ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Автор КАЗДЫМ А.А.

Одной из глобальных проблем современности является истощение запасов топлива, применяемого в энергетике (нефти, газа, угля, горючих сланцев и т.д.). Кроме того, эти виды топлива (применяясь к современным требования) неэкологичны, так как при их сжигании выбрасывается в атмосферу большое количество вредных веществ и образуется большое количество твердых отходов (зол и золошлаков).

Однако около 50% электроэнергии дают именно тепловые электростанции, сжигающие твердые виды топлива (уголь,  торф, горючие сланцы), нефть и газовый конденсат, газ. При сжигании твердого топлива, в первую очередь каменного и бурого угля (до 30% общего мирового объема сжигаемого топлива) в атмосферу выбрасываются сера и двуокись серы, оксиды азота, углекислый газ, сажа, тяжелые металлы. Именно выбросы электростанций работающих на каменном угле (и иных видах твердого топлива) послужили фактором появления кислотных дождей.

Различные фильтры, дымо- и сажеуловители, катализаторы – безусловно, используются, но пока не настолько эффективны и дороги. Кроме того, при сжигании твердого топлива образуется огромное количество золы, шлаков и золошлаков. На территории России ежегодно накапливается до 3,5 млрд. тонн техногенных отходов от электростанций! Отметим, что при добыче 1 тонны угля шахтным методом образуется 0.5 тонн пустой пород, при добыче открытым (карьерным) способом 6 тонн, а при сжигании 1 тонны угля образуется 130 кг золы и золошлаков.

Золы и золошлаки электростанций (но всего 2% количества отходов!) в настоящее время успешно используются в строительстве, производстве стройматериалов, дорожном строительстве.

Отвалы пустой породы (https://politiko.ua/blogpost79251)

Ежегодно потребляется для вторичного использования более 61 млн. тонн золошлаковых отвалов ТЭЦ (для производства вяжущих веществ, производства керамики, огнеупоров, тепло- и звукоизоляционных материалов, углесодержащие отходы богатые органическими соединениями могут использоваться в качестве минеральных удобрений). Это весьма успешный и развивающийся бизнес, исключающий расходы на добычу и (частично) на транспортировку – только переработку и использование.

Однако фактическое использование отходов энергетики в России составляет не более 4-5%. Основные проблемы связаны как с неповоротливостью бюрократического аппарата, огромным количеством согласований, так и нежеланием бизнесменов вкладывать (пока!) средства в перерабатывающие отходы предприятия, не приносящие быстрого дохода. Без помощи государства (хотя бы законодательной) и налоговых льгот здесь не обойтись.

Эксперты отмечают, что запасы невозобновляемых видов топлива (уголь, горючие сланцы, нефть, газ, для АЭС) небезграничны, и через определенное количество лет человечество столкнется с проблемой энергетического голода (по оценкам экспертов, запасов нефти в России хватит на 21 год, газа на 50-60 лет). В настоящее необходимо и актуально вложение средств именно в альтернативные виды энергии и топлива, развитие и расширение данных технологий.

Альтернатива вредным выбросам электростанций – атомная энергетика. Однако это отрасль энергетики экологически небезопасна и грозит чудовищными экологическими проблемами в случае весьма возможных и непредсказуемых катастроф (вспомним хотя бы Чернобыль 1986 года). Кроме того, остро встает проблема утилизации и переработки радиоактивных отходов (что в частности проводится в России). На российских предприятиях перерабатываются радиоактивные отходы со всей Европы, причем только 10% обогащаются до состояния природного урана, остальные 90% (!!!) могут лишь утилизироваться (МК, 10 марта 2006 г.). Гарантии загрязнения радиоактивными отходами окружающей среды не существует!

Ядерное топливо (уран) относится к невозобновимым запасам природного энергетического сырья, а Россия в настоящее время испытывает «урановый голод». Еще несколько лет назад Глава Федерального агентства по недропользованию А. Ледовских отметил (Российская газета, 28 февраля 2006 г.), что после распада СССР, в России осталось не более 20% всех разведанных запасов урана, и при годовой потребности в уране 15-16 тыс. тонн добывается чуть более 3 тыс. тонн. Существующих складских запасов урана хватит лишь до 2015-2020 года.

Тем не менее, хорошо известны возобновляемые виды энергии: вода (гидростанции), солнечная энергия (гелиоэнергетика), ветер (ветроэнергетика), тепло Земли (гидротермальная), сила морских приливов и отливов.

