2018-03-09
176
Уголь
Пожалуй, единственным достоинством угля по сравнению с другими видами органического топлива можно считать его большие запасы на Земле, которых должно хватить на многие сотни лет. В пересчете на условное топливо они более чем в 20 раз превышают ресурсы нефти. Считается, что уголь будет призван сыграть роль «переходного» топлива на то время, которое понадобится человечеству для освоения каких-то новых стратегических источников энергии, например, управляемого термоядерного синтеза.
Заметим, что на такую же «буферную» роль претендует и атомная энергетика, но после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году темпы ее развития существенно снизились.
Уголь образовался в результате длительного процесса превращения древних растительных остатков, скапливавшихся на дне доисторических болот, в твердую каменистую массу. В ходе этого процесса шло постепенное преобразование органического вещества сначала в торф, потом в бурый уголь, и с течением времени плотность угольных пластов все более возрастала. Самые «созревшие» слои содержат антрацит, который считается наиболее ценной маркой угля и имеет настолько высокую твердость, что даже мог бы стать строительным материалом, не будь он высококачественным топливом.
Такая природа угольных месторождений рождает одну из наиболее серьезных проблем при использовании угля в качестве котельного топлива - неоднородность его состава, даже в пределах одного угольного бассейна. Кроме того, существующие технологии добычи неизбежно приводят к засорению топлива пустой породой, так как толщина угольных пластов непостоянна. Еще сильнее различаются угли из разных месторождений – от низкокалорийных бурых до самых качественных углей (антрацитов).
Такая особенность угольного топлива затрудняет разработку и внедрение новых прогрессивных технологий в теплоэнергетике, которые могли бы улучшить технико-экономические показатели и снизить вредное экологическое воздействие пылеугольных электростанций.
Качество добываемого угля напрямую связано с его зольностью при сжигании, а, значит, и с температурой плавления шлаков. В некоторых случаях возможны даже такие явления как неустойчивость горения топлива и зашлаковывание поверхностей нагрева котельных агрегатов золой.
Большие проблемы имеются также с транспортировкой угля. Речь здесь идет не только о высокой стоимости железнодорожных перевозок на далекие расстояния, хотя в условиях рыночной экономики такое обстоятельство само по себе очень весомо (тем более в России, где промышленность сосредоточена в европейской части страны, а крупнейшие угольные месторождения находятся за тысячи километров, главным образом в Сибири). Дело еще и в существенных потерях угля от пыления в процессе погрузки и транспортировки в открытых вагонах, в способности топлива к самовозгоранию во время перевозки по железной дороге, в смерзании влажных углей в вагонах в холодное время года. Важное значение будет иметь разработка экономичных способов превращения угля в жидкое или газообразное синтетическое топливо.
Наконец, пылеугольные ТЭС оказывают пагубное влияние на окружающую среду. Это вредное экологическое воздействие может приобрести глобальные масштабы при дальнейшем росте потребления угля в энергетике.
Вывод из всего вышесказанного может быть только один: в интересах всего человечества от использования угольного топлива на электростанциях желательно было бы отказаться как можно быстрее. Кстати сказать, в последние полтора десятилетия в отечественной теплоэнергетике это фактически и реализуется – во всех возможных случаях уголь стал заменяться природным газом. Даже появился термин «газовая пауза», означающий период временного использования газа в качестве основного котельного топлива - до наступления какого-то нового этапа, связанного с изменением структуры энергопотребления в России.
Таким образом, уголь в настоящее время в нашей стране фактически замыкает топливно-энергетический баланс, так как по совокупности значимых показателей он в целом уступает и газу, и нефти.
Вместе с тем, научно-технический прогресс в угледобывающей отрасли и заметное увеличение доли добычи открытым способом позволяют в перспективе надеяться на некоторое удешевление угля - в отличие от нефти и газа, которые постоянно дорожают.
Назовем основные месторождения угля в России. К угольным бассейнам федерального значения относятся:
- Кузнецкий бассейн (Кузбасс, Кемеровская область), где добываются высококачественные коксующиеся угли (кокс – это пористая масса, получаемая путем спекания угля при высокой температуре без доступа воздуха; кокс нужен для доменной выплавки чугуна; слабоспекающиеся угли называют «тощими», причем такое название никак не связано с теплотой сгорания);
- Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс (КАТЭК) в Красноярском крае; здесь угли невысокого качества, низкокалорийные, высокозольные, сыпучие (пылящие), влажные (смерзающиеся), способные к самовозгоранию при перевозке; они залегают на небольшой глубине и поэтому могут добываться открытым способом в угольных разрезах, с использованием мощных роторных экскаваторов, оборудованных вращающимися ковшами.
Межрегиональное значение будут иметь:
- Печорский угольный бассейн (север России) с коксующимися углями;
- Южно-Якутский (Нерюнгринский) угольный бассейн, расположенный вблизи Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ); здесь имеются значительные и к настоящему времени практически нетронутые запасы высококачественного коксующегося угля.
Залежи низкокалорийных бурых углей имеются в Подмосковье (слово «бурый» означает не цвет угля, а его качество; все марки каменного угля имеют черный цвет, но различаются твердостью и поверхностным блеском, например, гладкие куски антрацита могут блестеть почти как металлы).
В восточных и северных районах России обнаружены гигантские месторождения угля (сотни миллиардов и даже триллионы тонн) - Тунгусское, Ленское, Таймырское. Это очень далеко от основных потребителей электроэнергии, поэтому решающую роль в крупномасштабном освоении угольных запасов в отдаленных районах страны может сыграть прогресс в создании новых материалов, обладающих высокотемпературной («теплой») сверхпроводимостью.
Данное явление было открыто в середине 80-х годов прошлого столетия швейцарскими учеными-инженерами Беднорцом и Мюллером, а в последующие месяцы и годы исследователи из других стран развили их успех.
