Виды возобновляемых источников энергии и факторы ориентации на их развитие

Возобновляемые источники энергии - это источники энергии, базирующие­ся на постоянно существующих или периодически возникающих процессах в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедея­тельности человеческого общества.

29

ляемые ресурсы^[29].

К группе ВИЭ относят также вторично возобновляемые источники энергии, образующиеся в результате человеческой деятельности (тепло промышленных и бытовых жидких стоков, вентиляционных выбросов, твердые бытовые и прочие отходы), отходы промышленных, сельскохозяйственных и иных предприятий, а

также промежуточные источники энергии, в частности, метан угольных пластов, являющийся продуктом химических реакций, происходящих в угольных пластах. Что касается торфа, то в научном сообществе нет устоявшейся терминологии от­носительно данного источника энергии (и ценного органического удобрения). Ряд ученых, например, Безруких П., Елистратов В. называют его промежуточным^[30], некоторые представители научного сообщества классифицируют торф как мед­ленно возобновляемое топливо (в объеме годового прироста)^[31]. В связи со стрем­лением человечества к вовлечению в оборот разноплановых ВИЭ, по нашему мнению, представляется целесообразным максимально расширить современную трактовку данного понятия. Таким образом, под термином «Возобновляемые ис­точники энергии» предлагается понимать источники энергии, постоянно суще­ствующие или периодически возникающие под воздействием энергии солнца, тепловой энергии Земли, энергии орбитального движения планет солнечной си­стемы вне зависимости от человека, а также энергоисточники, аккумулирующие­ся в результате деятельности человечества и естественных природных реакций^[32].

Особого внимания заслуживает исследование мировых рынков нетрадици­онных ВИЭ. Во-первых, они менее изучены, а во-вторых, более перспективны по сравнению с традиционными ВИЭ.

Основное преимущество нетрадиционных ВИЭ перед другими энергоноси­телями - их возобновляемый характер и экологическая чистота. Несомненным достоинством является также широкая распространенность большинства их ви­дов. Другие стимулы для внедрения нетрадиционных ВИЭ - безопасность поста­вок, рост цен на ископаемое топливо, разработка соответствующих технологий.

Пределы конкурентоспособности нетрадиционных ВИЭ находятся в силь­нейшей зависимости от издержек на энергоносители. По мере их повышения

включается возможность использования нетрадиционных возобновляемых источ­ников энергии. К тому же ужесточение экологических требований, ведущее к удорожанию удельных капиталовложений в строительство традиционных генери­рующих мощностей, однозначно способствует развитию нетрадиционных ВИЭ.

Среди других недостатков нетрадиционных ВИЭ можно выделить следую­щие:

- более высокая стоимость получаемой энергии по некоторым видам ВИЭ по сравнению с органическим топливом;

- при производстве электроэнергии за счет этих непостоянных источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с гра­фиком нагрузки);

- технические сложности могут возникнуть и при интегрировании энергети­ческих установок на базе нетрадиционных ВИЭ в общую силовую сеть;

- малая плотность потока энергии (удельная мощность) и его изменчивость во времени.

Первый фактор приводит к увеличению площадей для энергоустановок, «перехватывающих» поток используемой энергии (например, площадь ветроколе- са и т. п.). Это сопряжено с масштабным отторжением участков земли и большой материалоемкости подобных устройств, что приводит, как правило, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Второму фактору (изменчивость во времени) также характерны дополнительные затраты на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразова-

33

ние энергии^[33].

В настоящее время выдвигаются огромное количество идей, вплоть до фан­тастических по использованию всевозможных возобновляемых видов энергии. Так, существуют предложения по использованию энергии искусственных смер­чей, разложения атомных частиц и даже энергии молнии. Тем не менее, одним из

основных видов "бесплатной" энергии остается Солнце. В нем сконцентрировано 99,886 % всей массы солнечной системы. Солнце ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235.

Земля ежедневно получает от Солнца энергию в объеме приблизительно 200 МВт. Данного объема достаточно, чтобы обеспечить человечество энергией на протяжении 27 лет. Эффективная технология использования энергии солнца существует уже давно. Еще в 1994 году в мире около 4,2 млн. зданий использова­ли системы нагрева воды с помощью солнечных батарей. В настоящее время вы­деляют два основные виды технологий:

- Фотоэлектрические батареи(PVs) вырабатывают электричество из сол­нечного света (фотонов) и чаще всего используется в зданиях. Пучок ультрафио­лета попадает на две отрицательно заряженные металлические пластины, высво­бождая электроны. Данные электроны притягиваются к другой пластине электро­статическими силами, таким образом создавая электрический заряд.

