Краткая экологическая характеристика нетрадиционных методов получения энергии

Краткая экологическая характеристика нетрадиционных методов получения энергии. Как сказано выше, в настоящее время основные энергоресурсы, за счет которых обеспечиваются энер¬гетические потребности человечества, это: орга-ничес¬кое топливо, вода, энергия деления атомного ядра. Одновременно с решением задач уменьшения воз¬действия на среду традиционных методов получения энергии наука и производство изучают возможности получения энергии за счет альтернативных (нетради¬ционных) ресурсов, таких, как энергия ветра, солн¬ца, геотермальная и энергия волн и других источни¬ков, которые относятся к неисчерпаемым и экологи¬чески чистым.

Ниже будут приведены некоторые имеющиеся сведения о влиянии нетрадиционных методов получения энергии на окружающую среду.

Ветроэнергетика Является наиболее древним источником энергии. В течение нескольких столетий ветер использовал¬ся на мельницах, пилорамах, в системах подачи воды к местам потребления и т. п. Они же исполь¬зовались и для получения электрической энергии, хотя доля ветра в этом отношении оставалась край¬не незначительной.

Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживил-ся в последние годы. К на¬стоящему времени испытаны ветродвигатели различ¬ной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны вы¬воды, что в районах с интен-сивным движением воз¬духа ветроустановки вполне могут обеспечивать энер¬гией местные потребности. Оправдано использование ветротурбин для обслу-живания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств и т. п.). Вместе с тем, стало очевидным, что гигантские вет¬роустановки пока не оп-равдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шу-мов, быстрого выхода из строя.

Более экономичны комп¬лексы из небольших ветротурбин, объединяемых в одну систему. Первая в нашей стране ветровая электростанция мощностью 8 кВт была сооружена в 1929-1930 гг. под Курском по проекту инженеров А.Г. Уфимцева и В.П. Ветчинкина. Через год в Крыму была построена более крупная ВЭС мощ-ностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Она ус¬пешно проработала до 1942 г но во время войны была разрушена.

Значительные успехи в создании ВЭС были дос¬тигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много установок по 100-200 кВт. Во Франции, Дании и в некоторых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощностями свыше 1 МВт. Одна из наиболее известных установок этого клас¬са «Гровиан» была соз-дана в Германии, ее номи¬нальная мощность — 3 МВт. Но самое широкое раз¬витие ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там была построена первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой стране достигает 1300 МВт, причем среди них есть гиганты с мощностью до 4 МВт. Сегодня в некото¬рых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значений.

Так, в США установлено более 1,5 млн кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3% потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Ве-ликобритании и Германии. При том нет никаких расходов на утилизацию от-ра¬ботанного топлива и нет загрязнения окружающей среды.

Однако ветровые источники энергии оказывают спе¬цифическое воздействие на окружающую среду, требу¬ют огромных площадей. Известно, что к работающему ветряку близко подхо¬дить нежелательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направле-ние оси ротора тоже изменяется. Ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут соз-давать взаимные помехи в рабо¬те, «отнимая ветер» один у другого.

Минимальное рас¬стояние между ветряками должно быть не менее их ут¬роенной высоты. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые коле-бания с частотами ниже 16 Гц. Ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жиз-ни, а при большом их скопле¬нии на одной площадке могут существенно иска-зить естественное движение воздушных потоков с непред¬сказуемыми последст-виями.

Во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители не-однок¬ратно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густо населенной Европы это означает везде. Было выдвинуто предложение о размещении сис¬тем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разра¬ботан проект, согласно которому предполагается в Бал¬тийском море недалеко от берега установить 300 вет¬ряков.

На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Стоимость строительства только первой сотни таких гигантов потребуется более 1 млрд долл, а вся систе¬ма, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2% электроэнергии от уровня потребления в Швеции в настоящее время. Это пока проектируется, но в настоящее время в Швеции начато строительство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет переда¬вать энергию на землю по подводному ка-белю. Ана¬логичные проекты были и у нас: предлагали устанав¬ливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арабатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов, их реализация создала бы серь-езные помехи судоходству, рыболов¬ству, а также оказала бы все те же вредные экологи¬ческие воздействия, о которых говорилось ранее.

