Альтернативные источники энергии

                                                 Введение.

       Одна из глобальных экологических проблем состоит в том, что использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей окружающей среды. С другой стороны, среднегодовой прирост энергопотребления человечеством опережает объемы разведанных запасов органического топлива и его темпы роста в настоящее и прогнозируемое время, что подталкивает человечество к возможному энергетическому кризису. В этой связи вопросы энергообеспечения следует рассматривать с позиции негативного влияния энергетики на окружающую среду и, в первую очередь, связывать с экономией традиционных видов топлив путем использования нетрадиционных восполняемых источников энергии таких видов, как солнца, тепла близлежащих пластов земли, ветра и т. д.

          Подход к решению задачи использования восполняемых источников энергии должен быть комплексный, т.е. совместное использование ряда источников, применяя различные способы и технику. Объективная необходимость энергоэкологического образования неизбежно вытекает из энергоэкологической революции, являющейся стержнем глобального технологического переворота первой половины XXI века.

          Энергия является движущей силой промышленного развития, прямым следствием которого становятся вызванные сжиганием древесины, угля, нефти и газа негативные экологические изменения планетарного масштаба. Именно поэтому энергоэкологическая революция во многом предопределяет формат будущего и для человечества, и для всей планеты. Современное состояние и перспективы мирового сообщества дают основания для вывода о целесообразности его движения. Это непростой путь, но для народов и стран мира в условиях глобализации этот путь представляется единственно верным, обеспечивающим не только их выживание, но и длительное устойчивое развитие в гармонии с природой.

           В начале XXI века в структуре первичных энергоресурсов  по миру нефть занимает 40%, газ 23%, против 27% (всего ископаемое топливо 90%);

 в России соответственно 23; 52; 19; 94%¹. По прогнозам, к 2020г. структура первичных источников изменится незначительно. Однако в следующие 30 лет энергоэкологическая революция приведет к значительному снижению на 20-30-% - доли ископаемого топлива (при сохранении или некотором уменьшении его потребления). Однако на вопрос о том, какие альтернативные источники займут высвобождающуюся нишу, нет однозначного ответа. На это место претендуют атомная энергетика; другим претендентом на занятие высвобождающихся рыночной ниши является биотопливо, позволяющее использовать энергию биомасс. Но ресурсы биомассы ограничены и сокращаются ее нужно использовать, прежде всего, для производства продовольствия. И, наконец, возможный претендент – возобновляемые источники энергии (геотермальная, ветровая, солнечная и т.п.). Пока доля возобновляемых и других источников энергии в ее общем потреблении невелика и стабильна: по миру 10,8 в 1990г. и 10,4 в 2003г. (в странах с высоким доходом 2,9 и 3,0 % с низким доходом – 54,8 и 48,9%, в России 1,6 и 1,0 %²).

 Возобновляемые энергоресурсы – это природные источники энергии, которые сохраняются сотни миллионов лет почти без изменений, независимо от того, пользуются ими люди или нет. Поэтому их называют возобновляемыми. Это энергия солнца, геотермальная энергии, энергии приливов и отливов, энергия ветра и другие виды. Рассмотрим некоторые виды  возобновляемых источников энергии.

1. Солнечная  энергия (гелиоэнергетика).

         Одним из восполняемых источников энергии является Солнце - практически неограниченный источник, мощность которого на поверхности Земли оценивается в 20 млрд. КВт. Этот неиссякаемый источник энергии ( астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» ещё несколько миллиардов лет) не загрязняет окружающую среду, что особенно важно сточки зрения экологии. Солнечная энергия – это кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате термоядерных реакций в недрах Солнца.

           Подсчитано, что 1% солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения всех нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем.

Световое излучение можно улавливать и использовать непосредственно, когда  оно достигает Земли. Это называют прямым использованием солнечной энергии. Кроме того, она обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха и накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к этим энергоресурсам, мы по сути дела занимаемся непрямым использованием солнечной энергии.

             Прямое использование солнечной энергии:

1.Использование солнечных плоских коллекторов для отопления и горячего водоснабжения зданий. Эти конструкции устанавливают на крыше под углом, примерно равным широте данной местности.

         Коллекторы имеют чёрную поверхность, а на ней «окно» из стекла или прозрачной пластмассы. Эта поверхность поглощает световую энергию и превращает её в тепловую, а «окно» не позволяет теплу рассеиваться в пространство. К металлической пластине приварены параллельные трубы. Чтобы нагреть, воздух пропускают между чёрной поверхностью и «окном», а воду – по трубам внутри самой поверхности. Затраты на улавливание солнечной энергии и преобразование её в тепловую сводятся к минимуму.

