Нетрадиційні поновлювані джерела енергії

До категорії нетрадиційних відновлюваних джерел енергії (НВДЕ), ??які також часто називають альтернативними, прийнято відносити дещо не отримали поки широкого поширення джерел, що забезпечують постійне поновлення енергії за рахунок природних процесів. Це джерела, пов’язані з природними процесами в літосфері (геотермальна енергія), в гідросфері (різні види енергії Світового океану), в атмосфері (енергія вітру), в біосфері (енергія біомаси) і в космічному просторі (сонячна енергія).

Серед безперечних достоїнств всіх видів альтернативних джерел енергії зазвичай відзначають їх практичну невичерпність і відсутність будь-яких шкідливих впливів на навколишнє середовище. Хоча другий з цих тез нині оскаржують не тільки окремі географи та екологи, а й експерти ООН, ніхто не заперечує, що вони могли б зіграти певну роль у зміцненні енергетичної та екологічної безпеки багатьох країн. Дійсно, використання НВДЕ сприяло б заощадженню органічних видів палива і відповідно зменшення надходження продуктів їх згоряння в атмосферу, зниження обсягів перевезень цих видів палива (а отже, і транспортних витрат), раціоналізації паливно-енергетичних балансів та ін.

Однак на шляху широкого використання НВДЕ існує й чимало серйозних перешкод, насамперед техніко-економічного характеру. Це крайнє непостійність більшості таких джерел енергії в часі і в просторі, мала щільність потоків енергії, з чим безпосередньо пов’язані висока капіталомісткість будівництва і собівартість енергії, тривалі терміни будівництва, значний ступінь різного роду ризиків.

В цілому баланс позитивних і негативних факторів використання НВДЕ поки можна охарактеризувати як складаний з перевагою факторів другої групи. Показово, що найбільший інтерес до них стали проявляти в період світової енергетичної кризи 1970-х рр.., Коли ціни на традиційні енергоносії різко піднялися. У 1981 р. в Найробі (Кенія) відбулася спеціальна конференція ООН, на якій була прийнята світова «Програма дій з використання нових та поновлюваних джерел енергії». Однак після того, як традиційні енергоносії знову подешевшали, інтерес до альтернативних значно знизився. В даний час їх частка у світовому паливно-енергетичному балансі не перевищує 1%. Тільки в дуже небагатьох країнах і регіонах, де відсутні запаси органічного палива та ресурси гідроенергії, але є сприятливі умови для використання альтернативних джерел енергії, частка їх у таких балансах виявляється значною. В інших же країнах і регіонах вони мають суто місцеве значення, постачаючи енергією дрібних і територіально розосереджених споживачів.

Проте не можна не враховувати і того, що за останні два десятиліття у світі був досягнутий значний прогрес у підвищенні економічності використання нетрадиційних джерел енергії. Так, істотно знизилися витрати на будівництво вітрових і сонячних електростанцій, що підвищило їх конкурентоспроможність навіть у порівнянні із звичайними ТЕС, що працюють на органічному паливі. У свою чергу, це стало можливим в результаті розробки принципово нових технологій використання альтернативних джерел енергії. Велике значення має також проведена в США, Японії, Китаї, Індії, в багатьох країнах Західної Європи політика стимулювання їх використання. Вона зазвичай передбачає податкові пільги на розробку устаткування, надання кредитів – державних і приватних, прийняття спеціальних законодавчих актів. Виходячи з цього і прогнози подальшого використання цих джерел енергії щодо оптимістичні. Так, за оцінкою Світової енергетичної ради (ВЕР), в 2020 р. навіть при мінімальному варіанті прогнозу вони можуть забезпечити вироблення 540 млн тут (в нафтовому еквіваленті) і скласти 3-4% світового споживання палива і енергії. А при максимальному варіанті ці показники зростуть приблизно до 1350 млн тут и8-12%.
Джерела геотермальної енергії відрізняються не тільки незглибимістю, але і досить широким поширенням: нині вони відомі більш ніж в 60 країнах світу. Але сам характер використання цих джерел в чому залежить від їх природних особливостей.