- Технологии преобразования солнечной энергии в тепловую, использующие солнце для выработки тепла. Зеркала и линзы фокусируют солнечный свет на накопитель, который превращает его в нагретую жидкость, затем поступающую по трубам в генератор пара или двигатель, где тепловая энергия преобразуется в

34

электрическую^[34].

Такие устройства, преобразующие солнечную радиацию в электричество, бывают разных размеров - от переносного солнечного нагревателя до огромных централизованных солнечных электростанций, где для производства электриче­ства используются большие площади. В качестве примера можно привести круп­ную электростанцию «Solar Two», открытую в 1996 году в Калифорнии, с мощно­стью 10 мегавольт, что достаточно для обеспечения потребности в электричестве 10 тыс.

Данная электростанция строилась консорциумом из 10 организаций, воз­главляемым компанией Southern California Edison, в партнерстве с Министерством

энергетики США. Капитальные затраты на ее строительство составили 48,5 млн. долл.

Различное применение находят и малые солнечные установки (мощностью менее 1 кВт), которые могут использоваться для обеспечения электричеством не имеющих централизованного снабжения помещений в сельской местности, отда­ленных телекоммуникационных устройств, дорожных сигналов и т. п.

Следует выделить также гелиотермальные станции. Принцип их действий заключается в преобразовании энергии солнца в тепловую посредством гелио­концентратора. Затем тепловая энергия трансформируется в электроэнергию с помощью традиционной паросиловой установки.

Часто считают ветер одним из самых доступных и возобновляемых источ­ников энергии. Однако забывают, что ветер - это очень «разбросанный» энергоре­сурс. На Земле нет «месторождений» ветров, а ветровая энергия практически все­гда «раскидана» по огромным территориям. Основные параметры ветра - ско­рость и направление меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее стабильным, чем Солнце. Следовательно, для полноценного использо­вания ветроэнергетики необходимо решить две проблемы: возможность получать кинетическую энергию ветра с максимальной площади и добиться равномерно­сти, постоянства ветрового потока. В решении второй проблемы на сегодняшний

35

день нет значительного прогресса^[35].

По данным Министерства энергетики США, с 1990 года энергия ветра явля­ется самым быстро растущим источником электричества в мире. В период с 2003 года установленные мощности электроэнергетических установок на базе ветро­энергетики увеличились в 6,6 раза^[36]. В начале 2014 года на Китай (29 %), США (19 %), Германию (11 %), Испанию (7 %), Италию (3 %) и Индию (6 %) приходи­

лось 75 % всего электричества в мире, выработанного с использованием энергии ветра^[37].

Ветровые электростанции в США находятся в основном в Техасе и Кали­форнии. Самая известная - это ветровая электростанция с масштабными турби­нами в пустыне Калифорнии, которая работает по вышеописанному принципу - движение воздуха создает кинетическую энергию, которая посредством турбин трансформируется в электрическую. В экологическом контексте у ветровых элек­тростанций есть как плюсы, так и минусы.

Положительной стороной является тот факт, что работа ветряной турбины мощностью 1 МВт в течение года, согласно подсчетам экспертов, в мире приво­дит к уменьшению на:

- 1,5 тыс. т углекислого газа;

- 6,5 т диоксида серы;

- 3,2 т окиси азота;

- 60 фунтов ртути.

К минусам можно отнести утверждения о том, что турбины убивают птиц, производят шум и т.д.

Для ветровых электростанций подходит 14 % территории США и, по оцен­кам американских ученых, 43 тыс. км территории страны могут обеспечить более 15 % всех потребностей США в электричестве^[38].

Ветроэнергетика имеет значительный потенциал. Однако расположение та­ких электростанций вдали от потребителей обусловливает необходимость строи­тельства дорогостоящих линий электропередачи для подключения их к электро­энергетической системе. При этом следует отметить, что ветроэнергетика стала конкурентоспособным источником, когда цена нефти превзошла 50 долл. за бар­рель. Так, Великобритания в 2010 году приняла решение значительно увеличить долю ветра в производстве электроэнергии, хотя до этого времени такая техноло­гия здесь применялось очень ограниченно. В свою очередь США в конце 2004 го­

да ввели новые налоговые льготы для производителей электроэнергии с помощью

39

ветра, что стимулировало развитие отрасли^[39].