       Так, в Западной Европе использование солнечных коллекторов в быту (вместо ископаемого топлива) позволило снизить энергопотребление и выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на 10-20 %. В Израиле солнечная энергия обеспечивает 65% горячего водоснабжения жилищ.

           Солнечную энергию уже начали применять, том числе и для прогрева бетона. В зарубежной практике она используется солнечными лучами и далее работают по традиционной схеме. В России в 80-е годы были развернуты обширные исследования и разработаны принципиально новые схемы прямого, без промежуточных теплоносителей, использования энергии Солнца для прогрева бетона Южный Казахстан, Туркменистан, Узбекистан, Киргизия, Таджикистан, Южное Поволжье, Краснодарский и Ставропольский края, т.е. регионы с жарким и сухим климатом, являются районами с интенсивной солнечной радиацией, промышленное использование которой позволяет резко сократить в этих регионах потребление традиционных источников энергии. Разработанные гелиотехнологии производства сборных изделий дают возможность или вообще отказаться от традиционных видов энергии, или резко снизить их потребление в течение 4-6 мес. в году. Гелиотехнологии, обеспечивающие получение продукции высокого качества и долговечности, выбираются в зависимости от географической широты местности, интенсивности солнечной радиации, вида конструкций, их размеров и других факторов.

2. Преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрического преобразователя (солнечной батареи). Они изготовлены из особых материалов, в которых падающая энергия света индуцирует электрический ток. Первая в мире электростанция на солнечных батареях была построена в Калифорнии, которая обеспечивает теплом около 2,5 тысяч жилых домов.

           В Германии уже реализуется проект «Тысяча крыш». 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. Любопытно, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята еще более масштабная программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 года. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд долл.

          По использованию солнечной энергии на душу населения на первом месте в мире стоит Кипр, где 90 % коттеджей и большое число отелей и многоквартирных домов располагают солнечными водонагревателями.

         Применение солнечных батарей очень быстро растёт, например, в карманных калькуляторах, телефонах, телевизорах, в железнодорожной сигнализации, океанических буях, на маяках, морских буровых платформах, в оросительных системах , в мобильной связи. Первая базовая станция мобильной связи, работающая на солнечных батареях и энергии ветра, в скором времени откроется в Намибии, в деревне Дордабис. Глава компании МТС Namibia (дочерняя компания Motorola), Йохан Траут, отметил, что Намибия страна с огромными территориями, в которой живет всего два миллиона человек. В отдаленные уголки подводить электричество очень дорого. Именно поэтому энергия солнца и ветра представляется наиболее актуальной для страны. До этого на альтернативных источниках энергии работала в тестовом режиме лишь небольшая станция в Суиндоне (Великобритания), Использование восполняемых источников энергии имеет свои преимущества. Затраты на ветряные турбины и солнечные батареи примерно такие же, что и на подсоединение к электрической сети, но подключить их можно гораздо быстрее. подобная сеть сможет обслуживать примерно 1500 жителей деревни, а также фермеров, живущих в радиусе 30 км. Motorola планирует создать аналогичные сети мобильной связи и в других странах мира.

3. «Энергобашни».

            Принцип действия прост. Лучи солнца концентрируются в одном пункте соответственно расположенными зеркалами. Эти зеркала (гелиостаты) поворачиваются на протяжении дня, чтобы следовать за солнцем на его небесном пути. Они отражают солнечные лучи и фокусируют их на энергетической башне, где огромная концентрация энергии заставляет воду кипеть и превращать в пар. Пар по трубам поступает в турбину на земле, вращает её и вырабатывает электричество. Первая «энергобашня» была построена в 1983г. На юге Калифорнии. С тех пор в мире построено 17 аналогичных «энергобашен»: 9 - в Калифорнии, остальные - в Израиле, Франции, Испании, Японии, Италии и России. По своей рентабельности они могут конкурировать с атомными электростанциями, кроме того не загрязняют окружающую среду.

4. Солнечные пруды.

Это искусственный водоём, заполненный очень солёной водой, поверх которой находится пресная. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло, т.е. используется тот же принцип, что в парниках, только земля и стекло заменены на рассол и пресную воду. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно. В развитии этой технологии пальма первенства принадлежит Израилю.

5. Преобразование солнечной энергии в химическую.

       Это использование установки, получающей топливо (водород) за счёт солнечной энергии., преобразующейся в химическую. Применяется в Саудовской Аравии.

               Непрямое использование солнечной энергии.