Низько-та середньотемпературні «підземні котли» (з температурою до 150 ° C) використовують в основному для обігріву та теплопостачання: природну гарячу воду по трубах подають до житлових, виробничим і громадським будівлям, теплицям, оранжерей, плавальних басейнів, водолікарня і т. д . Термальні води використовують для прямого обігріву в багатьох країнах зарубіжної Європи (Франція, Італія, Угорщина, Румунія), Азії, (Японія, Китай), Америки (США, країни Центральної Америки), Океанії (Нова Зеландія). Але, мабуть, найбільш яскравим прикладом такого роду може служити Ісландія.
У цій країні, практично позбавленою інших джерел енергії, прісні термальні води почали освоювати ще наприкінці 1920-х рр.., Але перша в світі велика система геотермального водопостачання вступила тут до ладу лише в кінці 1950-х рр.. Гарячу воду з майже ста глибоких свердловин за спеціальною теплотрасі подають до столиці країни – Рейк’явік і сусідні поселення. Нею опалюють житлові та громадські будівлі, промислові підприємства, оранжереї і особливо теплиці, повністю забезпечують потреби жителів в огірках та помідорах і постачають їх яблуками, динями і навіть бананами.
Високотемпературні (більше 150 ° C) термальні джерела, що містять сухе або вологе пар, найвигідніше використовувати для приведення в рух турбін геотермальних електростанцій (Геотес).

Перша промислова ГеоТЕС була побудована в італійській провінції Тоскана, в містечку Лардерелло близько Пізи, в 1913 р. Потім в Італії стали працювати і інші невеликі Геотес. У 1920-х рр.. почали будувати Геотес в Японії, в 1950-х – у Новій Зеландії та Мексиці, в 1960-х – в США, в 1970-х – у Китаї, Індонезії, Туреччини, Кенії, Сальвадорі, на Філіппінах, в 1980-х – в ряді країн Центральної Америки, в 1990-х – в Австралії. Відповідно і сумарна потужність ГеоТЕС країн світу зростала таким чином (у тис. кВт): у 1950 р. – 240, в 1960 р. – 370, в 1970 р. – 715, в 1980 р. – 2400, в 1990 р. – 8770. Число країн, що мають Геотес, вже перевищує 20.
Донедавна позаконкурентних перше місце за кількістю (близько 20) і потужності (більше 3,2 млн кВт) Геотес займали США. У цій країні геотермальні електростанції працюють в штатах Юта, Гаваї, але більшість їх знаходиться в північній частині Каліфорнії, у Долині гейзерів. Однак з початку 1990-х рр.. розробки геотермальних джерел у США явно сповільнилися, майже припинилася практика надання різного роду пільг виробникам і споживачам геотермальної енергії. До того ж Геотес в Долині гейзерів постраждали від падіння внутрішнього тиску і зменшення надходження гарячої пари. Так що останнім часом будівництво нових Геотес в країні не відбувалося.

Другим світовим лідером в області геотермальної електроенергетики стали Філіппіни, які вже в 1995 р. мали кілька Геотес потужністю 2,2 млн кВт і нині, мабуть, за цим показником вже обігнали США. Перша Геотес була споруджена тут в 1977 р. (за допомогою іноземного капіталу). Згідно з розрахунками, до 2000 р. геотермальні електростанції цієї країни повинні були задовольняти до 30% її потреби в електроенергії. Далі за розмірами виробництва електроенергії на ГеоТЕС йдуть Мексика, Італія і Японія.

Серед учених немає єдиної думки про перспективи розвитку геотермальної електроенергетики. Одні вважають ці перспективи досить обмеженими, виходячи з того, що на Землі (в тому числі і за допомогою космічних знімків) розвідано лише близько ста «гарячих точок» конвективного виходу глибинного тепла Землі. Інші, навпаки, оцінюють ці перспективи вельми високо. Можна додати, що головним координатором робіт у цій області служить Міжнародна геотермальна асоціація, періодично скликали свої симпозіуми.

