Альтернативные источники энергии: современная география и перспективы использования

Если не принимать  в расчет многочисленные (их более 100) ПЭС сугубо местного значения в прибрежных районах Китая, то в конце 1990-х  гг. во всем мире действовало лишь несколько  ПЭС промышленного или опытно-промышленного  характера.

Первой из них была введена в эксплуатацию в 1966 г. ПЭС «Ранс» в Бретани (Франция). Она сооружена в заливе Сен-Мало на побережье Ла-Манша, в том месте, где в него впадает р. Ранс.

Эта ПЭС состоит из плотины (дамбы) длиной 350 м с 24 шлюзами – отверстиями круглого сечения диаметром 5,25 м. В каждом из них смонтирована горизонтальная осевая гидротурбина. Во время прилива, достигающего здесь высоты 15 м, вода поступает через эти отверстия в водохранилище, расположенное за плотиной. Затем, при наступлении отлива, лопасти рабочих колес турбин устанавливаются в такое положение, которое позволяет им работать на потоке воды, устремляющемся из водохранилища в море. Каждая из 24 турбин имеет мощность 10 тыс. кВт, следовательно, общая мощность ПЭС составляет 240 тыс. кВт; ее годовая выработка – 540 млн кВт ч.

Вторая по времени  строительства – Кислогубская ПЭС  на Кольском полуострове (Россия). Эксплуатацию ПЭС начали в 1968 г. Мощность ее составляет всего 400 кВт.

В 1984 г. в омывающем берега Канады и США заливе Фанди Атлантического океана вошла в эксплуатацию третья по счету (и первая в Западном полушарии) ПЭС «Аннаполис».

Еще через два года в Китае заработала ПЭС «Цзянсян»  мощностью 3,2 тыс. кВт.

Несмотря на такое  скромное начало, нельзя не учитывать  того, что проектирование новых ПЭС ныне ведется во многих странах – в Канаде, во Франции, в Великобритании, Индии, Китае, Республике Корея, Австралии, России.

Всего в 40 км к востоку от устья р. Ранс расположена довольно закрытая бухта Мон-Сен-Мишель. Здесь уже давно разработанный проект ПЭС предусматривает сооружение системы дамб и перемычек общей длиной более 30 км, которые должны отгородить от моря участок бухты площадью 500 км². Система рассчитана на то, чтобы обеспечить поочередную почти круглосуточную работу гидротурбин. При этом мощность первой очереди ПЭС должна составить 6 млн. кВт.

Еще одну аналогичную  ПЭС проектируют в Бристольском заливе Англии. Проект предусматривает  возведение здесь дамбы, которая  должна отгородить от моря устье р. Северн, а затем создание при помощи специальных перемычек в этой отгороженной акватории двух бассейнов-водохранилищ. Такая конструкция позволила бы получать электроэнергию почти круглосуточно, а общая мощность 175 гидротурбин должна составить 7–9 млн. кВт. Проект Бристольской ПЭС существует уже давно, но пока еще он не вышел из стадии научно-технических проработок.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также энергию волн, которую суммарно оценивают в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее надо использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии около 40 кВт на 1 м волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 м. Использовать эту энергию, хотя и в местных масштабах (для освещения маяков и навигационных буев), уже начали в Японии и Норвегии, проектируют в США, Великобритании, Швеции, Австралии.

В настоящее время  волноэнергетические установки используются для  энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире  уже  около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской  свет") – самая мощная действующая  энергетическая установка  с пневматическими  преобразователями – построена  в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой  до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22  воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.

В  1985 г. в Норвегии в 46 км  к северо-западу  от города  Берген построена  промышленная  волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове  Тофтесталлен  работала  по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня   высотой 12,3 мм  и диаметром 3,6 м.  Входящие в камеру волны создавали  изменение объема воздуха. Возникающий поток    через систему    клапанов приводил  во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла  1,2 млн. кВт.·ч. Зимним штормом  в конце  1988 г. башня  станции была разрушена. Разрабатывается  проект  новой башни из железобетона.

В 1970-х гг. в США, Японии и во Франции начали работы по программе «Преобразование термальной энергии океана» (ОТЕК). С тех пор были построены опытные гидротермальные электростанции в районах Гавайских островов (США), о. Науру (Япония), города Абиджан в Кот-д'Ивуаре (Франция). Некоторые оценки исходят из того, что со временем такие электростанции могли бы покрыть до 20 % мировой потребности в электроэнергии. Но, по-видимому, к ним надо относиться как к прогнозу на далекое будущее [3].

Наиболее  мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м² поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).

 Для океанской   энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на  энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

Программа "Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м,  вращающимися в противоположных направлениях. Пара  рабочих колес размещается  внутри полой камеры из алюминия,  обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет  ориентирована по основному потоку; ширина ее  при    расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

После того, как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной – 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше – передача тока по подводному кабелю на берег.

Материал турбины - алюминий. Срок службы – 80 лет. Ее постоянное место – под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.

Американские инженеры считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег  составит 43 МВт, что позволит удовлетворить  потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец  подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3

ПЕРСПЕКТИВЫ И  ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

 

Основные причины, указывающие  на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии (АИЭ):

- глобально-экологическая: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

- политическая: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;

- экономическая: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

- социальная: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

- эволюционно-историческая: в связи с ограниченностью  топливных ресурсов на Земле,  а также экспоненциальным нарастанием  катастрофических изменений в  атмосфере и биосфере планеты  существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

Проблема энергетики – глобальная, поэтому любая страна, в том числе и Беларусь, находится в прямой и косвенной зависимости от общих тенденций и структурных сдвигов в географии энергоносителей, технологии производства и потреблении энергии, научно-технических достижениях и экономике в мировом энергетическом хозяйстве (табл. 3).

Причиной, определяющей сдвиги в структуре топливно-энергетического баланса, является наращивание научных исследований и ввода мощностей возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Сегодня в мире уже примерно 20% всей энергии ориентировано на ВИЭ. К ним главным образом относятся фотоэлектрические станции, гидрогенерация электричества на малых реках и за счет морских приливов и отливов, гидротермальные источники энергии, ветровые энергоустановки, а также установки, генерирующие электроэнергию за счет тепла окружающей среды, и т. п.Т

Диверсификация в области  ВИЭ, как правило, определяется природными условиями, а также уровнем инновационного развития той или иной страны. Так, известная нефтяная компания «Шелл» занимается бизнесом в области фотоэлектричества  в Южной Африке, где функционирует 6 тыс. систем, каждая из которых обеспечивает освещение жилья, питание телевизора и приемника. В США в штате Невада создана мощная гелиоэнергоустановка «Невада – Саларт Ι», позволяющая обеспечить электричеством тринадцать тысяч домов, причем применение в качестве рабочего тела поваренной соли позволяет поддерживать поток электроэнергии в течение суток. Подобные установки имеют место во многих странах. По данным Интернет, общая площадь солнечных коллекторов в мире превысила 21 млн. м², при этом годовое производство этих коллекторов превышает 1,7 млн. м². Страны-лидеры уже располагают такими установками: Япония – 7 млн. м², США – 4, Израиль – 2,8, Греция – 2,0, Россия – 0,1 млн. м².Т

В настоящее время  используется лишь ничтожная часть  солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказываться от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.