Таким образом, ветроэнергетика - одна из самых динамичных отраслей не­традиционных ВИЭ. Себестоимость электроэнергии, производимой ветрогенера- торами наземного базирования, является одной из самых низких. Энергия ветра используется более чем в 70-ти странах.

Источником биоэнергии являются как биомасса, так и возобновляемые ор­ганические растительные вещества.

В свою очередь из специальных энергетических культур производятся сель­скохозяйственные культуры и отходы, этанол, отходы животноводства, водорос­ли, пищевые отходы и метан (из мусора и энергетических отходов).

Из биомассы за счет различных процессов конверсии можно получить как тепло и пар, так и электричество, и топливо.

Биоэнергетические технологии, по данным Министерства энергетики США - это «испытанное средство получения электроэнергии в США с установленной мощностью в 10 ГВт». Такая мощность может быть получена посредством «тех­нологии прямого сжигания»: при этом электричество генерируется с помощью бойлерных и паровых турбин.

Из биомассы можно получать несколько различных жидких видов топлива:

- этанол;

- метанол;

- биодизель;

- газообразные виды топлива, такие как водород и метан.

Например, альтернативное моторное топливо (биотопливо) производится из особой биомассы - сельскохозяйственных культур. Причем, если сырьем служит кукуруза, сахар, пшеница, то получаемое биотопливо именуется этанолом, а если пальмовое масло, рапс или другие масличные, то биодизелем.

Рост потребления продовольственных культур производителями биотопли­ва, естественно, ведет к росту цен на эти культуры, что, с одной стороны, отража­ется на уровне жизни населения, а с другой - снижает конкурентоспособность биотоплива по сравнению с традиционными энергоносителями.

Из биомассы также можно получить «зеленые химикаты» (возобновляемые пластики и натуральные волокна), способные заменить те, которые производятся из нефтехимических продуктов.

Мировой потенциал биомассы значителен и может обеспечить энергией на многие десятилетия. Лишь имеющаяся в США растительность, по оценкам, со­держит от 65 до 90 млрд. т сухого вещества, которое может стать основным ис­точником получения первичной энергии на период от 14 до 19 лет^[40].

Касательно водорода следует отметить, что еще в начале XIX века были разработаны первые топливные элементы, а в 60-е годы прошлого века их исполь­зовали для получения чистой энергии в космосе. Однако только в прошедшем де­сятилетии удалось доработать их до характеристик, допускающих устанавливать их в легковых автомобилях.

Хотя проблема, связанная с массовым использованием топливных элемен­тов на легковых и грузовых автомобилях, еще до конца не решена, однако уже сейчас имеются разработки, позволяющие начать производство крупногабарит­ных элементов, обеспечивающих работу промышленных предприятий и электро­станций.

В теории, используя энергию солнца и ветра, водород можно было бы из­влечь из воды. Однако расходы на производство электроэнергии, которая нужна для разложения молекул воды на молекулы водорода и кислорода, крайне велики. Следовательно, первые установки для серийного производства водорода будут, вероятно, на базе традиционных видов топлива.

Основная проблема старых технологий по производству водорода заключа­ется в том, что в процессе генерации энергии образуется двуокись углерода. Его нельзя выбрасывать в атмосферу, но можно закачивать под землю. Так, норвеж­

ская энергетическая компания «Norsk Hydro ASA» строит электростанцию на во­дороде, получаемом из природного газа, а образующаяся при производстве энер­гии двуокись углерода будет закачиваться обратно в одно из нефтяных месторож­дений на континентальном шельфе. Это позволит решить проблему загрязнения воздуха углекислым газом и повысить пластовое давление в месторождении. Дру­гой эффективный способ, который уже применяется в ЕС и США - закачивание двуокиси углерода в подземный водоносный слой.

Во всех крупных городах и мегаполисах существует огромное количество отходов человеческой деятельности. Однако на современном этапе имеются тех­нологии, позволяющие использовать их для производства электроэнергии. Это в свою очередь также является решением проблемы городских свалок. Так, в США в штате Пенсильвания, когда была нехватка топлива для печи для сжигания мусо­ра и одновременного производства электроэнергии для 15 тыс. домов, стали его заменять мусором с уже закрытых свалок. В результате это привело к еженедель­ной прибыли в размере 4 тыс. долл. и сокращению объема закрытых свалок на 78 %.