Використання енергії вітру розпочалося, можна сказати, на самому ранньому етапі людської історії.
«Вітер служив людству з тієї пори, – пишуть американські екологи подружжя Ревелль, – як первісні люди вперше підняли вітрило над тендітним човником, видовбаним з цілісного колоди. Переважаючі західні вітри були тією силою, яка забезпечила відкриття Нового Світла і несла іспанську армаду від перемоги до перемоги. Пасати надували вітрила великих кліперів і допомогли відкрити Індію і Китай для торгівлі з Заходом ». [58] Вони ж згадують про те, що стародавні перси використовували силу вітру для розмелювання зерна, і про те, що в середньовічній Голландії вітряні млини служили не тільки для розуміли зерна, а й для відкачування води з польдерів. У середині XIX в. в США був винайдений багатолопатеве вітряк, який використовували для підйому води з колодязів. Але отримувати за допомогою вітру електроенергію першими навчилися данці в 1890 р.
Технологічні основи сучасної вітроенергетики розроблені вже досить добре.

Поки найбільшого поширення набули малі та середні вітроенергетичні установки (ВЕУ) потужністю від 100 до 500 кВт. Але вже почалося серійне виробництво вітротурбін потужністю від 500 до 1000 кВт. Їх ротор має діаметр від 35 до 80 м, а висота вежі сягає 90 м. Малі вітроустановки зазвичай використовують для автономної роботи (наприклад, на окремій фермі), а більші частіше концентрують на одному майданчику, створюючи так звану вітрову ферму. Найбільшим виробником вітродвигунів була і залишається Данія, за якою слідують Німеччина, США, Японія, Великобританія, Нідерланди.
В останні два десятиліття вітроенергетика розвивалася вищими темпами, ніж енергетика, яка використовує інші види НВДЕ. Звідси і значне зростання потужностей вітроустановок у світі. У 1981 р., коли почалося їх застосування в американському штаті Каліфорнія, загальна їх потужність становила всього 15 тис. кВт. До 1985 р. вона зросла до 1,1 млн, до 1990 р. – до 2 млн, до 1995 р. – до 5 млн (усі такі установки давали тоді 8 млрд кВт год електроенергії), а до 2000 р. – до 13 млн кВт. Згідно з деякими прогнозами, в 2006 р. вона може досягти 36 млн кВт.

Географія світової вітроенергетики зазнала досить істотні зміни. До середини 1990-х рр.. за сумарною потужністю ВЕУ (або вітроелектростанцій – ВЕС) перше місце займали США: у 1985 р. на цю країну припадало 95%, та й в 1994 р. – 48% всіх світових потужностей. Майже всі вони сконцентровані тут в штаті Каліфорнія, де знаходяться і найбільші в країні окремі вітрові електростанції й найбільші «вітрові ферми» (на одній з них розміщено близько 1000 ВЕУ, так що її сумарна потужність перевищує 100 тис. кВт). Крім того, такі установки працюють в штатах Нью-Мексико, Гаваї, Род-Айленд, ведеться або намічається їх спорудження і в кількох інших штатах.

Проте в другій половині 1990-х рр.. світове лідерство у вітроенергетиці перейшло до Західної Європи, де вже в 1996 р. було зосереджено 55% світових потужностей вітроенергетичних установок. Вітроелектростанції вже працюють в 14 країнах Західної Європи, причому в першу їх п’ятірку входять Німеччина, Данія, Нідерланди, Великобританія та Іспанія, але визначальна роль належить двом першим з них.

До початку 1990-х рр.. європейську першість утримувала країна – родоначальник вітроенергетики-Данія. Проте в другій половині 1990-х рр.. Данія поступилася його Німеччини, потужності вітроустановок якої в 1999 р. досягли 4 млн кВт, а вироблення електроенергії на них – б млрд кВт ч. До того ж на відміну від Данії, де переважають дрібні автономно працюючі установки, для Німеччини більш характерні великі «вітрові ферми ». Найбільше їх на самому «продувається» ділянці її території – узбережжя Північного моря в межах землі Шлезвіг-Гольштейн. У 2005 р. тут була введена в лад найбільша в світі ВЕУ, яка щорічно виробляє 17 млн ??квт-ч електроенергії.

