Капран М.П. Старые знания, новые возможности: альтернативная энергетика

Сжигание угля, газа и нефти – не самый лучший способ их использования, и долго он не продлится. Человечеству нужна эта «углеводородная пауза» для разработки и внедрения более эффективных, чем сжигание угля, газа и нефти, и менее опасных, чем на АЭС, способов производства энергии.

Развитие альтернативных (по отношению к атомной энергетике и сжиганию ископаемого органического топлива) источников энергии идет более быстрыми темпами, чем это предполагалось еще 10 лет назад. Уже в 1992 г. в США альтернативные источники энергии (вместе с традиционными возобновляемыми гидроэнергетическими источниками) давали больше электричества, чем все АЭС вместе взятые (в США атомная энергетика дает 22% всей электроэнергии).

В середине 80-х гг. академик Ж.Алферов сообщил, что, если бы на развитие альтернативных источников энергии было затрачено только 15% средств, брошенных на развитие атомной энергетики, то АЭС для производства электроэнергии в СССР вообще не потребовались бы.

Солнечная энергетика

Вся энергетика человечества, как и всех живущих на Земле, имеет своим первоисточником солнечную энергию.

Из-за энергетических кризисов 70-х гг. в странах Запада возник огромный интерес к альтернативам (СССР в это же время процветал, «поднявшись» на продаже сибирской нефти). Цена нефти поднялась до 40 долларов за баррель, и правительства западных стран стали выделять субсидии на развитие гелиоиндустрии – производство фотоэлементов и, в особенности, производство солнечных тепловых систем. К середине 80-х гг. нефть подешевела до 10 долларов за баррель, и финансирование солнечных энергосистем резко сократилось, что задержало исследовательские и проектно-конструкторские работы, и соответственно, замедлилось снижение стоимости систем. В то же время 80-е гг. принесли новое видение того, какое воздействие оказывает производство энергии на окружающую среду – катастрофа в Чернобыле заставила европейцев вновь задуматься о более чистых и безопасных формах энергии. Несмотря на относительный застой, в 80-е гг. гелиоиндустрия добилась значительных успехов, и теперь стоимость фотоэлектрического модуля составляет одну треть от его реальной стоимости десятилетней давности. В 90-е гг. интерес к гелиоиндустрии вновь возрос.

Фотоэлектрические модули, производимые в Финляндии компанией NAPS (no: «SolarEnergySystems...»)

Стоимость электроэнергии (цент/кВт∙ч) от гелиоустановок в США стремительно упала с уровня 80-х гг.: 1983 г. -50-100, 1989 г. – 16-30, 1990 г. – 10-20, и прогноз на 2000 г. – 6-10 центов за кВт∙ч. Мировой энергетический совет (МИРЭС) прогнозирует, что в 2020-м году эта цена упадет до 2-3 центов за кВт∙ч.

Снижение цены одной солнечной батареи (в ценах 1993 г.) и увеличение производства электричества солнечными батареями в 1975-1993 гг. в США (Flavin, 1996).

Уже сейчас на Земле суммарная мощность установленных солнечных батарей равна 500 МВт. В 1996 г. продано солнечных батарей на 70 МВт, а ежегодный прирост продаж составляет около 10%.

При определенной поддержке (значительно меньшей, чем при развитии атомной энергетики) солнечная энергетика могла бы через 10-15 лет давать до 5% (а через 20-25 лет – до 10%) всего электричества в мире.

Что касается условий Беларуси, то у нас плоскость в 1 м², наклоненная к югу на 30-45 градусов, получает солнечной энергии в среднем за год (с учетом ночей и облачности) около 0,15 кВт; в среднем за полгода (апрель-сентябрь с учетом ночей и облачности) около 0,24 кВт. При современном КПД солнечных батарей 11-14% среднегодовая электрическая мощность, которую можно снять с площади 1 км² (1 млн м²) – 18 МВт. В 2010 г. по «Основным направлениям энергетической политики...» электроэнергии планируется использовать 50 млрд кВт∙ч, т.е. современные солнечные батареи площадью 324 млн м² дадут эту энергию. Это примерно 34 м² на одного белоруса, если принять, что к 2010 г. прогнозируется сокращение населения до 9,5 млн.

