Перспективы развития мировой энергетики. Энергетика и экология

          С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение туманных явлений. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обусловливает формирование местных ветров типа бризов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не всегда положительную), изменение погоды. В ряде случаев в зоне водохранилищ приходится менять направление сельского хозяйства. Например в южных районах нашей страны некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не успевают вызревать, повышается заболеваемость растений, ухудшается качество продукции.

         Издержки гидростроительства для  среды заметно меньше в горных  районах, где водохранилища обычно  невелики по площади. Однако  в сейсмоопасных горных районах  водохранилища могут провоцировать землетрясения. Увеличивается вероятность оползневых явлений и вероятность катастроф в результате возможного разрушения плотин. Так, в 1960 г. в Индии (штат Гунжарат) в результате прорыва плотины вода унесла 15 тысяч жизней людей.

          В силу специфики технологии использования водной энергии гидроэнергетические объекты преобразуют природные процессы на весьма длительные сроки. Например водохранилище ГЭС (или система водохранилищ в случае каскада ГЭС) может существовать десятки и сотни лет, при этом на месте естественного водотока возникает техногенный объект с искусственным регулированием природных процессов - природно-техническая система (ПТС). В данном случае задача сводится к формированию такой ПТС, которая обеспечивала бы надежное и экологически безопасное формирование комплекса. При этом соотношение между основными подсистемами ПТС (техногенным объектом и природной средой) может быть существенно различным в зависимости от выбранных приоритетов - технических, экологических, социально-экономических и др., а принцип экологической безопасности может формулироваться, например, как поддержание некоторого устойчивого состояния создаваемой ПТС.

         Эффективным способом уменьшения затопления территорий является увеличение количества ГЭС в каскаде с уменьшением на каждой ступени напора и, следовательно, зеркала водохранилищ. Несмотря на снижение энергетических показателей и уменьшение регулирующих возможностей возрастания стоимости, низконапорные гидроузлы, обеспечивающие минимальные затопления земель, лежат в основе всех современных разработок.

          Еще одна экологическая проблема  гидроэнергетики связана с оценкой  качества водной среды. Имеющее место загрязнение воды вызвано не технологическими процессами производства электроэнергии на ГЭС (объемы загрязнений, поступающие со сточными водами ГЭС, составляют ничтожно малую долю в общей массе загрязнений хозяйственного комплекса), а низкое качество санитарно-технических работ при создании водохранилищ и сброс неочищенных стоков в водные объекты.

          В водохранилищах задерживается большая часть питательных веществ, приносимых реками. В теплую погоду водоросли способны массами размножаться в поверхностных слоях обогащенного питательными веществами, или эвтрофного, водохранилища. В ходе фотосинтеза водоросли потребляют питательные вещества из водохранилища и производят большое количество кислорода. Отмершие водоросли придают воде неприятный запах и вкус, покрывают толстым слоем дно и препятствуют отдыху людей на берегах водохранилищ. Массовое размножение, «цветение» водорослей в неглубоких заболоченных водохранилищах стран СНГ делает их воду непригодной ни для промышленного использования, ни для хозяйственных нужд.

          В первые годы после заполнения  водохранилища в нем появляется  много разложившейся растительности, а «новый» грунт может резко снизить уровень кислорода в воде. Гниение органических веществ может привести к выделению огромного количества парниковых газов — метана и двуокиси углерода.

          Водохранилища часто «созревают»  десятилетиями или дольше, а в  тропиках этот процесс длится столетиями — пока разложится большая часть всей органики.

            Рассматривая воздействие ГЭС на окружающую среду, следует все же отметить жизнесберегающую функцию ГЭС. Так, выработка каждого млрд кВтч электроэнергии на ГЭС вместо ТЭС приводит к уменьшению смертности населения на 100-226 чел./год.

Альтернативные  источники получения энергии

        Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

        Энергию  ветра относят к возобновляемым  видам энергии, так как она  является следствием деятельности  солнца. Ветроэнергетика является  бурно развивающейся отраслью, так  в конце 2010 года общая установленная  мощность всех ветрогенераторов  составила 196,6 гигаватт. В том  же году количество электрической  энергии, произведённой всеми  ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов

         Крупные ветряные электростанции  включаются в общую сеть, более  мелкие используются для снабжения  электричеством удалённых районов.  В отличие от ископаемого топлива,  энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более  экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

         Существенным недостатком энергии  ветра является ее непостоянство  и изменчивость во времени,  но эти факторы можно скомпенсировать  за счет определенного расположения  ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной, и от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию. Работающие ветроагрегаты имеют ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов затрудняет прием телепередач и создает мощные звуковые колебания.

          Мощность ветрогенератора зависит  от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

          Наиболее перспективными местами  для производства энергии из  ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по  сравнению с сушей выше в  1,5 — 2 раза. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда  и дальше), строятся офшорные ветряные  электростанции. Башни ветрогенераторов  устанавливают на фундаменты  из свай, забитых на глубину  до 30 метров.

          Могут использоваться и другие  типы подводных фундаментов, а  также плавающие основания. Первый  прототип плавающей ветряной  турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.

         Запасы энергии ветра более  чем в сто раз превышают  запасы гидроэнергии всех рек  планеты.

          Мощность высотных потоков ветра  (на высотах 7-14 км) примерно в  10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности.

          Ветряные генераторы в процессе  эксплуатации не потребляют ископаемого  топлива. Работа ветрогенератора  мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет  сэкономить примерно 29 тыс. тонн  угля или 92 тыс. баррелей нефти.

