Нетрадиционные источники энергии

Глобальная обеспеченность органическими энергоресурсами ограничена. Современная гидроэнергетика и ядерная энергетика также не смогут в течение столетий удовлетворить потребность человечества в энергии. Поэтому во всем мире ведутся поиски нетрадиционных источников энергии.

К нетрадиционным невозобновляемым источникам энергии, в первую очередь, относят термоядерную энергетику и магнитогидродинами-ческие генераторы (МГД-генераторы. Привлекательность МГД-генератора заключается в том, что можно получать электроэнергию без движущихся машин. Газы нагреваются в камере сгорания МГД-генератора до температуры 5000-7000°С (до состояния плазмы), способной к электропроводимости и проходят с огромной скоростью через магнитное поле магнита в результате чего возбуждается электродвижущаяся сила ЭДС (см. гл. 6). С помощью электродов генератора электрический ток поступает во внешнюю цепь. Однако до реализации в промышленных целях необходимо преодолеть большие технические трудности, связанные с работой узлов МГД-генератора, а также других устройств в условиях сверхвысоких температур.

Использование термоядерных электростанций в промышленных целях также наталкивается на не преодоленные пока технические трудности несмотря на то, что принципиальная возможность их возведения научно обоснована. Кроме того, термоядерная энергия (как и энергия органических топлив) способна создать недопустимый тепловой перегрев среды обитания (парниковый эффект и т.п.) и поэтому не может развиваться неограниченно.

К нетрадиционным возобновляемым источникам электрической энергии, обычно, относят энергию ветра, солнца, энергию океанов и морей, а также геотермальную энергию (Гео ТЭС) (теплота недр Земли, использование геотермальных вод).

Солнце излучает огромное количество тепла, из которого на Землю в год попадает 1,2 10п Вт, что в 108 раз больше, чем сегодня потребляется в мире. Поэтому разработка энергетических установок, потребляющих солнечную тепловую энергию, является приоритетной.

Известны два типа солнечных электростанций (СЭС):

- солнечные электростанции, использующие фотоэлектрический эффект;
- солнечные электростанции, использующие термодинамический цикл (ТСЭС), в которых солнечное тепло собирается с помощью специальных зеркал-концентраторов, линз или с водной поверхности; собранное тепло используется для нагрева теплоносителя, который далее используется, как на обычных ТЭС.

Коэффициент полезного действия современной СЭС 5-10%, и стоимость энергии СЭС в 5-10 раз выше стоимости энергии, вырабатываемой традиционными электростанциями. Считается, что повышение КПД СЭС до 20% позволит стать СЭС конкурентоспособным источником электрической энергии. Выпускаемые в Японии и США фотоэлектрические батареи на основе аморфного кремния и многослойных пленок позволяют довести КПД СЭС до 10%.

Энергия ветра - это преобразованная энергия солнца, вызывающего движение неравномерно нагретых воздушных масс. Теоретические запасы энергии ветра в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара. Принято считать, что возможно реально использовать для нужд энергетики до 10% теоретических запасов. Строительство ВЭУ (ветроэнергетических установок) имеет многовековую историю, начиная с ветряных мельниц и до современных установок.

Зависимость позволяет вычислить полную мощность ветрового потока в кВт.

Если в движущийся ветровой поток поместить подвижное колесо, удается часть энергии ветрового потока превратить в механическую энергию вращения. Как показано Н.Е.Жуковским, часть мощности ветрового потока, которую удается преобразовать в механическую, называется коэффициентом использования ветра, который для идеального крыльчатого колеса составляет 0,593. Реальный коэффициент полезного действия ветрового колеса не превышает 45-48%.

ВЭС (ветровые электростанции) представляют собой группу ВЭУ, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии. Установленная мощность ВЭС мира на начало 1988 г. составляла 2 млн. кВт (0,04% выработки электрической энергии). Наибольших успехов в строительстве ВЭС достигли США и Дания, где доля ВЭС в производстве электроэнергии составляет 2%. Столь слабое распространение ВЭС обусловлено рядом причин, которые делают их более дорогими, чем традиционные источники электроэнергии.

Как видно из формулы, мощность ветрового потока пропорциональна кубу его скорости и площади перехватываемого потока. Современные ВЭС экономически целесообразно строить в районах, где среднегодовая скорость ветра 5-6 м/с. Для России такие районы находятся по берегам морей и океанов. Для ВЭС необходимы большие площади (ветровые парки), так как современная ВЭУ может взять не более одной двадцать пятой энергии потока ветра на ее территории. Для территории России реален съем с 1км2 мощности 10-15 тыс. кВт. На территории ветровых парков, обычно нет лесов и построек. Земли ветровых парков нельзя считать экологически чистыми. Вибрации, исходящие от ВЭУ, отпугивают от ветровых парков птиц и грызунов.