До этого открытия свойство сверхпроводимости материалов достигалось лишь при использовании жидкого гелия, который обеспечивает достижение очень низкой температуры - минус 269 оС. Гелий является сильно текучим веществом и имеет высокую стоимость, что ограничивает его применение.
Новые же керамические материалы на основе иттрия, бария, меди и других элементов могут проявлять сверхпроводимость уже при температуре жидкого азота (минус 196 оС), который в десятки раз дешевле жидкого гелия, намного технологичнее и может быть получен из обычного воздуха.
Высокотемпературная сверхпроводимость позволила бы свести к минимуму потери в линиях электропередачи (ЛЭП). Кроме того, появится возможность отказаться от нескольких ступеней преобразования напряжения электрического тока, неизбежных в настоящее время при транспортировке электроэнергии с помощью сверхвысоковольтных ЛЭП. Все это может решающим образом сказаться на экономической эффективности крупных электростанций (причем не только пылеугольных) в отдаленных районах России.
Определенную роль в топливоснабжении нашей страны играют также Донецкий угольный бассейн в Украине (высококачественные коксующиеся угли, добываемые шахтным способом) и Экибастузский топливно-энергетический комплекс в Казахстане (Павлодарская область), где открытым способом добывается низкокачественный уголь.
Следует сказать здесь несколько слов и о торфе, который, как было отмечено выше, можно считать «предшественником» угля в процессе образования угольных пластов. При разработке плана ГОЭЛРО (государственного плана электрификации России), принятого в 1920 году на VIII Всероссийском съезде Советов, торф рассматривался как один из видов котельного топлива для новых электростанций. Но сейчас он полностью вытеснен из теплоэнергетики из-за низкой скорости и температуры горения, а также по экологическим соображениям. Кроме того, запасы торфа совсем невелики.
Нефть
Нефть представляет собой сложную смесь сотен веществ, в основном различных углеводородов. Содержание углерода и водорода в ней превышает 90%, остальное приходится на долю кислорода, азота, серы. По вопросу о происхождении нефтяных залежей существуют разные гипотезы. Некоторые исследователи считают, что нефть образовалась из органических животных остатков. Есть и «неорганическая» версия, основанная на предположении о минеральной природе исходных продуктов, в процессе преобразования которых появились углеводородные соединения, составляющие нефть.
За нефтью прочно закрепилось другое ее название – «черное золото». Несколько перефразируя слова великого русского ученого Д.И.Менделеева, можно образно сказать, что топить нефтью – это все равно, что топить ассигнациями. Так подчеркивается тот факт, что нефть является ценным химическим сырьем для производства различных пластиков, синтетических тканей, медикаментов, красителей и т.д.
На тепловых электростанциях чаще всего используется не сама нефть, а мазут, являющийся одним из продуктов ее переработки. Он выделяется из сырой нефти как темная фракция вслед за светлыми продуктами – бензином (самая горючая составляющая), керосином, соляркой (это краткое название солярового масла, т.е. газойля, используемого в качестве топлива для некоторых дизельных двигателей). Дальнейшая переработка самогό мазута позволяет получить вазелин, парафин, гудрон, смазочные масла, битум, асфальт, нефтяной кокс и др.
Технология перегонки, т.е. разделения сырой нефти на отдельные фракции, основана на том, что составляющие ее различные углеводородные соединения имеют неодинаковую температуру кипения. Это позволяет выделять нужные вещества путем их испарения из исходной смеси с последующей конденсацией.
Отметим, что при определенных температурах и давлениях можно путем крекинга (расщепления молекул) превратить одни фракции нефти в другие, более высокие, например, керосин или солярку в бензин. С этой точки зрения мазут также не стоит рассматривать только как «пропадающие» отходы, которым суждено лишь одно полезное применение – сгореть в котельных топках. Достижение более глубокой переработки нефти считается одной из ближайших задач топливно-энергетического комплекса страны.
Достоинствами мазута являются меньшие затраты на транспортировку (в железнодорожных цистернах или по трубопроводам) по сравнению с твердым и газообразным котельным топливом, а также высокая калорийность. К недостаткам следует отнести то, что вредные экологические последствия от сжигания мазута больше, чем при использовании природного газа. Как и уголь, нефть по своему составу бывает весьма различной, что может негативно отражаться и на качестве топлива для тепловых электростанций.
Что можно сказать о перспективах мазута как котельного топлива в энергетике? Желательно как можно быстрее отказаться от него, поскольку запасы нефти на нашей планете совсем невелики, и было бы разумно сохранить ее для себя и для новых поколений – хотя бы в качестве химического сырья. Казалось бы, это дело будущего, однако, думается, что весьма недалекого (во всяком случае, при разработке ЭС-2020 предусматривается использование добываемой в России нефти в основном для производства моторных топлив, а также как сырья в нефтехимической промышленности и для продажи другим странам).
Надо признать, что времена, когда открывались новые гигантские месторождения, а нефть долго фонтанировала из скважин, практически уже закончились. Сейчас доля трудноизвлекаемой нефти превысила 50%, средняя глубина бурения достигла нескольких километров, большинство разрабатываемых месторождений в главных нефтеносных регионах России вступило в стадию падающей добычи.
Ресурсы вновь открываемых месторождений в наше время в несколько раз ниже, чем у существующих, причем затраты на разведку достигают 50% от всех затрат на разработку месторождения. Нужно постепенно привыкать к тому, что новые залежи нефти придется искать под дном морей и океанов, в арктической зоне и других труднодоступных местах.
Ко всему вышесказанному необходимо добавить еще и то, что в последние десятилетия неуклонно ухудшается среднее качество добываемого сырья, все чаще приходится извлекать из недр не только «светлую» или «легкую», но и вязкую, густую нефть, как, например, на части месторождений в Башкортостане и Татарстане.
