Альтернативные источники энергии: современная география и перспективы использования

ГЛАВА 2

ГЕОГРАФИЯ И  СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

2.1 Трактовка  понятия и виды альтернативных  источников энергии

С середины XX века началось изучение энергетических ресурсов, относящихся к «возобновляемым источникам энергии». К категории нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), которые также часто называют альтернативными, принято относить несколько не получивших пока широкого распространения источников, обеспечивающих постоянное возобновление энергии за счет естественных процессов. Это источники, связанные с естественными процессами в литосфере (геотермальная энергия), в гидросфере (разные виды энергии Мирового океана), в атмосфере (энергия ветра), в биосфере (энергия биомассы) и в космическом пространстве (солнечная энергия).

Среди несомненных достоинств всех видов  альтернативных источников энергии  обычно отмечают их практическую неисчерпаемость  и отсутствие каких-либо вредных  воздействий на окружающую среду. Хотя второй из этих тезисов ныне оспаривают не только отдельные географы и экологи, но и эксперты ООН. Никто не отрицает, что они могли бы сыграть определенную роль в укреплении энергетической и экологической безопасности многих стран. Действительно, использование НВИЭ способствовало бы сбережению органических видов топлива и соответственно уменьшению поступления продуктов их сгорания в атмосферу, снижению объемов перевозок этих видов топлива (а, следовательно,  и транспортных расходов), рационализации топливно-энергетических балансов и др.

Однако на пути широкого использования НВИЭ существует и  немало серьезных препятствий, прежде всего технико-экономического характера. Это крайнее непостоянство большинства  таких источников энергии во времени  и в пространстве, малая плотность потоков энергии, с чем непосредственно связаны высокая капиталоемкость строительства и себестоимость энергии, длительные сроки строительства, значительная степень разного рода рисков.

В целом баланс положительных  и отрицательных факторов использования  НВИЭ пока можно охарактеризовать как складывающийся с перевесом факторов второй группы. Показательно, что наибольший интерес к ним стали проявлять в период мирового энергетического кризиса 1970-х гг., когда цены на традиционные энергоносители резко поднялись. В 1981 г. в Найроби (Кения) состоялась специальная конференция ООН, на которой была принята мировая «Программа действий по использованию новых и возобновляемых источников энергии». Однако после того, как традиционные энергоносители снова подешевели, интерес к альтернативным значительно снизился. В настоящее время их доля в мировом топливно-энергетическом балансе едва превышает 2 %. Только в очень немногих странах и регионах, где отсутствуют запасы органического топлива и ресурсы гидроэнергии, но имеются благоприятные условия для использования альтернативных источников энергии, доля их в таких балансах оказывается значительной. В остальных же странах и регионах они имеют сугубо местное значение, снабжая энергией мелких и территориально рассредоточенных потребителей.

Однако нельзя не учитывать  и того, что за последние два  десятилетия в мире был достигнут  значительный прогресс в повышении  экономичности использования нетрадиционных источников энергии. Так, существенно  снизились затраты на строительство  ветровых и солнечных электростанций, что повысило их конкурентоспособность даже в сравнении с обычными ТЭС, работающими на органическом топливе. В свою очередь, это стало возможным в результате разработки принципиально новых технологий использования альтернативных источников энергии. Большое значение имеет также проводимая в США, Японии, Китае, Индии, во многих странах Западной Европы политика стимулирования их использования. Она обычно предусматривает налоговые льготы на разработку оборудования, предоставление кредитов – государственных и частных, принятие специальных законодательных актов. Исходя из этого, можно сделать вывод, что прогнозы дальнейшего использования этих источников энергии относительно оптимистичны. Так, по оценке Мирового энергетического совета (МИРЭС), в 2020 г. даже при минимальном варианте прогноза они могут обеспечить выработку 540 млн. тон. (в нефтяном эквиваленте) и составить 3–4 % мирового потребления топлива и энергии. А при максимальном варианте эти показатели возрастут предположительно до 1350 млн. тон или 8—12 % [3].

