книги / Стратегия устойчивого развития

Неоспоримым преимуществом токамак-реакторов является их высокая энергетическая продуктивность. Так, переработка 1 кг дейтерия дает 24 млн кВт·ч энергии. Это соответствует энергии, получаемой из 3 млн т угля.

В качестве отработанного топлива в установке IТЕR образуется гелий, а не его изотопы, которые нужно хранить в специальных хранилищах десятки лет [78]. Ядерная энергетика на основе реакций синтеза легких элементов может стать одним изпутейрешенияглобальнойэнергетической проблемычеловечества. Исследования

вобласти управляемого термоядерного синтеза ведутся в мире уже более 50 лет. Основными достоинствами такой энергетики являются практически неограниченные запасы топлива, более высокая степень экологической безопасности по сравнению с тепловыми и атомными электростанциями и физическая невозможность возникновения неуправляемой термоядерной реакции [77]. Современные АЭС, несмотря на высокие капитальные затраты на их строительство, конкурентоспособны при их размещении в районах, удаленных от мест добычи углеводородного топлива. Надежность их работы, в отличие от ТЭС, не зависит от работы железнодорожного и иных видов транспорта. Высокая калорийность ядерного топлива позволяет получать минимальное количество отходов по сравнению с большим количеством отходов ТЭС. Оптимизация ядерно-энергетического цикла снижает объем образования техногенных отходов, а эффективная система обращения с ядерными отходами обеспечивает необходимую экологическую безопасность.

Выбор площадки под размещение АЭС всегда связан с большими трудностями из-за необходимости исключения неблагоприятных геологических условий, обязательногоналичиямощногоисточникадляобеспечениятехническоговодоснабжения, отчуждения больших земельных территорий под размещение самой АЭС, поселка для обслуживающего персонала и объектов инфраструктуры. Этих недостатков лишены плавучие АЭС (ПАТЭС), к сооружению которых впервые в мире приступили

вРоссии. Так, вапреле2007 годаначатостроительствопервойПАТЭС, котороебудет завершено в 2010 году.

Использование ПАТЭС позволит коренным образом решить проблему с традиционным завозом органического топлива в энергодефицитные северные регионы страны. В перспективе рассматриваются шесть площадок для строительства плавучих АЭС, в том числе на Камчатке, Чукотке, в Якутии и Красноярском крае.

Концерном «Росэнергоатом» иФГУП«ПОСевмаш» подписана декларация онамерениях по строительству целой серии плавучих атомных станций. Она предусматривает сооружение с 2008 по 2016 годы еще шести ПАТЭС.

Строительство станций предполагается осуществлять на базе плавучих энергетических блоков с реакторными установками АБВ-6 М [76].

Плавучая атомная электростанция состоит из двух частей – плавучего энергоблока (ПЭБ) и береговых сооружений (рис. 20.5). ПЭБ – это судно, на котором установлена атомная электростанция: атомная паропроизводящая установка, паровая турбина. В проекте – это два реакторных блока КЛТ-40 С, разработанных

271

Рис. 20.5. Плавучая АЭС [76]

в нижегородском ОКБМ имени Африкантова. Электрическая мощность каждого реакторного блока 38,5 МВт, то есть общая мощность ПАТЭС – 77 МВт.

Кроме того, есть проект ПАТЭС на основе реакторных установок типа АБВ-6. У них мощность меньше, 12–18 МВт, это речной вариант с меньшей осадкой. Такие ПАТЭС предназначены для обеспечения электричеством и теплом небольших энергоизолированных поселков, не подключенных к единой энергосистеме.

Несмотря на высокую экономическую и энергетическую эффективность, высокие, постоянно возрастающие объемы сооружения АЭС в большинстве развитых и развивающихся стран, современная ядерная энергетика характеризуется рядом недостатков экологического, технического, экономического и социального характера:

–потенциальные риски возможных тяжелых аварий с выходом в окружающую среду загрязняющих радиоактивных веществ;

–сравнительнобольшаякапиталоемкостьАЭСпосравнениюсТЭСаналогичной мощности;

–потребность в дорогостоящей инфраструктуре для обращения с отходами топливного цикла и обезвреживания оборудования и материалов АЭС на конечной стадии жизненного цикла;

–настороженное отношение населения к АЭС.

Различают несколько видов неблагоприятного воздействия АЭС на объекты окружающей среды и население.

