Основные виды возобновляемых энергоисточников

2. Основные виды возобновляемых энергоисточников. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

Отказ от сжигания природного углеводородного сырья в топках электростанций и котельных с каждым годом становится все более насущной задачей человечества. Для ее быстрейшего решения нужно найти замену углю, нефти, газу.

Рассмотрим достоинства и недостатки, а также перспективы использования различных видов энергоресурсов, которые принято объединять в группу под общим названием «нетрадиционные (и) возобновляемые источники энергии (НВИЭ)». Впрочем, первое слово – «нетрадиционные» - можно отнести не ко всем возобновляемым энергоресурсам. Это относится, в первую очередь, к использованию энергии падающей воды на больших гидроэлектростанциях (ГЭС) и к сжиганию в качестве топлива обычных дров.

В самом деле, можно ли отнести, например, твердую древесину к группе НВИЭ? И да, и нет. С одной стороны, это вполне «традиционный» вид топлива, но, с другой стороны, считать его одним из видов возобновляемых энергоресурсов вполне обоснованно, ибо темпы расходования древесины в качестве топлива заметно уступают скорости воспроизводства этого продукта в природе. Однако из-за невысоких параметров горения дрова не предполагается сжигать на электростанциях.

Рост интереса к НВИЭ во всем мире стал особенно заметен после энергетического кризиса и скачка цен на нефть в начале 1970-х годов.

Солнечная энергия

Прежде всего нужно сказать, что многие виды энергоресурсов - органическое топливо, течение рек, ветер, биомасса и т.д. - имеют своим первоисточником энергию Солнца, но здесь речь пойдет только об энергии прямого солнечного излучения. Оно дает человечеству неиссякаемый и неограниченный источник энергии, в то время как потенциал почти всех остальных видов энергоресурсов тем или иным образом лимитирован.

Выделение энергии на Солнце происходит в результате термоядерных реакций, и оно будет продолжаться еще многие миллиарды лет. Поток солнечной энергии в тысячи раз превосходит все энергетические потребности человечества, однако роль этого источника в топливно-энергетическом балансе на сегодняшний день совсем незначительна.

Это объясняется низкой плотностью потока энергии прямого солнечного излучения. Лишь малая его часть (десятые доли процента) преобразуется в концентрированные виды энергии (энергию течения рек, сильного ветра, океанских приливов, фотосинтеза и др.), которые мы договорились здесь не рассматривать. Обсудим возможные способы использования остальной, сильно рассеянной части потока солнечной энергии.

Рекомендуемые материалы

Не вызывает сомнения эффективность солнечных отопительных систем для производства низкопотенциальной тепловой энергии. Принцип работы таких гелиоустановок основан на поглощении энергии солнечных лучей зачерненными нагревательными поверхностями. При этом циркулирующая в трубах вода повышает свою температуру и может использоваться для отопления и горячего водоснабжения. Такой способ теплоснабжения довольно широко применяется в курортных зонах, где особенно важны экологические характеристики энергоустановок. В маловодных районах с помощью солнечной энергии можно опреснять высокоминерализованные воды методом дистилляции.

Для получения тепловой энергии за счет прямого солнечного излучения можно также использовать «парниковый» эффект, основанный на различной пропускающей способности стеклянных поверхностей в прямом и обратном направлениях. Это используется, например, в тепличных хозяйствах для выращивания сельхозкультур в холодное время года.

 Таким образом, преобразование энергии прямого солнечного излучения в теплоту осуществляется достаточно просто и эффективно.

Несколько иначе обстоит дело с производством электроэнергии. Для этого к настоящему времени освоены два основных способа и, соответственно, два типа солнечных электрических станций (СЭС), именуемых еще гелиоэлектростанциями (ГеЭС).

Первый тип СЭС относится к тепловым электростанциям, поскольку предполагает преобразование солнечной энергии сначала в тепловую, а только в конечном счете – в электрическую. На таких станциях солнечные лучи с помощью вогнутых зеркал фокусируются на аппарат, в котором под воздействием высокой температуры генерируется водяной пар. Дальнейший технологический процесс происходит так же, как на обычной тепловой электростанции, с использованием паровой турбины и электрогенератора.