К альтернативным источникам энергии относят: энергию Солнца (гелиоэнергетика), ветровую энергию (ветроэнергетика), геотермальную энергию, энергетические ресурсы Мирового океана, а также биомассу и синтетическое горючее.

Рис. 4. География использования альтернативных источников энергии мира, 2009 г. [составлена автором по источникам 3,8,9,10].

2.2 Энергия  Солнца (гелиоэнергетика)

Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

Солнце изливает на Землю  океан энергии. Человек буквально  купается в этом океане, энергия  везде. А человек, словно не замечая  этого, вгрызается в землю за углем  и нефтью, чтобы добыть энергию  для заводов и фабрик, для освещения  и отопления. И ведь добывает-то он всю ту же энергию Солнца, которую «впитали» растения былых времен, ставшие потом углем. Растения способны уловить меньше одного процента падающей на листья солнечной энергии, а после сжигания угля ее выделяется и того меньше. Солнечная энергия доступна всем и каждому. Она экологична – ничего не загрязняет, ничего не нарушает, она дает жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая, но при всех своих достоинствах и самая дорогая. Именно поэтому солнечные электростанции не так распространены, как электростанции других видов.

Солнечную энергию использовали для обогрева домов еще в Древней  Греции, но зарождение современной гелиоэнергетики произошло только в XIX в., когда был сконструирован солнечный коллектор для подогрева воды, а становление ее – уже в XX в. Научные эксперименты показали, что современные технологии обеспечивают возможность более или менее эффективного использования этой энергии только в пределах между 50° широты обоих полушарий. Но даже в этих широтах себестоимость электроэнергии оказалась почти в 20 раз выше, чем на традиционных типах электростанций. Что же касается самого ее преобразования в тепловую или электрическую энергию, то его можно осуществлять при помощи трех технико-технологических способов.

Первый способ, который  получил наиболее широкое распространение, – это теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов-водонагревателей, которые неподвижно устанавливают на крышах домов под определенным углом к горизонту. Они обеспечивают нагрев теплоносителя (вода, воздух, антифриз) на 40–50 °C по сравнению с температурой окружающей среды. Их применяют также для кондиционирования воздуха, сушки сельскохозяйственных продуктов, опреснения морской воды и др. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчета на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре. Так, в Израиле 800 тыс. солнечных коллекторов обеспечивают горячей водой 70 % жителей этой страны. Солнечные коллекторы применяются также в Китае, Индии, ряде стран Африки (преимущественно для привода в действие насосных установок) и Латинской Америки.

Второй способ заключается  в преобразовании солнечной энергии  уже не в тепловую, а в электрическую, причем «напрямую» – при помощи фотоэлектрических установок (солнечных батарей) на кремниевой основе – наподобие тех, которые устанавливают на космических аппаратах. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г., а затем они появились и в других регионах США, и в других странах. Хотя получаемая при их помощи электроэнергия продолжает оставаться еще весьма дорогой (30 центов за 1 кВт ч), наиболее богатые страны уже развернули широкую кампанию за установку солнечных батарей на крышах и фасадах домов. Лидерство в этом деле захватила Япония, которая контролирует также около 1/3 мирового рынка фотоэлектрических элементов. Но и Германия уже приступила к осуществлению программы под названием «1000 крыш и фасадов», а в США в 1997 г. тогдашний президент страны Клинтон провозгласил программу «Миллион крыш», солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов.

Наконец, третий способ, также обеспечивающий превращение  солнечной энергии в электрическую, реализуется при помощи сооружения собственно солнечных электростанций (СЭС), которые подразделяются на два типа – башенные и параболические.

В 1970-х – начале 1980-х  гг. башенные СЭС были построены  в США, Японии, Испании, Италии, во Франции, в СССР, но затем они были остановлены  из-за неконкурентоспособности. Однако опыт, накопленный при их эксплуатации, позволил начать проектирование нового поколения таких СЭС. На мировом «солнечном саммите», проведенном в середине 1990-х гг., была разработана Мировая солнечная программа на 1996–2005 гг., имеющая глобальные, региональные и национальные разделы [3].