Нефтеносные залежи могут сопровождаться попутным газом, состав которого с химической точки зрения более ценный, чем у обычного природного газа. В цивилизованном мире полная утилизация попутного газа (а не бесполезное его сжигание в факелах) должна считаться обязательным условием эксплуатации нефтяных месторождений.
Сейчас основным местом нефтедобычи в нашей стране является Западная Сибирь (Самотлор, Нижневартовск, Сургут и др.), на долю которой приходится примерно 2/3 всей извлекаемой в России нефти. Продолжается эксплуатация нефтяных скважин в Волго-Уральском районе, который в свое время называли «вторым Баку» (в Татарстане ежегодно добывается около 30 млн т нефти, но запасов осталось немного). Среди новых месторождений можно назвать Тимано-Печорское, шельфы Каспийского и северных морей (Баренцева, Восточно-Сибирского, Лаптевых и др.). Континентальный шельф – это прибрежная часть дна морей и океанов, являющаяся как бы продолжением материка от берега до того места, где заканчивается постепенное нарастание глубины и начинается более крутой подводный склон. Обычно шельфы простираются до глубин примерно 200 м.
В странах ближнего зарубежья нефть в промышленных масштабах имеется в Азербайджане (бакинские нефтепромыслы, шельф Каспийского моря), Казахстане (Прикаспийская низменность, Гурьев, Мангышлак).
В Эстонии добываются горючие сланцы, которые можно рассматривать как нефть в твердом состоянии (горючие сланцы иногда называют сланцевой нефтью). С экологической точки зрения это топливо еще проблемнее, чем сама нефть.
Природный газ
Природный газ состоит в основном из метана CH 4. Другие составляющие - этан C 2 H 6, пропан C 3 H 8, бутан C 4 H 10, пентан C 5 H 12 и еще более сложные представители гомологического ряда углеводородов – образуют газовый конденсат при выходе добываемого газа из скважины, так как при обычных условиях (атмосферное давление и температура примерно 20 оC) они находятся в жидком состоянии. В небольших количествах метан содержится в угольных пластах, но объемы его извлечения оттуда пока незначительны - по экономическим причинам.
Из всех видов органического топлива газ обеспечивает наилучшие экологические показатели электростанции, поэтому он считается предпочтительным топливом для ТЭЦ в крупных городах. Газовое топливо наиболее удобно при подготовке к сжиганию, которая сводится только к регулированию давления газа. А есть ли какие-нибудь недостатки? Пожалуй, лишь один: транспортировка газа по трубопроводам экономична при высоком давлении и пониженной температуре (для увеличения плотности), требует высоконадежных компрессорных станций, потребляющих значительное количество электроэнергии. Можно перевозить сжиженный газ в цистернах, но железнодорожный транспорт дешевым не бывает.
Надо прямо сказать, что природный газ – это самое желанное топливо для энергетиков. При его использовании на ТЭС топливное хозяйство несравненно проще и экономичнее, чем при сжигании мазута и тем более угля. Если к этому добавить еще и необоснованные, явно заниженные тарифы на газ, то станет понятным постоянно возрастающий спрос на «голубое топливо» все последние годы.
Без установления экономически обоснованных цен «газовая пауза» в нашей стране может сильно затянуться. Кроме того, малозначительная топливная составляющая в себестоимости любой продукции не стимулирует осуществление эффективных мер по энергосбережению.
Между тем, затраты на газодобычу продолжают возрастать. Это происходит по тем же причинам, что и в нефтяной отрасли – скважины становятся все глубже и беднее, а сами месторождения все севернее и восточнее.
Природный газ называют не только «голубым топливом», но и «голубым золотом», поскольку он, как и нефть, является ценным химическим сырьем.
Особо нужно подчеркнуть то, что газ удобен для использования в быту - достаточно хотя бы сравнить газовые плиты с электрическими или дровяными.
Основными положениями ЭС-2020 предусматривается использование добываемого в России природного газа:
- в качестве топлива для коммунально-бытового энергоснабжения (в том числе как котельного топлива ТЭЦ);
- в качестве сырья для химической промышленности, производства минеральных удобрений и т.п.;
- в технологических процессах металлургии, машиностроения, промышленности стройматериалов и др.;
- для экспорта.
Главным районом газодобычи в нашей стране сейчас является Западная Сибирь (север Тюменской области) – здесь извлекается более 80% всего объема газа. В советское время было построено 6 магистральных газопроводов, соединяющих этот регион с центром страны, в том числе газопровод Уренгой (место добычи газа) – Помары (бывшая Марийская АССР) – Ужгород (западная Украина) протяженностью примерно 4500 км.
Большинство месторождений тюменского севера (Медвежье, Уренгойское, Ямбургское и др.) вступило в период падающей добычи. Давно добывается газ в Оренбургской и Астраханской областях.
Новые месторождения расположены еще дальше от центра России – на полуострове Ямал, в Заполярье, на шельфах северных морей, в восточной Сибири (Ковыктинское месторождение в Иркутской области), на Дальнем Востоке.
Из стран ближнего зарубежья по объемам добычи и экспорта природного газа следует выделить Туркменистан, причем покупка Россией некоторого количества туркменского газа для снабжения южных районов нашей страны может быть признана экономически целесообразной.
Таковы основные достоинства и недостатки различных видов извлекаемого из недр Земли органического топлива. В следующей главе обратим наше внимание на те виды энергоресурсов, которые принято считать возобновляемыми.
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОИСТОЧНИКОВ. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
Отказ от сжигания природного углеводородного сырья в топках электростанций и котельных с каждым годом становится все более насущной задачей человечества. Для ее быстрейшего решения нужно найти замену углю, нефти, газу.