В 1988 году вступила в строй Крымская СЭС мощностью 5 МВт, расположенная в степной части Крыма, на Керченском полуострове. Пар с давлением 40 атм и температурой 250 ^оС  вырабатывается котлом, установленным на высоте 70 м. Для приема и фокусировки солнечных лучей имеется 1600 зеркал площадью по 25 кв. м, они увеличивают плотность потока энергии в 150 раз. Работа СЭС в ночное время и при пасмурной погоде поддерживается с помощью теплового аккумулятора горячей воды, обеспечивающего 3-4 часа работы станции на полной электрической мощности [31].

Возможно и использование газовых турбин, приводимых в движение сжатым газом, нагретым до высоких температур – порядка 800 ^оС. При этом такая газовая турбина может быть надстройкой к паровой турбине СЭС.

Другой тип гелиоэлектростанций основан на прямом преобразовании энергии солнечного излучения в электроэнергию  с помощью фотоэлектрического эффекта (выбивания электронов из атомов солнечными фотонами), открытого Герцем в конце 19 века. Этим свойством обладают полупроводниковые материалы, среди которых  выделяются кремний, арсенид галлия и др.

СЭС с фотоэлектрическими преобразователями, как и солнечные ТЭС, требуют отчуждения больших площадей для размещения приемников солнечного излучения – по некоторым оценкам, около 100 кв. км на каждые 1000 МВт электрической мощности [31]. Этим объясняется появление ряда проектов орбитальных СЭС, где электроэнергия будет вырабатываться фотоэлементами, а ее передача на Землю – с помощью электромагнитного излучения сверхвысокой частоты. Отметим, что основанные на фотоэффекте солнечные батареи уже десятки лет практически незаменимы для энергопитания космических аппаратов. Есть и другие примеры использования прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, в частности, в электромобилях, элементах питания микрокалькуляторов, часов и т.д.   

Солнечные электростанции обоих типов являются высокоэкологичными, ибо они практически не нарушают теплового и химического равновесия в природе. Однако себестоимость электроэнергии от СЭС на порядок выше, чем от ТЭС на органическом топливе, да и КПД использования первичной энергии невысок – обычно 10-15%.

Солнечные энергоустановки имеет смысл размещать в районах с большим количеством ясных дней в году – наверно, не менее трехсот. Поскольку мощность солнечного излучения зависит от времени суток и от погоды, наиболее целесообразны комбинированные системы энергоснабжения, в которых вместе с гелиоустановками имеются аккумуляторы тепловой и электрической энергии, дизель-генераторы или другие резервные (замещающие) энергоисточники.

Развитие солнечной энергетики сегодня находится на стадии улучшения технико-экономических показателей для существующих технологий и поиска новых технических решений. Думается, что со временем гелиоэнергетика займет достойное место в топливно-энергетическом балансе, поскольку значение ее достоинств будет только возрастать по мере обострения экологических проблем и исчерпания других видов энергоресурсов.

Гидроэнергоресурсы

Энергия падающей воды используется человеком уже давно, например, для получения муки из пшеничного зерна на водяных мельницах.

Течение рек вызвано тем, что влага испаряется с поверхности нашей планеты и затем возвращается в виде осадков (дождь, снег, град). Следовательно, первоисточником гидроэнергии на Земле является Солнце.

В настоящее время гидроэнергоресурсы играют наиболее важную роль из всех возобновляемых источников энергии. В случае использования всех рек мира можно построить ГЭС суммарной мощностью около 3000 ГВт [10], но в нынешних условиях экономически целесообразна для освоения примерно половина этого потенциала. Сейчас на долю ГЭС приходится более 20% вырабатываемой в мире электроэнергии (в России - около 20, США – примерно 9, Норвегии – более 99, а в Нидерландах – 0%). В некоторых странах (США, Япония, Франция и др.) используется уже более 80-90% от всего имеющегося гидроэнергетического потенциала [14].

В нашей стране имеется 98 ГЭС, суммарная мощность которых составляет 44 млн кВт (пятое место в мире; у США – 76, у Китая – 72 млн кВт). Имеющиеся в России гидроэнергоресурсы используются менее чем на 20%, причем возникший после распада СССР застой в развитии гидроэнергетики пока еще не преодолен.

