1.6 Жел энергиясы

Жел энергиясын қолдану ерте заманнан басталған. Сол бұрынғы уақыттағы жел энергиясын қолданудағы пайда болған жүйелер қазіргі уақыттың өзінде заманауи ғылыми деңгейде кең қолданылады. Жел энергиясының ерекшеліктері: механикалық энергия ретінде алуға болады, сонымен қатар электрлік энергия ретінде көптеген салаларда қолдануға болады (өнеркәсіптен бастап үй шаруашылығына дейін). Жел элетр энергиясын өндіретін электр құрылғылары немесе электр станциялары жеке дара немесе электр желілерімен байланыса жұмыс атқарады. Жел генераторлары қарапайым әрі орналасу үшін үлкен аумақты қажет етпейді және тәулік бойы жұмыс істей береді. Сонымен бірге жел экологилық таза әрі таусылмайтын энергия көзі болып табылады [1].

Табиғи энергия көздерінің бірі – жел энергиясы. Жел энергиясы күн энергиясы сияқты әрқашан да тұрақты энергия көздеріне жатпайды, бірақ оның өзіндік даму ерекшеліктері бар. Біріншіден, жер бетіндегі болып тұратын жел, дауыл немесе ауа қозғалыстары негізінен Күн энергиясының әсерінен пайда болатын құбылыстар. Екіншіден, желдің энергиялық қуаты және оның бағыты әрқашан да құбылып, өзгеріп тұрады. Бір жерлерде жел мүлде баяу, ал кейбір ендіктерде оның қуаты аса күшті болады. Осыларға қарағанда, ғаламшарымыздың жел энергиясының жалпы мөлшерін дәл анықтау қиын. Дегенмен кейбір ғалымдардың келтірген деректеріне қарағанда, 1 жылдың ішінде жер бетінде болып тұратын желдің жалпы қуаты 13*10¹² кВт/сағатқа тең екен. Әрине, жер бетінде өте күшті сұрапыл дауылдар да болып тұрады, олардың әрқайсысының 1 тәулік ішіндегі бөлетін энергиясы 13 000 мегатонналық ядролық бомбаның жарылу кезінде бөлетін энергиясымен пара-пар. Жер бетінде осындай қуатты дауылдар тұрған кезінде миллиондаған тонна шаң-тозаң көтеріліп, оны мыңдаған километр жерге апарып тастайды. Мысалы, Африканың құм-шөлейтті ендіктерінен көтерілген миллиондаған тонна шаң-тозаң Еуропа құрлығына дейін жетеді. Осындай әртүрлі мөлшерде энергиялық қуаттарды өз бойларына дарытқан жел, дауыл ғаламшарымыздың кез-келген ендіктерінде болып тұратын табиғи құбылыс. Жел атмосфералық циркуляция процесін туғызып, ауа құрамының тазарып отыруына үлкен ықпал жасайды.

Сонымен жел – өз бойына орасан мол энергия қуатын жинаған табиғи энергия көздерінің бірі. Осындай мол, әрі тегін энергия көзін халық ертеден-ақ пайдаланған. Мысалы, жел диірмендер мен шыңырау құдықтардан су тартатын жел қондырғыларын ежелгі Египет және Таяу Шығыс елдері кеңінен пайдаланғаны белгілі.

ТМД-да жел энергиясына бай аймақтар қатарына Қазақстан, Орта Азия, Закавказье, Повольже, Молдавия, Қырым және Құлынды далалары, сондай-ақ Арктика, Камчатка, Сахалин, т.б. жерлер жатады. Осы аталған аудандарда кезінде жел энергиясы негізінен диірмендер салып, ұн, жарма тартуға пайдаланған екен.

Дегенмен желдің тегін энергиясын пайдалану көптеген елдерде әлі де өзінің практикалық маңызын жойған жоқ. Дүние жүзінің көптеген елдерінде қазірдің өзінде 600 мыңнан астам жел қондырғысы жұмыс істейді. Жел энергиясын пайдалану мамандардың есептеулеріне қарағанда өте арзан әрі тиімді, өйткені оған шығын мейлінше аз жұмсалады.

Жел энергиясы қондырғыларының бұл күнде ондаған түрлері бар, олардың жалпы қуаты онша жоғары емес, 1-15 кВт шамасында ғана. Дегенмен осындай шағын қондырғылардың өзі жел энергиясының 45-48%-ын механикалық, яғни электр энергиясына айналдыра алады.

Ғылыми болжамдарға қарағанда, көп кешікпей жел электр станциялары дүние жүзі елдерінің электр энергиясына деген қажетінің 10%-ын өтей алады.

Бұл күндері жел электр станцияларын жер бетінен едәуір биіктікке орналастыру жағы да қарастырылуда. Жер бетінен биіктеген сайын, әсіресе тропопауз қабатында, ауа ағысы ұдайы қозғалыста әрі қуаты едәуір жоғары болады. Ондай станциялар жыл бойына жұмыс жасай алады. Шетелдерде пайдаланыла бастаған тропопауза жел станцияларының қуаты 2000 кВт шамасында, ал ол 1 жылда 14-15 миллион кВт/сағат энергия өндіреді.

Жел энергиясының болашағы зор, сонымен қатар табиғатта сарқылмайтын энергия көздерінің бірі, оны тиімді пайдалану мәселесі бүгіннен бастап қолға алынуы тиіс [2].

Желдің пайда болу табиғаты. Жер қабатының беті Күн сәулесінің энергиясынан барлық жерлерінде бірдей қызбайды. Өйткені жердің беті біртекті емес: құрғақ және сулы кеңістіктер бар әрі олар бірдей кеңдікте емес, сондықтан таулы, орманды, шөлді далалар және батпақты жерлер әртүрлі температурада қызады. Күні бойы теңіз бен мұхиттың ауасы біршама салқын болады, өйткені күн энергиясының едәуір бөлігі судың булануына шығындалады немесе оған сіңіріледі, сондықтан су бетінің ауасының температурасы тәулік бойы өзгеріп отырады. Үлкен теңіз бен мұхиттың жағалауларында ауа қозғалысы тұрақты алмасымды қозғалыста болып тұрады, соның салдарынан бұл аймақтарда тұрақты жел тұрады (теңіз бризі деп атайды).