Рассмотрим достоинства и недостатки, а также перспективы использования различных видов энергоресурсов, которые принято объединять в группу под общим названием «нетрадиционные (и) возобновляемые источники энергии (НВИЭ)». Впрочем, первое слово – «нетрадиционные» - можно отнести не ко всем возобновляемым энергоресурсам. Это относится, в первую очередь, к использованию энергии падающей воды на больших гидроэлектростанциях (ГЭС) и к сжиганию в качестве топлива обычных дров.
В самом деле, можно ли отнести, например, твердую древесину к группе НВИЭ? И да, и нет. С одной стороны, это вполне «традиционный» вид топлива, но, с другой стороны, считать его одним из видов возобновляемых энергоресурсов вполне обоснованно, ибо темпы расходования древесины в качестве топлива заметно уступают скорости воспроизводства этого продукта в природе. Однако из-за невысоких параметров горения дрова не предполагается сжигать на электростанциях.
Рост интереса к НВИЭ во всем мире стал особенно заметен после энергетического кризиса и скачка цен на нефть в начале 1970-х годов.
Солнечная энергия
Прежде всего нужно сказать, что многие виды энергоресурсов - органическое топливо, течение рек, ветер, биомасса и т.д. - имеют своим первоисточником энергию Солнца, но здесь речь пойдет только об энергии прямого солнечного излучения. Оно дает человечеству неиссякаемый и неограниченный источник энергии, в то время как потенциал почти всех остальных видов энергоресурсов тем или иным образом лимитирован.
Выделение энергии на Солнце происходит в результате термоядерных реакций, и оно будет продолжаться еще многие миллиарды лет. Поток солнечной энергии в тысячи раз превосходит все энергетические потребности человечества, однако роль этого источника в топливно-энергетическом балансе на сегодняшний день совсем незначительна.
Это объясняется низкой плотностью потока энергии прямого солнечного излучения. Лишь малая его часть (десятые доли процента) преобразуется в концентрированные виды энергии (энергию течения рек, сильного ветра, океанских приливов, фотосинтеза и др.), которые мы договорились здесь не рассматривать. Обсудим возможные способы использования остальной, сильно рассеянной части потока солнечной энергии.
Не вызывает сомнения эффективность солнечных отопительных систем для производства низкопотенциальной тепловой энергии. Принцип работы таких гелиоустановок основан на поглощении энергии солнечных лучей зачерненными нагревательными поверхностями. При этом циркулирующая в трубах вода повышает свою температуру и может использоваться для отопления и горячего водоснабжения. Такой способ теплоснабжения довольно широко применяется в курортных зонах, где особенно важны экологические характеристики энергоустановок. В маловодных районах с помощью солнечной энергии можно опреснять высокоминерализованные воды методом дистилляции.
Для получения тепловой энергии за счет прямого солнечного излучения можно также использовать «парниковый» эффект, основанный на различной пропускающей способности стеклянных поверхностей в прямом и обратном направлениях. Это используется, например, в тепличных хозяйствах для выращивания сельхозкультур в холодное время года.
Таким образом, преобразование энергии прямого солнечного излучения в теплоту осуществляется достаточно просто и эффективно.
Несколько иначе обстоит дело с производством электроэнергии. Для этого к настоящему времени освоены два основных способа и, соответственно, два типа солнечных электрических станций (СЭС), именуемых еще гелиоэлектростанциями (ГеЭС).
Первый тип СЭС относится к тепловым электростанциям, поскольку предполагает преобразование солнечной энергии сначала в тепловую, а только в конечном счете – в электрическую. На таких станциях солнечные лучи с помощью вогнутых зеркал фокусируются на аппарат, в котором под воздействием высокой температуры генерируется водяной пар. Дальнейший технологический процесс происходит так же, как на обычной тепловой электростанции, с использованием паровой турбины и электрогенератора.
В 1988 году вступила в строй Крымская СЭС мощностью 5 МВт, расположенная в степной части Крыма, на Керченском полуострове. Пар с давлением 40 атм и температурой 250 оС вырабатывается котлом, установленным на высоте 70 м. Для приема и фокусировки солнечных лучей имеется 1600 зеркал площадью по 25 кв. м, они увеличивают плотность потока энергии в 150 раз. Работа СЭС в ночное время и при пасмурной погоде поддерживается с помощью теплового аккумулятора горячей воды, обеспечивающего 3-4 часа работы станции на полной электрической мощности [31].
Возможно и использование газовых турбин, приводимых в движение сжатым газом, нагретым до высоких температур – порядка 800 оС. При этом такая газовая турбина может быть надстройкой к паровой турбине СЭС.
Другой тип гелиоэлектростанций основан на прямом преобразовании энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью фотоэлектрического эффекта (выбивания электронов из атомов солнечными фотонами), открытого Герцем в конце 19 века. Этим свойством обладают полупроводниковые материалы, среди которых выделяются кремний, арсенид галлия и др.
СЭС с фотоэлектрическими преобразователями, как и солнечные ТЭС, требуют отчуждения больших площадей для размещения приемников солнечного излучения – по некоторым оценкам, около 100 кв. км на каждые 1000 МВт электрической мощности [31]. Этим объясняется появление ряда проектов орбитальных СЭС, где электроэнергия будет вырабатываться фотоэлементами, а ее передача на Землю – с помощью электромагнитного излучения сверхвысокой частоты. Отметим, что основанные на фотоэффекте солнечные батареи уже десятки лет практически незаменимы для энергопитания космических аппаратов. Есть и другие примеры использования прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, в частности, в электромобилях, элементах питания микрокалькуляторов, часов и т.д.
Солнечные электростанции обоих типов являются высокоэкологичными, ибо они практически не нарушают теплового и химического равновесия в природе. Однако себестоимость электроэнергии от СЭС на порядок выше, чем от ТЭС на органическом топливе, да и КПД использования первичной энергии невысок – обычно 10-15%.
