного вида в другой. Так, что общее количество энергии не изменяется и остаётся постоянным. Об этом говорит закон сохранения энергии, который можно записать так

                          ЭНЕРГИЯ = ЭКСЕРГИЯ + ЭНТРОПИЯ

 Энергия состоит из частей: живой, активной энергии, способной производить работу и пассивной, не способной производить работу в данных условиях. Живую энергию называют ЭКСЕРГИЕЙ, пассивную энергию называют ЭНТРОПИЕЙ.

Упрощённо говоря, ЭНТРОПИЯ – это энергия окружающего пространства, которая  повышается, когда ЭКСЕРГИЯ совершает работу. В техническом  понимании мы используем термин  ЭНЕРГИЯ, не разделяя его на составные части, а дополняем видами энергии – тепловая, механическая, электрическая, магнитная, гравитационная, ядерная и другие виды энергии. Одновременно мы  пользуемся понятиями «ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ» - энергия возможной  будущей работы и «КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ» - энергия настоящей работы.

После всех видов полезных работ и происходящих при этом потерь, активная энергия превращается в тепловую энергию движущихся   микро частиц окружающего пространства -  молекул и атомов –  в энтропию.

Когда мы призываем уменьшать тепловые потери,  зимой закрывать двери, гасить без надобности горящие лампочки, повышать к.п.д. тепловых станций, тепловых и электрических двигателей, трансформаторов и других устройств, то речь идёт именно о сохранении  живой энергии - эксергии, а не просто об энергии.

Гигантские потоки энергии Солнца, приливов и отливов мирового океана, ветра, энергия рек и поступающее на поверхность внутреннее тепло Земли в итоге превращаются в энтропию околоземного пространства. По отношению к космосу  энтропия поверхности и атмосферы Земли является эксергией, она переходит в космос  и рассеивается в безграничном  космическом пространстве. Благодаря этому на Земле существует тепловое равновесие и  возможна Жизнь.

Неуклонное увеличение населения Земли, стремление к высоким стандартам жизни, особенно в развитых странах, ведет к росту потребности в энергии. Энергетика становится главным столпом экономик всё возрастающего числа стран. Это ведет к возникновению глобальных противоречий человека со Средой обитания (так всё чаще называют Природу) и нарушению теплового равновесия Земли с Космосом. Это происходит из–за того, что получение наиболее востребованных видов энергии – электрической (очень удобной для применения, конвертации), тепловой (для обогрева и осуществления многих технологических процессов), а также механической (для обеспечения технологических операций и движения транспортных средств) в настоящее время осуществляется преимущественно путём сжигания различных традиционных первичных углеводородных топлив в кислороде воздуха. В США на долю транспорта (транспортной энергетики) расходуется 25…30% энергоресурсов [Я. Дау]..

К первичным (стоящим в начале “энергетической цепочки”) относят энергоресурсы в первую очередь:

- традиционные (основные): уголь, нефть, газ, уран и энергии вод;

- нетрадиционные возобновляемые;

- и ранее ограничено применявшиеся нетрадиционные невозобновляемые энергоресурсы.

Путем преобразования (конвертации) первичных получают для непосредственного применении вторичные энергоресурсы (чаще всего- это электроэнергия)[Сиб.Быстр13].

Показатель полезного использования химической энергии, содержащейся в углеводородном сырье редко превышает 30%. Остальная часть – 70% - миллиарды гигакалорий – рассеивается в окружающем пространстве и должна уходить в Космос для поддержания теплового баланса Земли. Однако при работе производственных и энергетических объектов, сжигающих ежегодно миллиарды тонн угля, нефти, природного и попутного газа, других видов топлива образуются так называемые «парниковые газы» и другие  соединения. Парниковые газы – продукты сгорания и другой техногенной деятельности человека скапливаются в верхних слоях атмосферы и образуют слой обуславливающий  изменение её свойств, он “запирает”  инфракрасное излучение, образующееся на поверхности Земли. Это препятствует рассеиванию тепловой энергии  в космическом пространстве. Возникает “парниковый эффект”, повышается  средняя температура планеты [Болт].

Существующая практика инвентаризации МГЭИК включает шесть основных парниковых газов: двуокись углерода (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), и три газа-предвестника: окись углерода (CO), окислы азота (NOx), неметановые летучие органические соединения (НМЛОС). Киотский протокол включил в обязательства Сторон количественное ограничение и сокращение эмиссий по шести газам: двуокись углерода (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O), а также гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ) и гексафторид серы (SF6).

Двуокись углерода (CO2) - (диоксид углерода, углекислый газ) - высокого давления и низкотемпературную получают из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давления и газообразная. Назначение. Двуокись углерода применяется для создания защитной среды при сварке металлов, для пищевых целей в производстве газированных напитков, сухого льда, для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов при прямом и косвенном контакте с ними; для сушки литейных форм; для пожаротушения и других целей во всех отраслях промышленности. Жидкая двуокись углерода применяется преимущественно для нужд сварочного производства.

Метан (CH4) - гораздо более "сильный" парниковый газ, чем двуокись углерода. Сырьё для получения многих ценных продуктов химической промышленности - формальдегида, ацетилена, сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, сажи. Применяется как топливо.