Радиационное воздействие определяется газоаэрозольным выбросом в атмосферу и сбросом с жидкими стоками в водные объекты (водоемы – охладители и приемники сточных вод) радионуклидов. Другие виды радиационного воздействия на население, проживающее в зоне возможного влияния проникающей радиации, нормируются «Санитарными правилами проектирования и эксплуатации АЭС».

Инертныерадиоактивныегазы, вособенностикриптон-85, неподдаютсяочистке ипопадают ватмосферу через рассеивающие высотные трубы вместе с очищенными пылегазовыми выбросами.

272

НакоплениекриптонаватмосферевзоневыбросовАЭСявляетсяпричинойповышения ионной сорбции токсичных загрязнителей на каплях воды в воздухе, что приводит к росту кислых туманов и дождей. Население, проживающее в зоне влияния АЭС, может получать с атмосферным воздухом радионуклиды, которые, скапливаясь

взначительныхколичествах, приводяткснижениюиммунитета, ростуреспираторных заболеваний, ухудшению репродуктивных функций, а также большому числу, по сравнению с фоном, новообразований. Радионуклиды из атмосферного воздуха после их оседания на поверхности земли смываются с ливневыми водами и попадают в поверхностные водоемы и грунтовые воды. Всего в водные объекты попадает более 80% антропогенных радиоактивных загрязнений от поступающих в окружающую среду.

Почвы аккумулируют радионуклиды с последующим их медленным вымываниемвводныеобъекты. Периодполураспада 90Sr встокеизпочвыравен2,4 года, 137Сs –

в10 раз меньше [79].

Химическоевоздействиеопределяетсясбросомсосточнымиводамихимических загрязнений ввиде солей тяжелых металлов изосновных технологических контуров, моющих веществ, средств дезактивации, химической обработки и мытья технологического и вспомогательного оборудования, водоподготовки, нефтепродуктов.

В атмосферу поступают более сотни химических загрязняющих веществ с выбросами из вспомогательных, транспортных, ремонтных и других объектов

инеутилизируемой тепловой энергии. В основном оно оказывает влияние на тепловые параметры прудов-охладителей и их экосистему. Оно регламентируется «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнений». Обычно охлаждающая вода от АЭС сбрасывается при температуре 40–45 °C, что может вызывать локальное изменение теплового режима водных объектов – приемников сточных вод, изменение водных биоценозов.

Вприродных экосистемах в зоне возможного влияния АЭС не наблюдаются сукцессии, вызванные радиационными и химическими загрязнениями. Воздействие на растительность в ходе фитоиндикационных обследований районов ряда российскихАЭСнеустановлено. Исключениемявляютсязонычрезвычайныхаварий

икатастроф (например, Чернобыльская).

Риск аварий на АЭС связан, в основном, с вероятным отказом основного

ивспомогательного оборудования, сбоем в системах управления работой объектов

иустройств, содержащих радиоактивные материалы, несоблюдением технических норм и правил эксплуатации ядерных объектов, ошибками в работе персонала (так называемый человеческий фактор).

Вероятность возникновения аварий на АЭС и тяжесть последствий этих аварий запоследниегодызаметноснизилисьзасчетсозданияивнедренияядерныхреакторов новых поколений, более надежных в эксплуатации и отвечающих современным экологическим требованиям.

273

ГЛАВА 21. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Химический состав Солнца определяется двумя основными элементами – водородом (81,76 %) и гелием (18,14 %), кроме них присутствует азот – менее 0,1 %. Внутри солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода

вгелий, при этом ежесекундно 4 млрд кг материи превращается в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.

Солнечная энергия является основным источником энергоресурсов на Земле как

ввиде постоянно поступающего потока плотностью 1,36 кВт/м2, так и в виде запасенного ископаемого топлива, энергии падающей и текущей воды, ветра, преобразованных в виде химической энергии в биомассе. За трое суток от Солнца на Землю энергии поступает больше, чем находится во всех разведанных запасах ископаемых энергоносителей.

ввиде невозобновимых (ископаемые энергоносители) и возобновимых (биомасса, энергия ветра, воды) энергоресурсах.

Насколько велики объемы поступающего на Землю потока солнечной энергии, можно судить по следующим цифрам. Суммарные потребности современного общества в энергоресурсах составляют приблизительно 10 млрд т условного топлива

вгод. Еслиперевести энергиюСолнца, поставляемую наЗемлю, вусловноетопливо, то она составит около 100 трлн т – в десять тысяч раз больше нашей современной потребности. Подсчитано, что на планете запасено около 6 трлн т ископаемых углеводородов. Если их перевести в условное топливо, то Солнце отдает Земле содержащуюся в них энергию всего за три недели.

