Решение энергетической проблемы является важной задачей всего человечества. Бурное развитие техники потребовало огромных энергетических затрат. Известно, что при производстве чугуна, стали, цветных металлов расходуется большое количество энергии. Весьма энергоемкой отраслью является и сельское хозяйство. Например, в США на производство сельскохозяйственной продукции используется около 22% всех энергоресурсов. Каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн лет. В экономически развитых странах прослеживаются два основных направления в решении энергетических проблем: энергосбережение и снижение энергоемкости общественного продукта; усиление внимания к широкому освоению возобновляемых источников энергии (энергии Солнца, биомассы, ветра, подземных термальных вод). Целью широкого внедрения технологий возобновляемой энергетики повсюду в мире является снижение экологической нагрузки, обеспечение экологической безопасности, завоевание рынка сбыта. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) становятся одним из важных элементов энергетического баланса в европейских странах и играют существенную роль в снижении выбросов парниковых газов, повышении энергетической безопасности и поддержании социально-экономического развития многих стран - членов Европейского союза (ЕС). Энергетический сектор создает более 30% выбросов СО2 в Европе. Если бы 10% закупленного промышленного электричества было произведено ВИЭ, это привело бы к ежегодному сокращению выбросов СО2 на 38 млн т, что превышало бы 10%-ное снижение, взятое странами-членами ЕС как обязательство по Киотскому протоколу. Согласно директивным документам стран - членов ЕС предусматривается, что к 2010 г. около 12 % энергии, потребляемой этими странами, будет произведено ВИЭ. В настоящее время основная проблема состоит в том, как через снижение стоимости «зеленой» электроэнергии добиться ее увеличения в каждой стране ЕС. Одним из таких путей является введение гибких рыночных механизмов. С 2002 г. указанный процесс поддерживается в рамках одноименного проекта TRECKIN (Tradalle Renewalie Certificate Know-how & initiatives Network). Целью этого проекта является формирование и поддержка усилий по учреждению системы торговли «зелеными» сертификатами ВИЭ. У нас в России к сети TRECKIN присоединился Институт солнечной энергии в Улан-Удэ, разработав экспериментальный проект, согласно которому несколько генерирующих мощностей ВИЭ будут установлены в районе к юго-востоку от оз. Байкал. Этот регион отличается особыми социально-экономическими и экологическими проблемами, требующими решения. Возобновляемые источники энергии помогут региону решить серьезные природоохранные проблемы, а также будут стимулировать рост местной экономики. В США (Калифорния) в работу по продвижению энергосберегающих технологий и возобновляемой энергетики включилась и церковь. Так, в соответствии с Межрелигиозной программой «Сила и свет», начавшей работу в декабре 2001 г., предполагается заменить обычные электрические лампочки на энергоэффективные у 400 000 семей. По этому проекту уже обеспечивается «зеленой» энергией 2,5 млн домашних хозяйств. В настоящее время 60 церквей на 100% обеспечиваются энергией от ВИЭ и 50 церквей установили солнечные панели на своих крышах. Энергия биомассы. Биомасса чрезвычайно широкое понятие. В сельскохозяйственной энергетике этим термином чаще всего обозначают отходы сельскохозяйственного производства: солому, ботву, жом, кукурузные стебли, кочерыжки и навоз. Метод анаэробной переработки навоза, в результате которого из отходов животноводства образуется биогаз и сброженный биошлам - эффлюент, является наиболее перспективным и экологически чистым. Этот метод позволяет получить ценное органическое удобрение (эффлюент), воду для технических целей и орошения и, самое главное, топливо (биогаз) для обогрева ферм, птицефабрик, сельских домов и т. д. При анаэробном сбраживании навоза происходит очистка стоков на 85-95%, полное обеззараживание навоза от семян сорных трав, яиц гельминтов и патогенных микробов, становятся нерастворимыми и недоступными для ассимиляции соли тяжелых металлов. В 1808 г. английский химик Г. Деви впервые получил из навоза хорошо известный всем горючий газ метан и углекислоту. А первый в мире аппарат по переработке навоза в биогаз был создан в 1895 г. в Англии. В Китае биогаз получают с 30-х гг. XX в. В нашей стране первые испытания биогазовых установок (БГУ) были осуществлены в 50-е гг. XX в. В 1983 г. в совхозе «Рассвет» Запорожской области была испытана первая в СССР биогазовая установка. В принципе все современные БГУ работают по одной схеме. Органические отходы поступают в приемный резервуар, где их разбавляют горячей водой и добавляют отходы полеводства, чтобы создать нужное соотношение C/N. Нагретая масса подается в метатенки (иногда через подогреватель). Образующийся биогаз проходит устройство очистки, сжимается компрессором и подается в газгольдер. Остаток брожения (шлам) насосом перекачивают в хранилище. Основная часть любой БГУ, независимо от ее конструкции, это метатенк. От устройства метатенка зависит производительность всей БГУ. Современный метатенк всегда снабжен мешалкой и устройством для нагревания. В принципе метатенком может служить любой резервуар достаточно большого объема, снабженный люками для загрузки отходов и выгрузки шлама и отверстием для удаления газа. В развитых странах современные конструктивные разработки направлены на создание централизованных биогазовых заводов, перерабатывающих навозные стоки животноводческих ферм. В то же время большое внимание уделяют переработке навоза в биогаз непосредственно на животноводческих фермах и комплексах (рис. 6.4). БГУ позволяет ежегодно экономить на выращивании 1 головы крупного рогатого скота 170-190 кг условного топлива, а на откорме одной свиньи - 35-45 кг условного топлива. Необходимо, однако, отметить, что в животноводстве такая утилизация отходов осуществима в основном для скота, содержащегося круглогодично в помещениях. При нестойловом содержании сбор и переработка отходов практически неэффективны. Сельскохозяйственные отходы можно превратить не только в газообразное, но и в жидкое топливо, главным образом в спирты - метиловый и этиловый, которые можно добавлять к бензину. Технология получения спирта из этих культур известна уже на протяжении сотен лет. В перечень энергоносителей попали и такие растения, как арахис, соя, поскольку они урожайны и имеют высокое содержание масла. Однако чемпион среди подобных культур - китайское сальное дерево (сапиум). По урожайности (67 ц/га) и выходу масла (3572 л/га) в несколько раз превосходит все известные масличные культуры. Максимальный вклад биомассы в мировую энергетику может составить 6 млн т условного топлива (15-25% всех потребностей человечества в энергии). Созданные и апробированные в России биогазовые установки способны уже в ближайшие годы кардинально улучшить экономические и социальные условия в сельском хозяйстве. Российский центр «Экорос» при поддержке Миннауки России сконструировал еще в 1997 г. две биогазовые установки ИБГУ-1 и БИО-ЭН-1. В конструкцию второй установки заложен модульный принцип, позволяющий кратно наращивать производительность. Это по сути первая фермерская минитеплоэлектростанция, каждый модуль которой, рассчитанный на 25-30 коров, обеспечивает полную независимость от централизованного электроснабжения и покрывает все энергетические потребности (бытовые и хозяйственные) фермерской семьи из 5-6 человек. Первая такая установка уже работает в Солнечногорском районе Московской области.
Рис 6.4. Технологическая схема анаэробной переработки навоза на ферме Энергия ветра. Наиболее доступным и экологически чистым источником энергии является ветроэнергетика. Примерно 10% мощности светового излучения (N= 1014 кВт), поглощаемого Землей, превращается в кинетическую энергию воздушных масс. Огромными запасами мощности (54 млрд кВт) обладают воздушные течения над Антарктидой, где над ледяной рекой между Землей Королевы Виктории и Землей Уилкса среднегодовая скорость ветра порядка 25 м/с, периодически достигает и 100 м/с. Наиболее доступно и целесообразно использовать энергию приземных воздушных потоков. На территории СНГ мощность, затрачиваемая воздушным потоком на преодоление трения о поверхность Земли, составляет порядка 20 млрд кВт, что в десятки раз превышает мощность всех тепловых, гидравлических и атомных электростанций вместе взятых. У ветродвигателей механическая энергия ветра приводит во вращение вал ветротурбины, агрегатированный с электрогенератором, поршневыми насосами, компрессорами и другими устройствами (рис. 6.5). Однако не всегда целесообразно, во избежании значительных энергетических потерь, механическую энергию преобразовывать в электрическую. Рациональность преобразования механической энергии, снимаемой с вала ветроколеса, в электрическую энергию определяется из конкретных задач потребителя энергии и условий эксплуатации. Целесообразно создавать конструкции ветродвигателей, которые смогли бы производить полезную работу при низкоскоростном ветре, начиная со скорости 1,5 м/с. Только в этом случае появляется возможность почти круглосуточно использовать мощность переменного ветра и реально снизить стоимость среднесуточной мощности N, которая определяется формуле: N = ΣSPV3, где Σ - коэффициент использования плотности потока энергии ветра; S - площадь ветроколес, движимых воздушным потоком; Р - плотность воздуха; V – скорость ветра. по Рис 6.5. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) Из формулы видно, что при одинаковых условиях эксплуатации ветродвигателей, т.е. одних и тех же значениях Σ и V, повышая площадь S, можно увеличить мощность N. Однако сотрудники Института гидродинамики им. М.А.