Каковы главные достоинства гидроэлектростанций?

Во-первых, ГЭС высокоманевренны (пуск гидроагрегатов и набор мощности осуществляется за считанные минуты) и играют незаменимую роль в покрытии пиковых нагрузок за счет возможности накапливания воды в водохранилищах. С учетом того, что крупные энергоблоки ТЭС на органическом топливе и АЭС целесообразнее использовать в базовом режиме,  наличие в энергосистеме гидроэлектростанций очень полезно.

Во-вторых, с экологической точки зрения ущерб от работы ГЭС минимален и несравним с тем вредом, который наносят окружающей среде тепловые электростанции, особенно при сжигании угля и мазута.

Наконец, себестоимость электроэнергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, в несколько раз меньше, чем  на традиционных ТЭС и АЭС. Рядом с ГЭС выгодно иметь предприятия с большим электропотреблением, например, алюминиевые заводы.

К недостаткам гидроэнергетики следует отнести:

- затопление земель при создании водохранилищ перед плотинами ГЭС; наибольшие площади оказываются под водой при перекрытии равнинных рек - например, при строительстве Волжской ГЭС в Куйбышевской (ныне Самарской) области получилось огромное, разлившееся до Казани, Куйбышевское водохранилище, в отдельных местах шириной в десятки километров, его образно называют Жигулевским морем; минимальное потери, связанные с затоплением земель, могут быть обеспечены при сооружении ГЭС на горных реках, но затраты на строительство здесь существенно возрастают;

- ухудшение качества воды в водоемах, ущерб водной флоре (активизация вредных водорослей) и фауне (сооружение плотин приводит к уменьшению рыбных ресурсов), изменения ледового режима;

- возможные изменения климата; старожилы вспоминают, что до появления каскада волжских ГЭС арбузы вызревали даже в среднем Поволжье (а теперь только южнее Саратова);

- высокие плотины гидроэлектростанций являются источником опасности, так как в случае их разрушения (в результате стихийных бедствий или других непредвиденных обстоятельств) могут быть тяжелые последствия, схожие с теми, которые вызывает цунами.

Справедливости ради нужно сказать, что появление искусственных водохранилищ ГЭС имеет и позитивные последствия – для водоснабжения, орошения в засушливых районах, развития водного транспорта, создания зон отдыха, да и климат не везде  изменяется обязательно в худшую сторону.  

 Если говорить в целом, то преимущества гидроэнергетики намного более существенны, чем недостатки. Нет сомнения в том, что в ближайшие десятилетия основная часть имеющихся на Земле гидроэнергоресурсов рек уже станет использоваться на благо человечества. Более того, появились идеи перекрытия плотинами морских проливов и даже использования гидроэнергии мощных океанских течений.

Крупнейшие российские ГЭС расположены главным образом в восточной части страны на полноводных сибирских реках – Саяно-Шушенская (6400 МВт) и Красноярская на Енисее, Братская (4500 МВт) и Усть-Илимская на Ангаре и др. В ближайшие годы возможен рост мощностей в отечественной гидроэнергетике за счет ввода в эксплуатацию целого ряда новых ГЭС, оставшихся недостроенными на территории России еще со времен СССР.

Из зарубежных стран по динамике развития можно выделить Китай. Например, суммарная мощность нового китайского гидроэнергетического комплекса «Три ущелья» составит 18200 МВт (это самая крупная ГЭС в мире).

Разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), которые целесообразно сооружать в комплексе с мощными ТЭС или АЭС для регулирования нагрузок в энергосистеме.

В ночное время, когда происходит спад электропотребления, часть электроэнергии, вырабатываемой тепловой или атомной электростанцией, расходуется на перекачку воды из нижнего озера ГАЭС в верхнее. Такой режим работы гидроаккумулирующей электростанции называется насосным.

В остальное время, когда требуется покрытие энергосистемой больших нагрузок, осуществляется генераторный режим ГАЭС. Он означает выработку электроэнергии гидротурбинами за счет слива воды из верхнего озера в нижнее (обычно перепад высот может составлять примерно 100 м) .

