Решение энергетической проблемы

В обществе устойчивого развития должно быть достигнуто обеспечение энергией без исчерпания ресурсов энергоносителей и при минимальном загрязнении среды, так как энергетика – основа развития промышленности, сельского и коммунального хозяйства.

Современная структура мирового энергопотребления следующая: нефть – 35%, уголь – 25, газ – 23, гидроэнергия – 10, АЭС – 7. (В РФ доля АЭС – 13%.) Однако современная энергетика на основе исчерпаемых источников энергии не может обеспечить устойчивого развития, кроме того, современные технологии добычи и переработки энергии сопряжены с загрязнением окружающей среды.

В прогнозах построения устойчивого мирового сообщества не отвергается возможность использования традиционных источников энергии, которые питают современную цивилизацию. Более того, предполагается, что возрастет доля атомной энергетики. Однако все традиционные отрасли энергетики будут экологизированы.

Будут сохранены все отрасли теплоэнергетики (с преимущественным развитием экологически чистого варианта угольной энергетики, так как запасы угля больше, чем нефти или газа). Однако до 30% энергии будет получаться за счет нетрадиционной энергетики из экологически чистых и неисчерпаемых источников. Широкое распространение получит энергосбережение.

Таким образом, общее количество потребляемой энергии не будет существенно сокращено, но энергетика станет менее экологически опасной и более экономной.

Рассмотрим основные пути экологизации энергетики – варианты нетрадиционной энергетики и возможности энергосбережения.

Гелиоэнергетика

Гелиоэнергетика (получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии) – одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. гелиоэнергетика будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.

Различают два основных варианта гелиоэнергетики: физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал.

Солнечные элементы (фотоэлектрические преобразователи) используются в космических аппаратах и нетрадиционных транспортных средствах (солнцемобилях, солнцеяхтах, солнцелетах). Однако более экономична гелиоэнергетика с использованием системы зеркал, которые нагревают масло в трубах солнечных электростанций СЭС). Впрочем, год от года стоимость фотоэлектрических преобразователей снижается.

При биологическом варианте гелиоэнергетики используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании растительной массы, равно его усвоению при росте растений.

Справочный материал

Солнечные коллекторы применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, Кипре, Египте для нагревания воды и отопления. Ряд предприятий Российской Федерации изготовляет несколько типов солнечных сушилок для сельскохозяйственных продуктов, что позволяет сократить затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ усовершенствованные плоские солнечные коллекторы и комплексные водонагревательные установки.

Энергия, получаемая на СЭС, в 5–7 раз дешевле, чем энергия ФЭП. Недостатком СЭС является лишь очень большие затраты металла на их сооружение (в пересчете на единицу производимой энергии, они в 10–12 раз выше, чем при производстве энергии на ТЭС или АЭС). Затраты цемента при этом еще выше – в 50–70 раз. СЭС занимают большие площади, и потому их строительство перспективно только в пустынях. Так, к югу от Лос-Анджелеса построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия АЭС.

Солнцемобили (какисолнцелеты и солнцеяхты) пока проходят стадии экспериментальных образцов, тем не менее в Японии регулярно проводят их ралли. Уже в 1992 г. в них участвовали и московские создатели нового транспорта. Стоимость моделей – чемпионов ралли в 10–15 раз выше, чем стоимость самого престижного автомобиля.

В 1985 г. японский яхтсмен Кеничи Хори на солнечном катере «Сикринерк» в одиночку пересек Тихий океан за 75 суток, преодолев 3700 морских миль. Яхта была комфортабельно оборудована. В распоряжении яхтсмена были стиральная машина, телевизор, микроволновая печь, холодильник. На катере длиной 9 м и шириной 2,4 м было расположено 9 м² солнечных батарей. Почти половина энергии в дневные часы направлялась в аккумулятор, за счет которого двигатель яхты работал в ночное время.

С 1988г. в ФРГ и США регулярно проводятся соревнования солнцеяхт – от миниатюрных каноэ-одиночек до комфортабельных судов с моторами мощностью 12 кВт.

