Альтернативные источники энергии

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина. Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую. Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

Широкое распространение энергия биомассы получила в развивающихся странах. Так большинство из них расположено на территории Азии, Африки и Южной Америки (см. приложение 10, рис. 17).

В России образуется около 60 млн. т ТБО, примерно 130 млн. т отходов животноводства и птицеводства, около 10 млн. т сточных вод ежегодно. Энергетический потенциал этих отходов составляет 190 млн. т.у.т. Но используется лишь малая часть его. В этом направлении надо вести большую работу. Потому что, помимо пополнения запасов энергии, решается еще одна серьезная проблема России – экология. Ведь при переработке отходов мы сокращаем количество мусорных свалок и долин.

Определенных успехов достигли отечественные ученые в области переработки жидких городских стоков. Уже с 50-х годов прошлого века на Курьяновской и Люберецкой станциях г. Москвы производится очистка городских стоков и работали мощные биогазогенераторы – метантенки. Этот метод переработки отходов начали повсеместно внедрять во многих городах России.

В основе биохимической переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70 % метана и 30 % диоксида углерода.

В данный момент в России разработкой, созданием, производством опытных серий оборудования, установок в целом, реализующих высокорентабельные биогазовые технологии, занимается ЗАО Центр «ЭкоРос». С 1997 года по документации ЗАО Центр «ЭкоРос» освоено производство таких установок в Китае в г. Ухань на совместном китайско-российском предприятии. Всероссийский Институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) разрабатывает биоэнергетические установки для свиноферм;. ЗАО ВНИКОМЖ (Всероссийский Институт комплексной механизации животноводства) – создает биоэнергетические установки (БЭУ) для птицеферм и фабрик. Кафедра химической энзимологии МГУ им. Ломоносова создает технологию переработки супержидких стоков.

С одной стороны Россия уже достигла серьезных успехов в области получения энергии из биомассы и промышленных отходов, но в то же время, нельзя останавливаться на достигнутом, потому что энергетический потенциал биомассы колоссален.

Геотермальная энергия

Энергетика земли  (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Так, например, маленькая европейская страна Исландия – «страна льда» в дословном переводе – полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли – других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли.

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая за счет физического тепла глубинных слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. Носителями этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем по земной поверхности составляет около 0,03 Вт/м2. Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры – так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2–3К/100м. Но в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100о С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами (см. приложение 11, рис 18).

Считается, что если температура в геотермальном месторождении превышает 100о С, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН).

На данный момент общая мощность всех действующих в мире ГеоЭС близится к 10 ГВт(э). Общая мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт(т).

Россия чрезвычайно богата на запасы геотермальной энергии. По данным ИНЭИ РАН, они в10-15 раз превышают запасы органического топлива в стране. Практически на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30о до 200о С. На сегодняшний день на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые можно использовать для локального теплоснабжения при помощи высоких технологий на всей территории России. Так как скважины уже пробурены, геотермальная энергия, получаемая за счет них, будет экономически выгодной (см. приложение 11, рис. 19).

В России наиболее перспективным регионом для строительства ГеоЭС является Камчатка, располагающая уникальными геотермальными месторождениями. Там действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт(э), а также Кавказ. В 1999г. Введены в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт(э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт(э). В развитие геотермальной энергетики Камчатки определяющий вклад вносит специально созданное для этой цели ОАО «ГЕОТЕРМ», Калужский турбинный завод, разработавший и освоивший в производстве современное специализированное оборудование, поставляемое не только на Камчатку, но и за рубеж. Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных комплексов и т.п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области. Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды. В этой связи представляет большой практический интерес внедрение двухконтурных систем теплоснабжения с использованием эффективного и коррозионно-стойкого современного теплообменного оборудования.

В России большое количество запасов термальных вод с довольно невысокой температурой, недостаточной для непосредственного теплоиспользования. Особый интерес представляет и тепло поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год остается практически неизменной и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низко-потенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.

Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основными негативными факторами являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха попутными газами (bhS, СН, NH4); тепловое загрязнение окружающей среды; повышение влажности воздуха за счет испарения в градирнях.