Земные зеленые растения и морские водоросли утилизируют около 34 % поступающей от Солнца энергии, остальная расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл, образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.

Приходящую солнечную энергию можно использовать путем ее преобразования в тепловую, электрическую или энергию оптического диапазона на установках наземной или космической гелиоэнергетики.

Многие из этих видов использования энергии солнечного излучения стали уже традиционными (преобразование в электрическую с помощью фотопреобразователей, механическую – с помощью обыкновенной паровой турбины, аккумулирование в виде биомассы с помощью растений и фотосинтеза, тепловую – с помощью солнечных водонагревательных установок, систем параболических зеркал и многих других устройств) или пока находятся еще на стадии лабораторных или опытных разработок (солнечный парус, фотонный двигатель, термоэлектрический генератор, фокусирование лучей солнца с помощью зеркал

275

или линз на специальном котле с рабочим телом турбоэлектрического генератора, термоионный преобразователь и многие другие).

Основные традиции развития мировой и отечественной солнечной энергетики (тепловой и электроэнергетики) подробно рассмотрены в литературе [82–96]. Анализ состояния вопроса позволяет сделать вывод о том, что проблема практического применения солнечной энергии решается в двух основных направлениях: преобразование ее в электроэнергию и тепло. Оба направления получили интенсивное развитие во многих странах мира.

Солнечная энергетика подразделяется по виду применения на сетевую и автономную. Ксетевойотносятсясолнечныеэлектростанции(СЭС), входящиевсистемы централизованного производства, транспортировки и распределения электроэнергии. В этом случае не требуется наличия на солнечных электростанциях значительных аккумулирующих устройств, так как колебания мощности СЭС демпфируются энергосистемой.

К автономным относятся солнечные энергоустановки, обеспечивающие энергией отдельных потребителей, как связанных, так и не связанных с системой централизованного энергоснабжения.

При автономном энергообеспечении потребителей, не связанных с централизованным энергоснабжением, требуется либо достаточно емкий аккумулятор электроэнергии для обеспечения данного потребителя по заданному графику нагрузки, либо дублер – какое-либо генерирующее устройство на традиционных энергоносителях, способное оперативно восполнять недостаток энергии от солнечной установки.

По используемому принципу преобразования солнечной энергии солнечные энергоустановки делятся на фотоэлектрические, реализующие метод прямого (безмашинного) преобразования солнечной энергии в электрическую, и термодинамические, в которых лучистая энергия преобразуется сначала в тепло, которое в термодинамическом цикле тепловой машины в свою очередь преобразуется в механическую энергию, а затем в генераторе в электрическую.

Солнечнаятепловаяэнергетикавнастоящеевремяпредставленаширокимспектром установок и устройств – от мощных солнечно-тепловых электростанций (гелиоэлектростанций) до различных по мощности и конструкциям типов солнечных коллекторов, печей, дистилляторов, солнечных прудов, сушилок, обогревательных систем и многих других солнечных тепловых установок, позволяющих получать

взаданных количествах и нужного качества экономически доступную тепловую энергию.

Тепловая гелиотехника в настоящее время превратилась в весьма привлекательную для бизнеса отрасль экономики, и масштабы ее развития быстро растут как

вразвитых, так и в развивающихся странах. Это связано не только с резким ростом цен на традиционные энергоносители и политической волей правительств многих стран, стремящихся избавиться от зависимости своих национальных экономик от импортируемых углеводородных энергоносителей, но и ростом экологического

276

сознания широких слоев населения и прогрессом в конкретных областях создания высокотехнологичных, надежных и экономически доступных установок и устройств солнечной тепловой энергетики.

Фотоэлектрическая гелиотехника возникла в1839 году, когда Александр Эд-

мон Беккерель открыл фотогальванический эффект. В 1883 году Чарльз Фриттс создал первый солнечный электрический модуль – селен, покрытый золотом, позволявший преобразовывать менее одного процента солнечного света в электричество. В 1953 году Джеральд Петерсон установил, что кремний, покрытый определенными примесями, более чувствителен к солнечному свету, чем селен. И уже в 1957 году в СССР был выведен на орбиту первый космический спутник на солнечных батареях. В 1958 году это достижение повторили в США. При этом стоимость 1 кВт·ч энергии была равной 500 долларов. Уже в 1970 году КПД кремниевых солнечных батарей достиг 10 %, а стоимость кВт·ч была снижена до 100 долларов.

