На карте показано, в каких районах планеты наиболее эффективно могли бы применяться солнечные (solar), ветро (wind), волновые (waves), геотермальные (geothermal) электростанции.
Десять шагов на пути к замене традиционной энергетики на альтернативную
Шаг 1. Использовать ветер
За последние 20 лет была проделана огромная работа по совершенствованию ветрогенераторов. Цена энергии ветра с тех пор снизилась на 85%. Во многих районах США (таких как Канзас, Северная Дакота, Техас, Колорадо) энергия, полученная на ветряных электростанциях, стоит дешевле энергии обычных электростанций.
Ветроэлектростанция у побережья Германии.
Уровень развития технологии таков, что ветроэлектростанции коммерчески эффективно вырабатывают электроэнергию даже при легком бризе. Максимальная единичная мощность ветрогенераторов – 6 МВт (немецкая компания REpower), диаметр ротора такой турбины -126 метров, высота башни - 120 метров (что выше американской статуи Свободы). Стоимость ветроэнергетических установок в странах Европы и в Америке уже сравнялась со стоимость строительства угольных станций (1500-2000 долл/кВт).
Германия сегодня вырабатывает 20% электроэнергии на ветроэнергетических станциях.
Шаг 2. Перестроить распределительные сети.
Существующие распределительные сети построены так, чтобы доставлять энергию потребителю. Но широкое распространение солнечных, ветровых и прочих локальных источников энергии (установленных у потребителя) требует перестройки сетей таким образом, чтобы поток энергии мог осуществляться в двух направлениях: как к потребителю, так и от него. Это позволит создать гигантский распределенный энергетический комплекс, в котором потребители смогут не только потреблять энергию, но и продавать ее излишки.
На снимке: Tony Ellsworth – владелец фирмы, торгующей велосипедами на крыше своего нового офиса, которая не только обеспечивает энергией себя, но и выдает ее излишки в общую сеть.
На крыше здания установлены солнечные батареи, рядом стоит геотермальная установка для обеспечения теплом.
Благодаря экономии на покупной электро- и теплоэнергии, а также продаже излишков, Tony Ellsworth окупил затраты на строительство всего комплекса за 4 года!
Шаг 3. Заменить все обычные автомобили на автомобили с гибридными двигателями.
Транспортные средства с гибридными силовыми установками становятся все более популярными. В таких автомобилях используется сочетание двигателя внутреннего сгорания и электрической силовой установки. Гибридный автомобиль запасает энергию в аккумуляторах каждый раз, когда водитель начинает торможение. Электрическая силовая установка помогает при разгоне машины и может полностью заменить двигатель внутреннего сгорания, если энергии в аккумуляторах накоплено достаточно. Помимо снижения расхода топлива при использовании сдвоенной силовой установки есть возможность уменьшить размеры и повысить ресурс двигателя внутреннего сгорания.
Научно-исследовательские центры ведущих автомобилестроительных корпораций мира сейчас работают над развитием идеи гибридного автомобиля. Конструктора хотят добиться полной интеграции транспортных средств с энергетической инфраструктурой. Сверхзадача такова: гибридный автомобиль должен быть как потребителем энергии (заряжая свои аккумуляторы ночью, когда тарифы на энергию минимальны), так и поставщиком (выдавая накопленную энергию в распределительную сеть).
Новой поколение гибридных автомобилей имеет обозначение PHEVs (plug-in hybrid electric vehicles). По мнению Daniel Kammen (директора лаборатории альтернативной энергетики университета Беркли в Калифорнии), если заменить все транспортные средства Америки на автомобили PHEV, потребление нефти в США снизится на 70-90%. Так как выработка электроэнергии на электростанциях гораздо более эффективна (с точки зрения кпд), чем сжигание топлива в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, потребуется сжигать гораздо меньше энергоносителей, что даст огромный экологический эффект. Например, даже если вся энергия будет вырабатываться на угольных станциях, объем выбросов парникового газа CO2 снизится более чем на половину! При широком использовании возобновляемых источников энергии снижение эмиссии будет еще больше.
Естественно, что полная замена обычных автомобилей на гибридные произойдет не скоро. Росту популярности таких машин мешает ограниченная емкость и большие размеры аккумуляторных батарей. Однако исследования департамента энергетики США показали, что в среднем американцы проезжают не более 40 миль в день. Производители автомобилей уже сегодня готовы создать коммерчески эффективный автомобиль (то есть окупающейся сравнительно быстро), способный с нормальной загрузкой и приемлемой динамикой проехать такое расстояние на одном заряде аккумуляторов.
