Альтернативні джерела енергії

Десять кроків на шляху до заміни традиційної енергетики на альтернативну

Журнал "Popular Science" опублікував статтю, яка на достатньому пізнавальномі рівні узагальнює всі розробки в області альтернативної (нешкідливої) енергетики.

На думку авторів, рівень освоєння цих технологій такий, що вже сьогодні людство могло б відмовитися від використання всіх традиційних джерел енергії.

На карті показано, в яких районах планети найефективніше могли б застосовуватися сонячні (solar), ветро (wind), хвилеві (waves), геотермальні (geothermal) електростанції.

Крок 1. Використовувати вітер.

За останніх 20 років була виконана величезна робота по вдосконаленню вітро-генераторів. Ціна енергії вітру з тих пір знизилася на 85%. У багатьох районах США (таких як Канзас, Північна Дакота, Техас, Колорадо) енергія, отримана на вітряних електростанціях, стоїть дешевше за енергію звичайних електростанцій.

Вітроелектростанція у побережжя Німеччини.

Рівень розвитку технології такий, що вітроелектростанції комерційно ефективно виробляють електроенергію навіть при легкому бризі. Максимальна одинична потужність ветрогенераторов - 6 МВт (німецька компанія Repower), діаметр ротора такої турбіни -126 метрів, висота башти - 120 метрів (що вище за американську статую Свободи). Вартість ветроенергетічеських установок в країнах Європи і в Америці вже порівнялася з вартість будівництва вугільних станцій (1500-2000 дол/кВт). Німеччина сьогодні виробляє 20% електроенергії на вітро-електричних станціях.

Крок 2. Перебудувати розподільні мережі.

Існуючі розподільні мережі побудовані так, щоб доставляти енергію споживачеві. Але широке розповсюдження сонячних, вітрових і інших локальних джерел енергії (встановлених у споживача) вимагає перебудови мереж так, щоб потік енергії міг здійснюватися в двох напрямах: як до споживача, так і від нього.

Це дозволить створити гігантський розподілений енергетичний комплекс, в якому споживачі зможуть не тільки споживати енергію, але і продавати її надлишки. На знімку: Tony Ellsworth - власник фірми, торгуючої велосипедами на даху свого нового офісу, який не тільки забезпечує енергією себе, але і видає її надлишки в загальну мережу.

На даху будівлі встановлені сонячні батареї, поряд коштує геотермальна установка для забезпечення теплом.

Завдяки економії на купувальній електро- і теплоенергії, а також продажу надлишків, Tony Ellsworth окупив витрати на будівництво всього комплексу всього за 4 роки !

Крок 3. Замінити всі звичайні автомобілі на авто з гібридними двигунами.

Транспортні засоби з гібридни-ми силовими установками стають все більш популярними. У таких автомобілях використовується поєднання двигуна внутрішнього згорання і електричної силової установки. Гібридний автомобіль запасає енергію в акумуляторах кожного разу, коли водій починає гальмування.

Електрична силова установка допомагає при розгоні машини і може повністю замінити двигун внутрішнього згорання, якщо енергії в акумуляторах накопичена достатньо. Крім зниження витрати палива при використанні здвоєної силової установки є можливість зменшити розміри і підвищити ресурс двигуна внутрішнього згорання.

Науково-дослідні центри провідних автомобілебудівних корпорацій миру зараз працюють над розвитком ідеї гібридного автомобіля. Конструктора хочуть добитися повній інтеграції транспортних засобів з енергетичною інфраструктурою. Надзадача є такою : гібридний автомобіль повинен бути як споживачем енергії (заряджаючи свої акумулятори вночі, коли тарифи на енергію мінімальні), так і постачальником (видаючи накопичену енергію в розподільну мережу).

Нове покоління гібридних автомобілів має позначення Phevs (plug-in hybrid electric vehicles). На думку Daniel Kammen (директори лабораторії альтернативної енергетики університету Берклі в Каліфорнії), якщо замінити всі транспортні засоби Америки на автомобілі PHEV, споживання нафти в США знизиться на 70-90%. Оскільки вироблення електроенергії на електростанціях набагато ефективніше (з точки зору к.к.д.), ніж спалювання палива в двигунах внутрішнього згорання автомобілів, потрібно буде спалювати значно менше енергоносіїв, що дасть величезний екологічний ефект. Наприклад, навіть якщо вся енергія вироблятиметься на вугільних станціях, об'єм викидів парникового газу CО₂ знизиться більш ніж на половину! При широкому використанні поновлюваних джерел енергії зниження емісії буде ще більше.

