Созданная во
многих странах нормативно-законодательная
база по использованию НВИЭ
является мощным инструментом
государственной технической политики
в этой области. Особенно развито
это законодательство в США,
где в последние 25 лет принято
более дюжины законов в указанной
сфере.
Плюсы и минусы
Каковы же эти
нетрадиционные и возобновляемые
источники энергии? К ним обычно
относят солнечную, ветровую и
геотермальную энергию, энергию
морских приливов и волн, биомассы
(растения, различные виды органических
отходов), низкопотенциальную энергию
окружающей среды. К НВИЭ также принято
относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт
при мощности единичного агрегата не более
10 МВт), которые отличаются от традиционных
- более крупных - ГЭС только масштабом.
Указанные источники
энергии имеют как положительные,
так и отрицательные свойства.
К положительным относятся повсеместная
распространенность большинства их видов,
экологическая чистота. Эксплуатационные
затраты по использованию нетрадиционных
источников не содержат топливной составляющей,
так как энергия этих источников как бы
бесплатная.
Отрицательные
качества - это малая плотность
потока (удельная мощность) и изменчивость
во времени большинства НВИЭ.
Первое обстоятельство заставляет
создавать большие площади энергоустановок,
перехватывающие поток используемой
энергии (приемные поверхности
солнечных установок, площадь
ветроколеса, протяженные плотины
приливных электростанций и т.п.).
Это приводит к большой материалоемкости
подобных устройств, а, следовательно,
к увеличению удельных капиталовложений
по сравнению с традиционными
энергоустановками. Правда, повышенные
капиталовложения впоследствии
окупаются за счет низких эксплуатационных
затрат, но на начальной стадии
они чувствительно бьют по
карману тех, кто хочет использовать
НВИЭ.
Больше неприятностей
доставляет изменчивость во времени
таких источников энергии, как
солнечное излучение, ветер, приливы,
сток малых рек, тепло окружающей
среды. Если, например, изменение
энергии приливов строго циклично,
то процесс поступления солнечной
энергии, хотя в целом и закономерен,
содержит, тем не менее, значительный
элемент случайности, связанный
с погодными условиями. Еще
более изменчива и непредсказуема
энергия ветра. Зато геотермальные
установки при неизменном дебите
геотермального флюида в скважинах
гарантируют постоянную выработку
энергии (электрической или тепловой).
Кроме того, стабильное производство
энергии могут обеспечить установки,
использующие биомассу, если они
снабжаются требуемым количеством
этого энергетического сырья.
Говоря о производстве
электроэнергии, следует заметить,
что она представляет собой
весьма специфический вид продукции,
который должен быть потреблен
в тот же момент, что и произведен.
Ее нельзя отправить на склад,
как уголь, нефть или любой
другой продукт или товар, поскольку
фундаментальная научно-техническая
проблема аккумулирования электроэнергии
в больших количествах пока
не решена, и нет оснований
полагать, что она будет решена
в обозримом будущем.
Для малых автономных
ветровых и солнечных энергоустановок
возможно и целесообразно применение
электрохимических аккумуляторов,
но при производстве электроэнергии
за счет этих нерегулируемых
источников в промышленных масштабах
возникают трудности, связанные с невозможностью
постоянного сопряжения производства
электроэнергии с ее потреблением (с графиком
нагрузки). Достаточно мощная энергосистема,
включающая также ветроэлектрические
установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции
(ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС),
может компенсировать изменения мощности
этих станций. Однако при этом, во избежание
изменений параметров энергосистемы (прежде
всего частоты), доля нерегулируемых электростанций
не должна превышать, по предварительной
оценке, 10-15% (по мощности).
Что же касается
бесплатности большинства видов
НВИЭ, то этот фактор нивелируется
значительными расходами на приобретение
соответствующего оборудования. В
результате возникает некоторый
парадокс, состоящий в том, что
бесплатную энергию способны
использовать, главным образом, богатые
страны. В то же время наиболее
заинтересованы в эксплуатации
НВИЭ развивающиеся государства,
не имеющие современной энергетической
инфраструктуры, то есть развитой
сети централизованного энергоснабжения.
Для них создание автономного
энергообеспечения путем применения
нетрадиционных источников могло
бы стать решением проблемы, но
в силу своей бедности они
не имеют средств на закупку
в достаточном количестве соответствующего
оборудования. Богатые же страны
энергетического голода не испытывают
и проявляют интерес к альтернативной
энергетике в основном по соображениям
экологии, энергосбережения и диверсификации
источников энергии.
Мы намеренно
столь подробно останавливаемся
на технических и экономических
трудностях при использовании
НВИЭ, чтобы показать, насколько
сложно организовать их крупномасштабное
применение. Эта проблема требует
системного подхода, который и
проявляется во многих странах,
и в значительной мере - через
уже упомянутую законодательную
базу.
