Решение энергетической проблемы
Энергетика – основа развития промышленности, сельского и коммунального хозяйства. Однако ныне существующая 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 гипотезе об устойчивом мировом сообществе не отвергается возможность использования традиционных источников энергии, которые питают современную цивилизацию. Более того, предполагается, что возрастет доля атомной энергетики.
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.
Общее количество потребляемой энергии не будет существенно снижено, но энергетика станет менее экологически опасной и более экономной.
Рассмотрим основные варианты нетрадиционной энергетики и возможности энергосбережения.
Гелиоэнергетика (получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии) – одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По прогнозам, к 2020 г. гелиоэнергетика будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии. Исследования по гелиоэнергетике частично финансируются Всемирным банком по программе “Солнечная инициатива”
Различают два основных варианта гелиоэнергетики – физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал.
Солнечные коллекторы применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, Кипре, Египте для нагревания воды и отопления. Ряд предприятий РФ изготовляют несколько типов солнечных сушилок для сельскохозяйственных продуктов, что позволяет сократить затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ и усовершенствованные плоские солнечные коллекторы и комплексные водонагревательные установки.
Солнечные элементы (фотоэлектрические преобразователи, ФЭП) 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). Энергия, получаемая на СЭС, в 5-7 раз дешевле, чем энергия ФЭП. Недостатком СЭС являются 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. 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.
При использовании ресурсов солнечной энергии в пустыне, где нет производств и сравнительно невысока плотность населения (например, в пустыне Гоби), возникает проблема эффективной передачи выработанной энергии в районы, где она может быть использована. По мнению американских футурологов (К.Флейвин и др.), наиболее перспективным является производство водорода на месте получения электроэнергии, а затем его транспортировка по трубопроводам. Водородный вариант транспорта энергии, разумеется, может быть реализован только при гарантии защиты от терроризма, т.к. водород – взрывоопасный газ.
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. 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. Используются 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.
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 градусов. (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 (уже работает 20 установок) и индивидуальные биогазовые установки на 50-200 кг органических отходов в день, позволяющие получать 2,5-12 м3 биогаза. В РБ были созданы опытные образцы таких установок, но дело до их внедрения в производство не дошло. Перспективы развития физического варианта гелиоэнергетики в республике также ограничены, т.к. на ее территории недостаточно количество солнечных дней в году.
Ветроэнергетика – один из наиболее развитых и перспективных вариантов нетрадиционной энергетики, при которой 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 имеется 15 тысяч ветряков). Наиболее оправданны небольшие ветряки (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.
Небольшие 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 ветряки для дачных участков. По прогнозам футурологов в некоторых странах доля электроэнергии, которая получается на ВЭУ, в будущем может составить 10%.
Россия по мощности ВЭУ отстала от развитых стран Запада и даже Индии на несколько порядков. Так, установленная мощность ВЭУ, подключенных к электрическим сетям в 2000 г. в некоторых странах мира составляла (в МВт): Германия – 6113, Испания – 2250, США – 2554, Дания – 2140, Индия – 1167. В России мощность ветроустановок составляет всего 5 МВт. В РБ первые ВЭУ смонтированы в Туймазинском районе на Белебеевской возвышенности.
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, что имеет место в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курилы, острова Японского архипелага). В РФ перспективным районом для развития геотермальной энергетики является также Северный Кавказ.
Сегодня геотермальная энергия в широких масштабах используется в США, Мексике и Филиппинах. Ее доля в энергетике Филиппин составляет 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. В РФ на Камчатке действует одна ГеоТЭС мощностью 11 МВт и строится еще одна мощностью 200 МВт.
Развитие геотермальной энергетики сдерживается ограниченностью числа районов, где она экономически эффективна. Кроме того, экологическую опасность представляют сильно засоленные воды, которые получаются после конденсирования горячего пара.
Приливно-отливная энергетика – получение электрической энергии за счет использования энергии приливов и отливов; один из вариантов нетрадиционной энергетики. Приливно-отливные электростанции (ПЭС) подобны обычным 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.
Первая ПЭС в России создана в Кислой губе Белого моря и имеет мощность 400 КВт.
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, к небольшим Блок-ТЭЦ с мощностью от 100 КВт до 10 МВт с использованием тепловых отходов для отопления ближайших кварталов домов. Блок-ТЭЦ, кроме того, вызывают незначительное загрязнение атмосферы.
Важный резерв в энергосбережении – использование новых технологических схем и решений, позволяющих производить продукцию с меньшими затратами энергии. В металлургии переход от мартеновской плавки к конверторному способу производства стали позволяет затрачивать на получение 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 и т.д.
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 – в 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 сегодня. 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%). Так, 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 позволит резко сократить расходы энергии на обогрев жилья. Имеется принципиальная возможность сократить примерно в 2 раза расход электроэнергии при использовании холодильников, телевизоров и т.д. Большие возможности таит в себе энергосбережение в сельском хозяйстве (см. раздел 10.10).
Резервы энергосбережения в РБ очень велики, так как сегодня наши отрасли хозяйства и бытовое обслуживание значительно более энергоемкие, чем в развитых странах. Энергоемкость в расчете на единицу ВВП в РБ (как и в РФ) в 1,5-2 раза выше среднемировых значений и в 2,5-3 раза выше, чем в Европе.