Биологическим вариантом гелиоэнергетики является получение биогаза, а также швельгаза, который образуется при термической обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях нагреваются до температуры 400–700^о С. (В этом случае затрачивается некоторое количество тепловой энергии из традиционных источников.) В РФ разработаны установки для получения биогаза на фермах с 30 головами крупного рогатого скота и индивидуальные биогазовые установки на 50–200 кг органических отходов в день, позволяющие получать 2,5–12 м³ биогаза.

Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до 1/3 необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн. га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота деревьев – около 4 м, диаметр стволиков – больше 6 см). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростанции, сжигающие отходы кукурузы.

Американская компания «Дженерал электрик» использует биомассу быстро растущих бурых водорослей (ежедневно с 1 га таких плантаций получается энергия, эквивалентная 28 л бензина). Используется также планктонная микроскопическая водоросль спирулина, способная дать с 1 га до 24 т сухого вещества в год. В этом случае организуется замкнутая система производства энергии: зола после сжигания водорослей поступает в бассейн для многократного использования, что снижает расход элементов минерального питания.

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика – один из наиболее развитых и перспективных вариантов нетрадиционной энергетики, при котором используется экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии – ветер. В настоящее время наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Англии, Голландии, Дании, США (только в штате Калифорния работают 15 тысяч ветряков).

Небольшие ветряные энергетические установки (ВЭУ) – идеальные источники энергии для ферм. Они могут быть подключены к центральной системе энергоснабжения, дающей ферме энергию в период безветрия и, напротив, принимающей излишки энергии от ВЭУ в особо ветреную погоду. Удобны небольшие ВЭУ для дачных участков. По прогнозам, в некоторых странах доля электроэнергии, которая получается на ВЭУ, в будущем может составить 10%.

Справочный материал

Наиболее оправданны небольшие ветряные энергетические установки (ВЭУ) мощностью до 15 КВт, хотя сооружаются и установки мощностью 100–500 КВт. Обычно на одной площадке устанавливается большое количество ВЭУ, образующих т.н. ветровую ферму. Самая большая ферма сооружена в Калифорнии и включает около 1000 ВЭУ, ее общая мощность – 100 МВт.

Попытки сооружения «ветряных монстров» (в устье Эльбы была построена ВЭУ «Гровиан» мощностью 3 МВт, а в штате Огайо в США – мощностью в 10 МВт) неоправданны, так как такие установки вызывают сильное шумовое загрязнение на больших территориях, примыкающих к ВЭУ. ВЭУ в Огайо проработала несколько суток и была демонтирована и продана как металлолом.

Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика – получение тепловой или электрической энергии за счет тепла земных глубин; один из вариантов нетрадиционной энергетики. Экономически эффективна геотермальная энергетика в районах, где горячие воды приближены к поверхности земной коры – в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курилы, острова Японского архипелага). В России перспективным районом для развития геотермальной энергетики является также Северный Кавказ.

Развитие геотермальной энергетики сдерживается ограниченностью числа районов, где она экономически эффективна. Кроме того, экологическую опасность представляют сильно засоленные воды, которые получаются после конденсации горячего пара.

Справочный материал

Сегодня геотермальная энергия в широких масштабах используется в США, Мексике и Филиппинах. Доля геотермальной энергетики в энергетике Филиппин – 19%, Мексики – 4%, США (с учетом ее использования «напрямую» для отопления, т.е. без переработки в электрическую энергию) – около 1%. Суммарная энергия всех ГеоТЭС США превышает 2 млн. КВт. Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробурены 32 скважины на глубину от 440 до 2400 м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130^о С. Девять из этих скважин действует по сей день. В России на Камчатке действует одна ГеоТЭС мощностью 11 МВт и строится еще одна – мощностью 200 МВт.

Приливно-отливная энергетика

Приливно-отливная энергетика – получение электрической энергии за счет использования энергии приливов и отливов; один из вариантов нетрадиционной энергетики. Приливно-отливные электростанции (ПЭС) подобны ГЭС на реках, но «водохранилище» заполняется во время прилива. При этом лопасти турбины вращаются и при повышении уровня воды, и при понижении. В настоящее время ПЭС ограниченной мощности распространены во многих странах мира.

Справочный материал

Первая ПЭС в России создана в Кислой губе Белого моря и имеет мощность 400 КВт. Имеется проект ПЭС в Кунгурском заливе Японского моря мощностью 6,2 млн. КВт (что эквивалентно примерно трем атомным электростанциям, которые работают в РФ). Планируется отгородить плотиной залив площадью 900 кв. км, но при этом не будут залиты прибрежные районы и должна сохраниться природная экосистема. Кунгурская ПЭС по замыслу проектировщиков должна решить энергетические проблемы Хабаровского края.