Впоследующие годы идет постоянное снижение стоимости кВт·ч солнечной электроэнергии, растутобъемыеепроизводстваиприбылькомпаний, занятыхвэтом бизнесе. Так, в 2004 году был получен первый миллион кВт·ч солнечной электроэнергии, доходы от солнечной энергетики достигли 6,5 млрд долларов. Первые места

в«солнечной гонке» уверенно занимают Япония, Германия и США. Стоимость одного кВт·ч в 2006 году составила 0,5 доллара, что в десять раз дороже, чем энергии, получаемой в традиционной углеводородной энергетике.

Высокая стоимость кВт·ч в солнечной энергетике объясняется тем, что она относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Для удовлетворения потребности в материалах (чистый кремний, цветные и черные металлы, пластики и др.), а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения чистых материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их транспортировки необходимо затратить много человеко-часов. Так, для производства 1 МВт/год электрической энергии с помощью солнечной энергии в 90-х годах XX века требовалось затратить 10 000–40 000 человеко-часов, а в традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель равен 200–500.

Последние технические достижения в солнечной энергетике, новые технологии добычи чистых материалов и успехи в совершенствовании устройств и установок позволяют с уверенностью прогнозировать снижение стоимости солнечной электроэнергии к 2010 году более чем вдвое, а к 2030 году она будет в восемь раз ниже сегодняшних цен.

Вкачестве примера можно привести технологию получения кремния из кварцита по технологии фирмы Siemens с помощью карботермического цикла, которая позволяет снизить энергозатраты на порядок, увеличить выход чистого продукта

в10–15 раз и получать чистый кремний по цене 5–15 долларов вместо 400 долларов по традиционной технологии.

277

Солнечные модули

Основой всех используемых в настоящее время фотоэлектрических установок, производящих прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, составляют тонкопленочные фотоэлементы.

Наиболее распространены в настоящее время кристаллические фотоэлементы, легко узнаваемые по синему цвету с отблеском. Кроме них применяются

инекристаллические (аморфные) фотоэлементы.

Вопытной разработке находятся несколько типов альтернативных тонкопленочных фотоэлементов, которые в будущем могут завоевать рынок.

Наиболее разработанными из исследуемых в настоящее время тонкопленочных систем являются фотоэлементы из следующих материалов:

– аморфный кремний (a-Si: H),

– теллурид/сульфид кадмия (CTS),

– медно-индиевый или медно-галлиевый диселенид (CIS or CIGS),

– тонкопленочный кристаллический кремний (с-Si film),

– нанокристаллические сенсибилизированные красителем электрохимические фотоэлементы (nc-dye).

Фотоэлемент представляет собой «сэндвич» из кремния – второго по распространенности на Земле вещества (рис. 21.1).

99 % современныхсолнечныхэлементовизготавливаютизкремния(Si), аостальные построены на том же принципе, что икремниевые солнечные элементы. На один слой кремния наносится определенное вещество, благодаря которому образуется избыток электронов. Получается отрицательно заряженный (N) слой. На другом слое создаетсянедостатокэлектронов, онстановитсяположительнозаряженным(Р). Собранные вместе с проводниками, эти две поверхности образуют светочувствительный

Рис. 21.1. Принципиальная схема кремниевого фотоэлемента

278

электронно-дырочный переход. Он является полупроводником, так как, в отличие от электропровода, проводит ток только в одном направлении – от отрицательного к положительному. При воздействии солнца или другого интенсивного источника света возникает постоянный ток напряжением примерно в 0,5 В. Сила тока (ампер) пропорциональна световой энергии (количеству фотонов). В любой фотоэлектрической системе напряжение почти постоянно, а ток пропорционален размеру фотоэлементов и интенсивности света.

Фотоэлементы производятся из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с некоторыми другими веществами. Сверхчистая кремниевая подложка, из которой делают фотоэлементы, стоит очень дорого. Количества сверхчистого кремния, необходимого для изготовления одного фотоэлектрического модуля мощностью 50 Вт, было бы достаточно для интегральных схем примерно двух тысяч компьютеров. Крометого, вфотоэлементахприсутствуюталюминий, стеклоипластмасса – недорогие и многократно используемые материалы.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество с производительностью, изменяющейся в зависимости от уровня солнечной радиации. Фотоэлементы объединяют в модули, которые составляют основной компонент фотоэлектрических систем. Модулирассчитанынаразноенапряжение, вплотьдонесколькихсотенвольт. Достигают этого путем соединения фотоэлементов и модулей в серии.