Солнечные энергоустановки имеет смысл размещать в районах с большим количеством ясных дней в году – наверно, не менее трехсот. Поскольку мощность солнечного излучения зависит от времени суток и от погоды, наиболее целесообразны комбинированные системы энергоснабжения, в которых вместе с гелиоустановками имеются аккумуляторы тепловой и электрической энергии, дизель-генераторы или другие резервные (замещающие) энергоисточники.
Развитие солнечной энергетики сегодня находится на стадии улучшения технико-экономических показателей для существующих технологий и поиска новых технических решений. Думается, что со временем гелиоэнергетика займет достойное место в топливно-энергетическом балансе, поскольку значение ее достоинств будет только возрастать по мере обострения экологических проблем и исчерпания других видов энергоресурсов.
Гидроэнергоресурсы
Энергия падающей воды используется человеком уже давно, например, для получения муки из пшеничного зерна на водяных мельницах.
Течение рек вызвано тем, что влага испаряется с поверхности нашей планеты и затем возвращается в виде осадков (дождь, снег, град). Следовательно, первоисточником гидроэнергии на Земле является Солнце.
В настоящее время гидроэнергоресурсы играют наиболее важную роль из всех возобновляемых источников энергии. В случае использования всех рек мира можно построить ГЭС суммарной мощностью около 3000 ГВт [10], но в нынешних условиях экономически целесообразна для освоения примерно половина этого потенциала. Сейчас на долю ГЭС приходится более 20% вырабатываемой в мире электроэнергии (в России - около 20, США – примерно 9, Норвегии – более 99, а в Нидерландах – 0%). В некоторых странах (США, Япония, Франция и др.) используется уже более 80-90% от всего имеющегося гидроэнергетического потенциала [14].
В нашей стране имеется 98 ГЭС, суммарная мощность которых составляет 44 млн кВт (пятое место в мире; у США – 76, у Китая – 72 млн кВт). Имеющиеся в России гидроэнергоресурсы используются менее чем на 20%, причем возникший после распада СССР застой в развитии гидроэнергетики пока еще не преодолен.
Каковы главные достоинства гидроэлектростанций?
Во-первых, ГЭС высокоманевренны (пуск гидроагрегатов и набор мощности осуществляется за считанные минуты) и играют незаменимую роль в покрытии пиковых нагрузок за счет возможности накапливания воды в водохранилищах. С учетом того, что крупные энергоблоки ТЭС на органическом топливе и АЭС целесообразнее использовать в базовом режиме, наличие в энергосистеме гидроэлектростанций очень полезно.
Во-вторых, с экологической точки зрения ущерб от работы ГЭС минимален и несравним с тем вредом, который наносят окружающей среде тепловые электростанции, особенно при сжигании угля и мазута.
Наконец, себестоимость электроэнергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями, в несколько раз меньше, чем на традиционных ТЭС и АЭС. Рядом с ГЭС выгодно иметь предприятия с большим электропотреблением, например, алюминиевые заводы.
К недостаткам гидроэнергетики следует отнести:
- затопление земель при создании водохранилищ перед плотинами ГЭС; наибольшие площади оказываются под водой при перекрытии равнинных рек - например, при строительстве Волжской ГЭС в Куйбышевской (ныне Самарской) области получилось огромное, разлившееся до Казани, Куйбышевское водохранилище, в отдельных местах шириной в десятки километров, его образно называют Жигулевским морем; минимальное потери, связанные с затоплением земель, могут быть обеспечены при сооружении ГЭС на горных реках, но затраты на строительство здесь существенно возрастают;
- ухудшение качества воды в водоемах, ущерб водной флоре (активизация вредных водорослей) и фауне (сооружение плотин приводит к уменьшению рыбных ресурсов), изменения ледового режима;
- возможные изменения климата; старожилы вспоминают, что до появления каскада волжских ГЭС арбузы вызревали даже в среднем Поволжье (а теперь только южнее Саратова);
- высокие плотины гидроэлектростанций являются источником опасности, так как в случае их разрушения (в результате стихийных бедствий или других непредвиденных обстоятельств) могут быть тяжелые последствия, схожие с теми, которые вызывает цунами.
Справедливости ради нужно сказать, что появление искусственных водохранилищ ГЭС имеет и позитивные последствия – для водоснабжения, орошения в засушливых районах, развития водного транспорта, создания зон отдыха, да и климат не везде изменяется обязательно в худшую сторону.
Если говорить в целом, то преимущества гидроэнергетики намного более существенны, чем недостатки. Нет сомнения в том, что в ближайшие десятилетия основная часть имеющихся на Земле гидроэнергоресурсов рек уже станет использоваться на благо человечества. Более того, появились идеи перекрытия плотинами морских проливов и даже использования гидроэнергии мощных океанских течений.
Крупнейшие российские ГЭС расположены главным образом в восточной части страны на полноводных сибирских реках – Саяно-Шушенская (6400 МВт) и Красноярская на Енисее, Братская (4500 МВт) и Усть-Илимская на Ангаре и др. В ближайшие годы возможен рост мощностей в отечественной гидроэнергетике за счет ввода в эксплуатацию целого ряда новых ГЭС, оставшихся недостроенными на территории России еще со времен СССР.
Из зарубежных стран по динамике развития можно выделить Китай. Например, суммарная мощность нового китайского гидроэнергетического комплекса «Три ущелья» составит 18200 МВт (это самая крупная ГЭС в мире).
Разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), которые целесообразно сооружать в комплексе с мощными ТЭС или АЭС для регулирования нагрузок в энергосистеме.
В ночное время, когда происходит спад электропотребления, часть электроэнергии, вырабатываемой тепловой или атомной электростанцией, расходуется на перекачку воды из нижнего озера ГАЭС в верхнее. Такой режим работы гидроаккумулирующей электростанции называется насосным.