Текучая сила воды, т.е. гидроэлектростанции, давно (с 1891 года) и широко применяются во всем мире. Они считаются (правда, весьма условно) экологически чистыми, так как практически отсутствуют выбросы в атмосферу. Но каскады электростанций, превратившие ряд рек (например, Волгу) в цепочки водохранилищ, не панацея от всех энергетических и экологических бед. При строительстве и эксплуатации водохранилищ появляется серьезные проблемы – отчуждение и затопление сельскохозяйственных угодий, лесов, населенных пунктов, что вызывает необходимость переселение жителей.

Например, при строительстве Новосибирского водохранилища ушли под воду 54 населенных пункта и были затоплены 281 км² только сельскохозяйственных угодий. При строительстве Ангарского каскада водохранилищ (Иркутского, Братского, Усть-Илимского) затоплено 760 тыс. га земель (230 тыс. га пахотных и пастбищных, 500 тыс. га лесных угодий), города Балаганск и старый Братск, более 300 деревень.

Кроме того, водохранилища способствуют усилению и даже появлению сейсмической активности. Так, например, в 1967 г. в Индии на плато Декан, произошло землетрясение силой 8 баллов, спровоцированное водохранилищем Койда, хотя по предварительно проведенным изысканиям и исследованиям данный район считался сейсмически неопасным.

Аварии на ГГЭС могут привести к серьезным техногенным катастрофам, как это было, например, на Саяно-Шушенской ГЭС  17 августа 2009 года. В результате аварии погибло 75 человек, а оборудованию и помещениям станции нанесён серьёзный ущерб. Работа станции по производству электроэнергии была приостановлена. Последствия аварии отразились на экологической обстановке прилегающей территории, а  также на социальной и экономической сферах региона.

Существует и другие проблемы, связанные как со строительством плотин (использование миллионов кубических метров различного строительного  материала), так и связанные с функционированием водохранилищ (заиливание дна, всплывание торфяников, абразия берегов, активизация негативных геологических процессов, угроза прорыва плотин и др.). Таким образом, крупные ГЭС хотя и решают энергетические проблемы, но создают проблемы как экологические, так и социальные.

Альтернатива крупным ГЭС – это миниГЭС, т.е. небольшие гидроэлектростанции, не требующие большого объема воды (в виде водохранилищ), и обеспечивающие энергией например, какой-либо город или предприятие. Каскады миниГЭС вполне смогут конкурировать с крупными энергетическими монстрами. Каковы проблемы и перспективы в этой области?

МиниГЭС очень хорошо могут себя зарекомендовать в районах с сильным течением рек и, в настоящее время, необходимы минитурбины именно для небольших гидроэлектростанций. Производство небольших турбин для миниГЭС, а главное привлечение инвестиций – это уже необходимость. При современных проблемах энергетики и удорожании тарифов на электроэнергию требуется автономность и независимость от энергосетей.

Энергия солнца (гелиоэнергетика). В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии (гелиоэнергетике) резко возрос.

Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики. Практическое применение в мире получили в основном гибридные солнечно-топливные электростанции (стоимость вырабатываемой электроэнергии составляет 0,08-0,12 $ за кВт/ч).

Гелиоустановки в Испании (Андалузия). Фото автора

В качестве примера успешного применения гелиотехнологий можно отметить проект «2000 солнечных крыш» в Германии, где разработана технология прозрачной теплоизоляции зданий и установки солнечных коллекторов с температурой  90‑50°С. Однако данная технология зависит от резервного источника электросети, из которого возмещается нехватка энергии (в случае же избытка энергия передается в сеть). Отметим, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов.

В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов. В пустыне Мохаве (США) в 250 км от Лос‑Анджелеса создана крупнейшая в мире гелиостанция LUZ мощностью около 600 МВт. Стоимость проекта составила 1,5 млрд. долларов.

Массовое производство и использование гелиостанций в мировой энергосистеме связано с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности до 1-2 $/Вт, а стоимость электроэнергии до 0,1 $/кВт.ч.

Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая стоимость кремния высокого качества – 40-100 $/кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное снижение его стоимости, является задачей номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике. В России в настоящее время имеются технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год.

Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте за 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти! Огромные запасы кремния в виде песков, кварцита, песчаника, имеющиеся в России вполне пригодны для экологических бизнес-технологий связанных с современной гелиоэнергетикой.

Однако есть и свои минусы… Эффективная деятельность гелиостанций возможна лишь в определенных районах с высокой солнечной инсоляцией. Кроме того, гелиоэнергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии (добыча кремниевого сырья и его переработки и обогащения, изготовление гелиостатов, коллекторов и т.д.). Отметим, что для производства 1 МВт/год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10000 до 40000 человеко-часов, в традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.

Пока электроэнергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. И хотя в настоящее время суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт, без помощи государства пока не обойтись. Принятая в США масштабная программа «Миллион солнечных крыш», потребовала при ее реализации расходов из федерального бюджета в сумме более 6 млрд. долларов.

