Главным фактором роста энергопроизводства является рост численности населения и прогресс качества жизни общества, кото-рый тесно связан с потреблением энергии на душу населения. Сейчас на каждого жителя Земли приходится 2 кВт, а признанная норма качества – 10 кВт (в развитых странах). Если все население Земли рано или поздно должно иметь душевое потребление 10 кВт, то с учетом теплового барьера численность населения не должна превышать 10 млрд. чел. Таким образом, развитие энерге-тики на невозобновляемых ресурсах ставит жесткий предел чис-ленности населения планеты. Однако уже через 75 лет население Земли может достигнуть 20 млрд. чел. Отсюда видно: уже сейчас надо думать о сокращении темпов прироста населения примерно вдвое, к чему цивилизация совсем не готова. Очевиден надвигаю-щийся энергодемографический кризис. Это еще один веский аргу-мент в пользу развития нетрадиционной энергетики. Многие специалисты энергетики считают, что единственный способ преодоления кризиса – это масштабное использование возобновляемых источников энергии: солнечной, ветровой, океанической, или как их еще называют нетрадиционных. Правда, ветряные и водяные мельницы известны с незапамятных времен, и в этом смысле они – самые, что ни есть традиционные. В наши дни поворот к использованию энергии ветра, солнца, воды происходит на новом более высоком уровне развития науки и техники. Использование традиционных энергоресурсов, кроме по-глощения кислорода, приводит к значительному загрязнению ок-ружающей среды. Ограниченность энергоресурсов, влияние их использования на состав атмосферного воздуха и другие негатив-ные воздействия на окружающую среду (образование отходов, нарушение пластов земной коры, изменение климата) вызывают повышенный интерес во всем мире к нетрадиционным источникам энергии, к которым относятся: солнечная энергия; энергия ветра; геотермальная энергия; энергия океанов и морей в виде ак-кумулированной теплоты, морских течений, морских волн, при-ливов и отливов, использование водорослей, сельскохозяйствен-ных и городских отходов, биомассы. Экономическое сравнение электростанций разного типа (на 1991 год) представлено в табл. 2.1. Таблица 2.1 Экономическое сравнение электростанций разного типа Тип электростан-ции Затраты на строитель-ство, USD/кВт Стоимость произведен-ной энергии, цент/кВт•ч ТЭС на угле 1000 – 1400 5,2 – 6,3 АЭС 2000 – 3500 3,6 – 4,5 ГЭС 1000 – 2500 2,1 – 6 ВЭС 300 – 1000 4,7 – 7,2 Приливные (ПЭС) 1000 – 3500 5 – 9 Волновые От 13000 от 15 Солнечные (СЭС) От 14000 от 20 Экономически целесообразным считается строительство электростанций с удельными капитальными затратами до 2000 USD/кВт. К 2010 году страны Европейского союза (ЕС) планируют увеличить использование нетрадиционных источников энергии до 8% в общем объеме энергопотребления. Удельные мощности нетрадиционных возобновляемых ис-точников энергии (НВИЭ) для сопоставления и сравнения с тра-диционными источниками представлены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Удельные мощности нетрадиционных возобновляемых источников энергии Источник Мощность, Вт/м2 Примечание Солнце 100 – 250 Ветер 1500 – 5000 При скорости 8-12 м/с, может быть и больше в зависимости от скорости вет-ра Геотермальное тепло 0.06 Ветровые океанические волны 3000 Вт/пог.м Может достигать 10000 Вт/пог.м Для сравнения: Двигатель внутреннего сгорания Турбореактивный двига-тель Ядерный реактор Около 100 кВт/л До 1 МВт/л До 1 МВт/л Говоря о НВИЭ, необходимо также отметить, что многие из них на единицу произведенной электроэнергии и обеспечение функционирования требуют расхода природных источников энергии (табл. 2.3). Таблица 2.3 Энергетические потребности для производства электроэнергии при использовании возобновляемых источников Тип энергетической установки Расход энергии природного ис-точника на единицу произведенной электроэнергии, отн.ед. Установка на биомассе 0,82 – 1,13 ГеоТЭС 0,08 – 0,37 ГЭС малой мощности большой мощности 0,03 – 0,12 0,09 – 0,39 Солнечная фотоэлектрическая ус-тановка: наземная спутниковая 0,47 0,11 – 0,48 Солнечная теплоустановка (зерка-ла) 0,15 – 0,24 Приливная станция 0,07 Ветроэнергетическая установка 0,06 – 1,92 Волновая станция 0,3 – 0,58 Ветроэнергетика. Ветровая энергетика – это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием ее в электрическую. Имеются ветровые двигатели с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Энергию ветра можно успешно использовать при скорости ветра 5 и более м/с. Недостатком яв-ляется шум. Ориентиром в определении технического потенциала Рес-публики Беларусь могут служить официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в сложившейся структуре электропо-требления таких стран, как Великобритания и Германия. Доля ветроэнергетики в этих странах оценена в 20%. Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы. По-следние инженерные успехи в строительстве ветровых гене-раторов, способных работать при низких скоростях, делают ис-пользование ветра экономически оправданным. Однако, ограни-чения на строительство ВЭС, особенно в густонаселенных райо-нах, значительно снижают потенциал этого источника энергии. Наибольшая доля (до 3%) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993 г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Строительство современных ВЭС началось здесь в конце 70-х годов. А в начале 80-х в штате Калифорния (США) на-блюдался особенно интенсивный рост ВЭС. Принятие здесь закона о налоговых льготах на инвестиции в возобновляемые источники энергии в дополнение к федеральным налоговым льготам создало благоприятную обстановку. В результате Калифорния превратилась в мирового лидера по производству электроэнергии из ветра. США могут потерять это лидерство, так как в ЕС поста-вили цель вырабатывать в 2005 г. 8 тыс. МВт ветровой электро-энергии, что составляет 1% потребностей ЕС в электроэнергии. Дания, Германия и Нидерланды должны довести к этому времени выработку электроэнергии из ветра по крайней мере до 5000 МВт. Стоимость ветровой энергии снижается на 15% в год и даже сегодня может конкурировать на рынке, а главное – имеет пер-спективы дальнейшего снижения в отличие от стоимости энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5% в год); при этом темпы роста ветроэнергетики в настоящее время превышают 25% в год. Использование энергии ветра в различных государствах набирает силу, что находит подтверждение в табл. 2.4. Опыт освоения энергии ветра в развитых государствах пока-зывает, что наиболее оптимальными являются ветроустановки мощностью более 100 кВт, особенно в диапазоне 200—500 кВт. При этом в Дании, например, стоимость 1 кВт•ч. электроэнергии, произведенной на ветроэлектростанции, дешевле, чем на тепло-электростанции. Гелиоэнергетика – получение энергии от Солнца. Имеется несколько технологий солнечной энергетики. Фотоэлектрогенера-торы для прямого преобразования энергии излучения Солнца, со-бранные из большого числа последовательно и параллельно со-единенных элементов, получили название солнечных батарей. Таблица 2.4 Развитие ветроэнергетики в странах Государство Мощности ветроэлек-тростанций, введенных в 1995 г., МВт Суммарные действующие мощности ветро-электростанций по состоянию на 1996 г., МВт Германия 500 1132 Индия 375 576 Дания 98 637 Нидерланды 95 219 Испания 58 133 США 53 1654 Швеция 29 69 Китай 14 44 Италия 11 33 Другие 57 370 Всего 1289 4897 Получение электроэнергии от лучей Солнца не дает вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых солнечных батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами. Солнечные батареи занимают много места. Однако в срав-нении с другими источниками, например с углем, они вполне приемлемы. Более того, солнечные батареи могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, а также использоваться в богатых солнцем пустынях. Особенности солнечных батарей позволяют располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции можно легко транспортировать и устанавливать в другом месте. Поэтому солнечные батареи, применяемые в сельской местности и в отда-ленных районах, дают более дешевую электроэнергию. И, конеч-но, солнечных лучей по всему земному шару найдется больше, чем других источников энергии. Жители отдаленных районов используют энергию солнечных батарей для освещения, радиовещания и других бытовых нужд. Практическое применение солнечной энергии следует отметить также при подъеме воды из скважин и на нужды здравоохранения. Главной причиной, сдерживающей использование солнечных батарей, является их высокая стоимость, которая в будущем, вероятно, снизится благодаря развитию более эффективных и дешевых технологий. Нынешняя стоимость солнечной электро-энергии равняется 4,5 долларов за 1 Вт мощности и, как результат, цена 1 кВт•ч электроэнергии в 6 раз дороже энергии, полученной традиционным путем сжигания топлива. Когда же цена производства солнечной энергии сравняется с ценой энергии от сжигания топлива, оно получит еще более широкое распростра-нение, причем с начала 90-х гг. темпы роста гелио-энергетики со-ставляют 6% в год, в то время как мировое потребление нефти растет на 1,5% в год. Возможно использование солнечной энергии для получения тепловой, в частности, для отопления жилищ. Интересны примеры использования солнечной энергии в разных странах. В условиях Великобритании жители сельской местности по-крывают потребность в тепловой энергии на 40–50% за счет ис-пользования энергии Солнца. В Германии (под Дюссельдорфом) проводились испытания солнечной водонагревательной установки площадью коллекторов 65 м2. Эксплуатация установки показала, что средняя экономия тепла, расходуемого на обогрев, составила 60%, а в летний период – 80-90%. Для условий Германии семья из 4 человек может обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6–9 м2. Современные солнечные коллекторы могут обеспечить ну-жды сельского хозяйства в теплой воде в летний период на 90%, в переходный период – на 55-65%, в зимний – на 30%. В Австрии установлено, что для обеспечения 80% теплой водой в жилых сельских домах на 1 человека требуется установка солнечных коллекторов с поверхностью 2–3 м2 и емкостью бака для воды 100–150 л. Установка площадью 25 м2 с емкостью для нагретой воды на 1000–1500 л обеспечивает теплой водой 12 че-ловек или небольшой сельский двор. Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоуста-новки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции: выработка энергии солнечными энергоустановками составляет соответственно 870000, 290000, 255200, 174000 МВт ч в год. В целом по Европейскому союзу вырабатывается 185600 МВт•ч в год (по данным 1992 г.). Наибольшей суммарной площадью установленных солнеч-ных коллекторов располагают: США – 10 млн. м2, Япония – 8 млн. м2, Израиль – 1,7 млн. м2, Австралия – 1,2 млн. м2. В на-стоящее время 1 м2 солнечного коллектора вырабатывает элек-трической энергий: • 4,86–6,48 кВт•в сутки; • 1070–1426 кВт•ч в год. Нагревает воды в сутки: • 420–360 л (при 30°С); • 210–280 л (при 40°С); • 130–175 л (при 50°С); • 90–120 л (при 60°С). Экономит в год: • электроэнергии – 1070-1426 кВт•ч; • условного топлива – 0,14-0,19 т; • природного газа – 110-145 нм3; • угля – 0,18-0,24 т; • древесного топлива – 0,95-1,26 т. Площадь солнечных коллекторов 2–6 млн. м2 обеспечивает выработку 3,2—8,6 млрд. кВт•ч энергии и экономит 0,42–1,14 млн. т.у.т. в год. Биоэнергетика – это энергетика, основанная на использо-вании биотоплива. Она включает использование растительных отходов, искусственное выращивание биомассы (водорослей, бы-строрастущих деревьев) и получение биогаза. Биогаз – смесь го-рючих газов (примерный состав: метан – 55-65% , углекислый газ – 35-45% , примеси азота, водорода, кислорода и сероводоро-да), образующаяся в процессе биологического разложения биомас-сы или органических бытовых расходов. Способы промышленного получения биогаза известны с конца прошлого века (1885 г.). В мире эксплуатируется более 8 млн. установок для получения биогаза. Биомасса – наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии. Под термином «био-масса» подразумеваются любые материалы биологического про-исхождения, продукты жизнедеятельности и отходы органиче-ского происхождения. Биомасса будет на Земле, пока на ней су-ществует жизнь. Ежегодный прирост органического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, ко-торое в десять раз больше годового потребления энергии всем человечеством на современном этапе. Источники биомассы, характерные для нашей республики, могут быть разделены на несколько основных групп: 1. Продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.). 2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производст-венную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы про-мышленного производства и др.). 3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, ку-риный помет, стебли, ботва и т.д.). 4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокуль-туры и растения. Переработка биомассы в топливо осуществляется по трем направлениям. Первое: биоконверсия, или разложение органических ве-ществ растительного или животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях специальными видами бактерий с образованием газообразного топлива (биогаза) и/или жидкого топлива (этанола, бутанола и т.д.). В настоящее время в Бразилии на этаноле, полученном в результате разложения биомассы из отходов сахарного тростника, работает городской автотранспорт и многие личные автомобили. В США этанол получают из отходов кукурузы. Этанол является хорошим заменителем бензина, при этом в отличие от нефти биомасса является достаточно быстро возобновляемым ресурсом. К биоконверсии относится также получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении органических веществ. Так по научному называется компостирование и биоподогрев, о чем знает каждый огородник. Второе: термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, быстрый пиролиз, синтез) твердых органических веществ (дерева, торфа, угля) в «синтез-газ», метанол, искусственный бензин, древесный уголь. Третье: сжигание отходов в котлах и печах специальных конструкций. В мире сотни миллионов тонн таких отходов сжи-гаются с регенерацией энергии. Прессованные брикеты из бумаги, картона, древесины, полимеров по теплотворной способности сравнимы с бурым углем. Малая гидроэнергетика. В настоящее время признанных единых критериев причисления ГЭС к категории малых гидро-станций не существует. У нас принято считать малыми гидро-станции мощностью от 0,1 до 30 МВт, при этом введено ограни-чение по диаметру рабочего колеса гидротурбины до 2 м и по единичной мощности гидроагрегата – до 10 МВт. ГЭС установ-ленной мощностью менее 0,1 МВт выделены в категории микро-ГЭС. Малая гидроэнергетика в мире в настоящее время переживает третий виток в истории своего развития. Строительство первых ГЭС началось еще в прошлом веке, когда они предназначались для энергоснабжения отдельных заводов и поселков. Затем темпы их строительства замедлились из-за конкуренции небольших тепловых электростанций. Второй этап массового строительства малых ГЭС пришелся на конец 40-х – начало 50-х гг., когда тысячи малых гид-ростанций строились колхозами, совхозами, предприятиями и го-сударством. В 70-80-х гг. сотни и тысячи малых ГЭС были выве-дены из эксплуатации либо законсервированы, либо ликвидирова-ны из-за быстрого развития большой энергетики на базе крупных те-пловых гидравлических и атомных станций. На третьем витке воз-рождение малых ГЭС, естественно, происходит на новом техни-ческом уровне основного энергетического оборудования, степени автоматизации и компьютеризации.