          К непрямому использованию солнечной энергии относят энергетическое использование биомассы. Биомассой называется любая органика, образующаяся за счёт фотосинтеза. ЕЁ применяют  в виде топлива или переработки в различные его виды. Биомассу можно сжигать, а также превращать в метан или в спирт, которые используются как топливо. Не обходится без возобновляемых видов энергии и автотранспорт. Сегодня в мире наблюдается очередная волна интереса к рапсовому маслу, прежде всего как экологически чистому топливу. В Европе в качестве биотоплива уже используют метилэфир рапсового масла — достаточно дорогой продукт (дороже традиционного дизтоплива). Ведутся поиски возможности увеличения его эффективности.

        Наши самые обычные энергетические ресурсы тесно связаны с солнцем. Гидроэнергия также относится к преобразованной солнечной энергии, так как солнечное излучение - движущая сила круговорота воды в природе. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

 Другие возобновляемые источники энергии.

1.Преобразование океанической тепловой энергии.

           Принцип действия основан на том, что электричество может вырабатываться за счёт  разницы в температуре океанской воды на разной глубине. Здесь тёплая вода у поверхности служит для испарения рабочей жидкости, такой, как, аммиак, и её пары при высоком давлении вращают турбину для получения электричества. Холодная вода из глубины служит для конденсации отработанного аммиачного пара снова в жидкое состояние.

2.Ветроэнергетика.

          Это использование заключённой в ветре механической энергии с помощью ветроэлектрических станций для выработки электроэнергии и приведения в действие различных механизмов (водяных насосов, мукомольных мельниц и т.д.) Наиболее надёжными и рентабельными являются электростанции мощностью 50-100 кВт (с высотой башни 15-25 м). Большое число ветроустановок работает в Голландии, Дании, Германии, США. В Китае функционирует более 120 тыс. небольших ветрогенераторов и 1600 насосов, использующих энергию ветра.

        Недавно власти штата Техас заявили, что готовы реализовать интересный проект по постройке вдоль всего техасского побережья Мексиканского залива плавучих ветряных электрогенераторов. Согласно планам руководства штата сотни генераторов будут установлены в море на расстоянии свыше 15 км от береговой линии. На таком удалении они не будут портить вид на залив, открывающийся с берега, и в то же время смогут в полной мере использовать энергию ветра. Власти Техаса уже подписали контракт на строительство и установку в море энергетического блока из пятидесяти ветрогенераторов.

         Плавающие ветряные турбины представляют собой гигантские бетонные пустотелые поплавки длиной более 200 м. Ко дну они будут крепиться тросами и якорями. Расчетная глубина моря в месте монтажа 200—700 м. В верхней части этих плавающих башен разместятся лопасти турбин диаметром около 100 м. Такие поплавки смогут вырабатывать от 3 до 5 МВт мощности каждый. Несмотря на то, что защитники природы говорят об опасности нарушения морской и прибрежной экосистем, сторонники проекта убеждены, что еще один скачок цен на углеводородное сырье сможет переубедить самых жестких критиков строительства подобных электростанций. Планируется, что в ближайшее время в создание цепи генераторов вдоль всего побережья штата будет инвестировано 300 млн долл.

            В нашей стране с 1995 года пять усовершенствованных установок мощностью 200 кВт на Заполярной ветроэлектростанции, вблизи г. Воркуты и в Калмыкии (Элиста) пущена в работу автоматизированная ветроэлектрическая установка «Радуга» - мощностью до 1000 кВт. В целом пока ветроэнергетика в ряде зарубежных стран даёт лишь 8-10 % получаемой электроэнергии, но её дальнейшее развитие может предотвратить массовые выбросы загрязняющих веществ от традиционных электростанций, использующих ископаемое топливо.

3. Геотермальная  энергия.

 Тепло земных недр  называется геотермальной энергией. Используется оно в специальных  геотермальных установках. Это возможно  лишь в областях современного  и молодого вулканизма, а также  в тектонически подвижных регионах, где горячие подземные воды поднимаются к поверхности и выходят в виде термальных источников. Самая крупная в мире геотермальная электростанция (мощностью 700 МВт) находится в США, другая (мощностью 450 МВт) – в Тоскане (Италия), которая снабжает электроэнергией всю область. В Исландии 80 % населения обогревают свои дома геотермальным теплом, причём в Рейкьявике в парниках выращивают даже бананы. С середины 60-х годов в Новой Зеландии стали энергично использовать геотермальную энергию, где подземный горячий пар приводит в действие паровые турбины и электростанции. Так, самые современные турбины на р. Уайкато производят более 150млн Вт электроэнергии. В настоящее время геотермальная энергетика особенно развивается в Центральной Америке, В Азии и Африке, причём на одно из первых мест по использованию данной энергии выходит Япония. В России имеются огромные геотермальные ресурсы, но пока действует только геотермальная электростанция на Камчатке – Паужетская (с 1966 г.) весьма малой мощности. Однако, как установили немецкие экологи, при использовании геотермальной энергии возможно загрязнение среды в тех случаях, когда горячая вода (с содержанием солей, серы и др.) после использования для отопления сбрасывается в неочищенном виде в реки и другие поверхностные водотоки.