В остальное время, когда требуется покрытие энергосистемой больших нагрузок, осуществляется генераторный режим ГАЭС. Он означает выработку электроэнергии гидротурбинами за счет слива воды из верхнего озера в нижнее (обычно перепад высот может составлять примерно 100 м).
Относятся ли гидроэнергоресурсы к НВИЭ? К возобновляемым – несомненно, а вот к нетрадиционным - только так называемые малые гидроэлектростанции (микроГЭС) для локального электроснабжения. Производство же электроэнергии на обычных ГЭС можно с полной уверенностью считать традиционным способом энергообеспечения.
Малые ГЭС (МГЭС) могут иметь мощность от нескольких киловатт до нескольких мегаватт, на территории России для них есть сотни тысяч малых рек. Использование микроГЭС бывает экономически оправданным при децентрализованном электроснабжении удаленных потребителей, для которых к тому же электроэнергия от дизель-генераторов менее выгодна, чем от МГЭС.
Энергия приливов
Причина приливов - это гравитационное взаимодействие (взаимное притяжение) воды морей и океанов с Луной, поэтому приливную энергию еще называют «лунной». Луна вращается вокруг Земли, а последняя – вокруг Солнца, которое, таким образом, является первоисточником энергии приливных волн. Геометрия орбиты вращения Луны определяет ее удаление от Земли в каждый момент времени. Это расстояние, циклически изменяясь, в свою очередь, влияет на силу лунного притяжения.
Гидроэнергетический потенциал приливов характеризуется высотой приливной волны, т.е. разностью уровней воды при приливах и отливах. В некоторых местах она может превышать 10 и даже 15 метров. Наиболее удобно и экономически выгодно размещать приливные электростанции (ПЭС) в узких горловинах больших заливов, выполняющих роль водохранилищ.
На ПЭС целесообразно применять обратимые гидротурбины с поворачивающимися лопастями. Это позволяет использовать энергию движущейся воды и во время заполнения водохранилища приливом, и при отливе.
Приливная электростанция фактически является разновидностью ГЭС, так как здесь тоже происходит преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращения ротора гидрогенератора. Сравнение этих двух видов электростанций в целом дает преимущество ПЭС.
Прежде всего, водохранилище при ПЭС является частью мирового океана и поэтому не испытывает больших колебаний среднего уровня воды, в то время как среднесуточная мощность ГЭС сильно изменяется в течение года - зимой минимальная, а в паводковый период резко возрастает. Сток реки может существенно различаться не только по сезонам, но и по годам - периодически случаются маловодные годы.
Как было показано выше, график приливов и отливов выдерживается с точностью до минут, ибо он определяется взаимным расположением Земли и Луны. Такая предсказуемость, с одной стороны, облегчает регулирование нагрузок в энергосистеме. Однако здесь заложен и недостаток ПЭС – большая зависимость ее работы от времени суток.
По экологическим показателям приливные электростанции лучше ГЭС, поскольку заполнение водохранилища ПЭС является вполне естественным процессом, а не искусственным затоплением.
В нашей стране имеется опытно-экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт (Мурманская область, год пуска – 1967). Возводить мощные приливные электростанции в России удобно на берегах северных и восточных морей – в Мезенском, Тугурском, Пенжинском и других заливах можно построить ПЭС мощностью в десятки тысяч мегаватт.
Среди зарубежных станций можно выделить достаточно крупную ПЭС во Франции, в устье одной из рек на берегу пролива Ла-Манш (максимальная мощность 240 МВт, находится в эксплуатации более 30 лет).
Увы, на Земле не так много мест, где высокие приливы. По зарубежным оценкам суммарный потенциал приливов на нашей планете составляет примерно 13 ГВт, что значительно меньше гидроэнергетического потенциала рек [10].
Ветровая энергия
Почему возникает ветер? Из-за отличий в свойствах земной поверхности Солнце неравномерно нагревает ее в разных районах. Возникающие перепады температур воздуха сказываются на изменениях атмосферного давления и тем самым приводят в движение воздушные массы. На Земле немало мест, где бόльшую часть года дуют сильные ветры. Прежде всего, это прибрежные зоны морей и океанов, горные массивы, степи, тундра.
Суммарный ветроэнергетический потенциал нашей планеты в десятки раз превышает все потребности в электроэнергии. Для России он оценивается в несколько миллионов МВт электрической мощности. Есть очень «ветреные» страны, например, Дания и Голландия, где развитию ветроэнергетики уделяется не меньшее внимание, чем другим энергоисточникам, и даже рассматриваются варианты развития всей электроэнергетической отрасли с опорой на ветроэлектростанции (ВЭС).
Использование человеком механической энергии ветра имеет многовековую историю, достаточно вспомнить хотя бы Дон Кихота. В одной только России количество ветряных мельниц для размола зерна исчислялось не одной сотней тысяч. Во все времена мореплавателям желали попутного ветра. В наши дни гонки на парусных судах – это олимпийский вид спорта.
Могут быть и другие области применения механической энергии воздушных потоков, например, для подачи воды из колодцев, вентиляции овощехранилищ.
Теперь перейдем непосредственно к вопросу о производстве электроэнергии на ветровых электрических станциях.
ВЭС не является тепловой электростанцией, поскольку механическая энергия ветровых потоков трансформируется сразу в энергию вращения ротора ветрогенератора, без стадии преобразования в тепловую энергию.
Энергетические ветроустановки кратко называют ветряками. Считается, что их эффективная работа с мощностью в несколько киловатт может достигаться при среднегодовой скорости ветра не менее 5 м/с, а для ветряков мегаваттного диапазона – 8-10 м/с.
Мощность ветроагрегата определяется размерами его лопастей и пропорциональна скорости ветра в третьей степени. В настоящее время наиболее крупные действующие и проектируемые ветроустановки промышленного значения имеют единичную мощность в несколько МВт. Для них высота опоры (башни) и диаметр колеса могут превышать 100 м. В киловаттном диапазоне (это так называемые малые ветроустановки) размеры на порядок меньше.