Закись азота (N2O) - "веселящий газ". Основное применение: обезболивание при выполнении медицинских процедур, требующих отключения сознания. Гидрофторуглероды - ГФУ (Hydrofluorocarbons – HFCs) - углеводородные производные, состоящие из одного или большего числа галогенов, которые частично замещают водород.

Перфторуглероды – ПФ (Perfluorocarbons - PFCs) - единственным известным основным источником эмиссий этих газов является плавка алюминия. При алюминиевой плавке эмиссии ПФУ возникают в электрической дуге или при так называемых "анодных эффектах". Гексафторид серы (SF6) - является в 22 200 раз более эффективным парниковым газом, чем CO2, в расчете на килограмм. Он высвобождается из антропогенных источников, чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Поэтому это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем.

В результате «парникового эффекта » возникают чрезвычайные, ранее не регистрировавшиеся природные явления – наводнения, цунами и затопления больших территорий и городов Индонезии, Индокитая, Европы, Америки, Индии, Японии…, оползни, сели. Экономический ущерб и людские жертвы при этом бывают огромными. Причиной этих катаклизмов является повышение температуры поверхности Земли на 0,5…1,5⁰С, а в отдельных местах на 3,0⁰С за счет «парниковых газов». В среднем температура атмосферы повышается на 1,5⁰ в десятилетие. Тают и уменьшаются по толщине и площади ледяные покровы Арктики и Антарктики. Уменьшаются запасы влаги в виде вечных снегов высокогорий [Я].

Концентрация вредных веществ в дымовых газах угольных электростанций в Казахстане в несколько раз превышает международные стандарты. Выбросы вредных веществ в атмосферу электростанциями превышают 1 млн. тонн в год, а общий объем загрязняющих веществ в окружающую среду превышает 11 млн. тонн в год. По приблизительным оценкам экспертов, стоимость ущерба, который наносит  окружающей среде угольная энергетика в Казахстане оценивается в 7,7 тенге/кВт.ч и превышает стоимость самой электроэнергии.

“Большую” гидроэнергетику и “атом” также относят к традиционным источникам энергии. Они также экологически “нечисты”. Атомные электростанции (АЭС) должны строиться и эксплуатироваться по высочайшим стандартам надёжности (вспомним Чернобыль и Фукусиму), серьёзной проблемой является также утилизация отработавшего ядерного топлива. В то же время во Франции, например, 80%, в Бельгии – около 60 %, в России – 15 %. электроэнергии вырабатывается на АЭС. Сами французы объясняют это обстоятельство бедностью страны ископаемыми топливами.

Для Казахстана атомная энергетика считается нетрадиционной, т.к. в нашем государстве нет АЭС, однако они скоро появятся, согласно решениям на высшем уровне.

При строительстве крупных гидроэлектростанций создаются высотные плотины (до 200…300м), затапливаются и выводятся из оборота громадные площади полей- лесов, терпят ущерб сельское и рыбное хозяйство и т.д.

Вместе с тем запасы традиционных энергетических ресурсов (угля, нефти, газа, урана и др.) конечны (кроме энергии вод). Их прогнозные запасы оцениваются, соответственно, в 15 трлн т., 500 млрд. т. и 400 трлн.м³, при разведенных запасах 1685 млрд. т., 137 млрд. т. и 140 трлн.м³ (табл.1).

Более или менее достоверные мировые запасы урана оценивается в 1,5 млн.т. Дополнительные ресурсы оценивается в 0,9 млн.т. считаются, что большими количествами урана обладают страны СНГ.

При современном уровне добычи разведенных запасов угля хватит на 400 лет, нефти - на 42 года и газа – 61 год. Естественно, со временем часть прогнозных ресурсов также будет освоена, но стоимость их добычи будет постоянно расти.

При экстенсивной эксплуатации, по оценкам экспертов, сегодняшних запасов нефти в Казахстане хватит на 70 лет, природного газа – на 85 лет.

Таблица 1 - Ресурсы, запасы и добыча горючих ископаемых в мире

Горючее ископаемое	Ресурсы	Разведенные запасы	Добыча в год	Обеспеченность добычи, лет
				Ресурсами	Разведенными запасами
Уголь, млрд.т.	15000	1685	4,2	3571	401
Нефть, млрд.т.	500	137	3,3	151	42
Газ, Трлн. м3	400	140	2,3	174	61

Традиционные ископаемые энергоносители даются людям в результате целенаправленных тяжких трудов (порой небезопасных) и громадных капитальных вложений (в пересчете на энергосодержание 1кДж/кг они безудержно увеличиваются).

Считается, что первая треть века пройдёт под знаком традиционной энергетики с постепенным переходом к нетрадиционным энергоресурсам.

Человечеству нужна энергия, причем потребность в ней увеличивается с каждым годом. Всё возрастающая доля энергопотребностей может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных( возобновляемых и невозобновляемых). Это потоки энергии, постоянно существующие или периодически возникающие в окружающей среде. Атмосфера, Космос, Океаны, Природа, Вселеная пронизаны флуктуирующими потоками энергии. Она вездесуща. И поэтому ценное свойство нетрадиционных источников в том, что фактически в любой точке Планеты найдется какой-либо ресурс (чаще “ветер”,“солнце”), который можно “задействовать по месту”[Я, Быстр.].