Скорость ветра весьма изменчива, а энергия ветра пропорциональна третьей степени скорости ветра, то есть при падении скорости ветра втрое, его энергия упадет в 27 раз. Во время штилей ВЭС работать не могут, поэтому их нельзя рассматривать как гарантированный источник энергии. Сказанное относится и к СЭС. Согласно современной концепции, ВЭУ и солнечные электростанции должны дублироваться маневренными мощностями гидростанций или газотурбинных установок, которые способны «подхватить» нагрузку остановленной ВЭС. Таким образом, ВЭС и СЭС позволяют экономить топливо, но не уменьшают установленных мощностей.

В мире имеются опытные водородные электростанции (ВВЭС), которые, возможно, позволят со временем сделать ВЭУ гарантированными источниками энергии. Идея таких станций - использование водорода в качестве топлива. Водород получается путем электролизного разложения воды с помощью электроэнергии ВЭС. В США, на Аляске имеется поселок, энергоснабжение которого осуществляется опытной ВВЭС мощностью 20 тыс. кВт. Однако цена такой энергии в несколько раз дороже энергии, полученной от традиционных источников. Примерно половину стоимости ВВЭС составляет оборудование для разложения воды и хранения водорода.

В настоящее время вклад ВЭС и СЭС в энергетический баланс пренебрежимо мал. Например, на начало 1988 г. установленная мощность ВЭС в мире была 2 млн. кВт, а количество вырабатываемой всеми СЭС электроэнергии на 1988 год не превышало выработки одной Курпсайской ГЭС в Киргизии (установленная мощность 800 тыс. кВт, 2,6 млрд. кВт-ч в год). Тем не менее, во всем мире проявляется большой интерес к строительству и совершенствованию ВЭС и СЭС. Энергетические программы многих развитых стран мира предусматривают развитие технологий нетрадиционного получения электроэнергии. Строительство ветровых и солнечных электростанций поощряется экономически налоговыми льготами, ссудами и т.п. В СССР с начала 80-х годов XX века действовала Энергетическая программа, согласно которой к 2000 году нетрадиционные источники должны были давать 3% всей производимой электроэнергии. В связи с распадом СССР и последовавшим за ним общим экономическим спадом, эта программа не была выполнена.

Существует значительное число проектов энергетического использования энергии морей и океанов - волновые энергетические установки, использующие энергию волн, океанические тепловые станции, основанные на использовании разности температур морской воды на поверхности и на глубине, установки, использующие энергию океанических течений. Однако, промышленное использование получили пока ПЭС - приливные электростанции.

Приливы являются следствием взаимного притяжения системы Земля -Луна - Солнце. Они поднимают уровень морей у берегов от нескольких сантиметров до нескольких метров с периодичностью 12 час. 25 мин. Наивысший прилив наблюдается на берегах залива Фанди (Канада) и достигает 19 м. У берегов России высокие приливы (до 10 м) наблюдаются в заливах Охотского и Белого морей. На Мурманском побережье прилив достигает 7 м.

Идея ПЭС заключается в следующем: залив (губа, фиорд) отсекается от моря плотиной с водопропускными отверстиями. Во время прилива отверстия открыты, в залив поступает вода и уровень повышается. К началу отлива отверстия закрывается. В открытом море при отливе уровень понижается, а в заливе при закрытых отверстиях - нет. В створе плотины образуется перепад уровней (напор), который используется для производства электроэнергии.

ПЭС были первым из нетрадиционных источников, использованным для промышленного производства электрической энергии (ПЭС Сен-Мало, Франция). В России имеется опыт успешной эксплуатации экспериментальной Килогубской ПЭС мощностью 400 кВт, построенной в 1961-66 гг., разработан проект опытно-промышленной Кольской ПЭС мощностью 40 МВт. Всего в России за счет освоения приливной энергии возможно получение 270 млрд. кВт-ч электрической энергии. В перспективе строительство ПЭС может решить проблему электроснабжения Европейского Севера России.

Локальную проблему энергоснабжения Камчатки способна решить геотермальная энергетика. Прогнозные запасы геотермального теплоносителя (горячих вод) юга Камчатки позволяют построить там несколько ГеоТЭС суммарной мощностью 700 МВт, что позволит отказаться от привозимого с материка мазута.

Завершая краткий обзор нетрадиционных возобновляемых источников энергии можно констатировать, что все они пока уступают традиционным по своим реальным техническим возможностям. Потребуется немалое время, прежде чем эти источники станут реальной альтернативой ТЭС, АЭС и ГЭС.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.