Еще одна реальная возможность непосредственного использования солнечной энергии – солнечные тепловые коллекторы.

Для частных домашних хозяйств получение горячей воды с помощью солнечной энергии является самой эффективной возможностью использования возобновляемой энергии. В климатических условиях Беларуси солнечные коллекторы могут обеспечить около 50% годовой потребности в горячей воде. Причем с мая по сентябрь они могут полностью обеспечить эту потребность (а в мае–августе и превысить потребность). Все компоненты системы, такие, например, как коллекторные пластины, теплообменники, теплокоммуникации, могут быть смонтированы в соответствии с потребностью и рационально соединены между собой. Установку можно провести своими силами и таким образом уменьшить общую стоимость. Простейший солнечный коллектор, разработанный в белорусском отделении Международной академии экологии, предназначенный для установки на шиферные крыши, имеет себестоимость всего 10 долларов/м² и по основным характеристикам соответствует западным образцам.

Упрощенная схема использования солнечного коллектора (по: «Энергосберегающий дом»)

{mospagebreak}Ветроэнергетика

Ветроэнергетика способна при оптимистическом развитии событий давать миру не менее 7% электроэнергии. Уже сейчас стоимость производства электроэнергии на ветровых станциях во многих регионах мира оказывается ниже, чем на современных угольных станциях. По прогнозам, основанным на уже осуществляемых или принятых планах строительства ветроэнергетических установок в мире, к 2005 г. их мощность троекратно увеличится и достигнет 18 500 МВт – это половина мощности всех 48 сооружаемых в разных странах мира в 1996 г. АЭС!

Среднестатистическое домашнее хозяйство в США потребляет 9400 кВт∙ч электроэнергии ежегодно. Ветряная турбина мощностью 10 кВт способна вырабатывать около 16 000 кВт∙ч ежегодно, а турбина мощностью 600 кВт производит более 1300 МВт∙ч в год. Сейчас в США производятся турбины номинальной мощностью от 250 Вт до 600 кВт.

Малые ветряные турбины (от 250 Вт до 50 кВт) чаще всего являются самым дешевым источником энергии для отдаленных населенных пунктов, не подключенных к коммунальной электросети. Комбинированные системы – ветер/фотоэлементы, ветер/дизель и другие сочетания – часто являются наиболее эффективными и экономичными для сельской электрификации. Для небольших ветроэлектрических турбин среднегодовая скорость ветра должна быть более 4 м/с, а для ветротурбин, приводящих в действие водяные насосы, еще меньше. Для коммунальных ветроэлектростанций минимальная скорость ветра составляет 6 м/с.

В Беларуси метеопункты часто размещены в зонах, закрытых от ветра, и ложбинах для выявления холодных пятидневок в сельскохозяйственных целях, что занижает средние данные по скорости ветра в отношении холмов, где будут устанавливаться ветроагрегаты. Однако проведенные исследования показывают, что республика имеет достаточно регионов, где средняя скорость ветра достигает рентабельных величин. 20% территории страны относятся к зонам, благоприятным для развития ветроэнергетики (среднегодовая скорость ветра 5-5,5 м/с – 12% и свыше 5,5 м/с – 8%).

Стоимость электроэнергии (цент/кВт∙ч) от ветроустановок в США стабильно понижалась с 80-х гг.: 1983 г. – 12-20, 1989 г. – 8, 1990 г. – 6-10 и прогноз на 2000 г. – 4-5 центов за кВт∙ч.

В 1993 г. Исследовательский институт электроэнергии (США) сделал такой вывод: «Есть основания ожидать, что в последующие 10-12 лет ветер станет наиболее дешевым источником электроэнергии из всех существующих».