Мусор, разлагаясь на свалках, выделяет газ, 50-55 % которого приходится на метан, а 45-50% - на углекислый газ и около одного процента - на другие со­единения. Если раньше выделяемый газ просто загрязнял воздух, то теперь в США его используют в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии. По расчетам специалистов, станция мощно­стью 12 МВт способна обеспечить электроэнергией 20 тыс. домов, а газа на свал­ках США достаточно для работы средних станций на 30-50 лет.

Еще одним нестандартным источником энергии служит навоз. Существуют технологии переработки, например, навоза свиней в электроэнергию. Суть работы данных технологий заключается в следующем: отходы идут по тру­бопроводу на электростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биоло­гической переработке, и образовавшийся газ используется для производства элек­троэнергии, а остатки отходов - для удобрения. Так, по данным специалистов, пе­рерабатывая 70 т навоза ежедневно, можно произвести 40 КВт^.ч электроэнергии.

Г орячая вода и пар, заключённые в ядре Земли в водопроницаемых породах, являются Геотермальными источниками энергии. Тепло из данных пород можно преобразовать в геотермальную энергию.

Геотермальные источники бывают:

- низкотемпературные (менее 90-100 °C);

- среднетемпературные (от 90-100 °C до 150 °C);

- высокотемпературные (выше 150 °C).

Высокотемпературные источники, как правило, используются для произ­водства электроэнергии, а низко- и среднетемпературные ресурсы - непосред­ственно или при помощи тепловых насосов.

Непосредственное использование (как правило, от 38 до 149 °С) включает:

- подогрев воды (без тепловых насосов и электростанций) для технологиче­ских процессов;

- отопление зданий и теплиц;

- аквакультуру (разведение рыбы);

- устройство курортов.

Тепловые же насосы (как правило, от 4 до 38 °С) используют почву или грунтовые воды в качестве источника: зимой передают тепло почвы дому, а летом 41

- тепло дома почве .

Крупномасштабное промышленное использование геотермальной энергии возможно в тех местах, где потоки природного тепла Земли подходят к поверхно­сти достаточно близко для того, чтобы вынести на поверхность пар или горячую воду. Чаще всего такие места расположены на краях кристаллических щитов или в зонах разломов; обычно они характеризуются наличием вулканов, горячих ис­точников и других геотермальных явлений.

Потенциальная геотермальная энергия в шести верхних милях земной коры, по оценкам, в 50 тыс. раз превышает энергию всех известных запасов нефти и газа

42

в мире^[41]. ^[42]

Однако в настоящее время большую часть данного геотермального потен­циала ни с технологической, ни с экономической точки зрения не представляется возможным использовать. В 2013 году мощность геотермальных электростанций в мире составила лишь около 12 тыс. МВт, что составляет 2 % от всех ВИЭ (без учета гидроэлектрических источников) ^{42 [43].}

Хотя, по оценкам специалистов Ассоциации геотермальной энергии (Geo­thermal Energy Association), современные технологии и позволяют производить электроэнергию из геотермальных ресурсов, но крайне сложно добраться до дан­ных источников. С экономической точки зрения геотермальные электростанции имеют следующие преимущества:

- занимают сравнительно небольшую площадь;

- не загрязняют окружающую среду;

- не производят отходов.

Отрицательными же сторонами вышеуказанных станций являются:

- возможный серный запах выбросов в атмосферу;

- извлечение геотермальных вод из земного ядра с высокой скоростью может вызвать нестабильность почвы и построек.

В последнее время некоторые страны и компании снова обратили внимание на энергию приливов и морских волн, тогда как еще в 1982 году правительство Великобритании отказало в поддержке проектам по энергии моря, а Европейская комиссия и некоторые компании прекратили или значительно сократили исследо­вания в этой области. Причиной на тот момент послужила недостаточная эффек­тивность способов производства «морского» электричества по сравнению с тра­диционными источниками.

Однако уже в 1988 году Великобритания пересмотрела свое решение после заявления главного советника по энергетике Т. Торпа об усовершенствовании

трех из шести имеющихся в стране экспериментальных установок и снижения стоимости 1 КВт^.ч до уровня менее 6 пенсов, что было ниже минимального уров­ня конкурентоспособности на открытом рынке. С тех пор цена «морской» элек-

44 троэнергии значительно снизилась^[44].

Первая крупная электростанция, использующая энергию приливов, была построена во Франции в 1968 году в устье реки Ранс.

