Курс+лекций+по+уст.+развитию+Миркин

вырабатывает за 30 лет 300 тыс. кВт•ч электроэнергии, он экви валентен 75 т нефти, так что прорыв в технологии получения кремния способен резко повысить вклад солнечной энергии в энергетический бюджет мира. Тем временем количество фото электрических модулей, которые производятся в мире, быстро увеличивается. Если в 1995 г. их суммарная мощность составляла 80 МВт, то в 2000 г. — уже 260. По прогнозам, в 2010 г. их суммарная мощность должна достигнуть 1700 МВт.

4.3.2. Гелиоэнергетика: биологический вариант

При биологическом варианте гелиоэнергетики используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в орга ническом веществе растений (обычно в древесине). Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании раститель ной массы, равно его усвоению при росте растений (так называе мые суммарные нулевые выбросы).

По сей день 55% древесины, которая используется челове ком, — это топливо, причем в странах третьего мира древесина сжигается в очагах для приготовления пищи и обогрева помеще ний. Эти «установки» — с самым низким КПД, не превышающим 10%. В Кении за счет этих «установок» удовлетворяется 75% энергетических потребностей, в Эфиопии и Бангладеш — 90%, в Нигерии — 80% (Дрейер, Лось, 1997).

Значительно более высоким КПД обладают ТЭС, где в резуль тате сжигания древесины получается электроэнергия. Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до трети необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Вели кобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Выса живаются быстрорастущие породы, такие, как тополь, срезку ко торого производят уже через 3 года после посадки (высота де ревьев около 4 м, диаметр стволиков больше 6 см). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростан ции, сжигающие отходы кукурузы.

Американская компания «Дженерал электрик» использует биомассу быстро растущих бурых водорослей (ежедневно с 1 га таких плантаций получается энергия, эквивалентная энергии 28 л бензина). Используется также планктонная микроскопичес кая водоросль спирулина, способная дать с 1 га до 24 т сухого ве щества в год. В этом случае организуется замкнутая система про изводства энергии: зола после сжигания водорослей поступает в

99

бассейн для многократного использования, что снижает расход элементов минерального питания.

Биологическим вариантом гелиоэнергетики является получе ние биогаза из органических остатков, в первую очередь навоза. Несложные установки для получения биогаза широко распрос транены в Китае и Индии. Уже в 1980 х годах в Индии действо вало 50 тыс. таких установок. В Германии работает более 2000 биогазовых установок, в которых перерабатываются органичес кие отходы, получаемые в результате сортировки мусора.

Этот же вариант энергетики представляет получение швель газа, который образуется при термической обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях нагреваются до температуры 400–700 оС. (В этом случае затрачивается некоторое количество тепловой энергии из традиционных источников.)

Вмире есть опыт утилизации «свалочного» газа, который об разуется в результате гниения органических отходов на свалках. Для этого в толщу свалок пробуриваются скважины. В США более 30 лет назад испытана система гигантских биореакторов: дно свалки покрывается изолирующим материалом, а после ее запол нения бытовым мусором она перекрывается газонепроницаемым субстратом. Для отведения метана используются специальные трубы. В течение 10 лет органика разлагается, после чего биоре актор можно использовать для новых захоронений.

ВРоссии совместно с голландской компанией «Гронтмай» ис пытаны две экспериментальные установки для получения «сва лочного» газа. Мощность этих установок — 70–80 кВт. Опыт по казал, что на средних по размеру полигонах можно получать 3500–4400 МВт в год. На крупных полигонах можно получать энергии еще больше.

Взаключение отметим, что получение электрической или теп ловой энергии за счет солнечной энергии — одно из самых пер спективных направлений нетрадиционной энергетики. По наибо лее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. эта отрасль будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.

4.3.3. Ветроэнергетика

Это один из наиболее развитых и перспективных вариантов нетрадиционной энергетики, при котором используется экологи чески чистый и неисчерпаемый источник энергии — ветер.

