Регенеративные источники энергии.

В последние годы на международных рынках органического топлива, которое было, есть и будет в обозримом будущем основой мирового топливно-энергетического баланса, установилась довольно благоприятная для его потребителей ситуация. Спрос на него удовлетворяется практически в полном объеме. При этом цены остаются довольно стабильными и сравнительно доступными. Однако, как известно, ресурсы органического топлива сокращаются по мере их разработки на миллиарды тонн в год. При современном уровне потребления энергоресурсов нефти должно хватить на 50 лет, природного газа - на 73, каменного угля - на 170, бурого угля - на 500 лет.

Запасы ископаемых топлив на планете распространены очень неравномерно. В ряде стран их практически нет, и для них найти местные источники энергии - значит обеспечить свою энергетическую безопасность. Это, к счастью, не относится к России. Также очевидно, что по мере исчерпания запасов ископаемых топлив или истощения наиболее доступных, их стоимость будет возрастать и, следовательно, возникнет экономическая необходимость отыскивать и использовать альтернативные источники энергии. Наконец, использование органического топлива наносит окружающей среде непоправимый вред. Это серьезный аргумент в пользу экологически чистых источников энергии.

До середины 80-х гг. динамично развивающаяся атомная энергетика считалась основной альтернативой энергетике, потребляющей органическое топливо. Однако под влиянием ряда нерешенных проблем обеспечения безопасной эксплуатации АЭС (особенно обострившихся после чернобыльской катастрофы), безопасного обращения с радиоактивными отходами, в связи с удорожанием и увеличением сроков строительства атомных энергоблоков, а также из-за существующей во многих странах общественной оппозиции к атомной энергетике темпы ее развития значительно снизились. В настоящее время лишь Франция и Япония планируют расширение мощностей АЭС.

Поэтому наиболее подходящей альтернативой органическому топливу являются нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). К ним относятся солнечная энергия, энергия ветра, биомассы, малых рек, приливная, волновая, энергия океана. Правда, последних три не нашли пока сколько-нибудь широкого применения. Иногда к НВИЭ причисляют также и тепловые насосы, которые могут рассматриваться таковыми только условно - в сочетании с природными или искусственными низкотемпературными источниками тепла.

Потенциал НВИЭ планеты чрезвычайно велик. Достаточно сказать, что тепло, получаемое землей от солнца за год, примерно в 20000 раз превосходит годовое потребление энергии всем человечеством. Весьма велики потенциалы ветровой энергии и энергии биомассы.

Однако все НВИЭ обладают одним важным недостатком - малой плотностью потоков энергии. Так, например, удельная мощность потока солнечной энергии на поверхности Земли не превышает 1 кВт/м², а плотность мощности воздушного потока при его скорости 7 м/с около 150 Вт/м². Это означает, что для получения от НВИЭ сколько-нибудь заметных мощностей необходимо собирать энергию с весьма больших площадей, что требует создания больших и дорогостоящих установок.

Солнечная энергия пригодна либо для производства низкопотенциального тепла либо для производства электроэнергии. В первом случае применяются плоские неконцентрирующие солнечные коллекторы, в которых теплоносителями могут быть вода, воздух или антифризы. Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к горизонту, равным широте местности. В зависимости от условий инсоляции в коллекторах теплоноситель нагревается на 40 - 50° С больше, чем температура окружающей среды. В ряде стран, расположенных в низких широтах (например, Кипр, Израиль, Турция, Греция и др.), такие устройства получили широкое распространение. Они практически полностью покрывают потребности населения в горячей воде, во всяком случае, во время летнего сезона и оказываются экономически выгодными. Электроэнергия от светового потока может производиться двумя путями: путем прямого преобразования в фотоэлектрических установках либо за счет нагрева теплоносителя, который производит работу в том или ином термодинамическом цикле.

Ветровая энергия используется для производства механической или электрической энергии. Наиболее распространенным типом ветровых установок (ВЭУ) является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной мощности, а задачу кондиционирования вырабатываемой энергии выполняет электроника.

Стоимость установленного киловатта современных ветровых установок снижена примерно до 1000 долл. При среднегодовой скорости ветра около 7 м/с и работе на полной мощности 2500 ч/год такая установка вырабатывает электроэнергию стоимостью 7 - 8 цент/кВт? ч. Сегодня наиболее распространены ВЭУ единичной мощностью 100 - 500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько мегаватт.

Малые ВЭУ (мощностью менее 100 кВт) обычно предназначаются для автономной работы. Более крупные установки создаются как сетевые. Как правило, на одной площадке устанавливается достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одной из них в Калифорнии (США) размещено около тысячи ВЭУ, так что суммарная установленная мощность фермы превышает 100 Мвт.

Геотермальная энергия, строго говоря, не является возобновляемой, поскольку речь идет не об использовании постоянного потока тепла, поступающего из недр к поверхности (в среднем 0,03 Вт/м²), а об использовании тепла, запасенного жидкими или твердыми средами, находящимися на определенных глубинах. В большинстве мест так называемая геотермальная ступень, определяемая тепловым потоком и теплопроводностью пород, составляет не более 3° /100 м. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз, и уже на глубинах в несколько сот метров (иногда в несколько километров) имеются либо сухие горные породы, нагретые до 100° С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси такой температурой. Сегодня для получения тепла или для производства электроэнергии используются исключительно термальные воды или парогидротермы.

Существующие геотермальные электростанции (геоТЭС) представляют собой одноконтурные системы, в которых геотермальный пар непосредственно работает в паровой турбине, или двухконтурные с низкокипящим рабочим телом во втором контуре. Наиболее распространены геоТЭС в Италии, Исландии, Японии и США. Единичная мощность таких геоТЭС составляет единицы (иногда десятки) мегаватт.

Биомасса представляет собой весьма широкий класс энергоресурсов и включает древесину, отходы промышленные (лесной и деревообрабатывающей промышленности), сельскохозяйственные и бытовые. Энергетическое использование биомассы возможно через сжигание, газификацию и пиролиз, биохимическую переработку с получением спиртов или биогаза. Каждый из этих процессов имеет свою область применения и назначение. Некоммерческое использование биомассы (проще говоря, дров) наносит большой ущерб окружающей среде. Хорошо известны проблемы обезлесивания и опустынивания в Африке, сведение тропических лесов в Южной Америке. С другой стороны, использование древесины от возобновляемых плантаций является примером получения энергии от органического сырья с суммарными нулевыми выбросами диоксида углерода.