В 1978г. Генеральной Ассамблеей ООН был утвержден список нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (резолюция № 33/148). Нетрадиционные (альтернативные) источники энергии (НИЭ)– это:

А) возобновляемые (неистощаемые) источники энергии (ВИЭ), к ним относятся :

- солнечная энергия;

- ветровая энергия;

- геотермальная энергия;

-энергия морских и океанских течений;

- энергия волн и приливов;

-энергия температурного градиента морской воды;

- энергия текущей и падающей воды рек и каналов;

- энергии низкопотенциального тепла земли, воздуха, воды;

- кроме того это энергия биомассы животного и растительного происхождения,

- торф (при условии их умеренного потребления с воспроизводством)[1];

Б) до сих пор ограниченно применяющиеся энергоресурсы:

- новые виды жидкого и газообразного топлива, представленные синтетической нефтью на основе угля, горючих сланцев и битуминозных пород (дополнительные углеводородные ресурсы);

- твердые бытовые и прочие отходы;

- попутный газ (при разработке нефтяных месторождений);

-а также спирты и топливо для транспортных средств, добываемое из биомассы, и водород.

Нетрадиционная возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека (в этом ее отличительный признак от традиционных ресурсов которые всё труднее людям достаются), она подарена Природой.

Потенциальные возможности НВИЭ составляют в год:

- солнечная энергия – 2300 млрд.т усл. топл.

- ветровая энергия – 26,7 млрд.т усл. топл.

- геотермальная энергия;

-энергия морских и океанских течений – 30 млрд.т усл. топл.

- энергия малых рек – 360 млрд.т усл. топл.

- энергии низкопотенциальных источников - 530 млрд.т усл. топл;

- энергия биомассы - 10 млрд.т усл. топл.

Уже четверть века авторитетные международные организации ООН, ЮНЕСКО при поддержке ведущих мировых держав и заинтересованных организаций проводят мероприятия по широкому внедрению технологий НВИЭ. Многие страны (США, Германия, Дания, Норвегия, Нидерланды) добились впечатляющих результатов [8].

Тенденция к переводу энергетики на “ зеленые рельсы” наиболее отчетливо проявилась в последние годы в энергетике развитых стран и регионов, особенно в Северной Америке. Там сравнялись доли производства возобновляемых ресурсов – гидроэнергии, биомассы (включая дрова и отходы) – и новых способов использования таких почти традиционных ресурсов, как ветер и солнце. Важно также, что совокупность возобновляемых ресурсов достигла доли атомной энергетики и в сумме с ней вплотную приблизилась к доле каждого из основных видов топлива [3].

В сценарии Мирового энергетического Совета предусматривается к 2050 г. увеличение доли использования ВИЭ до 40%. Европейский Союз взял на себя обязательства довести данный показатель до 20% к 2020 г. и до 30% - к 2040 г.Это при том, что в данное время нетрадиционные возобновляемые источники в мировой структуре энергопотребления занимают порядка 7%. Прогнозируется, что лидерами по использованию «зеленого» топлива будут США, Бразилия и европейские страны [3].

В Казахстане на сегодняшний день доля возобновляемых источников составляет около 15% топливно-энергетического баланса и представлена практически только “большой” гидроэнергетикой. Доля альтернативных (нетрадиционных) источников составляет 0,3-0,4%. Подобная ситуация не может считаться приемлемой, учитывая огромный потенциал и значительную целесообразность развития НВИЭ в РК [6,8].

Главное преимущество этих энергоресурсов состоит в том, что большинство из них являются местным видом топлива, а районы наибольшей концентрации их сырьевой базы, как правило, испытывают определенные трудности в формировании своего топливно-энергетического баланса (ТЭБ). Хозяйственное освоение их будет не только способствовать оптимизации структуры ТЭБ этих районов, но и снижению напряженности транспортных грузопотоков и, соответственно, дополнительному энергосбережению.

Из сказанного проистекает первый и главный стимул к переходу на альтернативные нетрадиционные источники энергии- быть готовыми к окончанию “века пара” (фактически он всё ещё продолжается “в лице” циклопических ТЭС- основе современной энергетики- по всему миру).

Второй стимул к переходу на “зеленую” энергетику с использованием природных- неисчерпаемых- возобновляемых- энергетических ресурсов - предотвратить экологическую катастрофу и сохранить природу для будущих поколений

  По данным ЮНЕСКО миллиарды сельских жителей в  мире не имеют доступа  к электричеству и цивилизации. Это создаёт большие социальные проблемы и ведёт к уходу людей в города, “разбуханию” больших городов. В Казахстане большое количество малых поселений в сельской местности оторваны от систем электроснабжения. Нет энергии, нет воды питьевого качества, низкая продуктивность сельскохозяйственного производства и низкий уровень жизни.