В настоящее время наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Великобритании, Нидерландах, Дании,

100

США (только в штате Калифорния работает 15 тыс. ветряков). На иболее оправданы небольшие ветряные энергетические уста новки (ВЭУ) мощностью до 15 кВт, хотя сооружаются и установки мощностью 100–500 кВт. Обычно на одной площадке устанавли вается большое число ВЭУ, образующих так называемую ветро вую ферму. Самая большая ферма сооружена в Калифорнии и состоит из почти 1000 ВЭУ, ее общая мощность 100 МВт.

Попытки сооружения «ветряных монстров» на суше (в устье Эльбы была построена ВЭУ «Гровиан» мощностью 3 МВт, а в штате Огайо в США — мощностью 10 МВт) оказались неудач ными, так как эти установки вызывают сильное шумовое загряз нение на больших территориях, примыкающих к ВЭУ. ВЭУ в Огайо проработала несколько суток и была демонтирована и про дана как металлолом. Тем не менее при выносе в море оказыва ются выгодными мощные ВЭУ, так как шумовое загрязнение в этом случае не опасно. В целом по морским ВЭУ пока лидирует Дания. Лидерство же в разработке проектов принадлежит ФРГ, где разработан проект морской ВЭУ с диаметром ротора 100 м и мощностью 5 МВт.

Небольшие ВЭУ — идеальные источники энергии для сельско хозяйственных ферм. Они могут быть подключены к центральной системе энергоснабжения, дающей ферме энергию в период без ветрия и, напротив, принимающей излишки энергии от ВЭУ в особо ветреную погоду. Удобны небольшие ветряки для дачных участков. По прогнозам футурологов, в некоторых странах доля электроэнергии, получаемой на ВЭУ, в будущем может составить 10%. Однако для того чтобы увеличить вклад ВЭУ в энергетичес кий баланс развитого государства, необходимо примерно вдвое увеличить производство алюминия для ветряных «колес» и башен. А производство алюминия является одним из наиболее экологически грязных процессов.

Оборудование для получения энергии из нетрадиционных ис точников выпускают более 100 предприятий России. В 1998 г. в стране было произведено 120 ВЭУ мощностью 0,04–16 кВт для выработки электроэнергии и 10 водоподъемных ветроустановок, 500 м2 солнечных коллекторов и водонагревателей, 40 микро ГЭС мощностью от 4 до 100 кВт, 40 биогазовых установок. Кроме того, по линии международного сотрудничества из США получено 30 ВЭУ мощностью по 10 кВт и 10 — по 1,5 кВт. Эти ВЭУ монтируются на се вере — в Архангельской и Мурманской областях и на Чукотке.

Тем не менее по мощности ВЭУ Россия отстала от развитых стран Запада и даже Индии на несколько порядков. Так, установ

101

ленная мощность ВЭУ, подключенных к электрическим сетям, в 2000 г. в некоторых странах мира составляла (в МВт): Германия — 6113, Испания — 2250, США — 2554, Дания — 2140, Индия — 1167. В России мощность ветроустановок составляет всего 5 МВт.

Бурный прогресс ветроэнергетики в мире отражается объемом продаж ВЭУ, который ежегодно возрастает на 30%. Кроме того, быстро снижается средняя стоимость производства энергии ВЭУ. Так, в США за период с 1982 по 2001 г. 1 кВт•ч энергии ветряных турбин снизился с 35 до 8 центов (Браун, 2003).

4.3.4. Другие виды нетрадиционной энергетики

Геотермальная энергетика. Получение тепловой или электри ческой энергии за счет тепла земных глубин экономически эф фективно там, где горячие воды приближены к поверхности зем ной коры — в районах активной вулканической деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курилы, острова Япон ского архипелага). В РФ перспективным районом для развития геотермальной энергетики является также Северный Кавказ. На Камчатке работает ГеоТЭС мощностью 11 МВт и строится еще одна мощностью 200 МВт.

Сегодня геотермальная энергия в широких масштабах ис пользуется в США, Мексике и на Филиппинах. Доля геотермаль ной энергетики в энергетике Филиппин — 19%, Мексики — 4%, США (с учетом использования «напрямую» для отопления, т. е. без переработки в электрическую энергию) — около 1%. Суммар ная энергия всех геотермальных электростанций (ГеоТЭС) США превышает 2 тыс. МВт. Геотермальная энергия обеспечивает теп лом столицу Исландии Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробу рены 32 скважины на глубину от 440 до 2400 м, по которым к по верхности поднимается вода с температурой от 60 до 130 оС; 9 из этих скважин действуют по сей день.

