Альтернативные источники энергии

В России работает несколько десятков  малых гидроэлектростанций общей мощностью порядка 250 МВт. Многие из них были введены в строй более 50 лет назад и  нуждаются в реконструкции. А в 50-е годы прошлого столетия, в России функционировало более 6 тысяч микро-ГЭС, но, в итоге более устойчивое положение в энергетике страны заняло крупное гидроэнергостроительство, а малые гидроэлектростанции со временем отошли на второй план. В наши дни интерес к малым ГЭС возрос. Независимо от того, что крупные ГЭС являются экономически более выгодными, у малых гидроэлектростанций есть свои плюсы. Во-первых, строительство малых ГЭС менее затратно и может быть организовано за счет частных предприятий и фермерских хозяйств. Немаловажным фактом является то, что малые ГЭС зачастую не требуют сложных технических элементов, таких как большие водохранилища, являющиеся причиной затопления больших площадей на равнинных реках. Современные малые гидроэлектростанции полностью автоматизированы. А их высокая надежность и полный ресурс не менее 40 лет только доказывают необходимость их использования.

Технически возможный  потенциал малой гидроэнергетики в России составляет примерно 41 ГВт мощности и 372 млрд кВтч ежегодной выработки. Экономически эффективный к использованию потенциал точно не определен, ориентировочно он составляет порядка 55% от технического. А по другим данным сегодняшними доступными средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд. кВт*ч электроэнергии в год (см. приложение 7, рис. 11).

По сравнению с огромным потенциалом малой гидроэнергетики в России, использование малых ГЭС пока что слишком мало. Часть регионов с высоким потенциалом не задействованы в получении энергии с помощью малой гидроэнергетики вовсе.

Большая часть гидроэнергетического потенциала малых рек сосредоточена в Сибири и на Дальнем Востоке. В Европейской части России большие возможности для создания малых ГЭС существуют  на Северном Кавказе, Урале, в Карелии и Мурманской области.

В 2006-2007 годах в Дагестане были введены в эксплуатацию пять малых ГЭС мощностью 0,6-1,4 МВт. В 2008-2009 годах полностью на средства частного инвестора была построена Фаснальская ГЭС мощностью 6,4 МВт в Северной Осетии, являющаяся частью планируемого каскада из 17 малых ГЭС общей мощностью 240 МВт в бассейне реки Урух.

В 2006-2009 годах две малых ГЭС мощностью 1,2 и 0,5 МВт были сооружены на выпускных коллекторах очистных сооружений Ульяновска. Реализуются и проекты по восстановлению малых ГЭС ( в Карелии и Ленинградской области). В 2009 году ОАО «РусГидро» ввело в эксплуатацию Эшкаконскую малую ГЭС в Карачаево-Черкесии мощностью 0,6 МВт. В настоящий момент «РусГидро» реализует пилотную программу малых ГЭС, ведется исследование новых створов под строительство, воплощаются  проекты строительства: Фиагдонской МГЭС в Северной Осетии, Зарагижской и Верхнебалкарской – в Кабардино-Балкарии, «Чибит» - в Республике Алтай, «Большой Зеленчук» - в Карачаево-Черкесии.

Перспективна установка малых ГЭС на плотинах большого количества водохранилищ, созданных в интересах водоснабжения, ирригации, водного транспорта, рекреации, на ирригационных каналах, системах водоснабжения и канализации. Сегодня их можно реконструировать и технически перевооружить. Целесообразно использовать в энергетических целях существующие малые водохранилища, которых в России более 1000. Кроме того, возможно восстановление сотен малых ГЭС, ранее выведенных из эксплуатации, но сохранивших полностью или частично основные сооружения. Из всех ВИЭ малые ГЭС  наиболее конкурентоспособны (за исключением обычных ГЭС).  Тем не менее в сложившихся в России условиях в большинстве случаев они  экономически менее привлекательны по сравнению с традиционными электростанциями. С помощью малых ГЭС можно провести электроэнергию в отдаленные населенные пункты России при сравнительно низкой стоимости установленного киловатта и коротком инвестиционном.

Для успешного развития малой гидроэнергетики необходимы меры по ее государственной поддержке, декларированные законом «Об электроэнергетике» и другими документами, но не реализованные на уровне подзаконных актов. Также требуется упростить  административные процедуры получения разрешений на строительство малых ГЭС, отвода под них земель, подключения их к энергосистеме.

Солнечная энергия

Солнце – неисчерпаемый источник энергии – ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Нужно только уметь пользоваться им.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1м2 освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6км2. Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Доказано, что в высоких широтах плотность солнечной энергии составляет 80-130 Вт/м2, в умеренном поясе – 130-210, а в пустынях тропического пояса – 210-250 Вт /м2. Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от нескольких факторов:

• Широта;
• местный климат;
• сезон года;
• угол наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Отсюда следует, что количество солнечной энергии сильно отличается в зависимости от географического положения и времени года (см. приложение 8, рис. 12). Это необходимо учитывать при использовании энергии Солнца.