          В большинстве регионов России  среднегодовая скорость ветра  не превышает 5 м/с, в связи с чем привычные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы - их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с, и получить от их работы существенное количество энергии не удастся. Однако на сегодняшний день все больше производителей ветрогенераторов предлагают т.н. роторные установки, или ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Принципиальное отличие состоит в том, что вертикальному генератору достаточно 1 м/с чтобы начать вырабатывать электричество. Развитие этого направления снимает ограничения по использованию энергии ветра в целях электроснабжения. Наиболее прогрессивная технология - сочетание в одном устройстве генераторов двух видов - вертикального ветрогенератора и ФЭМ (фото-электрические модули) - солнечные панели. Дополняя друг друга, совместно они гарантируют производство достаточного количества электроэнергии на любых территориях и в любых климатических условиях. Достаточных, например, для уличного освещения или питания объектов инженерно-технической инфраструктуры

          Энергия приливов. Использование  энергии приливов началось уже  в Х1 в. для работы мельниц и лесопилок на берегах Белого и Северного морей. До сих пор подобные сооружения служат жителям ряда прибрежных стран. Сейчас исследования по созданию приливных электростанций (ПЭС) ведутся во многих странах мира.

    Два раза в  сутки в одно и то же время  уровень океана то поднимается,  то опускается. Это гравитационные  силы Луны и Солнца притягивают  к себе массы воды. Вдали от  берега колебания уровня воды  не превышают 1 м, но у самого  берега они могут достигать  13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море.

  С созданием особых, капсульных турбин, действующих  в обоих направлениях, открылись  новые возможности повышения  эффективности ПЭС при условии  их включения в единую энергетическую  систему региона или страны.

 При совпадении времени прилива или отлива с периодом наибольшего потребления энергии ПЭС работает в турбинном режиме, а при совпадении времени прилива или отлива с наименьшим потреблением энергии турбины ПЭС либо отключают, либо они работают в насосном режиме, наполняя бассейн выше уровня прилива или откачивая воду из бассейна.

   В 1968 г. на побережье  Баренцева моря в Кислой губе  сооружена первая в нашей стране  опытно-промышленная ПЭС. В здании  электростанции размещено 2 гидроагрегата  мощностью 400 кВт. 

 Десятилетний опыт  эксплуатации первой ПЭС позволил  приступить к составлению проектов  Мезенской ПЭС на Белом море, Пенжинской (см. рис. 4) и Тугурской на Охотском море.

          Преимуществами ПЭС является  экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

          Использование великих сил приливов  и отливов Мирового океана, даже  самих океанских волн - интересная  проблема. К решению ее еще  только приступают. Тут многое  предстоит изучать, изобретать, конструировать.

         Солнечная энергия. Основной источник  большей части энергии – Солнце. Это оно помогает расти растениям,  управляет ветром и волнами  и заставляет воду испаряться. Верхней границы атмосферы Земли  за год достигает огромный  поток солнечной энергии. Атмосфера  Земли отражает 35 % этой энергии  обратно в космос, а остальная  энергия расходуется на нагрев  земной поверхности образование  волн в морях и океанах.

          Ежегодный объем солнечного тепла  эквивалентен энергии, полученной  от 60 биллионов т нефти. В Калифорнии  в 1994 г. введена в строй солнечно-газовая  станция 480 МВт электрической  мощности. В ночные часы и зимой  энергию дает в основном газ,  а летом в дневные часы –  солнце.

          Одним из лидеров практического  использования энергии Солнца  является Швейцария. Здесь построено  около 2600 гелиоустановок на кремниевых  фотопреобразователях, которые имеют  мощность от 1 до 1000 кВт. Солнечные  установки практически не требуют  расходов на эксплуатацию, не  нуждаются в ремонте. Работать  они могут бесконечно долго.

          Всего одна сотая часть солнечной  энергии, использованная с 5 %-ной  эффективностью, даст каждой стране  мира столько же энергии, сколько  потребляют сейчас США. Проблема  в том, как ее использовать.

          Уголь, другое ископаемое топливо  очень легки в употреблении, так как несут энергию, которая концентрировалась в течение миллионов лет. Солнечный свет может быть преобразован в электричество с помощью солнечных элементов, но так как он распространяется на громадные территории, трудно собрать его в больших количествах. Такие же проблемы возникают при попытках «подчинить» ветер, в результате эти виды энергии трудно использовать в промышленных объемах.

Заключение

        Энергия  – важнейший элемент поддержания  жизни человека с древних времён. В настоящее время уровень  энергетики – это не только  важный социальный статус, но  и показатель независимости во  всём мире. Страна, обладающая большими  запасами первичных энергоресурсов, занимает ключевое место в  мировой экономике. 

         Население Земли растёт по  экспоненциальному закону, а, следовательно, необходима добыча большего количества энергоресурсов. Такая компания привела к огромным выбросам отходов и нежелательных газов, создающих парниковый эффект. Из-за пагубного влияния средняя температура атмосферы повысилась примерно на один градус. Оценки, полученные по климатическим моделям, на которые ссылается Межгосударственна группа экспертов по изменению климата, говорят, что в XXI веке средняя температура поверхности Земли может повыситься на 1,1º – 6,4º С. Повышение температуры приведёт к таянию ледников и повышению уровня Мирового океана.

         Помимо повышения уровня Мирового  океана, повышение глобальной температуры  также приведёт к изменениям  в количестве и распределениям  атмосферных осадков. В результате  могут участиться природные катаклизмы: наводнения, засухи, ураганы и другие.