Развитие геотермальной энергетики сдерживается ограничен ностью числа районов, где она экономически эффективна. Кроме того, экологическую опасность представляют сильно засоленные воды, которые получаются при конденсации горячего пара.

Приливно?отливная энергетика. В некоторых странах накоплен опыт получения электрической энергии за счет использования энер гии приливов и отливов. Приливно отливные электростанции (ПЭС) подобны обычным ГЭС на реках, но «водохранилище» запол няется во время прилива. При этом лопасти турбины вращаются и при повышении уровня воды, и при понижении. В настоящее время ПЭС ограниченной мощности распространены во многих странах

102

мира. Первая ПЭС в России создана в Кислой губе Белого моря и имеет мощность 400 кВт. В конце 1960 х ПЭС построена в Магадан ской области. Имеется проект ПЭС в Кунгурском заливе Японского моря мощностью 6,2 млн кВт (что эквивалентно примерно трем атомным электростанциям, работающим в РФ). Планируется отго родить плотиной залив площадью 900 км2, но при этом не будут за литы прибрежные районы и должна сохраниться природная экоси стема. Кунгурская ПЭС по замыслу проектировщиков должна решить энергетические проблемы Хабаровского края.

На земном шаре сооружено менее 30 ПЭС, так как для обеспе чения их нормальной работы разница уровней прилива и отлива должна быть не менее 10 м. В то же время опыт показывает, что ПЭС не нарушают экологического равновесия. Во Франции на реке Ран работает крупная ПЭС мощностью 240 МВт, и 25 летний опыт ее эксплуатации показал абсолютную экологическую чис тоту таких сооружений: залив Се Мало превратился в спокойное озеро, стал местом отдыха и туризма, плотина ПЭС имеет рыбоход и не влияет на миграции рыб.

Приливно отливная энергетика — не единственный вариант использования энергии океана. Уже появились первые электро станции, использующие энергию волн, в Японии, Великобрита нии, Норвегии (наиболее крупная из них, мощностью 500 кВт, по строена в Норвегии). Разрабатываются проекты использования тепловой энергии Мирового океана и энергии крупных течений (Гольфстрим, Куросио).

Использование малых водотоков. Экологические недостатки, которые сопровождают строительство крупных ГЭС на равнине или в горах, отсутствуют при сооружении малых ГЭС. Возможно создание экологически безопасных ГЭС на больших реках, но при особом варианте свободнопроточных ГЭС мощностью от несколь ких десятков до нескольких сотен киловатт, позволяющих обхо дится без строительства плотин. Кроме того, сооружаются рукав ные микро ГЭС. В Китае построено 60 тыс. мини ГЭС, которые снабжают электроэнергией населенные пункты.

Как отмечает Ш.Г. Зиятдинов (2002), в недалеком прошлом мини ГЭС были широко распространены в России. Например, в Республике Башкортостан, по архивным данным, в довоенные и послевоенные годы было построено более 200 малых ГЭС мощнос тью от 100 до 500 кВт. Однако в 1960–1970 е годы от использова ния малых ГЭС отказались, что было ошибкой. Микроводохрани лища пруды способствовали поддержанию водного режима рек и были стациями для водоплавающих птиц и рыб.

103

Программы строительства малых ГЭС ныне приняты в ряде регионов РФ, так как с малыми реками связано до трети энерге тического потенциала ее водных ресурсов. Малые ГЭС позволя ют децентрализовать производство энергии и решить проблемы энергетики Севера, Камчатки и других районов, где сегодня ос новным источником энергии остается дорогое завозное дизель ное топливо. Стоимость электроэнергии, получаемой на малых ГЭС, выше, чем на больших, однако они более экологичны.

В целом, по прогнозам ООН, предполагается, что в 2020 г. доля энергии из нетрадиционных источников достигнет 3% об щего энергопотребления. Сейчас она составляет 2%.