Для повышения общей мощности ВЭС нужно располагать несколько десятков или даже сотен ветроагрегатов в одном кусте.
Главная проблема ветроэнергетики - это непостоянство силы и направления ветра. Обычно ВЭС преобразуют в электроэнергию около четверти ветровой энергии. Снижение скорости ветра значительно уменьшает КПД и мощность ветрогенератора. С другой стороны, во время ураганов возрастает опасность механического повреждения конструкций ветроустановок, поэтому их изготовление требует больших затрат.
Для многих ВЭС характерны значения среднегодового коэффициента использования установленной мощности примерно 0,3-0,5. Это говорит о том, что из-за переменности воздушных потоков электроснабжение от ветряков не может быть надежным без подстраховки какими-нибудь замещающими электрогенерирующими установками. Для удаленных потребителей эту роль во время штиля могут выполнить, например, дизель-генераторы, а при возможности получения электроэнергии от энергосистемы – электростанции других типов.
Эффективность эксплуатации ВЭС во многом зависит от возможности аккумулирования электроэнергии, выработанной ветрогенераторами в периоды спада нагрузки.
Предлагаются различные способы решения этой проблемы, в частности, преобразование излишков электрической энергии в запасы водорода путем электролиза воды, т.е. разложения ее на водород и кислород под воздействием электрического тока. Полученный таким образом водород может быть использован как высокоэкологичное топливо для выработки электроэнергии в любое нужное нам время.
В районах, испытывающих дефицит пресной воды, применим еще один способ аккумулирования – создание запасов обессоленной воды, полученной в электроиспарительных установках за счет электроэнергии от ВЭС.
Ветровые электростанции не оказывают вредного экологического воздействия на окружающую среду. Правда, некоторые ученые высказывают опасения насчет того, что большое скопление ветряков в одном месте может негативно отразиться на природных равновесиях. Однако пока что не имеется каких-то конкретных фактов, подтверждающих возможность такого масштабного влияния ветроустановок на естественные процессы в природе. Изучение этого вопроса нужно продолжать – например, исследовать взаимосвязь скорости перемещения воздушных масс и интенсивности выпадения осадков.
Энтузиасты ветроэнергетики считают, что по стоимости электроэнергии ВЭС могут постепенно приблизиться к обычным ТЭС. Действительно, имеются еще определенные резервы в совершенствовании конструкций и улучшении характеристик ветроустановок, укрупнении ветроэлектростанций. Однако достигнутые к настоящему времени технико-экономические показатели ВЭС не позволяют пока что уверенно прогнозировать быстрое наращивание доли ветроэнергетики в топливно-энергетическом балансе.
Геотермальная энергия
Внутри нашей планеты происходят различные процессы. Наибольшее влияние на температурный режим подземных слоев оказывает процесс радиоактивного распада различных естественных изотопов, так как он сопровождается выделением тепловой энергии.
Из-за низкой теплопроводности земных пород температура на поверхности Земли невелика, а тепловое равновесие обеспечивается отводом теплоты через атмосферу в космическое пространство.
Все это говорит о том, что геотермальная энергия практически неисчерпаема.
Установлено, что в среднем температура подземных слоев повышается со скоростью 3 градуса на каждые 100 м продвижения вглубь Земли. Однако на нашей планете есть некоторые места, где горячие слои находятся достаточно близко к поверхности. Причиной этого могут быть, в частности, активные вулканические процессы.
Именно в таких местах расположены или строятся почти все геотермальные электростанции (ГеоТЭС). Иногда их называют геотермическими, а вместо сокращения ГеоТЭС используется ГеоЭС.
Из пробуренных скважин на поверхность вырывается горячая вода, пар или пароводяная смесь. Там, где имеются естественные расщелины для выхода пара или кипятка, образуются гейзеры - уникальные природные источники подземного тепла. В начале 40-х годов прошлого столетия на Камчатке была открыта целая долина гейзеров, самый мощный из которых выбрасывает струю на сотни метров вверх. Гейзеры есть в Исландии, США, Новой Зеландии, Италии, Чехии и других странах.
Большинство геотермальных источников имеет температуру воды, вполне достаточную для горячего водоснабжения и отопления.
Для выработки электроэнергии желательны более высокие параметры. Например, первая в нашей стране Паужетская ГеоТЭС, построенная на Камчатке в 1967 г., использует выходящую из скважин пароводяную смесь с температурой около 200 оС, глубина бурения – несколько сот метров, мощность станции – около 10 МВт.
В 2002 году в том же регионе закончено строительство первой очереди еще одной геотермальной электростанции – Верхне-Мутновской (мощность 50 МВт). Здесь температура природного источника доходит до 270 оС, глубина скважин – до 2 км. Возможности для развития геотермальной энергетики в нашей стране есть также на Курильских островах.
Мощность наиболее крупных зарубежных ГеоТЭС составляет сотни мегаватт.
К достоинствам геотермальных электростанций следует отнести их экологичность, отсутствие сезонных колебаний, характерных для гидроэнергетики, высокий коэффициент использования установленной мощности. Например, в энергетике США он составлял 70%, в то время как для ТЭС на органическом топливе - 45, АЭС - 66, ГЭС – 41, ТЭС на биомассе – 59, ВЭС – 16, СЭС – 28 [33].
Помимо низких параметров, существенным недостатком подземных термальных вод является их высокая минерализация, а иногда и содержание токсичных веществ, например, фенола. Повышенное содержание солей может быть причиной ускоренного коррозионного износа оборудования энергоустановок. Наличие примесей в паре, поступающем в турбину, вызывает повреждения лопаток.
С экономической точки зрения геотермальная энергетика вполне конкурентоспособна в сфере теплоснабжения. Одной скважины достаточно для обеспечения горячей водой и отоплением нескольких тысяч человек.