Құрғақ шөл және шөлейтті жерлердің үстінде ауа қатты қызады, тығыздығы төмендейді, мұндай аймақтарда ауа қозғалысы жоғары болады. Осының барлығы желдің пайда болуына әкеліп соғады.

Жер атмосферасының айналып келулік табиғаты инерциялық күштің нәтижесінде туындайды, ол жердің өз осінің айналуынан пайда болады. Олар әртүрлі ауа ағындарының ауытқуын түзейді.

Желдің тұру бағыты және желдің жылдамдығы сол аймақтың жер беті биіктігіне байланысты әртүрлі бағытта өзгеруі мүмкін.

Экваторға жақын жер бетінде орналасқан аймақта жел жылдамдығы едәуір жоғары. Жер бетінің 1 және 4 км биіктігінде, 30⁰ аймақтың аралығында солтүстік және оңтүстік еңдікте бірқалыпты әуе ағындары түзіледі, оны пассат деп атайды. Орташа жылдамдығы 7-9 м/с құрайды [8].

Желдің қайраттық мінездемесі. Жел қуатты қайраттық көздің бірі болып табылады, оны бұрыннан бері адамдар қолданып келеді. Қазіргі кезде әлемде жел энергиясын пайдалану МИРЭК-ң бағалауы бойынша, жыл сайын 3 млрд. тоннадай шартты отынды үнемдейді. Дамыған елдерде жылына бір адам 0,6 тонна шартты отынды тұтынады, дамып келе жатқан елдерде 3 есе аз [8].

Жел қондырғыларының қалақшалары әдетте жер бетінен 50-70 метр биікте жұмыс істейді, жаңа қондырғыларда 100 метрге дейін жетеді, сондықтан көп қызығушылық осы қабаттағы әуе ағынының қозғалысының мінездемесі қажет болады.

Маңызды мінездеме қайраттық желдің құндылығын анықтайтын, оның жылдамдығы болып табылады.

Желдің лездік жылдамдығы әрқашан ауа ағынының желқозғалтқышқа қозғалымдық әрекет етуін анықтайды. Қозғалымдық ағынның сипаттамасы автоматты реттеу жүйесіне немесе бағдарлау жұмысына әсер етеді. Жел агрегатын өндіре алатын энергия саны, біріншіден, жел доңғалағымен айналатын және аудан бетіне тең желдің орташа жылдамдығы анықталған уақыт аралығында барлық ағынның қимасына тәуелді. Тап осы жылдамдық, сондай-ақ қондырғының жұмыс тәртібін анықтайды.

Желдің орташа жылдамдығы әр тәулікте, айда немесе мезгілде ауысып тұрады. Ауа ағынының алып құрылымының қарастыратын және оны анықтайтын мәні тәуліктік, айлық, мезгілдік жылдамдықтың шамасымен анықтайды. Энергия ауа ағынының жалпы жел құрылымы ландшафты немесе рельефті болуы жел толқуынан байқалады.

Жел генераторлары жел қозғалысының энергисын электрлікке түрлендіруге арналған. Жел генераторының әрекет принципі келесідей: жел қысымымен ток генераторының роторын айналдырып, қалақшалар қозғалысқа түседі. Өндірілген электр энергиясы контроллерге жіберіледі. Ол аккумуляторлар зарядына арналған кернеуді және тоқтың тиімді күшін қамтамасыз етіп, сондай-ақ қатты дауылда жүйені сақтандырып, басқару функцисын атқарады. Контроллерден аккумуляторлар заряд алады. Өнеркәсіптік жел жағдайында, электр желі бойымен басты станцияға жіберіледі. Үйдегі жел генераторларында ток инвертормен электр желісіне пайдалану (220 В) үшін түрленеді де, тұтынушыларға жіберіледі.

Жел энергиясын түрлендірудің ішінде ең тартымдысы және күрделісі түрлі типтегі генераторлармен электр энергиясына айналдыру болып табылады [8].

2. ҚАЗАҚСТАНДАҒЫ «ЖАСЫЛ ЭНЕРГЕТИКАНЫҢ» ҚАЗІРГІ ЖАҒДАЙЫ

1. Еліміздегі жасыл энергетиканың дамуы мен таралуы

Қазақстандағы энергетикалық сектордың көрсеткіштері. Берілген бағалар бойынша Қазақстан экономикасының энергетикалық секторы дамуының ағымдағы көрсеткіштерінің қазіргі кезде келесідей мәндері бар.

Алғашқы энергия өндірісі: мұнай - 48%; көмір - 39%; табиғи газ - 12%; гидроэнергия - 1%.

Алғашқы энергияны тұтыну: көмір – 52,3%; мұнай – 24,1%; газ – 1,7%; гидроэнергия – 1,7%; жаңғыртылатын энергия көздері – 0,7% [4].

Cурет 1 - Алғашқы энергияны тұтыну [3].

Қазақстандағы электр энергиясының өндірісі көбінесе жылу электр стансаларында (ЖЭС) жүзеге асырылып, конденсациялық және когенерациялық технология негізінде қамтамасыз етіледі.

Өнеркәсіпте көмірді тұтыну – 16%, үй шаруашылығында – 2%, көлікте – 1%, ауыл шаруашылығында – 1% және көмір экспорты өзіндік құнының төмен болуына қарамастан өндірудің бар болғаны 15%-ын құрайды.