4.4. Перспективы развития атомной энергетики

Атомная энергетика — получение электрической энергии с использованием ядерных реакторов, на которых улавливается тепловая энергия радиоактивного распада ядерного «топли ва» — обогащенного урана и некоторых других радиоактивных материалов.

География атомной энергетики. Первое «ядерное электриче ство» было получено в США в 1952 г., с этого времени производ ство электроэнергии на атомных электростанциях (АЭС) неук лонно увеличивается, хотя после тяжелых аварий на АЭС в мире наблюдается осторожное отношение к этому варианту энергети ки. В настоящее время в 88 странах мира работает 437 ядерных энергоблоков и строится еще около 50. Характеристика атомной энергетики стран, в которых этот вариант получения энергии наиболее развит, приведена в табл. 22.

Плюсы и минусы атомной энергетики. Главные аргументы в пользу развития атомной энергетики — это сравнительная деше визна энергии и небольшое количество отходов. В пересчете на единицу производимой энергии отходы от АЭС в тысячи раз мень ше, чем на угольных ТЭС (1 стакан урана 235 дает столько же энергии, сколько 10 тыс. т угля). Достоинством АЭС является и отсутствие выбросов в атмосферу диоксида углерода, которыми сопровождается производство электроэнергии при сжигании уг леродистых энергоносителей.

Сегодня уже совершенно очевидно, что при нормальной рабо те АЭС экологический риск получения энергии несравненно ниже, чем в угольной промышленности (табл. 23).

По примерным расчетам, закрытие уже существующих АЭС потребовало бы дополнительно сжигать ежегодно 630 млн т угля, что привело бы к поступлению в атмосферу 2 млрд т диоксида

104

Таблица 22

Характеристика атомной энергетики некоторых стран

Таблица 23

Число преждевременных смертей, связанных с годом работы блока мощностью 1 ГВт в угольном и атомном топливном циклах (по: Акимова и др., 2001)

105

углерода и 4 млн т токсичной и радиоактивной золы. Замена АЭС на ТЭС привела бы к 50 кратному увеличению смертности от ат мосферного загрязнения. Для извлечения из атмосферы этого дополнительного диоксида углерода потребовалось бы посадить леса на площади, которая в 4–8 раз превышает территорию Гер мании.

У атомной энергетики есть серьезные оппоненты. Как некон курентоспособную в силу высокой себестоимости электроэнергии

еерассматривает в последних работах Л. Браун. Аргументами против развития атомной энергетики являются сложность обес печения полной безопасности ядерного топливного цикла, а также риск аварий на АЭС. Историю развития атомной энергети ки омрачают тяжелые аварии, которые произошли в Кыштыме и Чернобыле. Однако вероятность аварий на современных АЭС крайне низка. Так, в Великобритании она составляет не более чем 1:1 000 000. В Японии строятся новые АЭС (в том числе и самая крупная в мире «Фукусама») в сейсмически опасных районах на берегу океана.

Перспективы атомной энергетики. Исчерпание углеродистых энергоносителей, ограниченные возможности энергетики на ос нове ВИЭ и возрастающая потребность в энергии подталкивает большинство стран мира к развитию атомной энергетики, причем строительство АЭС начинается в развивающихся странах Южной Америки, Азии и Африки. Возобновляется ранее приостановлен ное строительство АЭС даже в странах, пострадавших от Черно быльской катастрофы, — в Украине, Беларуси, РФ. Возобновля ется работа АЭС в Армении.

Повышаются технологический уровень атомной энергетики и

ееэкологическая безопасность. Уже разработаны проекты вне дрения новых, более экономичных реакторов, способных расхо довать на получение единицы электроэнергии в 4–10 раз меньше урана, чем современные. Обсуждается вопрос об использовании в качестве «топлива» тория и плутония. Японские ученые считают, что плутоний можно сжигать без остатка, и АЭС на плутонии могут быть самыми экологически чистыми, так как не дают ра диоактивных отходов (РАО). По этой причине Япония активно скупает плутоний, освобождающийся при демонтаже ядерных боеголовок. Однако для перевода АЭС на плутониевое топливо нужна дорогостоящая модернизация ядерных реакторов.