Природно, що повна заміна звичайних автомобілів на гібридних відбудеться не скоро. Зростанню популярності таких машин заважає обмежена ємкість і великі розміри акумуляторних батарей. Проте дослідження департаменту енергетики США показали, що в середньому американці проїжджають не більше 40 миль в день. Виробники автомобілів вже сьогодні готові створити комерційно ефективний автомобіль (тобто такий, що окуповується порівняно швидко), здатний з нормальним завантаженням і прийнятною динамікою проїхати таку відстань на одному заряді акумуляторів.

Поки що в США створений тільки один прототип автомобіля PHEV - це комерційний мікроавтобус на базі Dodge Sprinter. Проте багато виробників заявляють про ведення конструкторських опрацьовувань в цьому напрямі.

Розповсюдженню гібридних автомобілів сприятиме і застосування композитних матеріалів в конструкції (машини стануть легші, буде потрібно менш могутню силову установку).

Крок 4. Розвивати технологію виробництво етанолу.

Застосування етанолу (палива для двигунів внутрішнього згорання, вироблюваного з традиційних сільського сподар-ських культур) у всьому світі розвивається настольно швидко, що це вже серйозно впливає на світовий ринок продовольства.

У 2007 році на ринку США буде продано біля одного мільйона автомобілів, пристосованих до цього виду палива. Число етанольних заправок досягне однієї тисячі.

Проблема застосування етанолу полягає в тому, що в основному його проводять з сільськогосподарських культур (таких як кукурудза, пшениця). В процесі вирощування цих культур споживається така кількість викопного палива (на виробництво добрив, для сельськохоязйственной техніки і ін.), що економічний і екологічний ефект практично зводиться нанівець. Коли б не субсидії уряду США, виробництво етанолу було б не виправдане і не вигідно.

Учені бачать вихід в переході від використання сільського сподар-ських культур як сировини для етанолу до застосування різних відходів сільського господарства і деревообробки (наприклад, тріски). Широкому застосуванню відходів як сировини для етанолу сьогодні заважає висока вартість ферментів, задіяних в процесі. І тут учені придумали цікаве і екологічне рішення. Вони запропонували використовувати термітів. Виявилось, що харчовий тракт термітів містить особливі бактерії, які перетворять целюлозу у вуглеводи (carbohydrates), з яких вже і проводиться етанол.

Крок 5. Збільшити використання енергії сонця.

Сонячної енергії, яка доходить до Землі всього за одну годину, достатньо для задоволення потреб людства протягом одного року! Використання сонця для нагріву води людство освоїло вже давно. Перетворювати сонячну енергію в електричну люди почали з часів початки польотів в космос.

З тих пір сонячні батареї були значно вдосконалені, проте коефіцієнт корисної дії таких установок до цих не перевищує 15-20%. У пустелі Mojave недалеко від Лос-Анджелеса в даний час будується принципово нова установка для перетворення сонячної енергії в електричну (сонячний колектор). Очікується, що установка перетворюватиме в електроенергію до 30% отримуваної сонячної енергії.

Вперше ідея створення сонячної електростанції промислового типу була висунута радянським інженером Н.В. Лініцким в 30-х роках. Тоді ж їм була запропонована схема сонячної станції з центральним приймачем на башті. У ній система уловлювання сонячних променів складалася з поля геліостатів - плоских відбивачів, керованих по двох координатах. Кожен геліостат відображає промені сонця на поверхню центрального приймача, який для усунення впливу взаємного затінювання піднятий над полем геліостатів. Досліди по будівництву сонячних станцій колекторного типу були початі у восьмидесятих роках в США. У пустелі Mojave в найближчі декілька років будуть встановлені тисячі величезних (11 м в діаметрі) увігнутих дзеркал. Дзеркала оснащені електронним пристроєм, який відстежуватиме рух сонця і коректуватиме положення дзеркал.

Дзеркала направлятимуть сонячне світло на колектор, в якому нагрівається водень, якій у свою чергу використовується у двигуні Стерлінга.

Двигун Стірлінга - теплова машина, що працює не тільки від спалювання палива, але від будь-якого джерела тепла, наприклад, сонячних променів. Відноситься до двигунів зовнішнього згорання.