4. Энергия приливов  и отливов.

            В приливах и отливах, сменяющих друг друга дважды в день, также заключается огромная энергия. Самое простое устройство – плотина с турбинами поперёк устья морского залива. Вода, проходя во время прилива через отверстия в плотине, приводит турбины в движение, генерируя электроэнергию. При отливе наклон лопастей меняется на противоположный, и генераторы продолжают работать без остановки. К  настоящему времени в мире функционируют две приливно-отливные электростанции- во Франции и России.

        Выработка электроэнергии на таких установках рентабельна при амплитуде колебаний уровня воды не менее 6 метров. В противном случае на постройку и эксплуатацию их пойдёт больше энергии, чем они смогут давать.

                                                             Заключение.

          Обзор альтернативных источников показывает, что на пороге 21 века необходимо использование новых источников энергии и прежде всего возобновляемых.

          В июле 2006 г. года группа сенаторов США подготовила на рассмотрение Конгресса проект по переходу страны на возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Власти надеются, что к 2025 году около 25% энергетических ресурсов страны составит так называемая чистая энергетика, основанная на энергии солнца, воды и ветра. Американскую инициативу подхватили и европейцы. Финляндия отрапортовала, что уже в 2025 году доля ВИЭ в ее энергетике составит 40%. Подобные проекты реализуются в Германии и других странах ЕС. Этой осенью американская корпорация RAND по заказу организации Energy Future Coalition провела свое независимое исследование и пришла к выводу, что к 2025 году переход на возобновляемые источники энергии можно осуществить даже с меньшими финансовыми вложениями, чем предполагалось ранее. Для составления доклада в RAND использовали компьютерную модель, учитывающую 1500 различных сценариев развития событий на рынке энергоносителей. В RAND убеждены, что к 2025 году процент возобновляемых источников энергии в энергетике страны можно довести как минимум до 18 при условии, что высокие цены на нефть в ближайшие годы продолжат свой рост или останутся на прежнем уровне.

          «В последние годы человечество все больше задумывается над возможностью черпать энергию из окружающей нас среды, — рассказывает заведующий сектором лаборатории возобновляемых источников энергии факультета географии МГУ Сергей Зайцев. — И Соединенные Штаты не единственные в этом роде. Возможности такого перехода рассматриваются в Европе, в Азии, в России и вообще, где это возможно. К сожалению, на сегодняшний день в России, да и во многих других развитых странах, уровень такой энергетики составляет примерно 5—6%. И в основном приходятся эти проценты на гидроэлектростанции».

           Первой побить рекорд собирается Финляндия. Эта страна намерена увеличить долю возобновляемых источников энергии до 25% аж к 2015 году. Общее же энергопотребление за тот же период предполагается снизить на 5% за счет энергосберегающих технологий. Ну а к 2025 году правительство призывает довести уровень использования «зеленой» энергии до 40%.

           В Брюсселе 9.03.2006 г. прошёл двухдневном саммите  Евросоюза. Сокращение зависимости Евросоюза от импорта нефти и газа, а также обеспечение его лидерства в области инновационных энергетических технологий - главные цели, которых решили добиваться главы государств и правительств 27 стран ЕС.

           Евросоюз «открыл двери в новое и лучшее будущее», продемонстрировав готовность стать мировым лидером по двум важнейшим политико-экономическим направлениям - защите климата Земли от потепления и переходу на новые, возобновляемые виды топлива. Так прокомментировала итоги саммита германский федеральный канцлер Ангела Меркель, председательствовавшая на встрече.

        «Евросоюз взял на себя миссию по реализации третьей технологической революции, которая призвана сохранить экологию планеты и привести к отказу от нефти и газа как главных источников энергии», - заявила Меркель, подчеркнув, что лидерство в области разработки новых энергетических источников позволит ЕС стать ведущим экспортером передовой наукоемкой технологии.

          После длительных и напряженных дискуссий страны-члены ЕС взяли на себя обязательства довести к 2020 году долю возобновляемых источников в производстве электроэнергии до 20 проц.

         Таким образом, можно сказать, что правительства большинства стран мира понимает проблему энергетического кризиса и осознаёт необходимость использования возобновляемых источников энергии. Движение к устойчивому обществу требует постепенного устранения зависимости от ископаемого и ядерного топлива и перехода на альтернативные виды энергии.