Возобновимые и неисчерпаемые энергетические ресурсы.

Понятие устойчивого развития включает в себя как обязательный компонент постепенный переход от энергетики, основанной на сжигании органического топлива (нефть, уголь, газ и др.), к нетрадиционной (альтернативной) энергетике, использующей возобновляемые экологически чистые источники энергии – солнце, ветер, энергию биомассы, подземное тепло и др.

Прямая солнечная энергия

Прямая солнечная радиация может быть использована для выработки тепла и электричества. Для выработки тепла (отопления зданий и подогревания воды) могут использоваться пассивная и активная системы.

В пассивных гелиосистемах само здание служит приемником и преобразователем солнечной энергии, а распределение тепла осуществляется за счет конвенции. Пассивные солярные системы или теплицы в сверхутепленных или хорошо утепленных и защищенных от непогоды домах являются самым дешевым и самым энергоэффективным способом отопления жилищ, если учитывать затраты за весь срок эксплуатации, и обладают очень слабым воздействием на окружающую среду. Если на крыше разместить солнечные водонагреватели, то система может поставлять горячую воду в помещение. Стоимость такой системы зависит от его географического расположения. Кроме того, пассивно отапливаемые здания должны быть спроектированы таким образом, чтобы сохранять прохладу в жаркую погоду.

Активные солнечные системы являются эффективным способом обеспечения домов горячей водой, если также принимать в расчет общую стоимость их эксплуатации. В активных системах используются гелиоустановки, в которых специально спроектированные коллекторы концентрируют солнечную энергию и накапливают ее в виде тепла. Коллектор представляет собой теплоизолированный ящик: видимый свет от солнца проходит сквозь прозрачное покрытие, попадает на зачерненную панель и нагревает ее. При специальной конструкции коллектора внутри его достигается очень высокая температура, позволяющая успешно осуществлять горячее водоснабжение. Несколько соединенных между собой коллекторов обычно устанавливают на крыше, чтобы без помех поглощать солнечные лучи. При существующих технологиях обычно слишком дороги для отопления большинства домов.

Прямая солнечная энергия может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью солнечных батарей, чье воздействие на окружающую среду незначительно. Солнечная батарея состоит из тонкой пленки очищенного кремния с добавление ничтожного количества других элементов. В настоящее время солнечные батареи снабжают электричеством несколько десятков тысяч домов во всем мире (в основном в США и Индии).

Преимущества выработки энергии с использованием солнечных батарей: они надежны и бесшумны; изготовлены из второго по распространенности элемента в земной коре элемента; у них нет движущихся частей; они долговечны (если их поместить в пластик); не требуют большого ухода; не загрязняется окружающая среда при выработке энергии; КПД постоянно растет по мере развития науки и техники (сегодня КПД достигает 35%).

Недостатки: дискретность (прерывистость) ее поступления на поверхность Земли (по часам суток, времени года, географическим поясам) и зависимость от метеорологических условий; высокая стоимость; эстетическая непривлекательность; значительно загрязнение окружающей среды при производстве солнечных батарей.

Выработка электричества силой падающей и текущей воды. Энергия падающей воды используется человечеством с 1700-х годов. Различают два способа выработки гидроэнергии:

- в широкомасштабных проектах, когда реки перекрываются гигантскими плотинами, из которых вода с регулируемой скоростью падает, вращая турбину. Однако, водохранилища вследствие заилевания становятся бесполезными через 30-300 лет, т.е. становятся невозобновимым источником энергии;

• в небольших проектах поперек реки строится низкая плотина, а водохранилище либо отсутствует, либо его вообще нет.

Гидроэнергетика обеспечивает практически полностью производство энергии в Норвегии; 74% в Швейцарии; 67% в Австрии. Канада получает больше 70% своего электричества благодаря гидроэнергетике и экспортирует электричество в США.

Считается что гиддроэлектростанции (малые) вырабатывают самое дешевое электричество. Однако в настоящее время развитие гидроэнергетики тормозится низкими ценами на нефть и другие энергоносители.

Преимущества: срок эксплуатации более чем в два раза выше чем у угольных электростанций; высокий КПД; не происходит выбросов вредных веществ; незначительные эксплуатационные затраты; не отражается на состоянии окружающей среды (малые электростанции).

Недостатки: высокая стоимость крупных сооружений; затопление огромных территорий чаще всего негативно отражается на прилегающих экосистемах (разрушает местообитания, уменьшает плодородие, усиливает эрозию, снижает улов рыбы).

Кроме гидроэнергии может использоваться энергия приливов и энергия волн. Приливы – результат действия гравитационного притяжения больших масс воды океанов со стороны луны и в, меньшей степени, Солнца. В случае использования этого приливов не загрязняется окружающая среда, его стоимость невысока, КПД достаточно высок. Впервые энергию приливов использовали во Франции в устье реки Ранс. Кинетическая энергия волн, создаваемых ветром является лишь потенциальным источником (небольшие экспериментальные станции созданы в Японии, Норвегии, Швеции, России и США). Однако выработка электричества за счет энергии полусуточных морских приливов (приливная энергия) и океанических волн (волновая энергия) по прогнозам не сможет существенно повлиять на мировую энергетику из-за ограниченности подходящих мест для строительства электростанций и высокой стоимости.