Электр стансасының жалпы орнатылған қуаты шамамен 18,5 мың МВт-ты құрайды. Өндірілетін қуаттылық құрылымында жылу электр стансалары 15,42 МВт-ты құрайды немесе жалпы қуаттылықтың 87%, гидростансалардың үлесі – шамамен 12%, басқалары – шамамен 1% [33].

Өндірілетін қуаттылық құрылымында электр стансаларын пайдаланудың айтарлықтай мерзімі бар (25 жыл және одан көп) және жаңартуды қажет етеді.

Елдің бірегей электр энергетикалық жүйесін дамытудың бағдарламасына сәйкес үстіміздегі жылға дейін 3265 МВт ескі генерацияланатын қуаттылық ауыстырылды, қосымша 2300-2550 МВт көлемдегі жаңа қуаттылықты ендіру жүзеге асырылды, ол жалпы алғанда генерацияланатын қуаттылықтың 30%-дан астамын құрады. Сондай-ақ айтарлықтай инвестициялар электр желілік шаруашылыққа, әсіресе аумақтық тарату желілеріне тартылды [9].

Электр энергиясы мен қуаттылығындағы қажеттілікті (дефицитті) жабу үшін Оңтүстік аймақта Солтүстік-оңтүстік электрберілістің 500 кВ екінші желісі салынуда.

Алайда үстіміздегі жылы электр энергиясын тұтынудың артуына байланысты оңтүстік аймақта электр энергиясына тағы да қажеттілік пайда болды. Қажеттілікті жабу үшін оңтүстік аймақта жаңа гидроэлектр стансалары жобаланды: қуаттылығы 250 МВт Мойнақ ГЭС-ы және қуаттылығы 50МВт Кербұлақ ГЭС-ы, қуаттылығы – 50-165 МВт болатын шағын ГЭС пен ЖЭС салу болжамдалуда [8].

Өзекті мәселелердің бірі ауыл тұтынушыларын энергиямен жабдықтау болып табылады. Қазақстанның аумағының үлкендігі мен ауылды жерлердегі халықтың аз шоғырлануы электрмен берілістің ауылдық желілерінің айтарлықтай созылыңқы болуын көрсетеді, ол шамамен 360 мың км-ді құрайды және жүктелу тығыздығы төмен.

Электр энергетикасы нысандарымен қоршалған ортаның ластану мәселесі өте өзекті болып табылады. Қазақстандағы көмірлі электр стансаларындағы түтінді газдардағы зиянды заттардың шоғырлануы халықаралық стандарттан әлденеше есе асып түседі. Электр стансаларының атмосфераға зиянды заттарды шығаруы жылына 1 млн. тоннадан асады, ал қоршаған ортаны ластайтын зиянды заттардың жалпы көлемі 11 млн. тоннадан асады.

Жылу электр стансалары Қазақстандағы зиянды заттарды шығарудың негізгі көздері болып табылады. Осы сектордың үлесі ел бойынша жалпы шығарылымның шамамен 43%-ын құрайды.

Қазақстан аумағындағы ЖЭК дамуының келешегі бар бағыттары: күн энергетикасы, жел энергетикасы, гидроэнергетика, геотермалды энергетика және биоэнергетика болып табылады.

Қазақстандағы ЖЭК әлеуеті 0,05% ғана жүзеге асырылған. Энергия тұтынудың әлемдік құрылымында энергияның жаңғыртылатын көздері шамамен 7%-ды құрайды.

Қазақстанның энергобалансындағы ЖЭК үлесі 0,5%-жетпейді. Және оған шағын ГЭС шығаратын электр энергиясы да кіреді.

Егер де «күн-жел-биогаз» классикалық үштігін қарастырсақ, онда оның үлесі Республикадағы энергия тұтынудың 0,02-0,03% деңгейінде ғана болмақ.

Алайда Қазақстандағы ЖЭК әлеуеті үлкен, жылына шамамен 1 трлн. кВт*сағат (елдегі электр энергиясын тұтынудан шамамен 10 есе көп). Бірақ нақты «жасыл энергетика» жылына шамамен 0,4-0,5 млрд. кВт*сағат өндіріледі.

Қазақстан Республикасы Үкіметінің жоспарларына сәйкес энергияның балама көздерінің деңгейін 2024 жылға қарай Қазақстан энергия тұтынудың жалпы көлемінен 5%-ға ұлғайтуды ұсынады, бұл келешекте энергетикалық, әлеуметтік және экологиялық мәселелерді шешудің жағымды болашағын қамтамасыз етеді.

ЖЭК саласының дамуы зиянды заттарды атмосфераға шығаруды азайту арқылы қоршаған ортаның сапалық деңгейін арттыруға, сондай-ақ аумақты көлемді электрификациялау есебінен тұрғындардың өмір деңгейін арттыруға мүмкіндік береді. Жаңа технологиялар мен ғылыми жетістіктер құру арқылы ЖЭК қоршаған ортаға әсерінің экологиялық салдарын шешуге болады.

Энергияны үнемдейтін жобалар мен технологияларда, зиянды заттардың атмосфераға шығару көлемі азайтылады. Бұл үдеріс энергияны үнемдеу мен энергияның тиімділігін арттыру бойынша инновациялық жобаларды жүзеге асыру есебінен, сондай-ақ елдің энергобалансына жаңғыртылатын энергетикалық ресурстарды ендіру арқылы жүзеге асырылады.

Қазіргі кезде бүкіл әлем бойынша жаңғыртылатын энергия көздерін пайдалануға деген қызығушылық артуда.

ЖЭК пайдасына айтылатын аргументтердің бірі Қазақстанның үлкен аумағында (2,7 млн. шар. км) және халық тығыздығының (6,1 адам/ш. км) төмендігінде электрмен жабдықтауды орталықтандырудың тиімсіздігі болып табылады. Өйткені бұл қашықтағы тұтынушыларға тасымалдау кезінде энергияның айтарлықтай жойылуына әкеп соғады. Өз кезегінде, жаңғыртылатын энергетиканы пайдалану қашықтағы елді-мекендерді электрмен жабдықтаудың шығынын азайтуға және электрмен беріліс желілерінің құрылысына мүмкіндік береді.