Сегодня преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя путями:

• Использование солнечной энергии как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов)
• Преобразование солнечной энергии в электрический ток в солнечных элементах.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Проще всего использовать энергию Солнца для нагрева воды. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) получили широкое распространение в жарких странах. Например, власти Израиля требуют установок СВУ в каждом доме. В Соединенных Штатах Америки СВУ используют для прогрева бассейнов. В США ежегодно вырабатывается около 2 млн. т.у.т. Приблизительная площадь СВУ в мире, установленных сейчас, равна около 50-60 млн. м2, что обеспечивает получение 5-7 млн. т.у.т. в год. В Европе к концу 2000 г. Было построено около 11,7 млн. м2 коллекторов. На данный момент эти цифры существенно выросли.

В России электростанции, использующие энергию Солнца, на сегодня практически не распространены. Это связано с довольно низкой стоимостью нефтегазовой энергии.

Однако в ходе тщательных исследований было выявлено, что использование СВУ 3-6 месяцев в год (в зависимости от региона) экономически выгодно.

На данный момент используется несколько методов преобразования энергии Солнца в электроэнергию. Среди них широкое распространение получили термодинамические методы и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) (см. приложение 8, рис. 13).

Фотоэлектрические преобразователи находят все большее применение в самых разных регионах. Одно из преимуществ ФЭП в том, что они, помимо прямого излучения, используют также и рассеянное. Это позволяет отказаться от дорогостоящих устройств для слежения за Солнцем.

Рынок ФЭП с каждым годом все быстрее набирает обороты. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Сильным толчком для развития ФЭП в мире является принятие национальных программ в разных странах («100 тысяч солнечных крыш» в Германии, «100 тысяч солнечных крыш» в Японии, «1 млн. солнечных крыш» в США). По прогнозам аналитиков Япония и Германия в ближайшее время выйдут на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. За пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенное значение рынок ФЭП имеет в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации (см. приложение 9, рис. 14).

На данный момент в мире работают тысячи фирм, производящих различные установки с ФЭП, но только десятки из них, в том числе в России, умеют делать солнечные элементы. Начиная с середины 90х годов, в России ведутся работы по усовершенствованию ФЭП и развертыванию их промышленного производства. Так, например, ООО «Солнечный Ветер» сотрудничает более чем с 10 странами. За 1996-2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.

Однако, существует один существенный фактор сдерживающий распространение ФЭП. Это высокая стоимость электроэнергии, производимой ФЭП. Дороговизна обусловлена высокой стоимостью технологического процесса и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты). Поэтому по всему миру ведутся исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП. Сейчас самым перспективным направлением является внедрение в ФЭП концентраторов солнечного излучения. Россия и США – те страны, в которых исследования в этой области проводятся наиболее интенсивно.

3.2 Энергия биомассы; Геотермальная энергия; Энергетические ресурсы морей и океанов

Энергия биомассы

По данным Associated Press энергия, вырабатываемая за счет биомассы, составляет около 12 % в мировом энергетическом балансе, однако официальной статистикой не учитывается биомасса, не являющаяся коммерческим продуктом, но используемая для энергетических нужд. В европейских странах, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, однако в таких странах, как Австрия, Швеция, Финляндия использование энергии биомассы доходит до 23%.

В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Примерная схема получения энергии из биомассы (см. приложение 9, рис 15).Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение  получило производство спирта.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3 .  Например, опыты показывают, фермер, имеющий посевы рапса и рапсовое масло, может быть независимым от поставок моторного топлива.

Крупномасштабное  увеличение  объема  производства биотоплива (например,  этилового  спирта)  по  этой  причине  может  оказать существенное  отрицательное  влияние  на  мировой  рынок  пищевых  продуктов. Второй серьезный недостаток – возможность обеднения и эрозии почв в результате  интенсификации  выращивания «энергетических»  культур.  Очевидная стратегия спасения от этих явлений – выращивание культур, пригодных и для обеспечения человека (зерно), и для энергетических нужд при одновременном сокращении части урожая, скармливаемого животным. Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т.п.  Для  оценки  эффективности  получения  энергии  из  того  или  иного  вида биомассы необходимо проведение энергетического анализа.

Помимо первичной растительной биомассы, значительным энергетическим потенциалом обладают отходы животноводства, промышленные отходы и твердые бытовые отходы (ТБО). Мусороперерабатывающие фабрики либо сжигают ТБО, либо газифицируют их. Навоз и жидкие бытовые стоки являются основным сырьем от животноводства, которое перерабатывается в биогаз (см. приложение 10, рис. 16).

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12  куб. м  метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома  злаковых  культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника,  из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений, трав и др.