Меняется ядерный топливный цикл, т. е. совокупность всех операций, сопровождающих добычу сырья для ядерного топлива, его подготовку к сжиганию в реакторах, процесс получения энер

106

гии и переработку, хранение и захоронение РАО. В некоторых странах Европы и в РФ осуществляется переход к закрытому циклу, при котором образуется меньше РАО, так как значитель ная часть их после переработки дожигается. Это позволяет не только снизить риск радиоактивного загрязнения среды (см. 6.2.5), но в сотни раз уменьшить расходы урана, ресурсы которого исчерпаемы. При открытом цикле РАО не перерабатываются, а захораниваются. Он более экономичен, но экологически не оправ дан. По этой схеме пока работают АЭС США.

Вцелом вопросы переработки и безопасного захоронения РАО технически разрешимы. В пользу развития атомной энергетики в последние годы высказывается и Римский клуб, эксперты кото рого сформулировали следующее положение: «Нефть — слишком дорого, уголь — слишком опасно для природы, вклад ВИЭ — слишком незначителен, единственный шанс — придерживаться ядерного варианта».

Взавершение обсуждения перспектив развития энергетики приведем данные (табл. 24) о площадях, необходимых для элек тростанций, работающих на разных энергоносителях.

Таблица 24

Площади отчуждаемых земель (в среднем), необходимые для производства 1 МВт электроэнергии в год на электростанциях

4.5. Энергосбережение

Энергосбережение — это важнейший дополнительный энерго сырьевой источник, один из важных элементов стратегии созда ния общества УР. За последние 20 лет удельное энергопотребле ние в мире на единицу ВВП уменьшилось более чем на 25%. Необходимо дальнейшее энергосбережение во всех сферах жизни: в промышленности, на транспорте, в сельском и жилищно ком мунальном хозяйстве.

107

Энергосбережение в промышленности. Эта область хозяйства обладает воистину неисчерпаемыми ресурсами энергосбережения. Оно включает следующее:

Использование энергосберегающих технологий. Так, к при меру, в металлургии переход от мартеновского способа плавки стали к конверторному позволяет затрачивать на производство 1 т готового продукта в 2 раза меньше энергии. Во многих случаях энергосбережение достигается за счет использования вторичных ресурсов. Так, в 10 раз экономится энергия, если сталь выплавля ется не из чугуна (а тот — из руды), а из металлолома. В 3 раза меньше затрачивается энергии на производство стекла из битой посуды, по сравнению с процессом варки его из первичного сырья.

Снижение тепловых потерь при децентрализации произ* водства электроэнергии. Небольшие блок ТЭЦ мощностью от 100 кВт до 10 МВт, расположенные в подвальных этажах жи лых зданий, позволяют использовать тепловые отходы для ото пления. Блок ТЭЦ вызывают незначительное загрязнение ат мосферы.

Оптимизацию территориальной структуры производства и уменьшение длины перевозок: переработка металлолома без транспортировки на металлургические комбинаты, замена боль ших хлебозаводов мини пекарнями, гигантов пивоваренной промышленности — мини пивоварнями и т. д.

Энергосбережение на транспорте. Этот ресурс энергосбереже ния может быть реализован путем экологизации автомобильного транспорта (см. 7.2) и повышения КПД тепловозов, теплоходов, электровозов, самолетов и т. д.

Энергосбережение в сельском хозяйстве. Возможно сущест венное уменьшение затрат антропогенной энергии на каждую единицу производимого сельскохозяйственного продукта. Высо кий потенциал энергосбережения в сельском хозяйстве может быть раскрыт при:

полном использовании биологического потенциала агроэко* систем (биологическая азотфиксация, органические удобрения, использование в качестве корма всех отходов растениеводства, получение биогаза из навоза для обогрева животноводческих по мещений, сухое земледелие, разведение холодостойких пород животных и т. д., см. 5.9);

использовании новой сельскохозяйственной техники (более легкой, с широкозахватными и комплексными агрегатами, сни жающими количество проходов техники по полю);

108