На  территории бывшей базы ВВС Германии, к востоку от Лейпцига, в 2009 году начала работу крупнейшая в  мире солнечная электростанция. Электростанция занимает площадь, равную 200 футбольным полям. После окончательного вступления в строй она сможет вырабатывать до 40 МВт электроэнергии. На начальном этапе деятельности электростанции ее мощность составила 24 МВт, а стоимость Waldpolenz Solar Park - 130 млн. евро [6].

На Тайване в провинции Гаосюн на юге острова запущена самая  большая в Азии солнечная электростанция: на площади 2 га расположилась 141 солнечная панель, общая мощность СЭС – 1 МВт [7].На острове Сицилия недалеко от известного своим неспокойным характером вулкана Этна еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанции мощностью 1 МВт. Принцип ее работы – башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на высоте 50 м. Там вырабатывается пар с температурой более 500º С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровым аккумулятором. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу [2].Несколько иного типа электростанция  в Альмерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот (как в атомных реакторах на быстрых нейтронах), а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках подобного типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях [20].

Такой принцип работы заложен еще в одном варианте солнечной электростанции, разработанном  в Германии. Ее мощность тоже невелика – 20 МВт. Подвижные зеркала по 40 м² каждое, управляемые микропроцессором, располагаются вокруг 200-метровой башни. Они фокусируют солнечный свет на нагреватель, где помещается сжатый воздух. Он нагревается до 800ºC  и приводит в действие две газовые турбины. Затем теплом этого же отработавшего воздуха нагревается вода, и в действие вступает уже паровая турбина. Получаются как бы две ступени выработки электричества. В результате КПД станции поднят до 18%, что существенно больше, чем у других гелиоустановок [11].

А в бывшем СССР недалеко от Керчи  сооружена станция мощностью  в 5МВт. Вокруг башни концентрическими зеркалами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 м² каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотностью потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250ºС, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду. Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще 3-4 часа после захода Солнца, а на половинной мощности – около полусуток [2].Солнечная энергия используется также в небольших автомобилях на солнечных батареях, на космических станциях и спутниках.

2.3 Ветровая  энергия (ветроэнергетика)

Использование энергии  ветра началось, можно сказать, на самом раннем этапе человеческой истории. Они же упоминают о том, что древние персы использовали силу ветра для размола зерна, и о том, что в средневековой Голландии ветряные мельницы служили не только для размола зерна, но и для откачки воды с польдеров. В середине XIX в. в США был изобретен многолопастной ветряк, использовавшийся для подъема воды из колодцев. Но получать при помощи ветра электроэнергию первыми научились датчане в 1980 году. Технологические основы современной ветроэнергетики разработаны уже достаточно хорошо. Пока наибольшее распространение получили малые и средние ветроэнергетические установки (ВЭУ) мощностью от 100 до 500 кВт.

Но уже началось серийное производство ветротурбин мощностью от 500 до 1000 кВт. Их ротор имеет диаметр от 35 до 80 м, а высота башни достигает 90 м. Принцип работы ветротурбины состоит в следующем: ветер вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Крупные ветротурбины, используемые для производства электроэнергии, позволяют производить от 750 киловатт до 1,5 мегаватт электроэнергии. Для снабжения электроэнергией жилых домов, телекоммуникационных станций и в водяных насосов целесообразно использовать небольшие ветротурбины мощностью до 100 киловатт. Использование таких ветротурбин целесообразно прежде всего для отдаленных районов, в которых отсутствует централизованное электроснабжение. В крупных ветровых электростанциях группы ветротурбин соединены в единую сеть с целью производства электроэнергии для энергосистем общего пользования. В таких случаях, электричество подается потребителям посредством линий передач и распределительных линий. Малые ветроустановки обычно используют для автономной работы (например, на отдельной ферме), а более крупные чаще концентрируют на одной площадке, создавая так называемую ветровую ферму.