Халықаралық қауымдастық көмірді, мұнайды және газды жаққанда СО₂ шығарындылардың артуымен климат өзгерісінің жағымсыз экологиялық салдарының байланыстылығын мойындап отыр.

Жылу және электр энергиясын алу және көлік құралдарының жұмысын қамтамасыз ету барысында көмірді, мұнайды және бензинді жаққанда шығатын көміртектің қос тотығы (СО₂) біздің планетамыздың Күнмен жылынған беткі қабатының жылуын жұтады да, былайша аталатын жылыжайлық эффект түзеді, ол өз кезегінде жаhандық жылытуға алып келеді [3].

Әлемдік экологиялық мәселелер кешеніндегі жетекші орындардың бірі энергияның дәстүрлі көздеріне негізделген энергетикаға тиесілі. Осыған орай, жаңғыртылатын энергия көздерін практикалық пайдалануда ең алдымен оның қоршаған ортаға әсерінің экологиялық аспектісіне баса назар аударылады.

Бүгіндері Қазақстанның энергетикалық секторының кәсіпорындары атмосфераны ластаудың ең ірі көздері болып табылады. Халықаралық энергетикалық агенттіктің мәліметтері бойынша жыл сайын олар атмосфераға миллион тоннадан астам зиянды заттардың және шамамен 70 млн. тонна көміртектің қос тотығын шығарады екен [18].

Сондықтан жаңғыртылатын энергия көздерін пайдалануды және орталықтандырылған энергиямен жабдықтау жүйені елемеушілік энергетикалық ресурстарды тиімсіз пайдалануға, энергиямен жабдықтаудың үнемділігі мен сенімділігінің төмендеуіне әкеп соғады, сондай-ақ экологияға айтарлықтай зиян келтіреді.

Жаңғыртылатын энергия көздерінің рөлі мен алар орны. Барлық қуат көздерін жаңғыртылатын және жаңғыртылмайтын (қалпына келмейтін) деп екі топқа бөлуге болады.

Энергияның жаңғыртылатын көздері – бұл тұрақты немесе энергия көздерінің қоршаған ортасында оқтын-оқтын әрекетте болатын негізгі қуат көздері. Мұндай қуат көздеріне тән сипат – күн сәулесінің шашарауы. Жаңғыртылатын энергия табиғатта адамның мақсатты бағытталған әрекетінің салдары болып табылмайтындай түрде кездеседі. Бұл белгі энергияның осы түрінің басты ерекшелігі болып табылады [21].

Энергияның жаңғыртылмайтын көздері – адамдардың энергияны өндіру үшін пайдаланатын, табиғи заттар мен материалдардың қоры. Бұған жатқызылатындар: ядролық отын, көмір, мұнай, газ. Жаңғыртылмайтын көздерден алынған энергия табиғатпен байланысқан күйде болады және адамның мақсатты бағытталған әрекетінің нәтижесінде босатылады [18].

Алайда жаңғыртылатын көздердегі энергетика, ең алдымен жергілікті метеорологилық, гидрологиялық және климаттық шарттарға, олардың ерекшелігін ескере отырып бағдарлануы тиіс.

Энергия жүйесінің тиімділігін және оның жұмысының экономикалық көрсеткіштерін арттыру көп жағдайда оны басқару шеберлігіне байланысты болады.

Энергияның жаңғыртылатын көздеріне қатысты негізгі түсініктерді бере кетейік.

Энергияның жаңғыртылатын көздерінің ресурсы (потенциал) – бұл белгілі-бір жағдайларда жыл бойына энергияның жаңғыртылатын көздеріне бекітілген немесе алатын энергия көлемі.

Энергияның жаңғыртылатын көздерінің жалпы әлеуеті – тиімді пайдаланатын энергияға толықтай айналдырған кездегі берілген ЖЭК болатын энергияның орташа жылдық көлемі.

Жаңғыртылатын энергия көздерінің техникалық әлеуеті – жалпы әлеуеттің бір бөлігі, яғни пайдаланатын энергияны өндіру үшін қазіргі кездегі жетілдірілген техникалық құралдарды пайдалана отырып, қоршаған ортаны қорғауға қойылатын талаптарды орындағанда ғана мүмкін.

Жаңғыртылатын энергия көздерінің экономикалық әлеуеті – техникалық әлеуеттің бір бөлігі, пайдалы пайдаланатын энергияға айналдыру бастапқы отынға, жылу және электр энергиясы, жабдықтардың, материалдар мен көлік қызметі бағасының, еңбекақы төлеудің және т.б. берілген деңгейінде ғана экономикалық жағынан тиімді болмақ [8].

Энергияның жаңғыртылатын көздерін пайдаланудың техникалық мүмкіндіктері. Энергияның жаңғыртылатын көздерін ғылыми жасалған принциптер негізінде ғана тиімді пайдалануға болады. Тәжірибелер көрсеткендей, жаңғыртылатын көздерде энергетиканы дамытпас бұрын, оның нақты қуатын анықтап алу қажет. Әрине, бұл ұзаққа созылатын және тұрақты бақылауды, сонымен қатар осы көздердің көрсеткіштерін сараптауды қажет етеді.

Жаңғыртылатын көздердің уақытша сипаттамаларының айтарлықтай маңызы бар. Төмендегі кестеде түрлі көздердің қуатын және жергілікті жерлердің нақты жағдайларына байланысты өзгеріп тұратындай, олардың өзгерісінің сипатты кезеңдерін анықтайтын негізгі көрсеткіштер берілген.

Кесте 1 - Энергияның жаңғыртылатын көздері әрекеттерінің қарқындылығы [18].