На развитие гелиоэнергетики в Республике Казахстан планируется только на первом этапе затратить 10 млн. долл.

Ветровая энергия. Ветроэнергетика – одна из самых молодых энергетических отраслей, но ежегодный прирост оборотов в ней впечатляет. Например, в 2003 году через мировую ветроэнергетику «прошло» около 3 млрд. евро, а в 2004 году – 8 млрд., в 2005 – 12 млрд. евро! Во многих странах возникла новая отрасль – ветроэнергетическое машиностроение. В ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции, а мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия.

Суммарная мировая установленная мощность крупных ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэнергетических станций (ВЭС), по разным оценкам, составляет от 10 до 2

0 ГВт. Удельные капиталовложения в ветроэнергетику ниже, чем при использовании большинства других альтернативных видов энергии, возрастает не только суммарная мощность ветряных установок, но и их единичная мощность, превысившая 1 МВт.

Ветряные установки в Испании. Фото автора

Ветряные установки в Пиренеях, граница Испании и Андорры. Фото автора

Тарифа, Андалузия. Ветряные установки на вершинах гор. Фото автора

Франция. Ветряные установки среди виноградников. Фото автора

Франция. Прованс. Ветряные установки. Фото автора

В Германии работают уже 14 тыс. ветровых установок, которые производят треть мирового объема ветроэлектроэнергии и существуют более тысячи предприятий, работающих с технологиями ветроэнергетики. Крупнейший в мире ветровой генератор мощностью 3000 кВт и высотой 150 метров установлен в 1982 г. в Северной Германии, в Фрисляндии.

В России спрос на ветроэнергетическое оборудование также существует, что связано с ростом цен на ископаемые источники энергии и электроэнергию, необходимостью соблюдения экологических норм, «деятельностью» энергетических  монополий и в целом инфраструктурой страны. Созданы образцы отечественных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 250 и 1000 кВт, находящиеся пока в опытной эксплуатации.

В России уже существуют компании по производству, установке и эксплуатации ветроэнергетических установок (компания «Ветропарк Инжиниринг», ЗАО «Ветроэнергетический комплекс»  и ряд других), производящие ВЭУ мощностью от 300 кВт до 500 кВт. Отечественные ветрогенераторы («Бриз-5000», «Бриз-лидер») фирмы «Электросфера» работают при скорости ветра от 3 м/с и выдают мощность от 5 до 50 кВт. Стоимость различных типов «бытовых» электрогенераторов – от 5000 до 10000 Евро (вполне сопоставимо с ценой на автомобиль!), а срок службы – до 20 лет.

Ветровая энергетика для бизнеса России – перспективнейший вид вложений, так как перспективы в данном случае связаны как с экологией, так и с полной автономией, независимостью от энергетических монополий. Использование энергии ветра возможно для производства электроэнергии в частных домах, на предприятиях, а комплексы ВЭУ смогут обеспечивать электроэнергией отдельные районы.

Еще в 1996 году АО «Ростовэнерго» реализовало российско-германский проект «Эльдорадо-ветер» по строительству ветроэнергетической станции мощностью 300 кВт на территории подсобного хозяйства «Маркинское» Цымлянского района Ростовской области. Станция занимает площадь в 3 гектара и состоит из 10 решетчатых 27-метровых башен, расположенных в шахматном порядке с 12-метровыми лопастями, начинающими работать при скорости ветра уже в 4 м/сек. Полученная энергия передается в общую электрическую сеть через трансформаторную подстанцию и обслуживает потребности небольшого поселка. Комплекс автоматизирован и управляется электроникой, а обслуживают ветроэлектрическое хозяйство …всего 4 человека!

Тепловая энергия Земли (гидротермальные источники). Исландия полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Столица этого островного государства город Рейкьявик (170 тыс. человек), отапливается только за счет подземных источников, так как других местных источников энергии в Исландии практически нет.

Первая электростанция (ГеоТЭС), использующая тепло Земли, была построена в 1904 году в итальянском городе Лардерелло, и в наши дни мощность станции достигла 360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует гидротермальная электростанция в районе Вайракеи, мощностью 160 тысяч киловатт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.

В 1967 г. на Камчатке была создана первая в нашей стране Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, доведенная впоследствии до мощности 11 МВт. В 1968 г. появилась экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 0,4 МВт, на строительстве которой был впервые использован прогрессивный метод наплавного строительства плотины.