Пока что в США создан только один прототип автомобиля PHEV - это коммерческий микроавтобус на базе Dodge Sprinter. Однако многие производители заявляют о ведении конструкторских проработок в этом направлении.
Распространению гибридных автомобилей будет способствовать и применение композитных материалов в конструкции (машины станут легче, потребуется менее мощная силовая установка).
Шаг 4. Развивать технологию производство этанола.
Применение этанола (топлива для двигателей внутреннего сгорания, производимого из традиционных сельскохозяйственных культур) во всем мире развивается настольно быстро, что это уже серьезно влияет на мировой рынок продовольствия. В 2007 году на рынке США будет продано около одного миллиона автомобилей, приспособленных к этому виду топлива. Число этанольных заправок достигнет одной тысячи.
Проблема применения этанола заключается в том, что в основном его производят из сельскохозяйственных культур (таких как кукуруза, пшеница). В процессе выращивания этих культур потребляется такое количество ископаемого топлива (на производство удобрений, для сельскохоязйственной техники и пр.), что экономический и экологический эффект практически сводится на нет. Если бы не субсидии правительства США, производство этанола было бы не оправдано и не выгодно.
Ученые видят выход в переходе от использования сельскохозяйственных культур как сырья для этанола к применению различных отходов сельского хозяйства и деревообработки (например, щепы).
Широкому применению отходов как сырья для этанола сегодня мешает высокая стоимость ферментов, задействованных в процессе. И здесь ученые придумали интересное и экологичное решение. Они предложили использовать термитов. Оказалось, что пищевой тракт термитов содержит особые бактерии, которые преобразуют целлюлозу в углеводы (carbohydrates), из которых уже и производится этанол.
Шаг 5. Увеличить использование энергии солнца.
Солнечной энергии, которая доходит до Земли всего за один час, достаточно для удовлетворения потребностей человечества в течение одного года!
Использование солнца для нагрева воды человечество освоило уже давно. Преобразовывать солнечную энергию в электрическую люди начали со времен начала полетов в космос. С тех пор солнечные батареи были значительно усовершенствованы, однако коэффициент полезного действия таких установок до сих не превышает 15-20%.
В пустыне Mojave недалеко от Лос-Анджелеса в настоящее время строится принципиально новая установка для преобразования солнечной энергии в электрическую (солнечный коллектор). Ожидается, что установка будет преобразовывать в электроэнергию до 30% получаемой солнечной энергии.
Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н.В. Линицким в 30-х годах. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приемником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов.
Опыты по строительству солнечных станций коллекторного типа были начаты в восьмидесятых годах в США.
В пустыне Mojave в ближайшие несколько лет будут установлены тысячи огромных (11 м в диаметре) вогнутых зеркал. Зеркала оснащены электронным устройством, которое будет отслеживать движение солнца и корректировать положение зеркал. Зеркала будут направлять солнечный свет на коллектор, в котором нагревается водород (до 700ºС), используемый затем в двигателе Стирлинга
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например, солнечных лучей. Относится к двигателям внешнего сгорания.
Бета Стирлинг У двигателя бета-типа цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень, с которого снимается мощность, и "вытеснитель", изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор.
Станция, возводимая рядом с Лос-Анджелесом, будет одной из крупнейших солнечных станций на планете. Всего планируется установить 20 тыс. зеркал. Станция займет площадь 4,5 тысячи акров (больше 18 км²) обеспечит энергией 278 тысяч домов. Станция в пустыне Mojave будет производить электроэнергии больше, чем все солнечные электростанции в Америке вместе взятые.
В мире реализуются и другие проекты строительства солнечных коллекторных электростанций:
- Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.
- В июне 2006 г. в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.
Совершенствовать хорошо известные обыкновенные солнечные батареи на основе фотоэффекта - также крайне важная инженерная задача. Их применение для локальных потребителей экономически выгодно, так как не требует развития электрических сетей. Они незаменимы для различных портативных электронных устройств. Ученые уверены, что в ближайшее время мы сможем обеспечивать зарядку телефонов или КПК, подключая их к одежде (на поверхности которой будут расположены солнечные батареи).
Ученые уверены, что повышение эффективности солнечных батарей возможно через использование нанотехнологий. Они позволят получать больше энергии с единицы площади. Например, ученые университета Нового Южного Уэльса в Австралии пытаются довести коэффициент полезного действия солнечных батарей до 50% через расширение спектра солнечного излучения, полезно используемого в батареях. Их опыт связан с попытками преобразования структуры оксида кремния на наноуровне.
