Альтернативные виды источников энергии

Чернобыльская катастрофа привела к коренному изменению  отношения населения к АЭС  в регионах размещения станций или  возможного их строительства. Поэтому перспектива развития атомной энергетики в ближайшие годы неясна. Среди основных проблем использования АЭС можно выделить следующие. 

1. Безопасность реакторов. Все современные типы реакторов ставят человечество под угрозу риска глобальной аварии, подобной Чернобыльской. Такая авария может произойти по вине конструкторов, из-за ошибки оператора или в результате террористического акта. Принцип внутренней самозащищенности активной зоны реактора в случае развития аварии по худшему сценарию с расплавлением активной зоны должен быть непреложным требованием при проектировании реакторов. Ядерная технология сложна. Потребовались годы анализа и накопленного опыта, чтобы просто осознать возможность возникновения некоторых типов аварий. 

Неопределенности в  отношении безопасности никогда не будут полностью разрешены заранее. Большое их количество будет обнаружено только во время эксплуатации новых реакторов. 

3. Снижение эмиссии диоксида углерода. Считается, что вытеснение тепловых электростанций атомными поможет решить проблему снижения выбросов диоксида углерода, одного из главных парниковых газов, способствующих потеплению климата на планете. Однако, на самом деле, электростанции с комбинированным циклом на природном газе не только намного экономичнее, чем АЭС, но и при одних и тех же затратах достигается значительно большее снижение выбросов диоксида углерода, чем при использовании атомной энергии с учетом всего топливного цикла (потребление энергии при добыче и обогащении урана, изготовлении ядерного топлива и других затрат на «входе» и «выходе»).

4. Снятие с эксплуатации реакторов на АЭС. К 2010 г. половина из работающих в мире АЭС имела возраст 25 лет и более. После этого предполагается процедура снятия с эксплуатации реакторов. По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), более 130 промышленных ядерных установок уже выведены из эксплуатации, либо ожидают этой процедуры. И во всех случаях возникает проблема утилизации радиоактивных отходов, которые надо надежно изолировать и хранить длительный срок в специальных хранилищах. Многие эксперты считают, что эти расходы могут сравняться с расходами на строительство АЭС. 

5. Опасность использования АЭС для распространения ядерного оружия. Каждый реактор производит ежегодно плутоний в количестве, достаточном для создания нескольких атомных бомб. В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), которое регулярно выгружается из реакторов, содержится не только плутоний, но и целый набор опасных радиационных элементов. Поэтому МАГАТЭ старается держать под контролем весь цикл обращения с отработавшим ядерным топливом во всех странах, где работают АЭС. 

Примитивную атомную  бомбу можно сделать из отработавшего  ядерного топлива любой АЭС. Если для создания бомбы необходимы сложное  производство, специальное оборудование и подготовленные специалисты, то для создания так называемых грязных ядерных взрывных устройств – все намного проще, и здесь опасность очень велика. При использовании такой «самоделки» ядерного взрыва, конечно, не будет, но будет сильное радиоактивное заражение. Такие устройства террористы и экстремисты могут изготовить самостоятельно, приобретя на ядерном черном рынке необходимые расщепляющие материалы. Такой рынок, как это ни прискорбно, существует, и атомная промышленность является потенциальным поставщиком таких материалов.

Эколого-экономическая  характеристика основных возобновимых и альтернативных источников энергии

Считается, что возобновимые источники энергии (ветровые, солнечные, геотермальные, волновые и др.), модульные  станции на природном газе с использованием топливных элементов, утилизация сбросного тепла и отработанного пара, как и многое другое,– реальные пути защиты от изменения климата без создания новых угроз для ныне живущих и будущих поколений. Рассмотрим эти вопросы более подробно.

1) Прямое использование солнечной энергии

Мощность солнечной  радиации, поглощенной атмосферой и  земной поверхностью, составляют 10⁵ТВт (10¹⁷ Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Поэтому ее считают наиболее перспективным видом нетрадиционной (альтернативной) энергетики. 

К основным методам преобразования солнечной энергии относятся, прежде всего, методы прямого использования  солнечной энергии –фотоэлектрическое преобразование и термодинамический цикл, а также биоконверсия.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии основан на особенностях взаимодействия полупроводниковых материалов со световым излучением. В фотоэлектрическом преобразователе свободные носители образуются в результате поглощения светового кванта полупроводником, разделение зарядов производится под действием электрического поля, возникающего внутри полупроводника. Теоретически КПД преобразователя может достигать 28%.

Низкая плотность солнечного излучения  является одним из препятствий его  широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фотоэлектрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – технологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности, необходимость разработки сложных методов очистки батарей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей.

Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических  преобразователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределительных электрических сетей. Например, система такого типа обеспечивает электроэнергией жителей Кокосового острова, расположенного в Террасовом проливе.( смотри рисунок 2 приложение)

Энергию получают из солнечной энергии  методом термодинамического преобразования практически так же как из других источников. Однако такие особенности солнечного излучения как низкая мощность, суточная и сезонная изменчивость, зависимость от погодных условий, накладывают определенные ограничения на конструкцию термодинамических преобразователей.