Стоимость электроэнергии от ГеоТЭС довольно высока, но в отдаленных районах не меньших затрат требует и электроснабжение от других типов электростанций.
Удобных мест для строительства геотермальных электростанций немного. В настоящее время доля ГеоТЭС в суммарной мощности всей электроэнергетики мира составляет десятые доли процента.
Определенный интерес вызывает идея использования геотермальной энергии путем искусственного охлаждения горячих подземных пород за счет закачивания в скважину холодной воды в одном месте и вывода ее на поверхность в нагретом состоянии через другую скважину. Высказываются, однако, опасения, что закачка воды под землю при повышенном давлении может повысить сейсмическую активность.
Энергия биомассы
Естественные процессы и человеческая деятельность приводят к образованию большого количества органических веществ, которые принято называть биомассой. В первую очередь сюда можно отнести:
- природные остатки растительного и животного происхождения, а также специально выращиваемые культуры для быстрого получения биомассы;
- твердые бытовые отходы (городской мусор) и осадки сточных вод (канализационный ил);
- отходы сельскохозяйственного производства;
- органические отходы пищевых, сахарных, молочных, консервных, кожевенных, текстильных, целлюлозно-бумажных и других предприятий.
Из биомассы можно получить углеводородное топливо, в частности, метан. Оно может использоваться в энергоустановках для теплоснабжения и выработки электроэнергии.
Наиболее распространенным способом превращения органических отходов в топливо является биоконверсия (биотермическая обработка). Она основана на анаэробном (т.е. без доступа воздуха) сбраживании биомассы с помощью метанобразующих бактерий.
В биогазовой установке (биогазогенераторе) поддерживается несколько повышенная температура (20-60 оС) для увеличения скорости брожения и обеспечивается перемешивание органических остатков. Важным условием является герметичность биоустановки, поскольку доступ кислорода приводит к гибели бактерий, обеспечивающих метангенерацию.
В результате биоконверсии органических отходов получают биогаз, в котором содержится до 70% метана, и остаточный шлам, представляющий из себя ценные удобрения, а также сырье для производства кормовых добавок. Биогаз содержит разные примеси, в том числе окись углерода и сероводород, поэтому он имеет неприятный запах, а его теплота сгорания значительно меньше по сравнению с природным газом.
В качестве простейшей биоустановки может служить закрытый колодец, заполненный навозом и другими остатками животного и растительного происхождения.
Из одного килограмма биомассы можно получить десятки и даже сотни литров биогаза. Он может использоваться как самостоятельное топливо или подмешиваться к природному газу.
Биогазовые технологии способствуют решению экологических проблем. Например, биогазификация навоза уменьшает загрязнение водоемов и грунтовых вод. Несомненна польза для окружающей среды и от комплексной переработки городского мусора. В некоторых странах требование вторичного использования органических отходов закреплено законодательными актами.
С помощью биоустановок может быть также получено жидкое синтетическое топливо – бионефть (синтетическая нефть), биобензин.
Каковы перспективы биогазовых технологий?
Чтобы оценить объем образующихся на нашей планете органических отходов, достаточно привести следующие цифры: на фотосинтез расходуется солнечной энергии в несколько раз больше, чем на ветровую энергию, а ежегодное количество бытовых отходов в каждом крупном городе-мегаполисе составляет миллионы тонн.
В нашей стране экономически целесообразная переработка органических отходов в биоустановках в настоящее время могла бы обеспечить ежегодное производство биогаза, эквивалентное нескольким десяткам миллионов тонн условного топлива (тут), а весь энергетический потенциал биоресурсов России оценивается в миллиарды тут в год.
В настоящее время рационально используется лишь небольшая часть образующейся биомассы. Например, почти весь городской мусор просто вывозится на свалки или в лучшем случае поступает на мусоросжигательные заводы. Даже древесина, самый востребованный продукт фотосинтеза, пропадает во всем мире почти на 90%. Отметим, что на долю России приходится более 1/5 всех лесных ресурсов планеты.
Очевидно, что решающим условием широкого развития биогазовых технологий является улучшение их технико-экономических показателей. Во всем мире продолжается поиск принципиально новых способов получения топлива из биомассы. Одновременно ведутся исследования, направленные на повышение эффективности фотосинтеза с помощью генной инженерии.
Водородное топливо
При обсуждении достоинств и недостатков различных видов НВИЭ постоянно подчеркивалась мысль о необходимости аккумулирования электрической энергии. Это обеспечило бы возможность непрерывного электроснабжения потребителей, в том числе и в периоды снижения по естественным причинам мощностей СЭС, ВЭС, ПЭС и др.
Одним из перспективных способов решения этой проблемы может стать развитие водородной энергетики. В настоящее время нет эффективных способов запасать большое количество электроэнергии в те периоды времени, когда электрогенерирующие мощности энергоустановок, использующих НВИЭ, превышают суммарные нагрузки потребителей. Зато есть возможность преобразовать излишки электрической энергии в запасы водорода путем электролиза воды, т.е. ее электрохимического разложения на водород и кислород.
Водород – это очень удобный вид топлива, обладающий целым рядом достоинств:
- при сжигании не загрязняет окружающую среду, поскольку продуктом горения является Н2О;
- имеет высокую теплотворную способность, почти в 5 раз превышающую этот показатель для условного топлива;
- легко транспортируется по трубопроводам, так как обладает малой вязкостью;
- допускает возможность длительного хранения в сжатом или сжиженном виде;
- является наиболее универсальным видом топлива, пригодным для использования в самых разных сферах деятельности человека, в том числе в быту.
Стоимость водорода пока еще довольно высока, и получают его в основном из природного газа, а не путем электролиза воды. Однако преимущества водородного топлива столь весомы, что есть все основания считать водородную энергетику перспективной.