Калужский турбинный завод освоил выпуск блок-модульных ГеоТЭС мощностью 4 и 20 МВт. Три таких блока по 4 МВт смонтированы на Верхне‑Мутновской ГеоТЭС на Камчатке. Следующая на очереди – Мутновская ГеоТЭС мощностью 40-50 МВт – будет создана в ближайшие годы. Заметим, что гидротермальные источники имеются в России только на Камчатке и Курилах (в меньшей степени на Кавказе), поэтому геотермальная энергетика не может играть значительную роль в масштабах страны в целом, но для указанных районов, которые периодически оказываются на грани выживания в ожидании очередного танкера с топливом, геотермальная энергетика способна радикально решить проблему энергообеспечения.

Суммарная мировая мощность ГеоТЭС составляет не менее 6 ГВт, они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако ГеоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, что ограничивает область применения геотермальных установок.

Биоэнергетика. В биоэнергетике используется биогаз, содержащий метан, и образующийся при разложении (гниении) биомассы (навоза, растений, отходов деревоперерабатывающей промышленности и сельского хозяйства). Доля древесины в биомассе, которую используют в Европе – 16 %, тем не менее, древесное биотопливо считается весьма популярным в странах ЕС, например в Швеции биотопливо дает не менее 21 % тепла для отопления домов.

Однако при сжигании биотоплива все равно образуется углекислый газ (хотя и в меньших количествах), кроме того, не исключена возможность попадания биомассы  в грунтовые и поверхностные воды и почву, а метана в атмосферу (при нарушении герметизациии) и соответственно загрязнения окружающей среды. Тем не менее, весьма актуально использование биоэнергетических технологий в российских сельскохозяйственных комплексах (птицеводческих и животноводческих), что с одной стороны решает проблему отходов, а с другой – исключает зависимость от энергетических компаний, оберегает производителя от роста цен на электроэнергию, что позволяет снизить себестоимость продукции, а также избавит от колоссальных убытков при отключении электроэнергии и энергоавариях (вспомним энергокризис мая 2005 года).

Энергия приливов и волн. В мире существует только одна крупная действующая приливная электростанция (ПЭС) годовой мощностью 544 млн. КВт – в устье реки Ранс, во Франции (провинция Бретань), открытая в 1966 году. На более чем 800-метровой плотине установлено 24 турбогенератора, стоимость проекта составила 420 млн. франков (в ценах 60-х годов XX века).

Что касается перспектив приливной энергетики в России, то следует отметить, что приливные электростанции (ПЭС) должны обладать весьма большой мощностью (Мезенская ПЭС на Белом море – 19200 МВт, Тугурская ПЭС на Охотском море – 7800 МВт). Несколько сотен гидроагрегатов на каждой станции, длительные сроки строительства, огромные капиталовложения (как непосредственно в ПЭС, так и в мероприятия, необходимые для адаптации их в рамках энергосистемы) делают создание ПЭС предметом весьма отдаленного будущего.

Проблемы и перспективы альтернативной энергетики. К сожалению, как отмечает доктор технических наук, заведующий отделением нетрадиционных источников энергии и энергосбережения АО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» Борис Тарнижевский, «бесплатность» большинства альтернативных видов энергии связана со значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. И возникает некий парадокс – альтернативную «бесплатную» энергию способны производить и использовать главным образом…богатые страны.

Однако наиболее заинтересованы в развитии альтернативных видов энергетики именно развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, развитой сети централизованного энергоснабжения. И именно для развивающихся стран, и (к сожалению), в том числе и для России (с ее огромной территорией и специфическими климатическими условиями), необходимо создание автономного энергообеспечения путем применения альтернативных источников энергии. Богатые же страны энергетического голода пока не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.

Использование альтернативных видов энергии в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту, однако по данным МАГАТЭ, доля всех видов альтернативной энергетики (солнца, ветра, приливных станций и т.д.) в мире составляет менее 3-5%.

По различным прогнозным оценкам, в которых в настоящее время нет недостатка, эта доля к 2015 гг. во многих государствах достигнет (или даже превзойдет) лишь 10%.

В России практическое применение альтернативных видов энергии значительно отстает от масштабов, достигнутых в других странах, несмотря на такие благоприятные предпосылки, как практически неограниченные ресурсы альтернативных видов энергии, достаточно высокий научно-технический и промышленный потенциал в данной области.

В целом, очевидно, что в России тормозом развития альтернативной энергетики и использования альтернативных видов энергии (как, впрочем, и многих других направлений), является как хронически неудовлетворительное состояние экономики, так и сокращение объемов финансирования в сфере альтернативной энергетики. Кроме того, что на пути исследователей, работающих в области данной проблемы, стоит мощное лобби олигархических корпораций, монополистов, продающих электроэнергию, нефть, газ, уголь и т.д. и, естественно, абсолютно не заинтересованных в ослаблении собственных позиций.

Литература

Каздым А.А. Экологические перспективы развития современной энергетики в России – постановка проблемы / /Альтернативная энергетика и экология. № 3 (71), 2009. С. 117-121