В цілому ще в середині 1990-х рр.. вітроенергетичні установки Західної Європи забезпечували побутові потреби в електроенергії приблизно 3 млн осіб. У рамках ЄС було поставлено завдання до 2005 р. збільшити частку вітроенергетики у виробництві електроенергії до 2% (це дозволить закрити вугільні ТЕС потужністю 7 млн ??кВт), а до 2030 р. – до 30%.
З інших країн світу, що мають перспективи для розвитку вітроенергетики, можна назвати Індію, Китай і Японію в Азії, Канаду в Північній Америці, Мексику, Бразилію, Аргентину, Коста-Ріку в Латинській Америці, Австралії. Але справжній ривок у цій сфері в 1990-і рр.. зробила тільки Індія, яка, з одного боку, відчуває дефіцит традиційних видів палива, а з іншого – володіє значним потенціалом вітроенергетичних ресурсів, обумовленим мусонної циркуляцією повітряних мас в поєднанні з особливостями будови рельєфу країни. У результаті здійснення великої державної програми будівництва ВЕУ, розрахованої на залучення іноземного капіталу, Індія по їх сумарної потужності вже обігнала Данію і вийшла на третє місце в світі після США та Німеччини.
Хоча сонячну енергію використовували для обігріву будинків ще в Стародавній Греції, зародження сучасної геліоенергетики відбулося тільки в XIX в., Коли був сконструйований сонячний колектор для підігріву води, а становлення її – вже у XX ст. Найбільш сприятливі умови для широкого використання сонячної енергії існують на територіях, розташованих південніше 50-й паралелі. Що ж до самого її перетворення в теплову або електричну енергію, то його можна здійснювати за допомогою трьох техніко-технологічних способів.

Перший спосіб, який отримав найбільш широке поширення, – це теплопостачання з використанням сонячних колекторів-водонагрівачів, які нерухомо встановлюють на дахах будинків під певним кутом до горизонту. Вони забезпечують нагрів теплоносія (вода, повітря, антифриз) на 40-50 ° C в порівнянні з температурою навколишнього середовища. Їх застосовують також для кондиціонування повітря, сушіння сільськогосподарських продуктів, опріснення морської води та ін Найбільше таких установок теплопостачання мають США і Японія, але найвища щільність їх з розрахунку на душу населення досягнута в Ізраїлі та на Кіпрі. Так, в Ізраїлі 800 тис. сонячних колекторів забезпечують гарячою водою 70% мешканців цієї країни. Сонячні колектори застосовуються також у Китаї, Індії, ряді країн Африки (переважно для приводу в дію насосних установок) і Латинської Америки.

Другий спосіб полягає в перетворенні сонячної енергії вже не в теплову, а в електричну, причому «напряму» – за допомогою фотоелектричних установок (сонячних батарей) на кремнієвій основі – на зразок тих, які встановлюють на космічних апаратах. Перша така електростанція була споруджена в Каліфорнії в 1981 р., а потім вони з’явилися і в інших регіонах США, і в інших країнах. Хоча одержувана за їх допомогою електроенергія продовжує залишатися ще дуже дорогою (30 центів за 1 кВт год), найбільш багаті країни вже розгорнули широку кампанію за встановлення сонячних батарей на дахах і фасадах будинків. Лідерство в цій справі захопила Японія, яка контролює також близько 1/3 світового ринку фотоелектричних елементів. Але й Німеччина вже приступила до здійснення програми під назвою «1000 дахів і фасадів», а в США в 1997 р. тодішній президент країни Клінтон проголосив програму «Мільйон дахів».
Нарешті, третій спосіб, також що забезпечує перетворення сонячної енергії в електричну, реалізується за допомогою споруди власне сонячних електростанцій (СЕС), які поділяються на два типи – баштові та параболічні.

У 1970-х – початку 1980-х рр.. баштові СЕС були побудовані в США, Японії, Іспанії, Італії, у Франції, в СРСР, але потім вони були зупинені через неконкурентоспроможність. Однак досвід, накопичений при їх експлуатації, дозволив почати проектування нового покоління таких СЕС. На світовому «сонячному саміті», проведеному в середині 1990-х рр.., Була розроблена Світова сонячна програма на 1996-2005 рр.., Що має глобальні, регіональні та національні розділи.

Біомаса також являє собою особливий клас енергоресурсів, що включає в себе деревину, відходи лісової і деревообробної промисловості, рослинництва і тваринництва. Коли біомасу відносять до НВДЕ, то мають на увазі не пряме її спалювання, наприклад у вигляді дров або гною, а газифікацію і піроліз, біологічну переробку з метою отримання спиртів або біогазу. Для цієї мети в залежності від сільськогосподарської спеціалізації тієї чи іншої країни зазвичай використовують відходи цукрового очерету, рисову лушпиння, стебла кукурудзи, бавовнику, шкаралупу кокосових, земляних та інших горіхів, а також гній. Виробництво біогазу, хоча і напівкустарними способами, отримало найбільший розвиток в Китаї, де налічують мільйони біогазових установок, розрахованих на одну родину. Швидко зростає число таких установок в Індії.Есть они также в странах Юго-Восточной Азии, Центральной Америки, СНГ.
Крупнейший в мире производитель этилового спирта – Бразилия. С целью замены импортной нефти здесь в 1970-х гг. была разработана, а затем осуществлена в широких масштабах специальная программа «Этанол», предусматривавшая создание специальных плантаций сахарного тростника, из которого получают этиловый спирт, сооружение в сельской местности 280 дистилляционных заводов. Теперь значительная часть автопарка страны работает либо на чистом этаноле, либо на спирто-бензиновых смесях.

К альтернативным источникам энергии можно отнести также синтетическое горючее. В качестве сырья для его получения обычно рассматривают каменный и бурый уголь, горючие сланцы, битуминозные песчаники и биомассу.
Опыт получения синтетической нефти при помощи гидрогенизации угля имелся еще в Германии 1930-х гг. После начала энергетического кризиса многие страны Запада разработали обширные программы получения синтетического горючего из угля при помощи этого способа. То же относится и к газификации угля. Только в США, согласно энергетической программе президента Форда, намечалось построить 35–40 заводов по переработке угля в горючий газ. Но большинству этих программ не суждено было сбыться. Когда нефть снова подешевела, они потеряли актуальность. Жидкое горючее из угля в промышленных масштабах получает только ЮАР, где в 1980-х гг. оно наполовину удовлетворяло потребности страны в автомобильном топливе.
Крупнейшими ресурсами горючих (битуминозных) сланцев обладают страны СНГ, Эстония, США, Бразилия, Китай. По данным МИРЭК, из уже разведанных и доступных для извлечения запасов этих сланцев можно получить 40–50 млрд т нефти, что сравнимо с запасами зоны Персидского залива! Но в промышленных масштабах получение «сланцевой» нефти пока не практикуется.

То же можно сказать и об использовании битуминозных песчаников, запасы которых особенно велики в Канаде, Венесуэле и Колумбии. В Канаде они залегают на площади 75 тыс. км2 в бассейне р. Атабаска (провинция Альберта). Подсчитано, что они содержат до 130 млрд т нефти, из которых доступны для извлечения 30–40 млрд т. В начале 1970-х гг. здесь были созданы мощности, позволявшие получать несколько миллионов тонн нефти. Но этот эксперимент не был продолжительным. Помимо высокой себестоимости такой нефти, сказалась и угроза состоянию окружающей среды. В Венесуэле, в так называемом поясе Ориноко, запасы тяжелой нефти, содержащейся в песчаниках, оцениваются в 185 млрд т, извлекаемые – в 40 млрд т. Их используют для получения смеси битума и воды, которую применяют как топливо.

Россия обладает большими ресурсами практически всех видов нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Их экономически оправданный потенциал, предназначенный для первоочередного освоения, составляет в общей сложности 275 млн т условного топлива в год, т. е. примерно 1/4 годового потребления энергетических ресурсов в стране (в том числе геотермальная энергия – 115 млн тут, энергия биомассы – 35 млн, энергия ветра– 10 млн, солнечная энергия – 13 млн тут). Однако доля используемых НВИЭ в стране незначительна – всего 1 %, а ежегодное замещение органического топлива всеми их видами составляет 1,5 млн тут. В России как в стране очень богатой органическим топливом и гидроэнергией в течение длительного времени основное внимание традиционно уделялось крупнейшим и крупным энергетическим объектам. В условиях же хронического дефицита материально-финансового обеспечения трудно предвидеть их развитие в ближайшем будущем. Исключение составляет обширная зона Севера России, где более 70 % территории с населением в 20 млн человек образуют особый регион децентрализованного энергоснабжения. Вот почему федеральная программа «Энергообеспечение северных территорий в 1996–2000 гг.» предусматривала частичную замену доставляемого сюда органического топлива местными альтернативными источниками энергии. Энергетическая стратегия России исходит из того, что в 2010 г. НВИЭ будут удовлетворять 1 % потребностей страны в энергии.

Посилання на основну публікацію