Обычный термодинамический преобразователь  солнечной энергии содержит систему улавливания солнечной радиации, которая предназначена частично скомпенсировать низкую плотность солнечного излучения; приемную систему, которая преобразует солнечную энергию в энергию теплоносителя; систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к теплообменнику; тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение зависимости от суточной изменчивости и погодных условий; теплообменники, образующие нагревательный и охладительный источники тепловой машины.

Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 550⁰С) используются гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 550⁰С) осуществляется с помощью обратимых экзо-эндотермических реакций. 

В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.

На гелио станции башенного типа энергия от каждого гелиостата передается оптическим способом. Управление гелиостатами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составляет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в установках башенного типа оказывается очень дорогой. Поэтому такие установки не получили широкого распространения. В Мексике, США, работают установки такого типа мощностью 10 Мвт.

Станции с распределенными приемниками  солнечной энергии оказались  более перспективными. Концентраторы  параболического типа, вращающиеся  вокруг оси, передают энергию трубчатым приемникам, находящимся на фокальной линии. В качестве теплоносителя обычно используется масло. Нерешенной проблемой в гелио станциях является вопрос о длительном хранении электроэнергии. Правда следует отметить, что этот вопрос не решен не только в солнечной энергетике, но и вообще в энергетике.   Более широкому внедрению солнечной энергетики пока препятствует более высокая стоимость производства на солнечных электростанциях по сравнению с традиционными источниками энергии. Солнечная энергетика имеет особенности, которые существенно затрудняют ее широкое использование. Это, прежде всего низкая плотность потока энергии и ее непостоянство, т.к. интенсивность солнечного излучения зависит от времени года, суток и метеоусловий. Тем не менее, в настоящее время, наблюдается тенденция значительного роста, как вводимых мощностей, так и инвестиций в данную отрасль по всему миру. В 2008-2009 гг. новые инвестиции превысили половину всех инвестиций в общее производство энергии. В 2010 г. впервые прирост мощностей, основанных на возобновляемых источниках энергии, превысил ввод в действие мощностей традиционных. По показателям имеющихся мощностей и инвестиций по многим параметрам лидируют Китай, США, Германия, Индия и Бразилия.

Кроме того, использование энергии солнца предполагает обязательное наличие накопителей электроэнергии достаточной емкости. Как правило, это обычные аккумуляторы. Поэтому, если рассматривать солнечную энергетику полного цикла (с учетом производства датчиков-преобразователей солнечной энергии и, особенно, аккумуляторных батарей), то суммарное влияние такой энергетики на загрязнение окружающего пространства оказывается не таким уж и незначительным.

3) Биоконверсия солнечной энергии 

Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы. 

Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. Прежде всего – это возобновить источник энергии. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза.

Энергию биомассы можно  получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения этилового спирта (например, сахарный тростник). В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.

Широко распространенный способ получения энергии из биомассы заключается в получении биогаза путем анаэробного перебраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биометаногенез был открыт еще в 1776 году Вольтой, который обнаружил содержание метана в болотном газе. Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теплоэнергетики. Для производства биогаза используются органические отходы сельского хозяйства и промышленности. Это направление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских районов. Например, из 300 т сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 т нефтяного эквивалента.

Биомассу для последующего получения биогаза, можно выращивать в водной среде, культивируя водоросли  и микроводоросли. Во многих научных  лабораториях, например в Лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ им. М. В. Ломоносова, сейчас занимаются разработкой технологий выращивания микроводорослей для биоконверсии солнечной энергии.

3. Волновая энергетика

Волновая электростанция – установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.

В последнее время  пристальное внимание ученых и конструкторов  привлекает использование различных  видов энергии Мирового океана. Построены  первые приливные электростанции. Разрабатываются методы использования тепловой энергии океана, связанной, например, со значительной разницей температур поверхностного и глубинного слоев океана, достигающей в тропических областях 20°С и более. В настоящее время накоплен значительный объем инструментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет районы с наиболее интенсивным и постоянным волнением.   Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 кмот берега . Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 г. заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции. Стоимость контракта составила 8 млн. евро. В 2009 г. волновая электростанция была введена в эксплуатацию на Оркнейских островах. В Великобритании строится волновая электростанция мощностью в 20 МВт. Строят такие электростанции и некоторые другие прибрежные государства.     Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорости. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт. 

Сила, с которой волны  воздействуют на сооружения в береговой  зоне, достигает нескольких тонн на квадратный метр. Это силовое воздействие тоже может быть использовано для преобразования волновой энергии.

Волновая энергетика не использует ископаемое топливо, стоимость  которого непрерывно растет, а запасы ограничены. Перед волновой энергетикой  не стоит в острой форме проблема воздействия на окружающую среду. Однако в настоящее время производство 1 кВт электроэнергии на волновых электростанциях в 5-10 раз выше, чем на АЭС или ТЭС. Кроме того, если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к неприятным экологическим последствиям, так как волны играют важную роль в газообмене атмосферы и океана, в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения.