Энергетические проблемы человечества
Для того чтобы представить энергетические потребности человечества и сравнить их с энергетикой процессов, происходящих в геосферах Земли, мы приводим эти энергетические величины в табл. 21.1.
Рассмотрение таблицы показывает, что у человечества есть в резерве мощные источники энергии. Однако их использование, вероятно, является делом далекого будущего. Таблица также показывает, что энергетика техногенных процессов уже стала соизмеримой с энергетикой крупных геофизических процессов.
Материалы данной главы базируются, в основном, на работах [6, 31, 108, 120].
Природные ресурсы широко используются для получения энергии. Ископаемое топливо, радиоактивные элементы, потенциальная энергия воды являются основными видами энергетических ресурсов. При их использовании окружающей среде наносится существенный вред.
Энергетика является основой благосостояния человечества. Во всем мире наблюдается непрерывный рост энергопотребления. Например, в 50-70-х гг. XX в. среднедушевое потребление энергии возросло почти в два раза. За 200 лет глобальное потребление энергии возросло почти в 30 раз и составило 13 Гт у. т. (тонна условного топлива (у. т.) равна 29,3 ГДж). Уровень жизни населения всех странах определяется обеспеченностью энергией, хотя обеспеченность энергией может сильно различаться, например, из-за климатических условий. Душевое потребление энергии является важнейшим показателем, характеризующим не только уровень благосостояния жителей страны, но и ее этап экономического развития. В наиболее богатых странах на душу населения приходится в год 10-14 т у.т. (США, Канада, Норвегия), в наиболее бедных — 0,3-0,4 т у. т. (Мали, Чад, Бангладеш). Абсолютные цифры душевого потребления топлива не дают представления о том, как топливо расходуется. В странах, расположенных в тяжелых климатических условиях, имеющих значительную
Гл. 21. Экологические проблемы энергетики 485
3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов,
выбросы загрязняющих веществ, изменение режима под
земных и поверхностных вод.
4. Загрязнение литосферы при транспортировке энергоноси
телей и захоронении отходов, при производстве энергии.
5. Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами
окружающей среды.
6. Изменение гидрологического режима рек гидроэлектро
станциями и, как следствие, загрязнение на территории
водотока.
7. Создание электромагнитных полей вокруг линий электро
передач.
8. Изменяется видовое разнообразие в районах размещения
объектов топливно-энергетического комплекса. '
9. Инициирование геологических процессов.
Топливно-энергетический комплекс поставляет в огромных количествах в окружающую среду оксид углерода, сернистый ангидрид, оксиды азота, углеводороды, сажу, тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, хлориды, сульфаты и др.
Как добиться того, чтобы постоянный рост энергопотребления не сопровождался ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива? В качестве путей решения проблемы можно указать следующие.
1. Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70-х годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. В период с 1975 по 1985 г. энергоемкость валового национального продукта США снизилась на 71%, Франции - на 70%, Японии — на 78%. Однако общее потребление энергии продолжало расти. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
Гл. 21. Экологические проблемы энергетики
2. Развитие экологически более чистых видов производства энергии.
Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, таких как солнечная и геотермальная энергетика, ветровая энергетика, использование энергии океанов и других видов энергии. /По принятой терминологии все виды энергии, в основе которой*лежит солнечная энергия, называются возобновимыми источниками энергии. В Европе 6% энергии от ее общего потребления производится на основе использования биомассы и гидроэнергии.
Основные технологии, использующие возобновляемые источники энергии, приведены в табл. 21.2.
Приведенный в таблице перечень достаточно широк, его рассмотрение показывает, что в перспективе возобновимые виды получения энергии могут потеснить методы получения энергии, основанные на ископаемых видах топлива. В большинстве стран мира запасы возобновимых видов энергии намного превышают запасы невозобновимых видов энергии. Например, в США оценки запасов общего объема энергии возобновимых видов составляют около 600 000 млрд баррелей нефтяного эквивалента, а оценки запасов общего объема энергии невозобновимых видов составляют около 45 000 млрд баррелей нефтяного эквивалента. Более реальные оценки, проведенные с учетом ограничений, накладываемых на использование геотермальной и ветровой энергетики, уменьшают это превосходство запасов возобновимых видов энергии, но перспективность запасов сохраняется.
Пока возобновимые источники дают не более 20% общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика. По мере совершенствования технологий возрастает вклад солнечной и ветровой энергетики. При определении перспектив развития того или иного вида энергетики встает вопрос об оценке экологического риска. Под экологическим риском подразумевается вероятность неблагоприятных для человека и биоты последствий загрязнений среды. Экологический риск включает экономические, экологические, биологические, социальные, токсикологические аспекты.
Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). В 1989 г. в СССР на ТЭС было произведено 65%, на ГЭС — 24%, на АЭС — 11% [120]. В 1997 г. в России доля разных источников в производство электроэнергии была следующей: природный газ - 41,7%;
___________ Гл. 21 Экологические проблемы энергетики__________ 489
в десятки раз. В конечном счете, изменяется видовая структура экосистемы водоема — развитие сине-зеленых водорослей, изменение численности и видового состава планктона и рыбы Например, в заполярном озере Имандра, которое используется для охлаждения вод с Кольской АЭС, исчез холодолюбивый голец, но появилась теплолюбивая радужная форель. Известно много случаев, когда в водоемах охладителях средней полосы хорошо акклиматизируются рыбы теплолюбивых видов. Например, в водоеме-охладителе Березовской ТЭС акклиматизировались такие теплолюбивые виды, как пестрый толстолобик, буффало, а в водоеме охладителе Шахтинской ТЭС акклиматизировалась африканская рыба тиляпия. Иногда растительноядные теплолюбивые виды «помогают» вести борьбу с зарастанием водоемов.
Испарительные градирни башенного типа, широко используемые на тепловых и атомных станциях, как оказалось, являются мощными источниками инфразвуковых шумов с частотами менее 10 Гц. Излученные градирней инфразвуковые шумы слабо затухают и распространяются по акустическому каналу, сформированному тепловым факелом градирни, на значительные расстояния. В этом состоит еще одно отрицательное воздействие ТЭС и АЭС на окружающую среду. Жители, попавшие в зону инфразвукового воздействия, могут испытывать изменения артериального давления и частоты сердечной деятельности.
Для тепловых электростанций характерно высокое радиационное и токсичное загрязнение окружающей среды. Это обусловлено тем, что обычный уголь, его зола содержат микропримеси урана и ряда токсичных элементов (кадмий, кобальт, мышьяк и др.) в больших концентрациях, чем земная кора. При работе ТЭС радионуклиды и токсичные элементы поступают в атмосферу, почву, водоемы. Как следствие, радиационное загрязнение и загрязнение токсичными элементами вокруг ТЭС, работающей на угле, выше фонового загрязнения в среднем в 10-100 раз.
Значительные территории вокруг ТЭС подвергаются действию кислотных дождей, золы, содержащей токсичные примеси. В зонах размещения ТЭС наблюдается хроническое угнетение растительности. Как следствие имеет место сокращение сельхозпродукции, накопление токсичных элементов в растениях.
В РФ тепловые электростанции дают 90-95% общего поступления выбросов в атмосферу от объектов энергетики твердых и жидких загрязнений, сернистого ангидрида, оксида азота. Наземные и водные экосистемы загрязняются, в основном, тепловыми электростанциями.
Гл. 21. Экологические проблемы энергетики
При строительстве крупных тепловых станций или их комплексов загрязнение окружающей среды еще более значительно. При этом могут возникать новые эффекты, например, обусловленные превышением скорости сжигания кислорода над скоростью его образования за счет фотосинтеза земных растений на данной территории или вызванные увеличением концентрации углекислого газа в приземном слое.
Из ископаемых источников топлива наиболее перспективным является уголь — это обусловлено тем, что его запасы огромны по сравнению с запасами нефти и газа. Главнейшие мировые запасы угля сосредоточены в России, Китае и США. В настоящее время основное количество энергии вырабатывается на ТЭС за счет использования нефтепродуктов. Таким образом, структура запасов ископаемого топлива не соответствует структуре его современного использования для производства энергии. В перспективе переход на новую структуру потребления ископаемого топлива вызовет значительные экологические проблемы, материальные затраты и крупные изменения во всей промышленности Ряд развитых стран мира уже начал структурную перестройку энергетики. Например, для концепции развития производства электроэнергии США характерно увеличение вклада угля при сокращении вклада газа и нефти.
Основные достоинства гидроэлектростанций — низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии, быстрая окупаемость (себестоимость примерно в 4 раза ниже, а окупаемость в 3-4 раза быстрее, чем на тепловых электростанциях), высокая маневренность, что очень важно в периоды пиковых нагрузок, возможность аккумуляции энергии. Даже при полном использовании потенциала всех рек Земли можно обеспечить не более четверти современных энергетических потребностей человечества. В России пока используется менее 20% гидроэнергетического потенциала. Однако более полное использование гидроэнергетического потенциала РФ связано со значительными экономическими затратами, так как реки, перспективные для использования, расположены в труднодоступных регионах. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов в 2-3 раза выше, чем в России, так что здесь у России есть определенные резервы.
Сооружение ГЭС на равнинных реках приводит ко многим экологическим проблемам. Водохранилища, необходимые для обеспечения равномерной работы ГЭС, вызывают изменения климата на прилегающих территориях на расстояниях до сотен километров, являются естественными накопителями загрязнений, в том числе радиоактивных. Если реализовать некоторые
Гл 21 Экологические проблемы энергетики 491
проекты ликвидации водохранилищ, то возникнет не менее сложная задача утилизации загрязнений, которые были накоплены в водохранилищах за длительное время. В водохранилищах развиваются сине-зеленые водоросли, ускоряются процессы эфтро-фикации, что приводит к ухудшению качества воды, нарушается функционирование экосистем. При строительстве водохранилищ нарушаются естественные нерестилища, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод. Более перспективным является сооружение ГЭС на горных реках. Это обусловлено более высоким гидроэнергетическим потенциалом горных рек по сравнению с равнинными реками. При сооружении водохранилищ в горных районах не изымаются из землепользования большие площади плодородных земель. Гидроэлектростанции малой и средней мощности не получили широкого распространения, так как удельные капиталовложения в них гораздо выше, чем в ТЭС и крупные ГЭС и АЭС. Однако в последнее время, в связи с возникшими трудностями с завозом топлива в районы Крайнего Севера и другие труднодоступные регионы, возобновился интерес к строительству гидроэлектростанций малой и средней мощности. В рамках федеральной целевой программы «Топливо и энергия», подпрограммы «Энергообеспечение районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также мест проживания малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива» начато строительство гидроэлектростанций мощностью от десятков Вт до десятков МВт. Десятки гидроэлектростанций малой мощности сооружены в последние пять лет на Сахалине, Камчатке, Крайнем Севере, Алтае, в ряде района Урала.
В ряде развитых стран высока доля электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях (АЭС). Так во Франции доля энергии, вырабатываемой на атомных электростанциях, достигает 77% в энергообеспечении страны, в ФРГ — 34%. АЭС не вырабатывают углекислого газа, объем других загрязнений атмосферы и земель по сравнению с ТЭС также мал. При нормальном режиме работы АЭС радиоактивное загрязнение в районах станций мало по сравнению с естественным фоном и не оказывает заметного влияния на дозы облучения населения и биоты. Количество радиоактивных веществ, образующихся в период эксплуатации АЭС, сравнительно невелико. Радиологическое воздействие отходов может проявится спустя длительное время и на ограниченной территории. В этом заключается
Гл. 21. Экологические проблемы энергетики
важное преимущество АЭС перед тепловыми станциями, токсическое воздействие отходов которых проявляется сразу и на больших пространствах. В течение длительного времени АЭС представлялись как наиболее экологически чистый вид электростанций и как перспективная замена ТЭС, оказывающих влияние на глобальное потепление. Однако процесс безопасной эксплуатации АЭС еще не решен, не решена проблема захоронения радиоактивных отходов, например, долгоживущего С14 (период полураспада составляет 5 760 лет, и поэтому он может накапливаться в биосфере). Углерод является основой всех органических соединений, входит в состав молекул белков, ДНК. Входя в молекулы органических соединений, С14 является внутренним облучателем.
С другой стороны, замена основной массы ТЭС на АЭС для устранения их вклада в загрязнение атмосферы в масштабе планеты не осуществима из-за огромных экономических затрат.
За период существования ядерной энергетики произошло три крупных радиационных аварии: в 1957 г. в Великобритании (Уиндскейл), в 1979 г. в США (Три-Майл-Айленд), в 1986 г. на Чернобыльской АЭС. По площади загрязнения и величине выброшенной активности Чернобыльская авария является наиболее тяжелой. В результате аварии радиоактивному загрязнению подверглась территория не только СССР, но и других стран Европы, пострадавшим регионам нанесен значительный экономический ущерб. Чернобыльская катастрофа привела к коренному изменению отношения населения к АЭС, прежде всего в регионах размещения станций или их возможного строительства. В ряде стран возникла проблема социальной преемственности ядерной энергетики. Психологический стресс, связанный с проживанием на загрязненных территориях, переселением пострадавшего населения, сохранится в течение длительного времени. Поэтому перспектива развития атомной энергетики в ближайшие годы неясна.
Ограниченные возможности атомной энергетики и гидроэнергетики, ограниченность запасов ископаемого топлива (и в перспективе — исчерпание), необходимого для работы тепловых электростанций, их мощное тепловое воздействие на атмосферу заставляют более внимательно рассмотреть нетрадиционные источники получения энергии.
Некоторые страны уже достигли значительных успехов в области использования нетрадиционных методов получения энергии. Например, Индия занимает 3-е место в мире по суммарной
Гл. 21. Эколо?ические проблемы энергетики 493
мощности ветровых электростанций. В районах Гималаев широко развернуто строительство малых ГЭС. суммарная мощность которых уже превысила 160 МВт. В деревенских общинах Индии строятся биогазовые установки, солнечные плиты, применение которых значительно сокращает поступление продуктов сгорания в атмосферу. Ветродвигатели на трех перевалах в Калифорнии (Алтамонт, Техачапи, Сан-Горгонио) имеют суммарную мощность 1 500 МВт. Ветровые установки Дании дают более 5% всей вырабатываемой в стране энергии, причем стоимость электроэнергии, полученной на ветроэнергетических установках, уже ниже стоимости энергии, полученной на АЭС и ТЭС.
В России реализуется комплексная программа освоения нетрадиционных источников энергии. Программа была разработана на 1991-2005 гг., она предусматривала доведение доли нетрадиционных источников энергии к 2000 г. до 0,8% объема внутреннего энергопотребления. Государственная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика» определяет направление и темпы развития фотоэлектрических преобразователей. Конкретные вопросы развития нетрадиционных видов энергетики решаются в рамках федеральной целевой программы «Топливо и энергия», подпрограммы «Энергообеспечение районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также мест проживания малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива». В России около 45% жилищ отапливается печами. В настоящее время в РФ около 70% территории с населением 10 млн человек относится к зоне децентрализованного энергоснабжения. Выработка электроэнергии в таких регионах производится, в основном, на бензиновых и дизельных генераторах малой мощности. Резкий рост стоимости привозного органического топлива делает удаленные районы Крайнего Севера и Дальнего Востока РФ перспективными для развития нетрадиционных источников энергии.
Солнечная энергетика
Мощность солнечной радиации, поглощенной атмосферой и земной поверхностью, составляет 105 ТВт (1017 Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Велики и другие потоки энергии у поверхности Земли. Так перенос тепла атмосферой
Гл 21. Экологические проблемы энергетики 495
преобразователь представляет собой полупроводниковый диод большой площади. Эффективность поглощения света зависит от материала и толщины элемента Например, аморфный кремний поглощает в 50 раз эффективнее, чем кристаллический. Эффективность работы полупроводниковых преобразователей сильно зависит от чистоты материала. Чистота кремния должна составлять 99,99%, для обеспечения ее необходимы сложная технология и значительные затраты. Эффективность работы преобразователя также зависит от спектральной чувствительности материала. Элементы на кристаллическом кремнии обладают чувствительностью в ультрафиолетовой части, видимой и в ближней инфракрасной областях солнечного спектра. Теоретически КПД преобразователя на кристаллическом кремнии достигает 28%.
Как уже говорилось, низкая плотность солнечного излучения является одним из препятствий его широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фотоэлектрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Для компенсации периодичности поступления солнечной энергии фотоэлектрические системы целесообразно включать в гибридные станции. На таких станциях в период плохих погодных условий выработка энергии может проводиться за счет традиционных систем. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключаются в следующем. Они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство технологично. Солнечные батареи собираются из однотипных модулей. Важным преимуществом фотоэлектрических преобразователей является устойчивая тенденция снижения их стоимости. В начале 90-х гг. в мире существовало около 20 крупных солнечных электростанций мощностью до 7 МВт, использующих фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.
К недостаткам фотоэлектрических преобразователей можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности, необходимость разработки сложных методов очистки батарей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей.
Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических преобразователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределительных электрических сетей. Например, система такого типа обеспечивает электроэнергией жителей Кокосового острова, расположенного в Торресовом проливе.
Гл. 21. Экологические проблемы энергетики 497
- тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение
зависимости от суточной изменчивости и погодных усло
вий;
— теплообменники, образующие нагревательный и охлади
тельный источники тепловой машины.
Системы улавливания солнечной радиации, в зависимости от конструкции, обеспечивают разные степени концентрации. Малая степень концентрации (до 100) получается при использовании, например, параболических отражателей, ось которых перпендикулярна плоскости движения Солнца. Средняя степень концентрации (до 1000) может быть обеспечена применением фокусирующих гелиостатов, управляемых по двум степеням свободы. Примером такого гелиостата является зеркало в форме параболоида вращения, ось которого ориентируется на Солнце. Высокая степень концентрации (более 1000) осуществляется оптической системой, состоящей из плоских гелиостатов и параболоидного отражателя. Система аккумуляции позволяет смягчить влияние изменчивости погодных условий и суточной изменчивости. Аккумулирование может быть кратковременным для предотвращения колебаний тепловой нагрузки из-за облачности, суточным — для выработки электроэнергии в темное время суток и сезонным — для обеспечения энергией потребителей в неблагоприятные сезоны. Аккумуляция энергии, как правило, осуществляется за счет накопления тепла. Низкотемпературные системы аккумуляции (до 100°С), в частности водяные, широко применяются для отопления зданий и горячего водоснабжения. В низкотемпературных системах используются также фазовые переходы и обратимые реакции гидратации и сольватации солей и кислот. Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 550 °С) используются гидраты оксидов щелочно-земельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 550 °С) осуществляется с помощью обратимых экзоэндо-термических реакций.
Тип термодинамического цикла и рабочего тела определяется областью рабочих температур теплового двигателя.
В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.
На гелиостанции башенного типа энергия от каждого гелиостата передается оптическим способом. Управление гелиостатами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составляет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в
Гл 21 Экологические проблемы энергетики 499
солнечные станции на околоземной орбите. Конструкторы предполагают разместить на геосинхронной орбите солнечные батареи большой мощности. Размещение станции на геосинхронной орбите обеспечивает расположение станции над определенным пунктом Земли. Энергия на земную поверхность передается в форме высокочастотного электромагнитного излучения. Плотность солнечного излучения на геосинхронной орбите оказывается выше, чем на Земле. Соответствующий выбор положения плоскости орбиты обеспечивает почти круглогодичное поступление солнечной энергии на батареи станции Не возникает проблемы очистки панелей станции и нарушения землепользования, теплового загрязнения.
Биоконверсия солнечной энергии
Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы Из одной тонны древесных опилок современные технологии позволяют получить 700 кг жидкого топлива, а в России находится 20% лесных ресурсов планеты.
Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза. Таким образом обеспечивается нулевой баланс эмиссии оксида углерода.
Энергию биомассы можно получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. Биомассу можно также использовать для получения биологически активных пищевых и кормовых добавок. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения этилового спирта.
Гл 21 Экологические проблемы энергетики
Для производства этилового спирта наиболее широко используется сахарный тростник. В Бразилии чистый этанол и смесь этанола с бензином являются широко распространенным видом топлива. Такое биотопливо легко хранить и транспортировать, оно обладает высокой теплотворной способностью, более полно сгорает в двигателе. При сгорании такого топлива атмосфера загрязняется гораздо меньше, чем при сжигании обычного топлива. Бразилия, приступившая к использованию этанола в качестве автомобильного топлива в 70-е гг., обладает лучшей в мире технологией его производства. К числу перспективных методов биоконверсии относится способ получения моторного топлива (метилового эфира) из семян рапса. Моторное топливо на основе рапса, обладая характеристиками, близкими к дизельному топливу, практически не дает выбросов вредных веществ. В Чехии производится около 1 млн т биодизельного топлива в год. В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.
Широко распространенный способ получения энергии из биомассы заключается в получении биогаза путем анаэробного пе-ребраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биомета-ногенез был открыт еще в 1776 г. Вольтой, который обнаружил метан в болотном газе. Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теплоэнергетики. Для производства биогаза используются органические отходы сельского хозяйства и промышленности. Это направление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских районов. Например, из 300 т сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 т нефтяного эквивалента. Более перспективным является термохимическое преобразование биомассы, в котором синтетический газ получается в процессе сжигания биомассы при температуре 800-15 000 °С. Газотурбинные электростанции с установками газификации имеют КПД 40-45%.
В Индии, Китае эксплуатируются несколько десятков миллионов установок для производства биогаза в сельской местности.
Биомассу для последующего получения биогаза можно выращивать в водной среде, культивируя водоросли и микроводоросли.
Гл 21 Экологические проблемы энергетики 503
сравнительно низкая плотность, сильная изменчивость во времени и высокая стоимость волновых энергетических установок.
В настоящее время накоплен значительный объем инструментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет районы с наиболее интенсивным и постоянным волнением. Потери волновой энергии за счет прибоя для земного шара оцениваются в 2 ■ 109 кВт. Общая длина береговой линии равна 200000 км, т. е. в среднем на метр береговой линии приходится 10 кВт. Однако существуют районы побережья, в которых средняя волновая мощность значительно выше. Они постоянно подвергаются воздействию океанских волн, длиной 50-200 м, высотой более 2-5 м. Образование этих волн не обязательно связано с действием местных ветров. Волны, возникшие в одной части океана, способны проходить огромные расстояния в сотни и тысячи миль, так как они слабо затухают в глубоком океане. Согласно некоторым оценкам среднегодовая мощность волн, приходящаяся на каждый метр западного побережья Великобритании, достигает 80 кВт, а полная волновая мощность побережья равна 120 ГВт, что примерно в 5 раз превышает современные потребности электроэнергии в стране. На многих участках шельфовой зоны США и Японии плотность волновой энергии составляет около 40 кВт/м.
В большинстве преобразователей волновой энергии используют двухступенчатую схему преобразования, на первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления. Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды. Во втором — тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. В третьем типе проектов система, поглощающая волновую энергию, находится под водой. Передача волновой энергии приемному устройству происходит под действием волнового давления или скорости. Более общей классификацией волновых преобразователей является их деление на активные и пассивные. К активным типам преобразователей волновой энергии относятся преобразователи, имеющие
Гл. 21 Экологические проблемы энергетики
имени ее изобретателя. В Англии, где был предложен целый ряд усовершенствований установки, она называется осциллирующим водным столбом. Устройства подобного типа уже широко используются для энергообеспечения автономных буйковых станций.
Сила, с которой волны воздействуют на сооружения в береговой зоне, достигает нескольких тонн на квадратный метр. Это силовое воздействие тоже может быть использовано для преобразования волновой энергии. Представим себе буй с основанием в виде трапеции, заякоренный в прибрежной зоне. Широкая сторона трапеции обращена в сторону океана — это позволяет концентрировать волновую энергию. Эта сторона буя открыта для волн. Внутри буй разделен на секции, которые завершаются цилиндрами с поршнями. Волны, воздействуя на поршни, приводят в движение воздух, который в свою очередь движет воздушную турбину. При размере основания в 350 м и высоте буя в 20 м мощность составит около 100 МВт.
Преобразователи волновой энергии, в которых имеется значительное число подвижных частей, чувствительны к воздействию морской воды и нерегулярных силовых нагрузок. Поэтому предпочтение отдается системам с минимальным числом движущихся частей.
Параллельность берегу гребней волн в прибрежной зоне, обусловленная явлением рефракции, используется в следующем типе преобразователя волновой энергии. Цилиндр положительной плавучести полностью погружается в воду. Ось цилиндра параллельна гребню падающей волны. На заданной глубине цилиндр удерживается при помощи четырех тросов, обладающих нейтральной плавучестью. К концам тросов крепится пружинная нагрузка. Такая система крепления позволяет перемещаться цилиндру в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Если гребень падающей волны параллелен оси цилиндра, то цилиндр будет совершать движение, подобное тому, которое совершают частицы воды в волне. Расположение дополнительных цилиндров с другими параметрами позволяет расширить диапазон длин волн, в котором происходит эффективное поглощение волновой энергии. Полное заглубление цилиндров повышает эксплуатационную надежность системы по сравнению со схемами, в которых движущиеся части расположены на поверхности воды.
В качестве перспективных типов преобразователей волновой энергии в последнее время рассматриваются индукционно-ем-костные преобразователи волновой энергии. В преобразователях такого типа одной обкладкой конденсатора является волновая
Гл 21 Экологические проблемы энергетики
Дата добавления: 2016-06-05; просмотров: 4464;