Бета Стерлінг. У двигуна бета-тіпа циліндр один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень, з якого знімається потужність, і "витіскач", що змінює об'єм гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу через регенератор. Станція, що зводиться поряд з Лос-Анджелесом, буде однією з найбільших сонячних станцій на планеті. Всього планується встановити 20 тис. дзеркал. Станція займе площу 4,5 тисяч акрів (більше 18 км­) забезпечить енергією 278 тисяч будинків. Заплановано, що станція в пустелі Mojave проводитиме електроенергії більше, ніж всі сонячні електростанції в Америці разом узяті.

У світі реалізуються і інші проекти будівництва сонячних колекторних електростанцій :

- Німецька компанія Solar Millennium AG будує у Внутрішній Монголії (Китай) сонячну електростанцію. Загальна потужність електростанції збільшиться до 1000 МВт до 2020 року. Потужність першої черги складе 50 МВт.

- У червні 2006 році у Іспанії була побудована перша термальна сонячна електростанція потужністю 50 МВт. У Іспанії до 2010 року може бути побудовано 500 МВт електростанцій з параболоциліндричними концентраторами.

Удосконалювати добре відомі звичайні сонячні батареї на основі фотоефекту - також украй важливе інженерне завдання. Їх застосування для локальних споживачів економічно вигідно, оскільки не вимагає розвитку електричних мереж. Вони незамінні для різних портативних електронних пристроїв. Учені упевнені, що найближчим часом ми зможемо забезпечувати зарядку телефонів або КПК, підключаючи їх до одягу (на поверхні якої будуть розташовані сонячні батареї). Учені упевнені, що підвищення ефективності сонячних батарей можливе через використання нанотехнологій. Вони дозволять отримувати більше енергії з одиниці площі. Наприклад, учені університету Нового Південного Уельсу в Австралії намагаються довести коефіцієнт корисної дії сонячних батарей 50% через розширення спектру сонячного випромінювання, корисно використовуваного в батареях. Їх досвід пов'язаний із спробами перетворення структури оксиду кремнію на нанорівні.

Інші способи використання енергії сонця пов'язані з проектами освітлення міст за допомогою космічних дзеркал і будівництвом космічних сонячних електро-станцій. http://www.energyland.info/analitic/analitic_reviews/world/

Крок 6 : Воднева енергетика

Фантастичні перспективи людству обіцяє перехід до широкого використання як паливо водню. Таке паливо могло б вирішити, перш за все, екологічні проблеми людства, оскільки спалювання водню не приводить до викидів парникових газів, важких металів і ін. В результаті спалювання (а точніше окислення) утворюється тільки вода.

Потенціал водневої енергетики настільки величезний, що в США навіть розроблена стратегія перекладу економіки США на щонайширше використання водню (програма «Воднева економіка»).

Проблема водневої енергетики полягає в тому, що поки не розроблений економічно і екологічно ефективний спосіб отримання водню. Об'єм емісії парникового газу Co2_, що відбувається при виробленні енергії традиційними джерелам, перекриває екологічний ефект від заміщення традиційних видів палива воднем. Собівартість водню, виробленого найдешевшим способом (парова конверсія природного газу), в 2004 році в США складала не менше $2 за кг.

Крім того, транспорт і зберігання водню - надзвичайно вибухо- і пожежо небезпечно. Вчені працюють над декількома перспективними технологіями отримання водню в промислових масштабах :

• газифікація вугілля (нагрів вугілля до 800-1300 градусів Цельсія без доступу кисню). Собівартість зараз складає $2-2,5 за кілограм. В майбутньому - $1,5 за кілограм.

• використання атомної енергії для електролізу води (розкладання води на водень і кисень). Собівартість - $2,3 за кілограм.

• отримання водню з біомаси (термохімічним (нагріваючи біомаси) або біохімічним способом (водень виробляють бактерії)). Собівартість зараз складає $5 за кілограм. В майбутньому можливе зниження до $1 за кілограм.

Інша сфера застосування водню - паливні елементи. Ці елементи можуть застосуються як локальні і мобільні джерела електроенергії і тепла. Потужність елементів знаходиться в діапазоні від 0,75 до 10 кВт.