По¬этому и эти планы вызывают движения протеста. Например, шведские рыбаки потребовали пере-смотра проекта строящейся в море ВЭС, так как, по их мнению, подводный ка-бель, да и сама станция будут пло¬хо влиять на рыб, в частности, на угрей, миг-рирую¬щих в тех местах вдоль берега.

Неприятным побочным эффектом использования ветряков для сторон-ников экологически чистого хо¬зяйства оказались биологические последствия. Союзы охраны природы отмечают, что многие перелетные птицы вынуждены менять свои маршруты, избегая ветряных парков — мельницы отпугивают птиц. В ряде случаев положение сложилось настолько серьез¬ное, что местные экологи вынуждены были поставить вопрос о временном закрытии установок или о пере¬воде их на более гибкий режим работы с учетом се¬зонных перемеще-ний птиц. Использование энергии солнца Солнечная энергия обладает неоспоримыми преиму¬ществами перед тради-ционными органическим и ядер¬ным горючим.

Это исключительно чистый вид энер¬гии, который не загрязняет окружающую среду, а само ее использование не связано ни с какой биологической опасностью.

Использование солнечной энер-гии в боль¬ших масштабах не нарушает сложившегося в эволю¬ции энергетиче-ского баланса нашей планеты. Это практически неисчерпаемый источник энергии. Ее можно использо-вать прямо (посредством улавлива¬ния техническими устройствами) или опосре-дованно через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движе¬ние воздушных масс и другие процессы, которые обус¬ловливаются солнечными явлениями. Использование солнечного тепла - наиболее про¬стой и дешевый путь ре-шения отдельных энергети¬ческих проблем.

Подсчитано, что в США для обогре¬ва помещений и горячего водоснабжения расходуется около 25% производимой в стране энергии. В север¬ных странах, в том числе и в России, эта доля заметно выше. Между тем, значительная доля тепла, необ¬ходимого для этих целей, мо-жет быть получена по¬средством улавливания энергии солнечных лучей. Эти воз-можности тем значительнее, чем больше прямой сол¬нечной радиации поступает на поверхность Земли. Отопление и горячее водоснабжение как низкотем¬пературные процессы преобразования солнечной энер¬гии в теплоту могут быть осуществлены сравни-тель¬но простыми техническими средствами. Солнечные водонагреватели начи-нают использоваться для целей тепло- и горячего водоснабжения индивидуаль-ных по¬требителей в южных климатических зонах.

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного вида коллекторов. В простейшем виде это темного цвета поверхно-сти для улавливания тепла и приспособления для его накоп¬ления и удержания.

Оба блока могут представлять единое целое. Коллекторы помещаются в про-зрачную камеру, которая действует по принципу парника. Име¬ются также уст-ройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведе-ния, напри¬мер, потоками воздуха или воды. Еще более просты нагревательные системы пассив¬ного типа. Циркуляция теплоносителей здесь осуще¬ствляется в результате конвекционных токов: на-гре¬тый воздух или вода поднимается вверх, а их место занимают более охлаж-денные теплоносители. При¬мером такой системы может служить помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хо¬рошими изоляционными свойствами материалов, спо¬собными длительно удерживать тепло.

Для умень¬шения перегрева днем и теплоотдачи ночью исполь¬зуются шторы, жалюзи, козырьки и другие защит¬ные приспособления. В данном случае проблема наи¬более рационального использования солнечной энер¬гии решается через пра-вильное проектирование зда¬ний. Некоторое удорожание строительства пере-крывается эффектом использования дешевой и идеально чистой энергии.

Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно посредст-вом использования фотоэлементов, в которых солнечная энергия индуцируется в элект¬рический ток без всяких дополнительных устройств. Солнечная энергия - практически неограниченный источник, мощность которого на поверхности Земли оценивается в 20 млрд кВт. Годовой поток солнечной энергии на Землю эквивалентен 1,2- 10й т условного топлива. Для сравнения можно указать, что мировые запасы органического топлива равняются всего 6 • 1012 т услов-ного топлива.

Крупномасштабное производство электроэнергии на солнечных электро-станциях имеет определенные труд¬ности, поскольку источник солнечной энергии отлича¬ется низкой плотностью. Поэтому площадь для сбора солнечной энергии и ее концентрации на оптических системах доходит до нескольких десятков квадратных километров. Из-за большой стоимости единицы по¬верхности моду-лей концентратов создание мощных СЭС требует значительных затрат.