Шаг 6: Водородная энергетика
Фантастические перспективы человечеству сулит переход к широкому использованию в качестве топлива водорода. Такое топливо могло бы решить, прежде всего, экологические проблемы человечества, так как сжигание водорода не приводит к выбросам парниковых газов, тяжелых металлов и пр. В результате сжигания (а точнее окисления) образуется только вода.
Потенциал водородной энергетики настолько огромен, что в США даже разработана стратегия перевода экономики США на широчайшее использование водорода (программа «Водородная экономика»).
Проблема водородной энергетики заключается в том, что пока не разработан экономически и экологически эффективный способ получения водорода. Объем эмиссии парникового газа CO2, происходящий при выработке энергии традиционными источникам, перекрывает экологический эффект от замещения традиционных видов топлива водородом. Себестоимость водорода, выработанного самым дешевым способом (паровая конверсия природного газа), в 2004 году в США составляла не менее $2 за кг.
Кроме того, транспорт и хранение водорода – чрезвычайно взрыво- и пожароопасно.
Ученые работают над несколькими перспективными технологиями получения водорода в промышленных масштабах:
- газификация угля (нагрев угля до 800-1300 градусов Цельсия без доступа кислорода). Себестоимость сейчас составляет $2-2,5 за килограмм. В будущем – $1,5 за килограмм.
- использование атомной энергии для электролиза воды (разложение воды на водород и кислород). Себестоимость – $2,3 за килограмм.
- получение водорода из биомассы (термохимическим (нагрев биомассы) или биохимическим способом (водород вырабатывают бактерии)). Себестоимость сейчас составляет $5 за килограмм. В будущем возможно снижение до $1 за килограмм.
Другая сфера применения водорода – топливные элементы. Эти элементы могут применятся в качестве локальных и мобильных источников электроэнергии и тепла. Мощность элементов находится в диапазоне от 0,75 до 10 кВт.
Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию без процесса горения химическим путем, почти так же, как батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие химические вещества - водород и кислород, а продуктом химической реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако при использовании углеводородного топлива, конечно же, неизбежен определенный уровень выбросов двуокиси углерода.
В 2007 году во всем мире действовало около 8000 малых стационарных водородных энергоустановок мощностью до 10 кВт. Большая часть таких установок работает в Японии. Стоимость 1 кВт установленной мощности таких установок в Японии в 2007 году составляла менее 8,7 тысячи долларов.
Крайне привлекательно научиться использовать преимущества водородной энергетики в автомобилях. Коэффициент полезного действия топливных элементов в два раза выше кпд обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Шаг 7: Энергия волн – неисчерпаемый источник энергии.
В Европе и Америке долгое время проводились научные работы по разработке электростанци, способных коммерчески эффективно преобразовывать энергию волн в электрическую энергию.
Потенциал волновой энергетики в США – 2100*10 кВт-ч в год (в 2006 году всеми источниками энергии в США было произведено 4064*10 кВт-ч ). Безболезненно для экологии можно было бы использовать одну восьмую часть потенциала, то есть обеспечивать около 7% потребностей в энергии (что равняется доле гидроэлектростанций в энергетическом балансе США).
Пилотные проекты строительства волновых электростанций реализуются в настоящее время в Португалии (проект Pelamis) , Англии и Шотландии. О проекте Pelamis наш портал подробно писал.
Теоретически волновая электростанция использует ту же самую энергию ветра, что и ветроэлектростанция. Однако она имеет ряд преимуществ. Главное из них: волновая электростанция коммерчески эффективна при меньшей скорости ветра по сравнению с ветроэнергетической установкой.
Еще один вариант использования бесплатной энергии моря – приливные электростанции. В мире эта технология используется достаточно давно.
В России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря мощностью 0,4 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море. В настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестпроект РАО «ЕЭС». Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире — проектная мощность 87 ГВт.
Существуют ПЭС и за рубежом — во Франции, США и других странах. Мощность самой крупной в мире приливной станции «Ля Ранс» во Франции составляет 240 МВт
Один из последних проектов приливных электростанций в мире – станция на реке East River в Нью-Йорке. На станции установлены 6 турбин, которые способны выработать 0,5 млн. кВт-ч в год.
