Возобновляемые источники энергии

 

Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии.

 

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 1 м 2 освещенной солнцем поверхности мощность в  среднем составляет 160 Вт, то для  генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать  энергию с площади в 1,6 км 2. Ни один из известных в настоящее  время способов преобразования энергии  не может обеспечить экономическую  эффективность такой трансформации.

 

Выше говорилось о средних  величинах. 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 /м 2. 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 месности.

 

Однако даже при наилучших  атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м 2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно  разместить их на территории 130 000 км 2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты, Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный  металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются  трубы с циркулирующей в ней  жидкостью. Нагретая за счет солнечной  энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного  использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км 2, требует примерно 10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170000 000 тонн.

 

Из вышеизложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.

 

Солнечная энергетика относится  к наиболее материалоёмким видам  производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии  влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения  материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится  намного дороже, чем получаемая традиционными  способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных  установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические  проблемы.

 

Но, тем не менее, станции-преобразователи  солнечной энергии строят, и они  работают.

 

Солнечную радиацию при помощи гелиоустановок преобразуют в тепловую или электрическую энергию, удобную  для практического применения. В  южных районах нашей страны созданы  десятки солнечных установок  и систем. Они осуществляют горячее  водоснабжение, отопление и кондиционирование  воздуха жилых и общественных зданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции, термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной воды и др.

 

С 1988 года на Керченском полуострове  работает Крымская солнечная электростанция. Она невелика – мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в окружающую среду, что  особо важно в курортной зоне, и без использования органического  топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт электроэнергии.

 

С начала 50-х годов в  нашей стране космические летательные  аппараты используют в качестве основного  источника энергопитания солнечные  батареи, которые непосредственно  преобразуют энергию солнечной  радиации в электрическую. Они являются практически незаменимым источником электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях.

 

Освоение космического пространства позволяет разрабатывать проекты  солнечно-космических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти  станции, в отличие от земных, не только смогут получать более плотный поток теплового солнечного излучения, но и не зависят от погодных условий и смены дня и ночи. Ведь в космосе Солнце сияет с неизменной интенсивностью.

 

Продолжается изучение возможностей более широкого использования гелиоустановок: «солнечные» крыши на домах для  энерго- и теплоснабжения, «солнечные» крыши на автомобилях для подзарядки аккумуляторов, «солнечные» фермы в сельских районах и т.д.

 

Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более  дешевых возможностей использования  солнечной энергии. Возникают новые  идеи, новые проекты.

Геотермальная энергия

 

Издавна люди знают о стихийных  проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно  превышает мощность самых крупных  энергетических установок, созданных  руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических  извержений говорить не приходится –  нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это - проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда  лишь крохотная доля этой неисчерпаемой  энергии находит выход через  огнедышащие жерла вулканов.

 

Энергетика земли (геотермальная  энергетика) базируется на использовании  природной теплоты Земли. Недра  Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего  тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014 млрд. кВт * час. Оно постоянно  компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.

 

Источники геотермальной  энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей  воды (гидротермальные источники), или  пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

 

Но в обоих вариантах  использования главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местах образования своеобразных геотермических аномалий, где горячие  источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30-40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с температурой до 130 – 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования.

 

Можно утверждать, что геотермальная  энергия имеет четыре выгодных отличительных  черты.

 

Во-первых, её запасы практически  неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х  годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.

 

Во-вторых, геотермальная  энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые  занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные  наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут  служить Калифорния в США, Новая  Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в  бывшем СССР к началу 90-х годов  было открыто около 50 подземных бассейнов  горячей воды и пара.

В-третьих, использование  геотермальной энергии не требует  больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.

 

Наконец, в-четвертых, геотермальная  энергия в экологическом отношении  совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

 

Человек издавна использует энергию внутреннего тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские  бани), но её коммерческое использование  началось только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них – станция Гейзерс в США (500 тыс. кВт).

 

Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.п. В качестве теплоносителя  используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с  низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т.п.).

Энергия биомассы

Понятие «биомасса» относят  к веществам растительного или  животного происхождения, а также  отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях  энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива  из биомассы: с помощью термохимических  процессов или путем биотехнологической переработки. 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 .

 

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.

 

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.

Заключение

Неоспоримая роль энергии  в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область  человеческой деятельности, которая  не требовала бы, прямо или косвенно, большей энергии, чем могут дать мускулы человека.

 

Потребление энергии –  важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал  пищу, собирая лесные плоды и охотясь  на животных, ему требовалось в  сутки около 8 МДж энергии. После  овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж; в примитивном  сельскохозяйственном обществе она  составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

 

За время существования  нашей цивилизации много раз  происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник бал исчерпан.

 

Сейчас, в начале 21-го века, начинается новый значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы  человек не рубил сук, на котором  он сидит, заботился об охране уже  сильно поврежденной биосферы.

 

На пути широкого внедрения  альтернативных источников энергии  стоят трудно разрешимые экономические  и социальные проблемы. Прежде всего это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Во-вторых, высокая материалоемкость : создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и т.д, В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.