Отсюда- третий стимул развития “зеленой” энергетики на базе  использования  неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов  - обеспечение энергией людей, проживающих в  регионах, удалённых от существующих систем  энергоснабжения. Главным направлением решения этой проблемы является создание децентрализованных автономных систем энергоснабжения и источников энергии индивидуального пользования, работающих с использованием энергии ветра, Солнца, движущейся воды  и других нетрадиционных возобновляемых энергетических ресурсов – отходов  сельскохозяйственного производства.

Единичная мощность используемых здесь энергетических установок составляет от 1,0 до 30…50 кВт. Они комплектуются аккумуляторными батареями и обеспечивают работу бытовых  энергопотребителей – средств  связи, телевизоров, радиоприёмников, электрического освещения, холодильников, нагревателей воды, кондиционеров, водоподъёмников и тому подобное.

 Для создания  местных энергетических систем, обслуживающих посёлки, аулы, крупные фермы используются комплексные энергетические установки мощностью 50 – 250 кВт – ветровые, солнечные и дизельные агрегаты.

Сегодняшние международные конфликты - это в значительной степени войны за энергию. Политическая дестабилизация мира, обусловлена, как правило, борьбой  за владение запасами нефти и газа (вспомним “намеки” в сторону России о её громадной территории и ресурсах).

И поэтому: четвертый стимул развития энергетики на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии (НВИЭ)- снижение уровня политических интриг и военных акций за владение традиционными энергетическими ресурсами – нефтью, природным газом, углем. В тоже время неисчерпаемые энергетические ресурсы Ветра и Солнца не являются объектом монопольного владения и торговли, они даны поровну всем и каждому. Конкурентная борьба в этой сфере идёт через международный рынок энергетических установок, преобразователей первичной энергии в электрическую.

Итак, главным вектором энергетической политики развитых и развивающихся государств (ЕС, БРИКС и др.) стало создание экологически чистых энергетических установок на традиционных видах топлива, всемерное развитие технологий НВИЭ, а также разработка и проведение мер по энерго- и ресурсосбережению. Всё это при неукоснительном соблюдении постоянно ужесточающихся экологических стандартах.

Широкое внедрение технологий НВИЭ позволит решить проблемы [10]:

- снижения существенного отрицательного воздействия повсеместно превалирующей традиционной теплоэнергетики (“стационарной” и транспорной) на окружающую среду (читай Природу);

- удовлетворения потребностей в энергии значительной части населения, в первую очередь проживающих в сельской местности и в районах, расположенных вдали от линий электропередач (ЛЭП);

- ограничения применения органического топлива в тепловых процесах и сохранение его как сырья для химической промышленности ( Д. И. Менделеев более века назад сказал примечательные слова: “Обогреваться нефтью- всё равно, что топить печь ассигнациями”).

Экспертное сообщество считает что, по крайней мере, до 2030г. потребление традиционных первичных ресурсов будет только возрастать [5,10]. и поэтому НВИЭ следует рассматривать на достаточно продолжительный период (по крайней мере на первую треть XXI в.) не как альтернативу традиционной энергетике, а как дополнительный источник энергии, решающий важные экологические и социально-экономические задачи [7,8,10].

В таблице 1.1 приведена ретро- и перспектива мирового потребления первичных энергоресурсов. Как видно, по крайней мере, до 2030г. потребление первичных ресурсов будет только возрастать, и доля НИЭ (НВИЭ)в нем увеличиваться [Дукен. Сиб]..

Таблица 1-Мировое использование первичных энергоресурсов, млрд. т у.т.*, (%)

Виды ресурсов	Годы
	1990	2000	2010	2020	2030
1 . Органическое топливо	10,1 (87)	12 (86)	13(81)	13,7 (76)	14,2(71)
Твердое топливо	3,4 (29)	4,0 (28)	4. ..4,5 (27)	4. ..4,9 (25)	4. ..5 (71)
Жидкое топливо	4,3 (37)	4,7...4,8 (34)	4,6...4,8 (29)	4,5...4,7 (25)	4...4,3 (20)
Природный и нефтяной газ	2,4(21)	3,1...3,3 (24)	3,5...4,3 (25)	4,1...5,2 (26)	4,8...6,2(29)
2. Электроэнергия, в том числе:	1,45(12)	1,9(13)	2,5(16)	3,3(18)	4,0 (20)
Гидроэнергия	0,75 (6,5)	0,9 (6,0)	1,2 (7,9)	1,4 (7,5)	1,5 (7,5)
Атомная анергия	0,7 (5,5)	1,0 (7,0)	1,3 (8,1)	1.9(10,5)	2,5 (12,5)
3. НВИЭ	0,06(1)	0,2(1)	0,6 (3)	1,0(6)	1,9 (9)
Всего:	11,6(100)	14,0(100)	16,0(100)	18(100)	20 (100)

*- у.т.- условное топливо. Теплота его сгорания принимается 29330 кДж/кг (29330 кДж/м³).

Основное преимущество НВИЭ — неисчерпаемость и экологическая чистота (по крайней мере сравнительная). Потенциальные возможности НВИЭ практически не ограничены. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в Казахстане на ближайшие десятилетия.

Отмеченные преимущества НВИЭ позволяют заключить, что возобновляемые источники энергии могут сыграть значительную, может быть определяющую, роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетики, экологии, продовольствия [8].

Развитию Глобальной энергетики без возникновения политических конфликтов способствуют международные организации – ЮНЕСКО, ПРООН. Стратегию развития энергетики на неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсах определяют Международные соглашения.  Большую роль здесь играет Киотский протокол, к выполнению принципов которого подключилось большинство стран мира, в том числе Республика Казахстан. Важное значение имеет «Аматинская Декларация» региональной конференции ЮНЕСКО на уровне министров «Стратегическая роль возобновляемой энергии для устойчивого развития в Центральной Азии» (Алматы, 2006г.).

Топливно-энергетический баланс (ТЭБ) Казахстана. Сейчас в структуре топливного баланса электростанций РК доля угля составляет около 75%, газа -23%, мазута -2%. Около 70 % электроэнергии в РК вырабатывается из угля, 14,6% - из гидроресурсов, 10,6% - из газа и 4,9% - из нефти, из других (НИЭ) – менее  1%. Суммарная установленная мощность всех электростанций Казахстана составляет 18992,7 МВт[1].

Потребители электроэнергии: - промышленность - 68,7%; домашнее хозяйство - 9,3%, сектор услуг - 8%,транспорт - 15,6%, сельское хозяйство - 1,2% (всего! в этом объяснение низкой производительности труда в отрасли).

Есть несколько веских причин, которые должны побудить Казахстан к ускоренному освоению и внедрению НВИЭ. И это при том, что наше государство обладает значительными запасами углеводородов разведанных и перспективных. Резоны таковы:

- Казахстан обладает громадным потенциалом НВИЭ: энергия ветра  - 1820 МВт.ч\год; солнечная  энергия – 1300 – 1800кВт.ч\ м² год; гидроэнергия – 170 МВт.ч\год; геотермальная энергия – 520 МВт, (в объемах, определенных по локальным точкам, обследованным при бурении на нефть и газ, а также при изучении  запасов подземных вод).

• жители населенных пунктов, расположенных в зонах с плохой экологией, могли бы надеяться на оздоровление обстановки;

• развитие НВИЭ - энергетики – перспективный способ повысить качество жизни населения аулов и сел удаленных от ЛЭП, которые испытывают дефицит (и даже отсутствие) электроэнергии для бытовых и производственных нужд;

• современные биотехнологии позволяю уже сейчас получать нетоварное моторное топливо из биомассы для собственных нужд малых и средних хозяйств;

• интенсификация применения НВИЭ позволит «растянуть» запасы ископаемых углеводородных ресурсов на десятилетия для еще нерожденных потомков;

Лекция 2

Технические проблемы использования ВИЭ. Энергетическая программа РК, место ВИЭ в ней. Основные положения Киотского соглашения. Посткиотский процесс. Социально-экономические аспекты применения ВИЭ

Общими свойствами и признаками возобновляемых энергетических ресурсов являются следующие:

1) цикличность – суточная и сезонная (весна, лето, осень, зима), связанные с вращением Земли и изменением наклона оси ее вращения, Солнечными 11-летними  циклами;

2) зависимость интенсивности проявления  энергетической активности этих источников от состояния атмосферы – ее оптической плотности, связанной с наличием в ней влаги – облаков, твердых частиц – дыма, пыли, а также от рельефа местности, загруженности территорий строениями разной величины, создающими затенения, формирующими воздушные течения в приземном пространстве;

3) необходимость использования накопителей стихийно  поступающей энергии для энергетических установок малой и средней  мощности для  использования ее по мере необходимости в разное время. В качестве  накопителей энергии наиболее доступными являются электрические аккумуляторы;

4) мощные преобразователи ветровой и солнечной энергии должны объединяться с энергетическими системами, способными поглотить всю вырабатываемую ими энергию по любому режиму и графику её поступления.

В настоящее из-за технических проблем использования НВИЭ, а именно, несовершенства техники и технологии НВИЭ, отсутствия необходимых конструкционных и других материалов пока не удеается широко вовлекать НВИЭ в энергетический баланс.

Вместе с тем особенно заметен в мире научно-технический прогресс в сооружении НВИЭ-установок и в первую очередь: фотоэлектрических преобразований солнечной энергии (фотовольтаики), ветроэнергетических агрегатов и в переработке биомассы [11].

В Республике Казахстан создание и развитие энергетики,  использующей неисчерпаемые и возобновляемые энергетические ресурсы определено законами РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» и «О внесении изменений и дополнений в некоторые законодательные акты Республики Казахстан по вопросам поддержки использования возобновляемых источников энергии»,  « Стратегией развития государства до 2030 года», рядом Постановлений правительства. Государственная Программа развития энергетики до2030г предусматривает следующее развитие использования возобновляемой энергии:

- ввод 1460МВт мощностей гидростанций в Южных и Восточных регионах, в том числе 300МВт к 2015 году;

- ввод 520 мощностей ветростанций, в том числе строительство пилотной ветроэлектростанции в Джунгарских воротах;

- применение солнечных преобразователей энергии «фотовольтаики», тепловых солнечных коллекторов и тепловых насосов для горячего водоснабжения и отопления.   

