Альтернативные виды энергии

Альтернативная  энергетика

Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение  теплового баланса

атмосферы постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит

энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей  остротой

показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам

энергии. Они  экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и

Земли.

Основные  причины, указывающие  на важность скорейшего перехода к АИЭ:

-        Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт

пагубного влияния  на окружающую среду традиционных энергодобывающих

технологий (в  т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к

катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

-        Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит

альтернативную  энергетику, способна претендовать на мировое первенство и

фактически диктовать  цены на топливные ресурсы;

-        Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике

позволит сохранить  топливные ресурсы страны для  переработки в химической и

других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость  энергии, производимой

многими альтернативными  источниками, уже сегодня ниже стоимости  энергии из

традиционных  источников, да и сроки окупаемости  строительства альтернативных

электростанций  существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются,

на традиционную - постоянно растут;

-      Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При

этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии

было бы рентабельно  и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты

роста онкологических и других тяжелых заболеваний  в районах расположения АЭС,

крупных ГРЭС, предприятий  топливно-энергетического комплекса, хорошо известен

вред, наносимый  гигантскими равнинными  ГЭС, - всё  это увеличивает социальную

напряженность.

-      Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных

ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических

изменений в  атмосфере и биосфере планеты  существующая традиционная энергетика

представляется  тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо

немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии. 

К так называемым нетрадиционным источникам энергии  относятся: тепло Земли

(геотермальная  энергия), Солнца (в том числе энергия  ветра, морских волн,

тепла морей  и океанов), а также «малая»  гидроэнергетика: морские приливы  и

отливы, биогазовые, теплонасосные установки и другие преобразователи энергии.

Но только возобновляемые источники энергии, могут представлять реальную

альтернативу  традиционным технологиям сегодня  и в перспективе.

Солнечная энергия

Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной  энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказывать от практически неистощимого источника  чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть  все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив  их на крышах домов и рядом с  ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов  даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

Ветер

Потенциал энергии  ветра подсчитан более менее  точно: по оценке Всемирной метеорологической  организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит картина и сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских сотнеметровых башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где постоянно дуют сильные ветры, вносящих тоже свой немаловажный “процент” в мировой энергобаланс.

У энергии ветра  есть несколько существенных недостатков, которые затрудняют ее использование, но отнюдь не умаляют ее главного преимущества - экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому  необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, как мы увидим дальше эти недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет.

В настоящее  время разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.

Разработаны и  действуют так называемые циклонные  электростанции мощностью до ста  тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим  воздушным потоком, создает искусственный  “циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее  и солнечных батарей и обычных  ветряков.

Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные “ветряные фермы”. Ветряки при  этом стоят рядами на обширном пространстве, потому что их нельзя ставить слишком  тесно - иначе они будут загораживать друг друга. Такие “фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они  занимают много места; в Дании  “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она  никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше.

Положительный пример по использованию энергии  ветра показали Нидерланды и Швеция, которая приняла решение на протяжении 90-х годов построить и разместить в наиболее удобных местах 54 тысячи высокоэффективных энергоустановок. В мире сейчас работает более 30 тысяч ветроустановок разной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии.

2.4 Водород.

На данный момент водород является самым разрабатываемым  «топливом будущего». На это есть несколько причин: при окислении  водорода образуется как побочный продукт  вода, из нее же можно водород  добывать. А если учесть, что 73% поверхности  Земли покрыты водой, то можно  считать, что водород неисчерпаемое  топливо. Так же возможно использование  водорода для осуществления термоядерного  синтеза, который вот уже несколько  миллиардов лет происходит на нашем  Солнце и обеспечивает нас солнечной  энергией. 

Энергия приливов и отливов.

Несоизмеримо  более мощным источником водных потоков  являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в  год. Для сравнения: это примерно столько же энергии, сколько может дать использование в энергетических целях разведанных запасов каменного и бурого угля, вместе взятых; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года - на 1150 млрд., хрущевский “коммунизм” к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС): накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

На сегодняшний  день ПЭС уступает тепловой энергетике: кто будет вкладывать миллиарды  долларов в сооружение ПЭС, когда  есть нефть, газ и уголь, продаваемые  развивающимися странами за бесценок? В тоже время она обладает всеми  необходимыми предпосылками, чтобы  в будущем стать важнейшей  составляющей мировой энергетики, такой, какой сегодня, к примеру, является природный газ.

Для сооружения ПЭС даже в наиболее благоприятных  для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, или даже столетия. И все же процент  за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.

Первая приливная  электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье  реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и в настоящее время эффективно используется.

Существуют также  проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал  Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м . 

Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских  приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство. 

Энергия волн.

Уже инженерно  разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно  моря или озера устанавливается  вертикальная труба, в подводной  части которой сделано “окно”; попадая в него, глубинная волна (а это - почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а тот  крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая электростанция работает беспрерывно почти при  любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег.

Некоторые типы ВЭС могут служить отличными  волнорезами, защищая побережье  от волн и экономя, таким образом, миллионы долларов на сооружение бетонных волнорезов.

Под руководством директора Лаборатории энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне был разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоринском проливе, где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн. м3 в секунду, что в 20 раз  превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара! По подсчетам  специалистов средства, вложенные в  проект, окупятся в течение пяти лет.