Размер и номинальная мощность ветряных турбин (по: «Наиболее часто задаваемые вопросы по энергии ветра»)

Гидроэнергетика: малые и бесплотинные гидростанции

Огромны резервы нетрадиционных форм гидроэнергетики: малых гидростанций, бесплотинных и наплавных электростанций на водопотоках, приливных и особенно волновых электростанций. Для прибрежных районов мира волновые электростанции уже через 20-25 лет способны дать большую часть необходимой им электроэнергии, а в мировом балансе 20-25% электроэнергии.

В белорусском отделении Международной академии экологии считают, что в Беларуси возможно создание системы малых ГЭС как плотинного, так и бесплотинного типа – несмотря на мелиорацию, Беларусь остается многоводной страной. Еще до конца 60-х гг. в республике действовало 180 малых ГЭС общей мощностью 21 МВт.

Органические отходы – биомасса

Источники биомассы, характерные для республики, могут быть разделены на несколько основных групп: 1) древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.; 2) отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, лигнин и др.); 3) отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т.д.); 4) специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения.

В настоящее время древесные отходы уже находят применение: созданы установки, осваивается технология производства генераторного газа и его сжигание. Специалисты считают, что при правильном использовании древесины, древесных отходов и быстрорастущих лесных насаждений может быть покрыто 15% потребностей страны в топливе. При современном объеме потребления это составит около 6 млн т условного топлива.

В основе переработки твердых бытовых отходов, отходов животноводства лежат технологии анаэробного сбраживания биомассы. Продуктом этого сбраживания является биогаз (метан в смеси с другими газами) и органические удобрения.

К середине 80-х гг. в Китае количество биогазовых установок объемом 8-10 м³ превышало 10 млн штук, а большего объема – 40 тыс. штук. Установки обеспечивали 70% крестьянских семей биогазом и удобрениями. К 2000 г. Китай планирует производить 500 млрд м³ биогаза в год, что эквивалентно 400 млн т условного топлива.

Такие установки получили развитие в Дании, ФРГ, Швеции, Франции, Бельгии, Италии, Швейцарии, Австрии, Чехии и других странах.

В климатических условиях Беларуси при переработке навоза от 400 голов крупного рогатого скота или 4 тыс. голов свиней в сутки можно получать 450-500 м³ биогаза. Его теплотворная возможность достаточно велика – 1 м газа эквивалентен 0,5 кг дизельного топлива и позволяет получить 1,6 кВт∙ч электроэнергии. В случае организации переработки твердых бытовых отходов только на свалках под Минском может быть ежегодно получено 220 млн м³ биогаза, что составляет около 170 тыс. ф условного топлива в год.

Редуцируемый природный газ и пар котельных

На территории Беларуси имеется разветвленная сеть газопроводов природного газа с высоким давлением. При поступлении газа потребителю давление его снижается на газораспределительных станциях и пунктах до требуемого уровня. Чтобы использовать энергию редуцируемого газа, нужно заменить редукционные клапаны на турбодетандерные установки. Одновременно с производством энергии из турбины будет выходить газ, имеющий отрицательную в несколько десятков градусов температуру, что также необходимо использовать. Еще в 1992 г. была признана перспективность этого направления, но оно так и осталось нереализованным. В подобном положении находится и освоение избыточного давления пара крупных котельных (около 400 котельных) – перепад просто уменьшается дроссельными клапанами.

Низкопотенциальное тепло земли

Только в пределах Припятского прогиба температура горных пород несколько повышена (92,7 °С на глубине 3326 м и 130 °С на глубине более 5000 м).

Подробнее узнать о возможностях альтернативной энергетики можно из брошюры «Возобновляемые источники энергии в Республике Беларусь: прогноз, механизмы реализации» (Изд-во «Право и экономика». – Мн., 1997).