Паливними елементами є електрохімічні пристрої, що виробляють електроенергію без процесу горіння хімічним шляхом, майже так само, як батареї. Різниця лише в тому, що в них використовуються інші хімічні речовини - водень і кисень, а продуктом хімічної реакції є вода. Можна використовувати і природний газ, проте при використанні вуглеводневого палива, звичайно ж, неминучий певний рівень викидів двоокису вуглецю.

У 2007 році у всьому світі було близько 8000 малих стаціонарних водневих енергоустановок потужністю до 10 кВт. Велика частина таких установок працює в Японії. Вартість 1 кВт встановленій потужності таких установок в Японії в 2007 році складала менше 8,7 тисяч доларів

Вкрай привабливо навчитися використовувати переваги водневої енергетики в автомобілях. Коефіцієнт корисної дії паливних елементів в два рази вище ккд звичайних бензинових двигунів внутрішнього згорання. Крок 7 : Енергія хвиль - невичерпне джерело енергії.

У Європі і Америці довгий час проводилися наукові роботи по розробці електростанци, здатних комерційно ефективно перетворювати енергію хвиль в електричну енергію.

Потенціал хвилевої енергетики в США - 2100*10 кВт*год/рік (у 2006 році всіма джерелами енергії в США було проведено 4064*10 кВт*год/рік). Безболісно для екології можна було б використовувати одну восьму частину потенціалу, тобто забезпечувати близько 7% потреб в енергії (що дорівнює потенціалу гідроелектростанцій в енергетичному балансі США).

Пілотні проекти будівництва хвилевих електростанцій реалізу-ються в даний час в Португалії (проект Pelamis), Англії і Шотландії.<http://www.energyland.info/analitic/analitic_reviews/world/2007/10/10/analitic

Теоретично хвилева електростанція використовує ту ж саму енергію вітру, що і вітроелектростанція. Проте вона має ряд переваг. Головна з них : хвилева електростанція комерційно ефективніша при меншій швидкості вітру в порівнянні з вітроенергетичною установкою.

Ще один варіант використання безкоштовної енергії морить - приливні електростанції. В світі ця технологія використовується достатньо давно. У Росії з 1968 року діє експериментальна ПЕС в Кислій губі на побережжі Баренцева моря потужністю 0,4 МВт. За радянських часів були розроблені проекти будівництва ПЕС в Мезенськой губі (потужність 11 000 МВт) на Білому морі, Пенжінськой губі і Тугурській затоці (потужністю 8000 МВт) на Охотському морі. В даний час статус цих проектів невідомий, за винятком Мезенськой ПЕС, включеною в інвестпроект РАО «ЄЕС». Пенжінськая ПЕС могла б стати наймогутнішою електростанцією в світі - проектна потужність 87 Гвт.

Існують ПЕС і за кордоном - у Франції, США і інших країнах. Потужність найбільшою в світі приливної станції «Ля Ранс» у Франції складає 240 МВт. Один з останніх проектів приливних електростанцій в світі - станція на річці East River в Нью-Йорку.

На станції встановлено 6 турбін, які здатні виробити 0,5 млн. кВт*год/рік.

Крок 8 : Використання енергії землі і зберігання тепла

П ід поверхнею наший планети приховані неймовірні резерви тепла і енергії. При бурінні свердловин було встановлено, що поблизу поверхні землі температура в середньому зростає на 20±2^оС на 1 км.

На глибині 100 км під поверхнею землі температура досягає 1300-1500 ^оС. По суті, наша планета - це гігантський природний котел. На жаль, на землі порівняльні не багато місць, де є можливість використання геотермальної енергії. Проте їх потенціал величезний. Наприклад, в Західному Техасі (США) існує безліч покинутих нафтових свердловин, які можуть бути використані як джерело геотермальної енергії. Їх сумарний потенціал досягає 5000 МВт.

Господарське застосування геотермальних джерел поширене в Ісландії і Новій Зеландії, Італії і Франції, Литві, Мексиці, Нікарагуа, Коста Ріці, Філіппінах, Індонезії, Китаї, Японії, Кенії.

Встановлена потужність геотермальних електростанцій в світі на початок 90-х років минулого століття складала близько 5000 МВт, на початок 2000 року - близько 6000 МВт.