Көзі	Анықтайтын көрсеткіштер	Энергетикалық арақатынас	Ескертпе
Күннің тікелей сәулеленуі	Сәулеленгендік (Вт/м2) сәулеленудің құлау бұрышы	Р~G cos (Ө), Максимум 1 кВт/м2	Тек күндізгі уақытта
Күннің шашырап сәулеленуі	Бұлттылық	P<G; P≤300 Вт/м2	Соған қарамастан энергия жетерлік
Биоотын	Топырақтың сапасы, сәулеленгендік, су, отынның ерекшелігі, шығындар	Байланысқан қуат 10Мдж/кг	Отынның өте көп түрі
Жел	Жел жылдамдығы, жер бетінен биіктігі	Р~u03	Флуктуир-лейді
Толқын	Толқын амплитудасы Н және оның периоды Т	Р~Нs2·Т	Энергияның жоғарғы тығыздығы
Су энергиясы	Қысымы Н, судың көлемді шығыны Q	P~H·Q	Жасанды жасалына- тын көзі
Тасулар	Тасқынның биіктігі R, алап ауданы А	P~R2A	Тасқынның биіктігінің артуы
Жылу Энергиясы	Жоғарыдағы және тереңдіктегі судың температурасының түрлілігі	P~(T)2	Тропиктегі аудандар- дың қатары

Энергия көзінің сапасы туралы жиі айтылады. Энергия сапасы деп механикалық энергияға түрленетін энергия көзінің үлесін айтамыз. Осыны ескеріп, энергияның жаңғыртылатын көздерін үш топқа бөлуге болады [21].

1. Механикалық энергияның көздері, мысалы, толқындық және үдейтін гидрожел көздері. Осы көздерден шығатын энергияның сапасы жоғары және олар әдетте электр энергиясы өндірісінде қолданылады. Толқындық және үдейтін энергияның сапасы 75% деп бағаланады, ол гидроэнергияда - 60%, жел энергиясында – шамамен 30%.

2. Энергиның жаңғыртылатын көздеріне, мысалы, биоотын және күннің жылу энергиясы жатады. Механикалық жұмысты алу үшін қолданылатын мааксималды үлесі термодинамиканың екінші заңымен анықталады. Алайда, іс жүзінде термодинамиканың екінші заңымен рұқсат етілген жылудың шамамен 50%-ын ғана жұмысқа айналдыруға болады. Қазіргі бу турбиналары үшін жылу энергиясының сапасы 35%-дан аспайды.

3. Фотонды үрдістер негізіндегі энергия көздері фотосинтез бен фотоэлектронды құбылыстарды пайдаланатын үрдістер. Іс жүзінде фото түрлендіргіштердің 15%-ға тең пайдалы әрекет коэффициенті жақсы деп саналады [33].

Энергияның жаңғыртылатын көздерінің тағы бір ерекшелігін айта кетейік. Олар таусылатын көздерден энергия ағынының төменгі тығыздығымен ерекшеленеді. Мысалы, күн сәулесінің таралуы үшін бұл шама 1 кВт/м²-қа тең, ал бу қазаны құбырларындағы жылулық жүктемесі шамамен 100 кВт/м²-қа тең, ядролық реакторларындағы жылу алмастырғыштарда 1 м²-қа бірнеше мегаватт.

Тәжірибе көрсеткендей, энергияның жаңғыртылатын көздерін пайдалану ауылдық және қуатты энергия жүйелерінен қашықтағы аудандардың дамуын үдетеді.

Энергияның жаңғыртылатын көздерінің тағы бір ерекшелігін айта кетейік. Ең алдымен, энергияның жаңғыртылатын бірден-бір көзі сол ауданда ғана қолануға жарайтындай әмбебап емес. Бұл нақты табиғи жағдайларға және қоғамның немесе ауданның қажеттіліктерімен анықталады. Сондықтан жаңғыртылатын ресурстарда энергетиканы тиімді жоспарлау үшін, біріншіден, нақты аумақтың өнеркәсіптік, ауыл шаруашылығы өндірісі, көлік және тұрмыстық қажеттіліктер үшін энергияға деген қажеттіліктерін зерттеу қажет.

Осы тұрғыдан алғанда жаңғыртылатын көздердегі энергетика қандай да бір дақылды өсірудің рентабельділігі аумақтың көптеген топырақ-климаттық жағдайларына байланысты болатын ауыл шаруашылығы өндірісіне ұқсайды.

Жоғарыда айтылғаннан, жаңғыртылатын көздердегі энергетиканы халықаралық масштабта да, бір елдің аумағында да жоспарлаудың қарапайым да әмбебап әдісін ұсыну мүмкін еместігін көреміз.

Жаңғыртылатын көздердегі энергияны пайдалану туралы шешімнің негізінде әдетте сол аумақтың қоршаған ортасын көп жылғы бақылау нәтижелері жатады. Және мониторинг барысында алынатын ақпаратта нақты энергетикалық қондырғыны жасауға қажетті барлық параметрлердің болғаны өте маңызды. Мұндай ақпарат жартылай метеорологилық бақылау нәтижелерінде болады, бірақ өкінішке орай, метеостанциялардың орналасқан жері энергоқондырғыларды орнатудың болжамды жерімен көп жағдайда сәйкес келмей жатады және қарастырып отырған міндетке толығымен сәйкес келмейді. Соған қарамастан, метеостанциялардың деректері мақсатты мониторинг нәтижелерімен салыстырмалы талдау өткізудің базасы бола алады. Сонымен, мысалы, жел қондырғыларын орнатудың болжамды жеріндегі бірнеше айдағы желдің жылдамдығын өлшеу нәтижелерін жақын маңдағы метеостанция деректерімен салыстырып, ұзақ кезеңдегі метеодеректерге сүйеніп, желдің жылдамдығын мониторингтеу нәтижелерін экстраполяциялауға болады.