Шаг 8: Использование энергии земли и хранение тепла
Под поверхностью нашей планеты сокрыты невероятные резервы тепла и энергии. При бурении скважин было установлено, что вблизи поверхности земли температура в среднем возрастает на 20ºС на 1 км. На глубине 100 км под поверхностью земли температура достигает 1300-1500 ºС. По сути, наша планета – это гигантский естественный котел. К сожалению, на земле сравнительно не много мест, где есть возможность использования геотермальной энергии. Однако их потенциал огромен.
Например, в Западном Техасе (США) существует множество заброшенных нефтяных скважин, которые могут быть использованы как источник геотермальной энергии. Их суммарный потенциал достигает 5000 МВт.
Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении.
Установленная мощность геотермальных электростанций в мире на начало 90-х годов прошлого века составляла около 5000 МВт, на начало 2000 года - около 6000 МВт
На 2006 год в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м³/сутки. На 20-ти месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкессия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).
Все три российские геотермальные электростанции расположены на территории Камчатки, суммарный электропотенциал пароводных терм которой оценивается в 1 ГВт рабочей электрической мощности, однако реализован только в 50 МВт: Мутновское месторождение: Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт и выработкой 85,3 млн. кВт-ч/год, Мутновская ГеоТЭС 25 МВт (на 2006 ведётся строительство, увеличивающее мощность до 80 МВт•э и выработку до 577 млн. кВт-ч) Паужетское месторождение возле вулканов Кошелева и Камбального — Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт и выработкой 59,5 млн. кВт-ч (на 2006 проводится реконструкция с увеличением мощности до 18 МВт).
Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, которые в 2005 году произвели около 16 млрд. кВт-ч возобновимой электроэнергии. Основные промышленные зоны: «гейзеры» — в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), и северная часть Солёного моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности). В Неваде установленная мощность станций достигает 235 МВт. Геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии в стране, имеет особую правительственную поддержку.
Геотермальная энергетика в последнее время серьезно продвинулась в своем развитии. Последние разработки позволяют вырабатывать электричество при температуре пароводяной смеси ниже 80ºС. Это позволяет применять геотермальные станции гораздо шире. Ожидается, что мощность станций в США в ближайшее время удвоится.
Все более популярным становится еще один способ использования тепла земли. Уже разработана методика бурения глубоких скважин и принудительной закачки в них воды. Причем возможны два варианта. Либо закачка воды для сохранения ее тепла, либо для нагрева холодной воды.
Шаг 9: Использовать биомассу.
Человечество использует биомассу для удовлетворения энергетических потребностей со времен Палеолита, когда первобытные люди запекали мясо убитых животных, используя тепло лесных пожарищ. На сегодняшний день лес остается главным источником биомассы. Биомасса – это отходы сельского хозяйства и даже канализационные стоки.
Важнейшее преимущество использования биомассы состоит в том, что объем эмиссии парниковых газов при сжигания биогаза равен количеству газов, усвоенных растениями в процессе их роста. То есть количество парниковых газов в атмосфере практически не меняется.
Биомасса – это органическое сырье для производства биогаза, который может сжигаться в энергетических котлах. Биогаз получают путем газификации (значительный нагрев без доступа кислорода) биомассы. Биогаз представляет собой смесь водорода и газа СО. Такая смесь полностью заменяет природный газ и может быть сожжена в газовой турбине и котле. Температура отработанных в газовой турбине газов достаточно высока и может быть вторично использована для вторичного использования в котле-утилизаторе (бинарный цикл).
В качестве примера можно привести типичную ферму в американском штате Вермонт. На ферме содержится 1,5 тыс. голов крупного рогатого скота. Скот производит такое количество помета, которого достаточно для производства 1,8 млн. кВт-ч в год. Для производства биогаза используется технология анаэробного сбраживания. Навоз собирают в специальные резервуары, где специальные бактерии при отсутствии доступа кислорода производят биогаз. Технология очень экологична, так как, если бы навоз подвергался естественному гниению, выделялся бы газ метан, который по своим парниковым свойствам в 20 раз разрушительней, чем газ CO2. Отходы, которые остаются в результате процесса выработки биогаза, являются прекрасным удобрением (компостом).
Шаг 10: Рационально использовать энергию
Человечеству важно не только использовать альтернативную энергетику, но и работать над рационализацией использования произведенной энергии. В этой сфере уже достигнуты значительные успехи. Например, экономика США сейчас потребляет на 47% энергии на 1 доллар ВВП меньше, чем это было 30 лет назад.
К сожалению, рост мировой экономики приводит к тому, что суммарный объем потребления энергии и носителей только увеличивается.