Пожинатели ветра
В целом использование
НВИЭ в мире приобрело ощутимые
масштабы и устойчивую тенденцию
к росту. В некоторых странах
доля нетрадиционных источников
в энергобалансе составляет единицы
процентов. По различным прогнозным
оценкам, в которых в настоящее
время нет недостатка, эта доля
к 2010-2015 гг. во многих государствах
достигнет или превзойдет 10%. Здесь
можно дискутировать только о
темпах роста данного показателя,
но сам факт роста не подвергается
сомнению.
Различные виды
НВИЭ находятся на разных стадиях
освоения. Как это ни парадоксально,
наибольшее применение получил
самый изменчивый и непостоянный
вид энергии - ветер. Суммарная
мировая установленная мощность
крупных ВЭУ и ВЭС, по разным
оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт.
Кажущийся парадокс объясняется
тем, что удельные капиталовложения
в ВЭУ ниже, чем при использовании
большинства других видов НВИЭ.
Растет не только суммарная
мощность ветряных установок,
но и их единичная мощность,
превысившая 1 МВт.
Во многих странах возникла
новая отрасль - ветроэнергетическое
машиностроение. По-видимому, и в
ближайшей перспективе ветроэнергетика
сохранит свои передовые позиции. Мировыми
лидерами по применению энергии ветра
являются США, Германия, Нидерланды, Дания,
Индия.
Второе место
по объему применения занимает
геотермальная энергетика. Суммарная
мировая мощность ГеоТЭС составляет
не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны
по сравнению с традиционными топливными
электростанциями. Однако ГеоТЭС географически
привязаны к месторождениям парогидротерм
или к термоаномалиям, которые распространены
отнюдь не повсеместно, что ограничивает
область применения геотермальных установок.
Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение
получили системы геотермального теплоснабжения.
Далее следует
солнечная энергия. Она используется
в основном для производства
низкопотенциального тепла для коммунально-бытового
горячего водоснабжения и теплоснабжения.
Преобладающим видом оборудования здесь
являются так называемые плоские солнечные
коллекторы. Их общемировое производство
составляет, по нашим оценкам, не менее
2 млн. м2 в год, а выработка низкопотенциального
тепла за счет солнечной энергии достигает
5 106 Гкал.
Все активнее идет преобразование
солнечной энергии в электроэнергию.
Здесь используются два метода -
термодинамический и фотоэлектрический,
причем последний лидирует с большим
отрывом. Так, суммарная мировая
мощность автономных фотоэлектрических
установок достигла 500 МВт. Здесь
следует упомянуть проект "Тысяча
крыш", реализованный в Германии,
где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими
установками. При этом роль резервного
источника играет электросеть, из которой
возмещается нехватка энергии. В случае
же избытка энергии она, в свою очередь,
передается в сеть. Любопытно, что при
реализации этого проекта до 70% стоимости
установок оплачивалось из федерального
и земельного бюджетов. В США принята еще
более масштабная программа "Миллион
солнечных крыш", рассчитанная до 2010
г. Расходы федерального бюджета на ее
реализацию составят 6,3 млрд. долларов.
Однако пока основное количество автономных
фотоэлектрических установок поступает
за счет международной финансовой поддержки
в развивающиеся страны, где они наиболее
необходимы.
Значительное
развитие получило направление,
связанное с использованием низкопотенциального
тепла окружающей среды (воды, грунта,
воздуха) с помощью теплонасосных установок
(ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической
энергии производится 3-4 эквивалентные
единицы тепловой энергии, следовательно,
их применение в несколько раз выгоднее,
чем прямой электрический нагрев. Они
успешно конкурируют и с топливными установками.
Не менее интенсивно
развивается использование энергии
биомассы. Последняя может конвертироваться
в технически удобные виды
топлива или использоваться для
получения энергии путем термохимической
(сжигание, пиролиз, газификация)
и (или) биологической конверсии.
При этом используются древесные
и другие растительные, а также
органические отходы, в том числе
городской мусор, отходы животноводства
и птицеводства. При биологической
конверсии конечными продуктами
являются биогаз и высококачественные
экологически чистые удобрения. Это направление
имеет значение не только с точки зрения
производства энергии. Пожалуй, еще большую
ценность оно представляет с позиций экологии,
так как решает проблему утилизации вредных
отходов.
В последние
годы наблюдается возрождение
интереса к созданию и использованию
малых ГЭС. Они получают во
многих странах все большее
распространение на новой, более
высокой технической основе, связанной,
в частности, с полной автоматизацией
их работы при дистанционном
управлении.
Гораздо меньше
развито практическое применение
приливной энергии. В мире существует
только одна крупная приливная
электростанция (ПЭС) мощностью 240
МВт (Ранс, Франция). Еще менее развито
использование энергии морских волн. Этот
способ использования НВИЭ находится
на стадии начального экспериментирования.