Солнечный модуль – это батарея взаимосвязанных солнечных элементов, заключенныхподстекляннойкрышкой. Чеминтенсивнеесвет, падающийнафотоэлементы,

ичем больше их площадь, тем больше вырабатывается электричества и тем больше силатока. Модуликлассифицируютсяпопиковоймощностивваттах(Втп). Одинпиковый ватт – техническая характеристика, которая указывает на значение мощности установки в условиях, когда солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25 °С. Чтобы выработать один пиковый ватт, нужен один элемент размером 10×10 см. Более крупные модули, площадью 1 м × 40 см, вырабатывают около 40–50 Втп. Однако солнечная освещенность редко достигает величины 1 кВт/м2. В типичных условиях средняя производительность модуля составляет около 6 Вт·ч в день и 2000 Вт·ч в год на 1 Втп.

Фотоэлектрические системы обычно подразделяют:

–на автономные системы, которые состоят только из фотоэлектрических панелей. Кроме того, в них могут входить регуляторы и аккумуляторы;

–гибридные системы, представляющие собой комбинацию фотоэлементов и дополнительных средств для производства электричества, таких как ветер, дизельное топливо или природный газ. В таких системах часто используются аккумуляторы

ирегуляторы меньшего размера;

– системы, соединенные с электросетью, фактически представляют собой небольшие электростанции, поставляющие электроэнергию в общую энергосеть.

Фотоэлектрическуюустановкуможнотакжекомбинироватьсдругимиисточниками энергии. Удачносочетаются, например, небольшойветрогенераторифотоэлементы.

279

Фотоэлементы в 2007 году стоили 5 долларов США за 1 Втп. Производство электричества с помощью фотоэлементов в том же году стоило 0,5–1 доллар/кВт·ч, т. е. дороже, чем от других возобновляемых источников. В будущем, по мере более широкого применения, стоимость фотоэлементов должна уменьшиться. Несмотря на свою высокую стоимость, фотоэлектрическая энергия может оказаться дешевле других источников в регионах, отдаленных от электросетей, или там, где производство электроэнергии другими способами (например, на дизельгенераторах) затруднено либо недопустимо по экологическим причинам. Широкое использование фотоэлементов оказывает существенное влияние на такие аспекты развития региона, как экономика, экология и занятость населения. В современной Европе наиболее рентабельным является применение фотоэлектрических систем в регионах, отдаленных от энергосети. Применение фотоэлектрических систем будет иметь большой положительный эффект на экономическое развитие этих регионов. Применениефотоэлектрическихсистемнеоказываетнегативноговлияния на экологию. Экологические проблемы могут возникнуть в процессе производства фотоэлектрических элементов, производства и (неправильной) утилизации аккумуляторов.

Существует множество способов преобразования энергии Солнца в электрическую. Использование фотоэлектрических преобразователей – лишь один из них. Этот способ привлекает своей мобильностью и долговечностью. Солнечную батарею можно установить на крыше автомобиля и крыльях самолета. Ее можно встроить в часы, калькулятор, ноутбук и даже в фонарик.

Анализрынкареализациипродукциигелиотехники, вчастностифотоэлементов различных типов и конструкций, показал, что наибольшим спросом пользуются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе кремния и арсенида галлия. При КПД преобразования 13–17 % и относительно малых площадях светопринимающей поверхности они обеспечивают получение необходимого количества электроэнергии для питания телефонных сетей в неэлектрифицированных районах, малых потребителей тока (радиоаппаратура, бытовые электроприборы, искусственные космические объекты, навигационная аппаратура на маяках, бакенах и т. д.). ФЭПы, скомплектованные в большие сборки – солнечные батареи – могут применяться для снятия пиковых нагрузок в электросетях в летние периоды при большом потреблении электроэнергии для кондиционирования воздуха и в других подобных ситуациях.

В солнечном элементе отсутствуют какие-либо движущиеся части. Срок его службы составляет примерно 20–30 лет. За эти 30 лет элемент, на изготовление которого уходит всего 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится из 100 т нефти на ТЭС.

Солнечнаяустановкамощностью1 кВтсегоднявСШАстоитпримерно3000 долларов. Окупается она только на 14–15-м году работы, а это, по сравнению с теми же тепловыми электростанциями, долго. Поэтому для преобразования солнечной энергии в электрическую в промышленных масштабах сейчас в основном используют

280