Относятся ли гидроэнергоресурсы к НВИЭ? К возобновляемым – несомненно, а вот к нетрадиционным - только так называемые малые гидроэлектростанции (микроГЭС) для локального электроснабжения. Производство же электроэнергии на обычных ГЭС можно с полной уверенностью считать традиционным способом энергообеспечения.

Малые ГЭС (МГЭС) могут иметь мощность от нескольких киловатт до нескольких мегаватт, на территории России для них есть сотни тысяч малых рек. Использование микроГЭС бывает экономически оправданным при децентрализованном электроснабжении удаленных потребителей, для которых к тому же электроэнергия от дизель-генераторов менее выгодна, чем от МГЭС.

Энергия приливов

Причина приливов - это гравитационное взаимодействие (взаимное притяжение) воды морей и океанов с Луной, поэтому приливную энергию еще называют «лунной». Луна вращается вокруг Земли, а последняя – вокруг Солнца, которое, таким образом, является первоисточником энергии приливных волн. Геометрия орбиты вращения Луны определяет ее удаление от Земли в каждый момент времени. Это расстояние, циклически изменяясь, в свою очередь, влияет на силу лунного притяжения.

Гидроэнергетический потенциал приливов характеризуется высотой приливной волны, т.е. разностью уровней воды при приливах и отливах. В некоторых местах она может превышать 10 и даже 15 метров. Наиболее удобно и экономически выгодно размещать приливные электростанции (ПЭС) в узких горловинах больших заливов, выполняющих роль водохранилищ.

На ПЭС целесообразно применять обратимые гидротурбины с поворачивающимися лопастями. Это позволяет использовать энергию движущейся воды и во время заполнения водохранилища приливом, и при отливе.

Приливная электростанция фактически является разновидностью ГЭС, так как здесь тоже происходит преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращения ротора гидрогенератора. Сравнение этих двух видов электростанций в целом дает преимущество ПЭС.

Прежде всего, водохранилище при ПЭС является частью мирового океана и поэтому не испытывает больших колебаний среднего уровня воды, в то время как среднесуточная мощность ГЭС сильно изменяется в течение года - зимой минимальная, а в паводковый период резко возрастает. Сток реки может существенно различаться не только по сезонам, но и по годам - периодически случаются маловодные годы.

Как было показано выше, график приливов и отливов выдерживается с точностью до минут, ибо он определяется взаимным расположением Земли и Луны. Такая предсказуемость, с одной стороны, облегчает регулирование нагрузок в энергосистеме. Однако здесь заложен и недостаток ПЭС – большая зависимость ее работы от времени суток.

По экологическим показателям приливные электростанции лучше ГЭС, поскольку заполнение водохранилища ПЭС является вполне естественным процессом, а не искусственным затоплением.   

В нашей стране имеется опытно-экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт (Мурманская область, год пуска – 1967). Возводить  мощные приливные электростанции в России удобно на берегах северных и восточных морей – в Мезенском, Тугурском, Пенжинском и других заливах можно построить ПЭС мощностью в десятки тысяч мегаватт.

Среди зарубежных станций можно выделить достаточно крупную ПЭС во Франции, в устье одной из рек на берегу пролива Ла-Манш (максимальная мощность 240 МВт, находится в эксплуатации более 30 лет).

Увы, на Земле не так много мест, где высокие приливы. По зарубежным оценкам суммарный потенциал приливов на нашей планете составляет примерно 13 ГВт, что значительно меньше гидроэнергетического потенциала рек [10].

Ветровая энергия

Почему возникает ветер? Из-за отличий в свойствах земной поверхности Солнце неравномерно нагревает ее в разных районах. Возникающие перепады температур воздуха  сказываются на изменениях атмосферного давления и тем самым приводят в движение воздушные массы. На Земле немало мест, где бόльшую часть года дуют сильные ветры. Прежде всего, это прибрежные зоны морей и океанов, горные массивы, степи, тундра.

Суммарный ветроэнергетический потенциал нашей планеты в десятки раз превышает все потребности в электроэнергии. Для России он оценивается в несколько миллионов МВт электрической мощности. Есть очень «ветреные» страны, например, Дания и Голландия, где развитию ветроэнергетики уделяется не меньшее внимание, чем другим энергоисточникам, и даже рассматриваются варианты развития всей электроэнергетической отрасли с опорой на ветроэлектростанции (ВЭС).