Для обеспечения освоения возобновляемых источников энергии сегодня проводится следующее:

- разрабатываются и реализуются национальные программы;

- продолжается изучение доступного технически и экономически выгодного потенциала неисчерпаемых и возобновляемых  энергетических ресурсов (НИЭР) и  (ВЭР) в регионах;

- проводится обучение населения и убеждение властных структур в необходимости и возможности создания простых и доступных технических средств превращения стихийной энергии в управляемую электрическую и тепловую энергию;

- создаётся производственная база для изготовления и ввода в эксплуатацию ветроэнергетических агрегатов, преобразователей солнечной энергии, геотермальных установок, тепловых насосов и биогазовых станций;

- расширяется промышленное использование всех видов преобразователей энергии, совершенствуются их экономические и технические показатели;  

- осуществляется международный обмен опытом и достижениями, международная торговля энергоустановками;

- идёт подготовка кадров разной квалификации для разработки, производства, монтажа, наладки и эксплуатации установок, работающих на неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсах.

Основные положения Киотского протокола

В декабре 1997 года на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы СО₂.

Киотский протокол - международный документ, принятый на 3-ей сессии Конференции Сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата в декабре 1997 г. в Киото, Япония. Это протокол по сокращению выбросов парниковых газов в 2008 – 2012 гг., не контролируемых Монреальским протоколом, странами Приложения В. Киотский протокол предполагает гибкие рыночные механизмы реализации (механизм чистого развития, проекты совместного осуществления, торговлю квотами).

Вступил в силу 16 февраля 2005 года после того, как его ратифицировали страны, суммарная квота которых по выбросам "парниковых" газов по состоянию на 1990 год превышает 55 %.

Подписавшие его страны договорились о необходимости сокращения выбросов парниковых газов, которые вызывают глобальное потепление. Документ предусматривает, что в период с 2008 по 2012 годов общий объем выбросов в атмосферу двуокиси углерода, метана и других парниковых газов должен быть сокращен на 5,2% по сравнению с уровнем 1990 года.

Страны Приложения В к Киотскому протоколу имеют определенные лимиты на выбросы в парниковых газов атмосферу. Если какая-либо страна приложения В не использует полностью свои лимиты, то она имеет право их продать как неиспользованные квоты. По мнению экспертов ООН, механизмы Киотского протокола должены способствовать поступлению в развивающиеся страны значительных ресурсов, которые должны быть использованы для борьбы с негативными тенденциями, вызванными изменением климата.

Согласно Протоколу, Евросоюз должен сократить выбросы на 8 %, Япония и Канада – на 6 %, страны Восточной Европы и Прибалтики – в среднем на 8 %, Россия и Украина – сохранить среднегодовые выбросы в 2008 – 2012 годах на уровне 1990 года. (Убрана фраза, не имеющая отношение к Киото). Развивающиеся страны, включая Китай и Индию, не были обременены обязательствами, но могли брать на себя добровольные обязательства и получать под них финансирование. Соединенные Штаты Америки заявили о неучастии в протоколе до 2013 года.

США и европейские страны придерживаются по этому вопросу разных точек зрения: в США считают, что сохранение климата должно обеспечиваться развитием современных технологий, а не введением ограничений на выбросы углекислого газа, которые предусматривает Киотский протокол.

Киотский протокол ратифицирован 181 страной и одним региональным содружеством Европейским союзом.

Казахстан ратифицировал Киотский протокол в конце февраля без Приложения 1, предполагающего механизм количественного ограничения выбросов и "торговлю выбросами", в котором участвуют только стороны Приложения 1. Суть торговли заключается в том, что государство, уже выполнившее свои обязательства и имеющее переизбыток квот, может продать свои квоты на выброс другим сторонам.

В 2001 году Казахстан получил статус "стороны Приложения 1 Киотского протокола после ратификации Киотского протокола". Однако, позже министерство охраны окружающей среды Казахстана заявило, что в условиях глобального кризиса и снижения темпов развития страны, учитывая плюсы и минусы сложившейся обстановки для Казахстана, необходимо пока повременить с количественными обязательствами и идти по пути дальнейшего перехода на проекты совместного осуществления для полноправного участия в пост-Киотском процессе. По оценке министерства, ратификация Киотского протокола даже без ратификации Приложения 1 позволит Казахстану привлечь в страну ежегодно до 1 миллиарда долларов инвестиций в год.

Казахстан присоединился к Рамочной конвенции ООН по изменению климата в 1995 году. В 1999-м был подписан Киотский протокол. На 7-й Конференции сторон в городе Марракеш Казахстан получил официальный статус стороны Приложения 1 Рамочной конвенции ООН по изменению климата. Киотский протокол к Рамочной конвенции ООН по изменению климата представляет собой международно-правовой инструмент по сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу. Казахстан ратифицировал Киотский протокол в марте 2009-го, а 17 сентября этого же года вступил в силу для Республики Казахстан, и наша страна стала полноправным участником данного международного соглашения, а также переговорного процесса по международно-правовому режиму по сокращению выбросов парниковых газов после 2012 года.

Киотским протоколом в Казахстане регулируются следующие газы: CO2, N2O, CH4, HFCs, PFCs, SF6.