Негізінен өлшеудің арнайы әдістері және сәйкес приборлар алынбаған энергияның жаңғыртылатын көздеріне баға беру әлдеқайда күрделі, бұл айтарлықтай адами және материалды ресурстарды қажет етеді. Метеорология деректеріне, ауыл шаруашылығы ғылымы мен теңіз туралы ғылымға ғана сүйеніп, бұл жағдайда да қажетті ақпараттың көп бөлігін алуға болады [34].

Энергия өндірісінің алдында қашан да оған деген қажеттілікті жан-жақты зерттеу тұрады. Өйткені энергия өндірісі әрдайым арзан емес және қоршаған ортаға тигізетін жағымсыз әсері де бар, оны тиімді де үнемді жұмсау өте маңызды.

Көбінесе энергия көлікте және жылу өндірісінде жұмсалады. Бұл тұтынушылардың әдетте түрлі энергия жинақтағыштары (аккумуляторлар) пайдалануға болады, сондықтан энергетикалық жүйеге енгізу олардың тиімділігін біршама арттырады.

Энергия және тұтынушылар көздерін жетілдіру. Тұтынушылардың сипаттамалары мен энергияның жаңғыртылатын әлеуетті көздерін талдаудан кейін оларды бір-бірімен үйлестіру қажет.

Үйлестіру келесі шарттар орындалғанда барынша үнемді болмақ.

Энергоқондырғы жаңартылатын энергияны максималды пайдалануы тиіс.

Тұтынушы мен энергия көзі арасындағы теріс кері байланысы бар басқару жүйесін қолдану тиімді емес, өйткені түрлендірумен шығарылған энергияның бір бөлігін қоршаған ортаға тастауға тура келеді.

Энергожүйеге аккумуляторларды қосып, электр қондырғының қуатын арттырмай, сұраныс пен ұсынысты үйлестіруге болады.

Энергияның жақсы жинақтағыштары, әсіресе, егер оларды әрекеттегі энергожүйесіне арнап жасауға тура келсе қымбат болады. Энергоқондырғылар үшін (10кВт-қа дейін) көбінесе басқа жинақтағыштар ретінде электрлік аккумуляторларды қолданады [8].

Қазақстан энергия ресурстары бай елдердің санатында. Елде көмірсутектерінің қуатты қоры бар: мұнай – 5,3 миллиард тонна, газ – 3,3 триллион текше метр. Тәуелсіздік жылдары ішінде мұнай өндіру деңгейі 4 есе өсіп, жылына 80млн. тонна шамасына жетті. 2020 жылға дейін бұл көлемді 130 млн. тоннаға дейін жеткізу көзделуде, ал ол елді мұнай өндіруші экономикалардың дүниежүзілік ондығына шығарады. Дегенмен біз дәстүрлі энергетикалық байлықтың неғайбылдығын жақсы түсінеміз. Сондықтан біз көмірсутектерін өндіруге ғана емес, қайталанбалы, баламалы энергияның жаңа түрлерін жатпай-тұрмай іздестіруіміз керек. Сарапшылардың бағамдауынша, қазіргі технологияларды қолдану жағдайында дәстүрлі көмірсутектерінің өндірілмелі қорлары мықтағанда ары кетсе 2060 жылға дейін ғана жететінін адамзат түсінуі тиіс. Мұнай өндіру кеміп, оның бағасы біртіндеп артып бара жатқанын ескергенде енді көп кешікпей жұмыр Жерді мекендеуші халықтың баламалы энергия түрлеріне жаппай көшуі басталмақшы.

ІІІ мыңжылдықтың басында біздің дүние экономикалық, энергетикалық, азық-түліктік, экологиялық және басқа да жаhандық дағдарыстарға бейім. Олар бейне бір адамдарды өркениеттің, экономика мен қоғамның проблемаларын жаңаша түйсінуге мәжбүрлейтін сияқты. Өркениеттің даму серпінін айқындайтын стратегияларды жүзеге асыру үшін қажеттіліктер мен мүмкіндіктер, дамудың негізгі құрамдастары - экономика, энергетика, экология арасындағы теңдестік қажет. Ол үшін "экономика-энергетика-экология" үштағаны мен олардың теңдестірілген бақылауы басты назарда болуы керек. Бірақ әзірге дүниеде ол жоқ. Жаhандық жағдаятқа қарасаңыз, қазір электр энергиясына дүниедегі әрбір бесінші адамның қолы жетпейді. Барша адамзат үшін ең көкейкесті проблемалардың ішінде энергетикалық-экологиялық дағдарыс алға шығып, теңдестірілген энергетикалық қауіпсіздікті қамтамасыз ету мен қоршаған ортаны қорғау мүмкіндігіне күмән туғызып отыр. Соңғы жылдары адамзат энергетикалық-экологиялық қауіпсіздікті қамтамасыз ету мәселелерімен байланысты көптеген проблемалармен бетпе-бет кездесуде. Бүгінде энергетикаға ауқымды инвестициялар салудың өмірлік маңызы бар. Халықаралық энергетикалық агенттіктің бағалауынша, 2030 жылға дейін қажетті қуат ресурстарын өндіріп, тасымалдау үшін 17 триллион АҚШ долларын жұмсауға тура келеді. Швеция, Норвегия секілді елдер өздерінің энергетикасын түгелге жуық қайталанбалы ресурстарға аударса, Киото хаттамасына қол қоймаған АҚШ пен Қытай қайталанбасыз органикалық отынды пайдалануға баса көңіл бөліп отыр. Қорытындысында атмосфераға зиянды қалдықтардың шығуы әлемдік ауқымда арта түсіп, ал дамыған, дамып келе жатқан және өзге елдер арасында энергияны үлестік пайдаланудағы айырмашылық жыл сайын өсіп келеді. Жаhандану адамзатты қайталанбалы энергетикаға көшуге қарқынды түрде итермелеуде. Қазір қайталанбалы энергияның әлемдік қуат балансындағы үлесі небәрі 13,5% ғана. Сөйте тұра мұнайдың, газдың және уранның қоры шексіз емес, олар сарқылып келеді.