Использование человеком механической энергии ветра имеет многовековую историю, достаточно вспомнить хотя бы Дон Кихота. В одной только России количество ветряных мельниц для размола зерна исчислялось не одной сотней тысяч. Во все времена мореплавателям желали попутного ветра. В наши дни гонки на парусных судах – это олимпийский вид спорта.

Могут быть и другие области применения механической энергии воздушных потоков, например, для подачи воды из колодцев, вентиляции овощехранилищ.

Теперь перейдем непосредственно к вопросу о производстве электроэнергии на ветровых электрических станциях.

ВЭС не является тепловой электростанцией, поскольку механическая энергия ветровых потоков трансформируется сразу в энергию вращения ротора ветрогенератора, без стадии преобразования в тепловую энергию.

Энергетические ветроустановки кратко называют ветряками. Считается, что их эффективная работа с мощностью в несколько киловатт  может достигаться при среднегодовой скорости ветра не менее 5 м/с, а для ветряков мегаваттного диапазона –  8-10 м/с.

Мощность ветроагрегата определяется размерами его лопастей и пропорциональна скорости ветра в третьей степени. В настоящее время наиболее крупные действующие и проектируемые ветроустановки промышленного значения имеют единичную мощность в несколько МВт. Для них высота опоры (башни) и диаметр колеса могут превышать 100 м. В киловаттном диапазоне (это так называемые малые ветроустановки) размеры на порядок меньше.

Для повышения общей мощности ВЭС нужно располагать несколько десятков или даже сотен ветроагрегатов в одном кусте.

 Главная проблема ветроэнергетики  - это непостоянство силы и направления ветра. Обычно ВЭС преобразуют в электроэнергию около четверти ветровой энергии. Снижение скорости ветра значительно уменьшает КПД и мощность ветрогенератора. С другой стороны, во время ураганов возрастает опасность механического повреждения конструкций ветроустановок, поэтому их изготовление требует больших затрат. 

Для многих ВЭС характерны значения среднегодового коэффициента использования установленной мощности примерно 0,3-0,5. Это говорит о том, что из-за переменности воздушных потоков электроснабжение от ветряков не может быть надежным без подстраховки какими-нибудь замещающими электрогенерирующими установками. Для удаленных потребителей эту роль во время штиля могут выполнить, например, дизель-генераторы, а при возможности получения электроэнергии от энергосистемы – электростанции других типов.

Эффективность эксплуатации ВЭС во многом зависит от возможности аккумулирования электроэнергии, выработанной ветрогенераторами в периоды спада нагрузки.

Предлагаются различные способы решения этой проблемы, в частности, преобразование излишков электрической энергии в запасы водорода путем электролиза воды, т.е. разложения ее на водород и кислород под воздействием электрического тока. Полученный таким образом водород может быть использован как высокоэкологичное топливо для выработки электроэнергии в любое нужное нам время.

В районах, испытывающих дефицит пресной воды, применим еще один способ аккумулирования – создание запасов обессоленной воды, полученной в электроиспарительных установках за счет электроэнергии от ВЭС.

Ветровые электростанции не оказывают вредного экологического воздействия на окружающую среду. Правда, некоторые ученые высказывают опасения насчет того, что большое скопление ветряков в одном месте может негативно отразиться на природных равновесиях. Однако пока что не имеется каких-то конкретных фактов, подтверждающих возможность такого масштабного влияния ветроустановок на естественные процессы в природе. Изучение этого вопроса нужно продолжать – например, исследовать взаимосвязь скорости перемещения воздушных масс и интенсивности выпадения осадков.   

Энтузиасты ветроэнергетики считают, что по стоимости электроэнергии ВЭС могут постепенно приблизиться к обычным ТЭС. Действительно, имеются еще определенные резервы в совершенствовании конструкций и улучшении характеристик ветроустановок, укрупнении ветроэлектростанций. Однако достигнутые к настоящему времени технико-экономические показатели ВЭС не позволяют пока что уверенно прогнозировать быстрое наращивание доли ветроэнергетики в топливно-энергетическом балансе.    