Принцип работы электростанций, использующих энергию приливов, выгля­дит, как правило, следующим образом: когда начинается отлив, заслонки в дамбе закрывают, поддерживая высокий уровень воды за плотиной. При разнице уров­ней в 3 м заслонки открывают, и вода направляется в море, вращая лопатки боль­ших турбин и роторы электрогенераторов. Когда опять начинается прилив, вода через открытые заслонки проходит за плотину, и цикл повторяется.

Практическое применение приливной энергии развито гораздо меньше, чем, например, ветроэнергетика или солнечная энергия. В мире существует только не­сколько крупных приливных электростанций. Что касается использования энер­гии морских волн, то этот способ находится на стадии начального эксперименти­рования.

В структуре мирового потребления на ГЭС приходится почти 7 %^[45] энергии. Гидроэнергию получают посредством преобразования энергии падающей воды в энергию вращения турбин, тем самым вращая генератор, вырабатывающий элек­тричество. Гидростанции бывают различных мощностей. Крупнейшей на сего­дняшний день является китайская ГЭС «Три ущелья» с мощностью 22,5 ГВт.

Источником энергии также являются малые реки, но для их использования необходимы определенные условия, такие как, например, наличие сильного тече­ния. Следует отметить, что установка мини ГЭС является решением проблемы электроснабжения в местах, где строительство обычной электростанции нецеле­сообразно с экономической точки зрения. Так, мини ГЭС мощностью в 0,5 КВт

может обеспечит энергией, например, крестьянское хозяйство^[46]. А малые ГЭС (мощностью до 10 МВт) часто строятся как для автономного или полуавтономно- го обеспечения электроэнергией сельского населения, так и замещения дизель- генераторов и других дорогостоящих энергетических устройств.

Источником энергии также является земля (тепло от горячих горных пород в земной коре). Данный вид энергии, например, используется в Исландии и Новой Зеландии. Ее получают посредством закачивания холодной воды в скважину, пробуренную в горной породе, а поднимающийся вверх пар, образованный из во­ды, вращает турбину^[47].

Факторы ориентации на развитие ВИЭ:

- энергетическая безопасность и политическая независимость;

ВИЭ являются для некоторых стран, например, стран ЕС средством обеспече­ния своей энергетической безопасности, так как имеют высокую зависимость от импорта традиционных энергоресурсов. В свою очередь энергетическая зависи­мость ведет в некоторых случаях и к политической зависимости (например, ситу­ация с Украиной).

- сохранение и защита окружающей среды;

Использование ВИЭ намного безопаснее экологически и менее вредно для природы и населения.

- завоевание мировых рынков ВИЭ, особенно в развивающихся странах;

Страны и компании, которые уже развивают ВИЭ, возможно в будущем станут ключевыми игроками на рынках ВИЭ и будут обеспечивать основное про­изводство, например, за счет ВИЭ.

- сохранение запасов собственных традиционных энергоресурсов для буду­щих поколений;

- ограниченность традиционных энергоресурсов;

- неравномерное распределение традиционных энергоресурсов;

- возрастание цен на традиционные энергоресурсы;

- увеличение потребления сырья для неэнергетического использования топ­лива.

В качества еще одного значимого фактора также целесообразно выделить возможность использования в перспективе некоторых видов ВИЭ, таких как сол­нечная энергия и ветроэнергетика, в нефтегазовом секторе, в частности на уда­лённых месторождениях нефти, где строительство традиционных электростанций, и себестоимость производства электроэнергии обходится очень дорого. Разумеет­ся, что такая возможность появится только тогда, когда у вышеуказанных видов возобновляемой энергетики капитальные и эксплуатационные затраты будут ни­же расходов на традиционные электростанции.

Таким образом, исходя из анализа видов ВИЭ можно сделать определенные выводы. Так, в зависимости от применяемых технологий ВИЭ делятся на тради­ционные и нетрадиционные. К традиционным ВИЭ относятся гидравлическая энергия, преобразуемая в электричество на крупных ГЭС, а также энергия био­массы (дрова, кизяк, солома и т. п.), используемая для получения тепла традици­онным способом сжигания. В группу нетрадиционных ВИЭ включают солнечную и геотермальную энергию, энергию ветра и морских волн, течений, приливов, гидравлическую энергию, преобразуемую в электричество на малых ГЭС (до 10 МВт), и энергию биомассы, используемую для получения тепла, электричества и моторного топлива нетрадиционными методами.

Также следует отметить, что из всех видов ВИЭ в последнее время больши­ми темпами развиваются именно ветроэнергетика и солнечная энергия.

1.3.