Во многих странах проводятся исследовательские работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов.

Также оправдано строительство геотермальных электростанций неподалеку от мусорных полигонов. На мусорных свалках, вследствие разложения органических отходов, образуется газ с очень интенсивным запахом, состоящий главным образом из горючего метана и двуокиси углерода. Из тонны мусора образуется около 150-250 м3 газа. Метан из мусора дает тепло и энергию и снижает загрязнение окружающей среды. Схема производства энергии при помощи газа мусорных полигонов (см. приложение 12, рис. 20).

Достоинствами геотермальной энергии можно считать практическую неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы.

Энергетические ресурсы морей и океанов

Периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики. Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию морских приливов и отливов, возникающих в результате гравитационного взаимодействия вращающейся вокруг своей оси Земли с Луной и Солнцем. Лунные приливы примерно в два с половиной раза сильнее солнечных. Во многих случаях  солнечные и лунные приливы могут совмещаться, взаимно усиливая или  ослабляя друг друга (см. приложение 12, рис. 21).

В открытом море приливная волна невысокая и практически не ощущается, но вблизи берегов ее высота может существенно возрастать, достигая нескольких метров, что позволяет использовать энергию перемещаемой приливом воды для выработки электроэнергии на ПЭС.

Приливы, как и отливы, происходят дважды в день в заранее известное время.  Их высота также известна и закономерно изменяется в течение месяца. В связи с этим ПЭС имеют четкий и неизменный график работы, выдавая электрический ток в энергосистему четыре раза в сутки.

Из всех разработанных методов использования энергии приливов и отливов наиболее эффективным является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов.

Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и в Китае.

Теоретический потенциал приливной энергетики в России составляет более 100 ГВт по мощности и более 250 млрд. кВтч по среднегодовой выработке. Подавляющая часть этого потенциала сконцентрирована в трех створах – Мезенском (Белое море), Тугурском и Пенжинском (Охотское море).

В настоящее время экономически эффективным  считается использование приливов с высотой не менее 4 м. Высота приливов сильно зависит от конфигурации побережья.  Во внутренних морях, например в Черном и Балтийском, приливы невелики. Как правило, наибольшие приливы возникают в глубоко вдающихся вглубь материка заливах, в том числе в устьях рек. Наибольшая известная высота приливов (до 18 м) наблюдается в заливе Фанди в Канаде.

В настоящее время приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове на берегу Баренцева моря и в Приморье (см. приложение 13, рис. 22).

Перспективные для строительства ПЭС участки есть  в России, Великобритании, Франции, Норвегии, Южной Корее, Китае, Аргентине, США.  Всего не менее 80 створов. В целом экономически эффективный к использованию потенциал приливной энергии сегодня  оценивается в 450 млрд кВтч в год, в дальнейшем по мере совершенствования приливных электростанций его величина может существенно возрасти.

3.3 Использование низко-потенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами

Сегодня отопление и горячее водоснабжение (ГВС) городских объектов осуществляется, зачастую, от городских ТЭЦ или районных котельных, работающих на традиционных топливах. Автономные потребители (частные дома, дачные поселки), как  правило, используют для отопления и горячего водоснабжения или жидкие углеводородные газы, или электроэнергию.

В то же время имеется большое количество различных источников низко-потенциального тепла, как природных, так и искусственных, которые в сочетании с тепловыми насосами (ТН) могут составить конкуренцию традиционным топливам. Естественными источниками низко-потенциального тепла могут быть атмосферный  воздух, подпочвенные и грунтовые воды, озерная и речная вода, поверхностный и глубинный грунт (см. приложение 13, рис. 23).

Вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений, отработанный воздух или вода производственных технологических процессов, тепло отработанных газов при сжигании топлива, различные теплые сбросы промышленных предприятий, вентиляционные выбросы, канализационные системы – это все то, что может выступать искусственным (вторичным) источником тепла. Их потенциал достаточно велик, но в каждом отдельном случае требует разработки оптимальных систем для его использования.