Экология мен энергетиканың тығыз байланысты екені даусыз. Жылыжай газдары мен қоршаған ортаға теріс әсерлі басқа да жаhандық қалдықтардың басым бөлігіне себепші – энергетикалық жүйелер.

РИО+20 қорытынды құжатында «Энергетика» тармағы бойынша Қазақстанның ұстанымы тұрақты дамудың экология, әлеуметтік өлшем және экономика сияқты жалпы жұрт таныған негіздеріне төртінші негізді энергетиканы қосуға дүниежүзілік қауымдастықтың назарын тоғыстырды [35].

Жаhандық және ұлттық тұрақты даму үшін әсіресе, «жасыл энергетика» қалыптасуының елеулі мәні бар.

«Жасыл энергетика» - бұл табиғи қорларды тиімді пайдалану есебінен қоғамның әл-ауқатын сақтауға бағытталған, сондай-ақ соңғы пайдалану өнімдерін өндірістік циклге қайтаруды қамтамасыз ететін экономика. «Жасыл энергетика» бірінші кезекте, қазіргі уақытта сарқылуға ұшыраған (пайдалы қазбалар – мұнай, газ) ресурстарды үнемді тұтынуға және сарқылмайтын ресурстарды тиімді пайдалануға бағытталған. «Жасыл энергетиканың» негізінде – таза немесе «жасыл» технологиялар жатыр. Мамандардың айтуы бойынша «жасыл энергетиканы» дамыту, көптеген постиндустриалды елдерде өзінің ауқымымен қозғаған экологиялық дағдарысты біздің елде болдырмауға мүмкіндік береді. Жаңартылған ресурстардың әлеуеті, соның ішінде тек желден алынатын қуаттың өзі ғана жылына шамамен 1 трлн. кВт/сағат. Бұл елдегі бүкіл отын энергетикасын тұтыну көлемінен 25 есеге артық. Ал күн энергиясының әлеуеті 1 трлн. кВт/сағат. Шағын СЭС-тердің жалпы әлеуеті (жекелеген қуаты 10 МВт) 8 млрд. кВт/сағат.

Қазақстанның балама энергия көздері бойынша әлеуеті аса зор. Экспорттық бағамдау негізінен алғанда еліміздің құрамына гидроэнергия, жел және күн энергиясы кіретін ресурстық әлеуеті 1 триллион кВт/сағат мөлшеріне тең деп жобалануда. 2030 жылға таман жаһандық энергетикалық өндірісте жел энергетикасының үлесі 20 пайызға жетпек. Қазақстанда жел энергиясының қуаты ешқашан сарқылмайды. Бұл ретте Жоңғар қақпасында толассыз соғатын қуатты жел екпінін және Алматы қаласындағы Шелек ауданындағы жел энергиясы көздерін айтсақ жетіп жатыр. Сондай-ақ, оңтүстік және оңтүстік-батыс өңірлеріндегі сарқылмас жел энергиясы да келешектегі балама қуат көздерін өндіру үшін таптырмас ресурс екенін айта кетуіміз керек. Бүгінде Қазақстан «жасыл энергетикаға» көшу жөніндегі Тұжырымдамасын дайындау үстінде. Болашақта Қазақстан бұл салаға жыл сайын бөлетін қаржылық ресурстарды жалпы ішкі өнімнің 1 пайызына дейін көтеруді қарастырып отыр. Бұл ақшаға шаққанда 3-4 млрд. долларды құрайды. «Жасыл энергетикаға» көшу үшін бірінші кезекте табиғи ресурстардың тиімділігін арттыру, инфрақұрылымды жаңғырту, жетілдіру, қоршаған ортаның қауіпсіздігін қамтамасыз етуге күш салуымыз керек. Оның халықты жұмыспен қамтудағы әлеуеті үлкен. «Жасыл энергетикаға» көшу арқылы Қазақстан 500 мың адамды тұрақты жұмыспен қамтитын болады [36].

Жақында Халықаралық энергетикалық агенттік (ХЭА) өзінің жыл сайынғы дәстүрлі баяндамасын жариялады. Әлемдік энергетиканың 2012 жылғы ахуалына жан-жақты талдау жасаған бұл құжатта электр қуатын өндіруде көмірден балама энергия көздеріне (БЭК) көшу, ауаға таралатын көмірқышқыл газын (СО₂) азайту мәселелері күн тәртібіне ерекше қойылған. Сарапшылардың айтуынша, қазіргі кезде дүние жүзінде балама қуат көздерін барынша молынан пайдалануға деген шынайы бетбұрыс басталды. Соның арқасында әлемдік деңгейде балама энергия көздерін пайдалану деңгейі бірте-бірте артып келеді.

Электр қуаты көздерінің балама түрлеріне деген әлемдік сұраныс жылдан-жылға артып келеді. Ғалымдардың болжамы бойынша, үстіміздегі ғасырдың ортасына таман жаһандық энергетикалық баланстағы балама қуат көздерінің үлесі 35 пайызға жететін көрінеді. Еуроодақ өзінің мұндағы үлесін 2020 жылдары 20 пайызға, 2040 жылдары 40 пайызға жеткізуді көздеп отыр. Қазір іс жүзінде барлық дамыған елдерде жаңа технологияны қалыптастыру және дамыту бағдарламалары кеңінен іс жүзіне асырылуда.