Энергия воды, океанических и термальных вод Энергия, выделяемая при волновом движении масс воды в океане, действи-тельно огромна. Средняя волна высотой 3 м несет примерно 90 кВт энергии на 1 м2 побережья. Однако практическая реализация данной энергии вызывает большие сложности. В настоящее время эта энергия используется в незначи-тельном ко¬личестве из-за высокой себестоимости ее получения. Недостаточно до настоящего времени используют¬ся энергетические ре-сурсы средних и малых рек (дли¬на от 10 до 200 км). Только в России таких рек име¬ется более 150 тысяч.

В прошлом именно малые и средние реки являлись важнейшим источником по¬лучения энергии. Небольшие плотины на реках не столько нарушают, сколько оптимизируют гидроло¬гический режим рек и при-лежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обус¬ловленного природопользования, мягкого вмешатель¬ства в природные процес-сы. Водохранилища, созда¬вавшиеся на малых реках, обычно не выходили за пределы русел.

Такие водохранилища гасят колеба¬ния воды в реках и стаби-лизируют уровни грунто¬вых вод под прилежащими пойменными землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и устойчивости как вод-ных, так и пойменных эко¬систем. Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС. В настоящее время име¬ются турбины, позволяющие получать энергию, ис¬пользуя естествен-ное течение рек без строительства плотин.

Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энер¬гии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение. Несравнимо более реальны возможности использо¬вания геотермальных ресурсов. В данном случае ис¬точником тепла являются разогретые воды, содер-жа¬щиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются на по-верхность в виде гейзеров (на¬пример, на Камчатке)! Геотермальная энергия мо-жет использоваться как в виде тепловой, так и для полу¬чения электричества.

Ведутся также опыты по использованию тепла, содер¬жащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие тер¬мальные воды. Уже в настоящее время отдельные города или пред¬приятия обеспечиваются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии — Рейкьявику.

В начале 80-х годов в мире производилось на геотермальных элек-тростанциях около 5000 МВт элек¬троэнергии (примерно 5 АЭС). В России значи-тельные ресурсы геотермальных вод имеются на Камчатке, но используются они пока в небольшом объеме. В бывшем СССР за счет этого вида ресурсов произво-дилось толь¬ко около 20 МВт электроэнергии. Достоинства использования глубинного тепла земли очевидны. ГеоТЭС может функционировать десятки лет, используя практически неугасаемые те-пловые котлы.

Себестоимость электроэнергии, получаемой таким образом, не-смотря на значительные первона¬чальные затраты, вполне сравнима с той, кото-рую мы имеем на тепловых и атомных электростанциях. Кро¬ме того, ГеоТЭС не наносит урона экологии, не заг¬рязняет выбросами окружающую среду. Использование тепла земных недр весьма перспек¬тивно с позиций охраны окружающей среды. В настоя¬щее время во многих странах мира для выработки электроэнергии и отопления зданий, подогрева теп¬лиц и парников использует-ся тепло горячих источни¬ков. Речь идет об огромных резервах экологически чистой тепловой энергии, о возможности с большим экономическим эффектом заменить до 1,5 млн т орга¬нического топлива в важнейших отраслях, включая сельское и коммунальное хозяйства.

Геотермальные электростанции по компоновке, обо¬рудованию, эксплуата-ции мало отличаются от тради¬ционных ТЭС и практически не вызывают эколо-гичес¬ких последствий.

Температура месторождений геотер¬мальных вод Камчат-ки доходит до 257°С, глубина за¬легания - 1200 м. Выявленные в этом районе теп-ловые ресурсы могли бы обеспечить работу геотермальных электростанций об-щей мощностью 350-500 МВт. Сравнительные характеристики экономической эф¬фективности нетради-ционных энергоисточников при¬водятся в таблице 5. Таблица 4 Сравнительная характеристика различных способов получения энергии Тип электростанции Удельный съем энергии с единицы пло-щади занимаемой земли (Вт/м2) Удельные капиталовложения (отн. ед.) Ветровая 0,4 4,5 Солнечная 30 3 Геотермальная 4 3 Атомная 1300 1