Станом на 2006 рік у Росії розвідано 56 родовищ термальних вод з дебітом, що перевищує 300 тис.м ³/добу. На 20-ти родовищах ведеться промислова експлуатація, серед них : Паратунське (Камчатка), Казьмінське і Черкеське (Карачаєво-черкесія і Ставропольський край), Кизлярське і Махачкалінське (Дагестан), Мостовське і Вознесенське (Краснодарський край). Все три російські геотермальні електростанції розташовані на території Камчатки, сумарний електропотенціал пароводних терм якої оцінюється в 1 ГВт робочої електричної потужності, проте реалізований потенціал тільки в 50 МВт. Мутновськоє родовище : Верхне-мутновська ГЕОТЕС потужністю 12 МВт і виробленням 85,3 млн.кВт*год, Мутновська ГЕОТЕС 25 МВт (на 2006 ведеться будівництво, що збільшує потужність до 80 МВт і вироблення до 577 млн. кВт*год) Паужетське родовище біля вулканів Кошельова і Камбалового - Паужетська ГЕОТЕС потужністю 11 МВт із виробленням 59,5 млн. кВт*год (на 2006 проводиться реконструкція із збільшенням потужності до 18 МВт).

Найбільшим виробником геотермальної електроенергії є США, які в 2005 році провели близько 16 млрд. кВт*год відновлювальної електроенергії. Основні промислові зони : «гейзери» - в 100 км. на північ від Сан-Франциско (1360 МВт встановленої потужності), і північна частина Солоного моря в центральній Каліфорнії (570 МВт встановленої потужності). У Неваді встановлена потужність станцій досягає 235 МВт. Геотермальна електроенергетика, як одне з альтернативних джерел енергії в країні, має особливу урядову підтримку.

Г еотермальна енергетика останнім часом серйозно просунулася в своєму розвитку. Останні розробки дозволяють виробляти електрику при температурі пароводяної суміші нижче 80^оС. Це дозволяє застосовувати геотермальні станції набагато ширше.

Очікується, що потужність станцій в США найближчим часом подвоїться. Все більш популярним стає ще один спосіб використання тепла землі. Вже розроблена методика буріння глибоких свердловин і примусового закачування в них води. Причому можливі два варіанти. Або закачування води для збереження її тепла або для нагріву холодної води.

Крок 9 : Використовувати біомасу.

Людство використовує біомасу для задоволення енергетичних потреб з часів Палеоліту, коли первісні люди запікали м'ясо убитих тварин, використовуючи тепло лісових пожарищ. На сьогоднішній день ліс залишається головним джерелом біомаси. Біомаса - це відходи сільського господарства і навіть каналізаційні стоки.

Найважливіша перевага використання біомаси полягає в тому, що об'єм емісії парникових газів при спалювання біогазу рівний кількості газів, засвоєних рослинами в процесі їх зростання. Тобто кількість парникових газів в атмосфері практично не міняється.

Біомаса - це органічна сировина для виробництва біогазу, який може спалюватися в енергетичних казанах. Біогаз отримують шляхом газифікації (значний нагрів без доступу кисню) біомаси. Біогазом є суміш водню і газу З. Така суміш повністю замінює природний газ і може бути спалена в газовій турбіні і казані. Температура відпрацьованих в газовій турбіні газів достатньо висока і може бути повторно використана для вторинного використання в казані-утилізаторі (бінарний цикл).

Як приклад можна привести типову ферму в американському штаті Вермонт. На фермі міститься 1,5 тис. голів великої рогатої худоби. Худобу проводить така кількість посліду, який досить для виробництва 1,8 млн. кВт*год на рік. Для виробництва біогазу використовується технологія анаеробного зброджування. Гній збирають в спеціальні резервуари, де спеціальні бактерії за відсутності доступу кисню проводять біогаз. Технологія дуже екологічна, оскільки, якби гній піддавався природному гниттю, виділявся б газ метан, який по своїх парникових властивостях в 20 разів руйнівно, ніж газ CО₂. Відходи, які залишаються в результаті процесу вироблення біогазу, є прекрасним добривом (компостом).

Крок 10 : Раціонально використовувати енергію

Людству важливо не тільки використовувати альтернативну енергетику, але і працювати над раціоналізацією використання проведеної енергії. У цій сфері вже досягнуті значні успіхи. Наприклад, економіка США зараз споживає на 47% енергій на 1 долар ВВП менше, ніж це було 30 років назад.

На жаль, зростання світової економіки приводить до того, що сумарний об'єм споживання енергії і носіїв тільки збільшується.

Джерело : <http://www.energyland.info>

Зміст <http://esco-ecosys.narod.ru/2007_11/index.htm>