Геотермальная энергия

Внутри нашей планеты происходят различные процессы. Наибольшее влияние на температурный режим подземных слоев оказывает процесс радиоактивного распада различных естественных изотопов, так как он сопровождается выделением тепловой энергии.

Из-за низкой теплопроводности земных пород температура на поверхности Земли невелика, а тепловое равновесие обеспечивается отводом теплоты через атмосферу в космическое пространство.

Все это говорит о том, что геотермальная энергия практически неисчерпаема.   

Установлено, что в среднем температура подземных слоев повышается со скоростью 3 градуса на каждые 100 м продвижения вглубь Земли. Однако на нашей планете есть некоторые места, где горячие слои находятся достаточно близко к поверхности. Причиной этого могут быть, в частности, активные вулканические процессы.

Именно в таких местах расположены или строятся почти все геотермальные электростанции (ГеоТЭС). Иногда их называют геотермическими, а вместо сокращения ГеоТЭС используется ГеоЭС.

Из пробуренных скважин на поверхность вырывается горячая вода, пар или пароводяная смесь. Там, где имеются естественные расщелины для выхода пара или кипятка, образуются гейзеры - уникальные природные источники подземного тепла. В начале 40-х годов прошлого столетия на Камчатке была открыта целая долина гейзеров, самый мощный из которых выбрасывает струю на сотни метров вверх. Гейзеры есть в Исландии, США, Новой Зеландии, Италии, Чехии и других странах.

Большинство геотермальных источников имеет температуру воды, вполне достаточную для горячего водоснабжения и отопления.

Для выработки электроэнергии желательны более высокие параметры. Например, первая в нашей стране Паужетская ГеоТЭС, построенная на Камчатке в 1967 г., использует выходящую из скважин пароводяную смесь с температурой около 200 ^оС, глубина бурения – несколько сот метров, мощность станции – около 10 МВт.

В 2002 году в том же регионе закончено строительство первой очереди еще одной геотермальной электростанции – Верхне-Мутновской (мощность  50 МВт).  Здесь  температура  природного  источника  доходит  до 270 ^оС, глубина скважин – до 2 км. Возможности для развития геотермальной энергетики в нашей стране есть также на Курильских островах.

Мощность наиболее крупных зарубежных ГеоТЭС составляет сотни мегаватт.

К достоинствам геотермальных электростанций следует отнести их  экологичность, отсутствие сезонных колебаний, характерных для гидроэнергетики, высокий коэффициент использования установленной мощности. Например, в энергетике США он составлял 70%, в то время как для ТЭС на органическом топливе - 45, АЭС - 66, ГЭС – 41, ТЭС на биомассе – 59, ВЭС – 16, СЭС – 28 [33].  

Помимо низких параметров, существенным недостатком подземных термальных вод является их высокая минерализация, а иногда и содержание токсичных веществ, например, фенола. Повышенное содержание солей может быть причиной ускоренного коррозионного износа оборудования энергоустановок. Наличие примесей в паре, поступающем в турбину, вызывает повреждения лопаток.

С экономической точки зрения геотермальная энергетика вполне конкурентоспособна в сфере теплоснабжения. Одной скважины достаточно для обеспечения горячей водой и отоплением нескольких тысяч человек.

Стоимость электроэнергии от ГеоТЭС довольно высока, но в отдаленных районах не меньших затрат требует и электроснабжение от других типов электростанций.

Удобных мест для строительства геотермальных электростанций немного. В настоящее время доля ГеоТЭС в суммарной мощности всей электроэнергетики мира составляет десятые доли процента.             

Определенный интерес вызывает идея использования геотермальной энергии путем искусственного охлаждения горячих подземных пород за счет закачивания в скважину холодной воды в одном месте и вывода ее на поверхность в нагретом состоянии  через другую скважину. Высказываются, однако, опасения, что закачка воды под землю при повышенном давлении может повысить сейсмическую активность.

Энергия биомассы

Естественные процессы и человеческая деятельность приводят к образованию большого количества органических веществ, которые принято называть биомассой. В первую очередь сюда можно отнести:

- природные остатки растительного и животного происхождения, а также специально выращиваемые культуры для быстрого получения биомассы;

- твердые бытовые отходы (городской мусор) и осадки сточных вод (канализационный ил);

- отходы сельскохозяйственного производства;

- органические отходы пищевых, сахарных, молочных, консервных, кожевенных, текстильных, целлюлозно-бумажных и других предприятий.

Из биомассы можно получить углеводородное топливо, в частности, метан. Оно может использоваться в энергоустановках для теплоснабжения и выработки электроэнергии.

Наиболее распространенным способом превращения органических отходов в топливо является биоконверсия (биотермическая обработка). Она основана на анаэробном (т.е. без доступа воздуха) сбраживании биомассы с помощью метанобразующих бактерий.

В биогазовой установке (биогазогенераторе) поддерживается несколько повышенная температура (20-60 ^оС) для увеличения скорости брожения и обеспечивается перемешивание органических остатков. Важным условием является герметичность биоустановки, поскольку доступ кислорода приводит к гибели бактерий, обеспечивающих метангенерацию.

В результате биоконверсии органических отходов получают биогаз, в котором содержится до 70% метана, и остаточный шлам, представляющий из себя ценные удобрения, а также сырье для производства кормовых добавок. Биогаз содержит разные примеси, в том числе окись углерода и сероводород, поэтому он имеет неприятный запах, а его теплота сгорания значительно меньше по сравнению с природным газом.

В качестве простейшей биоустановки может служить закрытый колодец, заполненный навозом и другими остатками животного и растительного происхождения.

Из одного килограмма биомассы можно получить десятки и даже сотни литров биогаза. Он может использоваться как самостоятельное топливо или подмешиваться к природному газу.     

Биогазовые технологии способствуют решению экологических проблем. Например, биогазификация навоза уменьшает загрязнение водоемов и грунтовых вод. Несомненна польза для окружающей среды и от комплексной переработки городского мусора. В некоторых странах требование вторичного использования органических отходов закреплено законодательными актами.

С помощью биоустановок может быть также получено жидкое синтетическое топливо – бионефть (синтетическая нефть), биобензин.

Каковы перспективы биогазовых технологий?

Чтобы оценить объем образующихся на нашей планете органических отходов, достаточно привести следующие цифры: на фотосинтез расходуется  солнечной энергии в несколько раз больше, чем на ветровую энергию, а ежегодное количество бытовых отходов в каждом крупном городе-мегаполисе составляет миллионы тонн.

В нашей стране экономически целесообразная переработка органических отходов в биоустановках в настоящее время могла бы обеспечить ежегодное производство биогаза, эквивалентное нескольким десяткам миллионов тонн условного топлива (тут), а весь энергетический потенциал биоресурсов России оценивается в миллиарды тут в год.

В настоящее время рационально используется лишь небольшая часть образующейся биомассы. Например, почти весь городской мусор просто вывозится на свалки или в лучшем случае поступает на мусоросжигательные заводы. Даже древесина, самый востребованный продукт фотосинтеза, пропадает во всем мире почти на 90%. Отметим, что на долю России приходится более 1/5 всех лесных ресурсов планеты.

Очевидно, что решающим условием широкого развития биогазовых технологий является улучшение их технико-экономических показателей. Во всем мире продолжается поиск принципиально новых способов получения топлива из биомассы. Одновременно ведутся исследования, направленные на повышение эффективности фотосинтеза с помощью генной инженерии.

Водородное топливо

При обсуждении достоинств и недостатков различных видов НВИЭ постоянно подчеркивалась мысль о необходимости аккумулирования электрической энергии. Это обеспечило бы возможность непрерывного электроснабжения потребителей, в том числе и в периоды снижения по естественным причинам мощностей СЭС, ВЭС, ПЭС и др.

Одним из перспективных способов решения этой проблемы может стать развитие водородной энергетики. В настоящее время нет эффективных способов запасать большое количество электроэнергии в те периоды времени, когда электрогенерирующие мощности энергоустановок, использующих НВИЭ, превышают суммарные нагрузки потребителей. Зато есть возможность преобразовать излишки электрической энергии в запасы водорода путем электролиза воды, т.е. ее электрохимического разложения на водород и кислород.