Производство электричества за счет тепла, накапливаемого водой. Речь идет о солнечной энергии, накопленной в виде тепла в морской воде в тропических океанических установках или в солнечных прудах на суше, содержащих соленую или пресную воду. В первом случае тепловая вода прокачивается через теплообменник и используется для испарения и сжатия кипящей при низкой температуре жидкости, например аммиака. Сжатый аммиачный газ будет вращать турбины и генерировать электричество. Пресноводные солнечные пруды могут использоваться в основном для горячего водоснабжения и отопления: выкапывается мелка канава, выстилается бетоном и теплоизолируется. В канаву помещается множество больших черных мешков, заполненных водой. Когда вода в мешках достигает максимальной температуры, насосы перекачивают горячую воду в теплоизолированные баки. Количество подходящих мест в океане для создания больших плавучих океанских гидротермальных электростанций ограничено в связи с техническими сложностями, а высокая стоимость может также серьезно лимитировать использование этого энергетического ресурса. Соленые солнечные пруды вблизи внутренних морей и соленых озер в ряде мест, чье число ограничено, могут использоваться для выработки электричества, но стоимость его будет слишком высокой. Сооружение пресноводных солнечных прудов может оказаться достаточно быстрым, дешевым и эффективным способом получения низкотемпературного тепла для отопления и горячего водоснабжения.

Энергия ветра

Ветер давно служит человечеству (паруса, ветровые мельницы). Использование энергии ветра для выработки электричества началось в 30-х годах нашего столетия (мелкие ветротурбины использовались в отдаленных районах США). В больших масштабах разработка ветроэнергии начала осуществляться в конце 60-х годов. В настоящее время разработкой и использованием этого источника занимаются более 100 мира. Энергия ветра преобразуется с помощью ветрового колеса, размещенного в ветроэнергоактивном здании. Основным рабочим органом является ротор, который вращает генератор. Опыт показывает, что вырабатывать электроэнергию по приемлемой цене можно при скорости ветра от 6,5 м/с до 10 м/с, в районах с постоянным ветром, что характерно для горных перевалов и морских побережий (крайний север, побережье Охотского моря, Камчатка, Куриллы). Более 70% электричества, вырабатываемого силой ветра в мире, и более 90% в США генерируется на трех ветреных перевалах в Калифорнии. Лидером в Европе по разработке и использованию ветроэнергии является Дания.

Преимущества: относительно высокий КПД, не загрязняется окружающая среда, работают от 80 до 90% времени, когда дует ветер, ветроустановкам не требуется вода, быстрая установка (от трех до пяти месяцев).

Недостатки: ограниченность мест, где могут устанавливаться ветроэнергетические системы, нарушение красоты ландшафтов, турбины создают шум и помехи телевидению, могут служить помехами перелетным птицам.

Биологическое топливо

Энергия может быть получена и при сжигании различных видов биологического топлива: древесина, сельскохозяйственный и городской мусор, жидкое и газообразное биотопливо (биогаз – метан + углекислый газ, зерновой спирт, древесный спирт).

Широко распространенным топливом, используемым во всем мире и особенно в развивающихся для отопления помещений и приготовления пищи, являются дрова странах (80% людей живущих в развивающихся странах). Однако во многих развивающихся странах запасы древесины быстро убывают, так как леса вырубаются без должных восстановительных работ. Сжигание дров и древесных отходов позволяет дешево вырабатывать одновременно пар и электричество, кроме того, это дешевый способ отопления частных домов. Однако без адекватных мер по контролю загрязнения атмосферы сжигание дров для отопления домов приводит к существенному загрязнению воздуха как внутри помещений, так и снаружи. Большое количество быстрорастущих растений и деревьев на биоэнергетических плантациях может стать источником биологического топлива. Однако без тщательного контроля такие плантации могут вызвать ускоренную эрозию почв.

Сельскохозяйственные отходы и городской мусор могут сжигаться с использованием принципа когенерации для обеспечения паром и электричеством близлежащих предприятий, домов (районные теплоцентрали) и местных коммунальных компаний. Однако, считается, что можно сэкономить больше энергии, рецеркулируя или компостируя такие органические отходы.

Ограниченные количество качественного обогащенного метаном биогазового топлива может быть получено в процессе бактериального разложения растений и органических отходов, погребенных в больших свалках, навоза, собранного в откормочных хозяйствах, и из осадков водоочистительных сооружений.

Этанол, вырабатываемый из сахара и зерновых культур, в Бразилии используется как топливо для автомобилей, а в Соединенных Штатах из него получают очищенный от свинца бензин высшего качества. Однако без правительственных налоговых скидок цены на него оказываются довольно высокими. Другое жидкое биотопливо – метанол – может вырабатываться из древесины, сельскохозяйственных отходов, мусора, осадка водоочистных сооружений, угля и природного газа. Но при современных технологиях он слишком дорог и годится для сжигания только в модифицированных автомобильных двигателях.

Основное внимание при использовании неисчерпаемых и возобновимых источников энергии следует уделять небольшим децентрализованным системам, т.к. в этом случае они могут быть конкурентоспособными.

Правительства могут стимулировать или препятствовать использованию определенных видов энергетических ресурсов, отпуская цены (свободная рыночная конкуренция), а также поддерживая искусственно высокие или низкие цены. Каждый подход имеет свои преимущества и недостатки.

Оценка рассмотренных источников энергии по четырем факторам представлена в табл. 1