Энергосбережение

Энергосбережение – уменьшение удельных затрат энергии – один из важнейших элементов стратегии создания общества устойчивого развития. Значительно повысить КПД использования энергоносителей можно при децентрализации производства электроэнергии и переходе от сверхмощных ТЭС, у которых невысок КПД получения энергии из-за больших тепловых отходов, вызывающих опасное тепловое загрязнение окружающей среды, к когенерированию, т.е. небольшим блок-ТЭЦ с мощностью от 100 КВт до 10 МВт с использованием тепловых отходов для отопления ближайших кварталов домов. Блок-ТЭЦ вызывают незначительное загрязнение атмосферы.

Важный резерв в энергосбережении – использование новых технологических схем и решений, позволяющих производить продукцию с меньшими затратами энергии.

Энергосбережение возможно за счет оптимизации территориальной структуры производства и уменьшения длины перевозок (замена гигантов пивоваренной промышленности минипивоварнями, аналогично хлебозаводов – минипекарнями, переработка металлолома без транспортировки на металлургические комбинаты и т.д.).

Большие резервы энергосбережения имеются на транспорте. Использование более совершенных двигателей внутреннего сгорания и специальных присадок-катализаторов позволяет автомобилю затрачивать на 1 км пути примерно в 2 раза меньше горючего, чем он тратит обычно. Возможно значительное повышение КПД тепловозов, теплоходов, электровозов, самолетов и т.д.

Много энергии можно сэкономить в быту, так как большую часть энергии человек затрачивает на систему жизнеобеспечения (энергия пищи составляет не более 5–7%). Большие возможности таит в себе энергосбережение в аграрной сфере.

Меры содействия развитию нетрадиционной энергетики обсуждались на международной конференции в Киото (1997), где был подписана «Рамочная конвенция по изменению климата». Все странам рекомендовано уменьшить инвестиции в отрасли традиционной энергетики и увеличить – на развитие нетрадиционной энергетики. Также было предложено увеличить налоги на использование ископаемых углеродистых энергоносителей и на выбросы в атмосферу диоксида углерода: сумма этих налогов должна соответствовать степени негативного влияния выбросов диоксида углерода в окружающую среду. Такие экологические налоги уже введены в Дании, Финляндии, Нидерландах, Норвегии, Швеции.

В большинстве развитых стран введены льготы для производителей энергии из нетрадиционных источников (снижены налоги, выделяются льготные кредиты на приобретение электрических элементов и ВЭУ и т.д.).

Справочный материал

В металлургии переход от мартеновской плавки стали к конверторному способу позволяет затрачивать на производство 1 т готового продукта в 2 раза меньше энергии. В 10 раз экономится энергия, если сталь выплавляется не из чугуна (а тот – из руды), а из металлолома. В 3 раза меньше затрачивается энергии на производство стекла из битой посуды по сравнению с процессом варки его из первичного сырья.

Флюоресцентная лампочка мощностью в 18 Вт дает столько же света, сколько лампочка накаливания в 75 Вт. Замена ими ламп накаливания позволит сократить потребление электроэнергии на освещение примерно в 4 раза. Кроме того, новые лампочки в 7 раз долговечнее, чем старые, что позволит экономить и ресурсы.

Теплоизоляция стен даже в самых холодных районах позволит резко сократить расходы энергии на обогрев жилья. Вместо печей будет достаточно одного небольшого электронагревателя. Имеется принципиальная возможность сократить примерно в 2 раза расход электроэнергии при использовании холодильников, телевизоров и т.д.

Контрольные вопросы

1. Какую роль будет играть традиционная энергетика в обществе устойчивого развития?

2. Какие отрасли нетрадиционной энергетики вы знаете?

3. Расскажите о вариантах гелиоэнергетики.

4. Какие резервы энергосбережения имеются в промышленности?

5. Какие резервы энергосбережения имеются в сельском хозяйстве?

6. Какие резервы энергосбережения имеются в коммунальном хозяйстве?

7. Что вы можете сделать для энергосбережения в своем домашнем хозяйстве?