Водород – это очень удобный вид топлива, обладающий целым рядом достоинств:

- при сжигании не загрязняет окружающую среду, поскольку продуктом горения является Н₂О;

- имеет высокую теплотворную способность, почти в 5 раз превышающую этот показатель для условного топлива;

- легко транспортируется по трубопроводам, так как обладает малой вязкостью;

- допускает возможность длительного хранения в сжатом или сжиженном виде;  

- является наиболее универсальным видом топлива, пригодным для использования в самых разных сферах деятельности человека, в том числе в быту.

Стоимость водорода пока еще довольно высока, и получают его в основном из природного газа, а не путем электролиза воды. Однако преимущества водородного топлива столь весомы, что есть все основания считать водородную энергетику перспективной.        

Роль НВИЭ в топливно-энергетическом балансе

Среди специалистов преобладает мнение о том, что нынешние ограниченные масштабы использования НВИЭ обусловлены в основном экономическими и организационными причинами. По крайней мере, ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что нетрадиционная энергетика может быть вполне конкурентоспособной в регионах с децентрализованным энергоснабжением и к тому же не имеющих близкорасположенных источников органического топлива. В России в таких районах проживает примерно 10 миллионов человек. 

Увеличению доли НВИЭ в топливно-энергетическом балансе России способствовало бы в первую очередь установление в нашей экономике реальных, а не заниженных цен на органическое топливо. Прежде всего это касается природного газа, который в настоящее время не продается по рыночным ценам, а фактически распределяется государством между потребителями.

К   усилению    здоровой    конкуренции    НВИЭ    и    «традиционных»

энергоисточников привели бы также более строгие природоохранные требования и жесткий контроль со стороны государственных органов за выполнением экологических норм тепловыми электростанциями на органическом топливе. 

Наконец, само слово «нетрадиционные» должно предполагать активное участие государства в финансировании работ по созданию пилотных образцов, показательных установок для демонстрации достоинств НВИЭ. На первых порах необходимы налоговые льготы, а еще лучше целевые государственные программы по созданию мощностей для серийного производства оборудования энергоустановок, использующих НВИЭ.

Все это помогло бы отечественной нетрадиционной энергетике выйти на тот уровень, который позволяет обеспечить существенные масштабы замещения углеводородных топлив и снижения вредного воздействия энергогенерирующих установок на окружающую среду. Последнее обстоятельство тем более значительно, что в настоящее время топливно-энергетический комплекс России несет ответственность за выброс в окружающую среду почти половины всех вредных веществ.

Если в ближайшие десятилетия долю НВИЭ в общем энергопотреблении России удалось бы довести до нескольких процентов, то такой показатель можно будет признать неплохим результатом. Для сравнения, в странах европейского сообщества надеются, что доля НВИЭ превысит 10% уже в ближайшие годы, причем единичная мощность ветроустановок, малых ГЭС, геотермальных теплоэлектростанций составит сотни и тысячи мегаватт.     

Тенденции изменения структуры энергопотребления

На территории России, где проживает всего лишь 1/40 населения Земли, сосредоточено около трети всех энергоресурсов планеты (природного газа – 45% мировых запасов, нефти – 13%, угля – 23%, урана – 14%). В таблице 2.1 приведены основные показатели топливно-энергетического баланса России (здесь и в данном учебном пособии в целом использованы материалы разработки ЕС-2020 [8, 38, 44]).

Таблица 2.1. Основные показатели топливно-энергетического баланса России

В этой таблице прогнозные данные, относящиеся к 2020 году, основаны на так называемом «оптимистическом» (стратегическом) сценарии развития российской экономики (в отличие от «инерционного» варианта, учитывающего возникновение возможных неблагоприятных условий и, вследствие этого, сниженные темпы роста).

Таким образом, за период с 2000 по 2020 год в нашей стране ожидается существенное изменение структуры энергопотребления - доля природного газа в производстве первичных топливно-энергетических ресурсов может уменьшиться с 48 до 42%, а доля угля и атомной энергии возрасти с 12 до 16 и с 2,8 до 5,2% соответственно.

Особое внимание при разработке ЕС-2020 уделялось вопросам энергосбережения. Резервы здесь очень значительны. Энергоемкость нашей экономики (т.е. удельный расход энергии на единицу валового внутреннего продукта) более чем в 2 раза превосходит этот показатель для США, а сопоставление со странами Западной Европы и с Японией дает еще бóльшую разницу.