Таково в настоящее
время положение с использованием
НВИЭ в мире. В России же
практическое их применение значительно
отстает от масштабов, достигнутых
в других странах. И это несмотря
на такие благоприятные предпосылки,
как практически неограниченные
ресурсы НВИЭ, достаточно высокий
научно-технический и промышленный
потенциал в данной области.
3. Топливные элементы.
Топливные элементы
как часть аккумулирующих систем.
Топливные элементы
осуществляют прямое превращение
энергии топлива ( напр.водород +
кислород) в электричество, минуя малоэффективные,
идущие с большими потерями, процессы
горения. Это электрохимическое устройство
в результате высокоэффективного "холодного"
горения топлива непосредственно вырабатывает
электроэнергию с КПД до 70 % [17].
Биохимики установили,
что биологический водородно-кислородный
топливный элемент "вмонтирован"
в каждую живую клетку [13]. Источником
водорода в организме служит
пища -- жиры, белки и углеводы. В желудке,
кишечнике, в клетках она раскладывается
до мономеров, которые, в свою очередь,
после ряда химических превращений дают
водород, присоединенный к молекуле-носителю.
Кислород из воздуха попадает в кровь
через легкие, соединяется с гемоглобином
и разносится по всем тканям. Процесс соединения
водорода с кислородом составляет основу
биоэнергетики организма. То есть, в мягких
условиях (комнатная температура, нормальное
давление, водная среда), химическая энергия
с высоким КПД преобразуется в тепловую,
механическую (движение мышц), электричество
(электрический скат), свет (насекомые
излучающие свет). Человек в который раз
повторил созданное природой устройство
получения энергии. В то же время этот
факт говорит о перспективности направления.
Все процессы в природе очень рациональны,
поэтому шаги по реальному использованию
ТЭ вселяют надежду на энергетическое
будущее.
Открытие в
1838 году водородно-кислородного
топливного элемента принадлежит
английскому ученому У. Грову.
Исследуя разложение воды на водород и
кислород, он обнаружил побочный эффект
-- электролизер вырабатывал электрический
ток. Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть)
состоит в основном из углерода. При сжигании
атомы топлива теряют электроны, а атомы
кислорода воздуха приобретают их. Так
в процессе окисления атомы углерода и
кислорода соединяются в продукты горения
-- молекулы углекислого газа. Этот процесс
идет энергично: атомы и молекулы веществ,
участвующих в горении, приобретают большие
скорости, а это приводит к повышению их
температуры. Они начинают испускать свет
-- появляется пламя. Химическая реакция
сжигания углерода имеет вид: C + O2 = CO2 +
тепло. В процессе горения химическая
энергия переходит в тепловую энергию
благодаря обмену электронами между атомами
топлива и окислителя. Этот обмен происходит
хаотически. Горение -- обмен электронов
между атомами, а электрический ток -- направленное
движение электронов. Если в процессе
химической реакции заставить электроны
совершать работу, то температура процесса
горения будет понижаться. В ТЭ электроны
отбираются у реагирующих веществ на одном
электроде, отдают свою энергию в виде
электрического тока и присоединяются
к реагирующим веществам на другом. Основа
любого ХИТ -- два электрода, соединенные
электролитом. ТЭ состоит из анода, катода
и электролита. На аноде окисляется, т.е.
отдает электроны, восстановитель (топливо
CO или H2), свободные электроны с анода поступают
во внешнюю цепь, а положительные ионы
удерживаются на границе анод-электролит
(CO+, H+). С другого конца цепи электроны
подходят к катоду, на котором идет реакция
восстановления (присоединение электронов
окислителем O2--). Затем ионы переносятся
электролитом к катоду. В ТЭ вместе сведены
вместе три фазы физико-химической системы:
газ (топливо, окислитель); электролит
(проводник ионов); металлический электрод
(проводник электронов). В ТЭ происходит
преобразование энергии окислительно-восстановительной
реакции в электрическую, причем, процессы
окисления и восстановления пространственно
разделены электролитом. Электроды и электролит
в реакции не участвуют, но в реальных
конструкциях со временем загрязняются
примесями топлива. Электрохимическое
горение может идти при невысоких температурах
и практически без потерь. В ТЭ поступает
смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать
газообразное топливо. Таким образом,
ТЭ оказывается "всеядным". Усложняет
использование ТЭ то, что для них топливо
необходимо "готовить". Для некоторых
ТЭ водород получают путем конверсии органического
топлива или газификации угля. Поэтому
структурная схема электростанции на
ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя
постоянного тока в переменный и вспомогательного
оборудования включает блок получения
водорода (для солнечной энергетики - это
гидролизёр).