Ратификация Киотского протокола позволила дать старт попытке создания мировой системы регулирования энергопотребления, устойчивого управления лесами и ограничения негативных процессов масштабного антропогенного воздействия на экосистемы планеты. Не умаляя значимости сокращения выбросов парниковых газов, сопутствующее Киотскому процессу, снижение антропогенного воздействия на окружающую среду и повышение эффективности использования природных ресурсов

Казахстан имеет огромный потенциал возобновляемой энергии (ВЭ) и благоприятные административно-территориальные факторы его использования:

  большая часть субрегиона Центральной Азии, занимает территорию свыше 2.7 млн.км² с благоприятными географическими и климатическими условиями для развития возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, гидро и ветроэнергетика;

  количество солнечных дней составляет до 300 дней в году при интенсивности солнечного излучения 1300-1800 кВт/м² в год;

  потребители отдельных районов Казахстана испытывают дефицит электроэнергии или её полное отсутствие;

  размеры территории страны и ее географические особенности (пустынные земли отделяют северные территории от южных) вкупе с концентрацией угольных месторождений на севере, требуют крупных капиталовложений в систему линий электропередач со свойственными им высокими потерями и износом.

Основные мотивы разработки возобновляемых ресурсов в Казахстане заключаются в следующем:

  замещение импорта электроэнергии, особенно, в южных регионах, экологически чистыми и конкурентоспособными возобновляемыми энергетическими ресурсами;

  расширение доступа к электроэнергии для населения отдаленных населенных пунктов и кочевий;

  защита экосистемы страны путем уменьшения зависимости энергосистемы от выработки электроэнергии на основе угля (составляющей в настоящее время около 85 процентов), которая оказывает серьезное воздействие на окружающую среду;

  снижение потерь на линиях электропередач и усовершенствование стабильности и надежности через монтаж распределительных и терминальных станций, генерирующих электроэнергию с использованием возобновляемых энергетических ресурсов;

  снижение выбросов СО₂  при энергетической деятельности путем распространения установок ВИЭ.

Разработка, исследование и применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в РК.

1)                РК обладает высоким потенциалом возобновляемой энергии и преступно её не использовать.

2)                В тоже время в РК большой запас органического и ядерного топлива.

3)                Поэтому возобновляемая энергетика с экономической точки зрения не конкурентаа для внедрения в РК.

4)                Учитывая большие площади Республики, применение ВЭИ не является необходимым даже с экологической стороны.

5)                Уникальные районы с ветровым (Джунгарские ворота) и солнечным (Кызылординская область) потенциалом, а также наличие отдаленных от энергоснабжения потребителей (зоны отдыха, пастбища и др.)  требуют дальнейшего развития ВИЭ.

6)                Несмотря на дотационный путь развития ВИЭ стремительно совершенствуются, и если Республика не будет разрабатывать и внедрять их, то мы, как и в области компьютерных технологий навсегда отстанем от цивилизованного мира.

7)                Несмотря на отсутствие поддержки со стороны государства, особенно в области солнечной энергетики, усилиями энтузиастов одиночек, процесс внедрения единичных установок существует.

8)                Более того, используя комплектующие, выпускаемые в других странах, и адаптируя его к местным условиям, местные умельцы вносят в процесс внедрения много новых наукоемких идей. Например, система слежения за солнцем или комплексная установка фотовольтаики и тепловых коллекторов и др.

9)                В РК отсутствует сертификационная лаборатория по установкам ВИЭ, где можно провести измерение технических характеристик предлагаемого оборудования и сделать его сравнительные параметры. Поэтому внедряемое оборудование не способствует его дальнейшему внедрению, а тормозит популярность среди населения.

10)            В Китае налажено серийное производство тепловых коллекторов, что естественно снижает их стоимость и позволяет использовать их как энергосберегающее оборудование в основных системах отопления. В республике подобные работы фактически отсутствуют.

Все сказанное и тенденция развития мировой энергетики требуют принять государственную программу развития возобновляемой энергетики.

Казахстан имеет огромные возможности использования энергии возобновляемых источников:

1)                по солнцу: в Казахстане продолжительность солнечного сияния составляет 2200 - 3000 часов в год, а энергия этого сияния достигает 1300 - 1800 кВт/ч. В год суммарная дневная радиация при различных условиях радиации по республике составляет 3,8-5,2 кВт/ч м², это один из лучших показателей в мире;

2)                по ветру: энергетический потенциал ветра оценивается на уровне 1,8 трлн. кВт/ч. В год, тогда как годовая выработка электроэнергии, например в 2005 г составила 68 млрд. кВт/ч. Только в районе Джунгарских ворот и Шелекского коридора, где средние годовые скорости ветра составляют 7,9 м/с и 5-9 м/с, соответственно. Здесь возможная выработка электроэнергии измеряется в меру кВт/ч, в году. Как видно, при разумном использовании энергии ветра, мы можем не только обеспечить потребности страны в электроэнергии, но и экспортировать ее за рубеж;

3)                гидропотенциал Республики оценивается в 170 ТВ в год. На сегодня из них вырабатываются лишь 78 ТВ в год. Большие перспективы принадлежат малым гидроэлектростанциям общей мощностью 1380 МВт. Казахстанскими учеными установлено большое преимущество безплотинных микроГЭС, ими же разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы и показано их высокая эффективность и конкурентоспособность на внутреннем и международном рынках.

За последние годы в мире особенно заметен научно-технический прогресс в создании установок по использованию НВИЭ и в первую очередь: фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, ветроэнергетических агрегатов и систем по переработке биомассы.

12 Ниэ и сбережение Природы

Актуальный список нетрадиционных источников энергии (НИЭ) включает группы [Я.Денис.]: а) ресурсы “бесплатные” возобновляемые (ВИЭ) и б) ранее невостребованные ископаемые углеводороды, их черед приходит в связи с давно предрекаемым истощением месторождений традиционных углеводородов (см. раздел 1). Для них, очевидно, присущи те же экологические проблемы, что и для “предшественников”, зачастую более серьёзные. Поэтому вопросы взаимодействия означенных групп а) и б) с окружающей средой (так всё чаще обозначают мать нашу - Природу) рассматриваются раздельно.

12.1 Взаимодействия энергетики и экологии

ВИЭ всё шире применяются в энергетике и поэтому всё пристальнее внимание к аспекту их взаимодействия с окружающей средой[ Агей,Безрук]. В многотысячелетней ретроспективе именно ВИЭ человечество научилось применять как энергоресурс в первую очередь. Тепло наши далекие предки “добывали” из древесины (впрочем, как и сейчас во многих регионах Планеты), ветер подгонял парусные суда и вращал мельницы, как и вода. Всё это не нарушало коловращения природных процессов. Первой дала знать о проблеме “большая” гидроэнергетика (см. раздел 4). При воздвижении на реках циклопических плотин и создании озер- водохранилищ страдает население, сельское и рыбное хозяйство, речная навигация и т.д.

[Форт.Мукаж.]. При возведении Асуанской ГЭС в Египте в зону затопления попадал древний времен фараонов храм Абу - Симбел. Его вырубили из скалы и частями перенесли повыше.

Вообще, у каждого вида ВИЭ найдутся “свои” проблемы с Природой. Возобновляемая энергетика не совсем «чистая» [ Агей,БезрукДукен], но острота создаваемых ею проблем на порядки ниже создаваемых топливной и ядерной энергетикой. Однако, возможные экологические последствия применения ВИЭ должны быть исследованы заранее, т.к. определенные виды экологического воздействия ВИЭ на окружающую среду не ясны до на-стоящего времени, особенно во временном аспекте, а потому изучены и разработаны еще в меньшей степени, чем технические вопросы использования этих источников.

Преобразование энергии нетрадиционных возобновляемых источников

в наиболее пригодные формы ее использования – электричество или тепло –

на уровне современных знаний и технологий обходится довольно дорого.

Однако во всех случаях их использование приводит к эквивалентному сни-

жению расходов органического топлива и меньшему загрязнению окружаю-

щей среды [Кауш.]. .

Приведем экологический анализ ВИЭ- технологий, их воздействия на различные природные среды и объекты. Отметим, что общим для всех ВИЭ является низкая концентрация энергии, что требует вовлечения бóльших площадей, объёмов, масс в процесс.

12.2 Экологические последствия развития солнечной энергетики

Серьёзных претензий к солнечным водонагревательным и отопительным установкам у экологов нет, к тому же они маломасштабны. Могут быть проблемы при вытекании антифризов из 2-х, 3-х контурных систем. Касательно солнечных электростанций (СЭС), централей (СЭЦ) и солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС), то условно экологически чистой можно назвать лишь их эксплуатацию.

Солнечные электростанции (СЭС) и централи (СЭЦ) работают с концентраторами солнечной энергии, занимающими громадные площади (см. раздел 2), то же касается и фотоэлектрических станций (СФЭС). Удельная землеемкость СЭС изменяется от 0,001 до 0,006 га/кВт с наиболее вероятными значениями 0,003–0,004 га/кВт. Это меньше, чем для ГЭС, но больше, чем для ТЭС и АЭС [Аге]. Например, СЭС башенного типа PS20 (Испания) установленной мощностью 20 Мвт занимает площадь 9000га, на которой установлены 1255 гелиостатов общей поверхностью 151000 м². Эта земля, естественно, выведена из оборота [ Кауш]..

В изготовлении фотоэлектрических панелей используется кремний “солнечного”, качества. Его производство экологически вредно. В мире разрабатываются бесхлорные технологии его получения взамен «хлорных», так что эта проблема разрешима [Без.Аге]..

Ещё, “большая” солнечная энергетика весьма материалоемка (металлы, стекло, бетон и т.д.). Солнечные панели и концентраторы создают большие по площади затенения, что приводит к деградации почв. Нагрев воздуха над гелиостатами приводит к созданию местного микроклимата: изменяется тепловой баланс, направление ветра, влажность, в районе расположения станции. Экологическую угрозу представляет также применение в гелиосистемах низкокипящих жидкостей (особенно хроматов и нитритов), являющихся высокотоксичными веществами, риск утечек не исключен, что приводит к загрязнению подземных вод.