Халықаралық энергетикалық агенттіктің әлемдік энергетиканы дамыту жөніндегі биылғы баяндамасында 2035 жылға дейін оны дамытудың 5 бағыты ұсынылған. Бұл ретте әлемдік қауымдастық «жасыл энергия» бағытына ерекше маңыз беріп отыр. Ауаға таралатын көмірқышқыл газын барынша азайтып, «жасыл энергетика» технологиясы бойынша электр қуатын өндіру көп шығынды қажет ететіндігі белгілі. Бұл ретте субсидия бөлуге түбегейлі бетбұрыс жасап, балама энергетика көздерін дамытуға барынша мән беру қажет. Бүгінде атмосфераны ластауға барынша мол үлес қосып отырған Қытай және Үндістан сияқты мемлекеттерге жылдан-жылға өсіп отырған энергетикалық сұраныстарын қамтамасыз етуде көмірден гөрі балама энергия көздеріне басымдық беруі керек. Халықаралық энергетика агенттігінің дерегі бойынша 2035 жылға таман адам басына шаққанда ауаға СО₂ газын шығаруда Ресей және Канада алдыңғы қатарға шығатын көрінеді. Мұндай болжам жасауға бұл елдерде балама энергетика көздерін өндіріске кеңінен қолдануға әлі де жете мән берілмей отырғандығы себеп болып отыр.

Қазақстан қоршаған орта және су ресурстары министрлігінің деректеріне сәйкес, 2013 жылдың тоғыз айында елдің ТҚК саласының қуаты 116,8 мегаваттқа жетіп, сағатына 435 миллион киловаттан асатын энергия өндірілген. Оның 0,65 пайызы ғана кәсіби электр қуатын өндіруші мекемелердің үлесінде. Қазақстанның ««жасыл энергетикасы» жылына бір триллион киловатт-сағаттан көп энергия өндіре алады» деген сарапшылар пікірін ескерсек, мұның мүлде аз екенін байқауға болады. Қазақстанның желден энергия өндіру әлеуеті жылына 920 миллиард киловатт-сағат деп бағаланады.

Энергия тиімділігін бағалау саласында қызмет көрсететін Energy Partner инжиниринг және консалтинг компаниясының мамандары Қазақстандағы күн энергетикасы жылына 2,5 миллиард киловатт-сағат, ал гидроэнергетика саласы жылына 30 миллиард киловатт-сағат энергия өндіре алады деп бағалайды [37].

Қазақстан табиғи және энергетикалық ресурстардың ірі қорларын иеленеді. Оған қарамастан, 2011 жылға қалыптасқан отын-энергетикалық баланс республикалық энергия ресурстарында ішкі қажеттілікті толығымен қанағаттандырмайтынын көрсетті, мұнда импорт ресурстардың жалпы көлемінен 4,4%-ды құрайды.

Үшінші мыңжылдықта шығыс елдері мен Солтүстік Африкада байқалған саяси-әлеуметтік толқулармен қатар көмірсутекті шикізаттардың бағасының артуы мұнай мен газды тікелей импорттауға тәуелді елдерде баламалы энергия көздерінің жаңа түрлерін дамыту мәселесі тұр.

Соңғы уақытта баламалы энергия көздерінің экономикалық әлеуеті анағұрлым артты және алдағы уақытта дәстүрлі жолмен өндірілетін энергетикалық ресурстар бағасының артуына байланысты экономикалық тиімділігі арта түспек.

Баламалы энергия көздерінің артықшылығына экологиялық тазалығы мен ешқашан сарқылмайтындығын жатқызсақ болады. Сонымен қатар баламалы энергия көздерін қарқынды түрде қолдануға негіздейтін көптеген дәлелді себептер бар. Олар:

• энергия жабдықтары орталықтандырылмаған аймақтардағы халық пен өндіріс орталықтарын жылу және энергиямен жүйелі түрде қамтамасыз ету;

• энергия жабдықтары орталықтандырылған аумақтардағы энергия тапшылығын көріп отырған халық пен өндіріс орталықтарын кепілді минимум энергиямен қамтамасыз ету;

• энергияны тасымалдауда апатты жағдайларда шектелген ажыратуларды залалсыздандыру;

• отын-энергетикалық кешеннің қоршаған ортаға тигізетін экологиялық жүктемесін төмендету және т.б.

Сурет 2 - Әлемдегі баламалы энергия көздерінен өндірілетін энергияның қолданысы (квадриллион Дж) [38].

Еліміз қазіргі жағдайда көбіне дәстүрлі жолмен энергияны өндіріп жүріп, әлемдегі жасалынып жатқан жаңа баламалы энергия көздерін зерттеу, іздестіру мен қолдану үрдістерінен артта қалмауы керек. Бүгінгі таңда Қазақстандағы баламалы энергия көздерінің дамуын тежеп тұрған ең бір негізгі себептердің бірі – жүзеге асырылуға тиісті жобалардың инвестицияға тапшылығы болып табылады. Сонымен қатар жаңғыртылатын энергия көздерін дамытуда қажетті негізгі заңды нормативтердің жеткіліксіздігі.

Қазіргі уақытта жел энергисы мен био отынды өндіруде жетекші және әлемдегі баламалы энергия көздерін дамыту мақсатында инвестиция салуда алғашқы орындағы елдердің бірі – ол АҚШ. Жыл санап Ақ үй Ақ Ордамен энергетикалық байланысты күшейтіп келеді. Бұл энергетикалық қатынаста АҚШ-тың Қазақстан экономикасына салып жатқан барлық инвестициясының 65%-ы еліміздің энергетикалық секторына бағытталады. Сонымен қатар Қазақстан баламалы энергия көздерін қолдануда АҚШ-тың көптеген озық тәжірибелерін қолдануда. Зерттеулер көрсетіп отырғандай АҚШ пен Қазақстан Республикасының арасындағы жүзеге асып жатқан энергетикалық байланыстардың ішіндегі баламалы энергия көздерін дамытуда ең тиімді өзара әрекеттестік – Қазақстан аумағында жел энергиясын дамыту үшін жасалынып жатқан жобалар болып отыр [39].