Лаврентьева Сибирского отделения РАН пришли к выводу, что целесообразно идти не по пути увеличения диаметра ветроколеса, а создавать многолопастные ветродвигатели с ветроколесами небольшого диаметра - микромодули, мощности которых объединять. Причем суммирование мощностей отдельных микромодулей можно осуществлять различными способами: механическим, гидравлическим, пневматическим, в зависимости от задач потребителя и условий эксплуатации. Решение отойти от создания громоздких ветродвигателей с ветроколесами больших диаметров, а также выбор рационального размера ветроколес базировались на теории подобия в механике, позволявшей установить зависимость между размером ветроколеса и мощностью, приходящейся на единицу его массы. Ветроколесо должно иметь при малой массе максимальный размер. Первая в мире ветроэнергетическая станция (ВЭС), мощностью 8 кВт с инерционным аккумулятором энергии была построена в нашей стране в Курске в 1929-1930 гг. по проекту изобретателя А.Г.Уфимцева и профессора В.П.Ветчинкина. А в 1931 г. уже была сооружена ВЭС мощностью 100 кВт, которая до 1942 г. давала энергию в электросеть г. Севастополя. Однако в послевоенное время лопасти ветросиловых установок стали довольно редким атрибутом сельского пейзажа. Своим возрождением ветроэнергетика обязана все тому же энергетическому кризису. Ветроэнергетика сегодня обеспечивает около 8 миллионов домов электрической энергией, а также решает проблемы водоснабжения, орошения во многих странах и регионах планеты. Ведущими странами по созданию ветроэнергетических парков являются Германия, США, Индия, Дания, Голландия, Англия. Общая установленная мощность ветроэнергетических парков, работающих в энергосистеме, составляет около 30 000 МВт. Суммарная же энергия ветра, доступная технически, оценивается величиной порядка 53 000 кВт в год, что примерно в четыре раза превышает ежегодное мировое потребление электроэнергии. В 2003 г. в Калинградской области введена в эксплуатацию первая российская промышленная ветроэлектростанция мощностью 5,1 МВт, самая крупная в России. На ряде садовых участков России, не подключенных к энергосистеме, успешно работают как ветроэнергетические, так и комбинированные ветро-фотоэлектрические системы. Здесь они используются прежде всего для освещения, электропитания бытовых приборов, телевизоров и др., а также для водоснабжения. Комбинированная ветро-солнечная электроустановка способна обеспечить электроснабжение бытовых приборов сельского дома в течение всего года. Ветроэнергетические установки изготавливает ряд предприятий России, в том числе и Московского региона: ТОО «Молинос» (Москва), АО «Торнадо» (г. Истра), АООТ Тушинский машзавод (Москва), МКБ «Радуга» (Москва), СКВ «Искра» (Москва). Рекламированием и продажей ветроэнергетических установок занимается, в частности, фирма «Сапсан», расположенная в Солнечногорском районе. Здесь можно ознакомиться с рядом установок, а также приобрести их. Важной характеристикой создаваемых ветродвигателей должно быть отсутствие теле- и радиопомех при их работе, особенно работающих вблизи от населенных пунктов или в черте городов. Это достигается, в частности, изготовлением всех деталей ветростанции из синтетических материалов. Использование энергии Солнца. Пик интереса к гелио-энергетике приходится на годы мирового энергетического кризиса (1973 - 1979 гг.). В настоящее время в мире установлено около 250 000 солнечных фотоэлектрических систем (ФЭС) различной мощности, обеспечивающих около 1,5 млн жителей планеты электроэнергией. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли только за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Один квадратный метр солнечной батареи генерирует за год в Астраханской области 200 кВт(ч, в Карелии - 100 кВт(ч. Сто граммов кристаллического кремния в солнечном элементе генерирует за 30 лет такое количество энергии, как один грамм урана в ядерном реакторе. А запасы кремния в земной коре составляют 29,5% ее состава. Солнечная паровая электростанция, основной частью которой было большое зеркало, фокусирующее солнечные лучи на специальный котел, демонстрировалась на Всемирной промышленной выставке в Париже в 1878 г. Подобные установки были затем построены в США (1901 г.) и в Египте (1913 г.). В нашей стране в 1958 г. был запущен первый спутник Земли с солнечными батареями. А в 1964 г. недалеко от Ашхабада в Туркмении была опробована солнечная батарея с концентраторами мощностью 0,25 кВт для подъема воды. В 1989 г. в Краснодарском крае была построена «Солнечная деревня» мощностью 40 кВт. Успешно работают в области фотоэлектричества в США, где на эти цели выделяются большие деньги. Начиная с 1964 г. в нашей стране продолжались исследования и разработка эффективных и недорогих концентраторов солнечной энергии, позволяющие повысить эффективность использования этого возобновляемого источника получения тепла. Уже в 1967 г. был разработан новый класс фотопреобразователей - многопереходные и высоковольтные солнечные элементы из кремния. В 1987 г. была разработана технология очистки металлургического кремния для солнечных элементов, а в 1999 г. - низкотемпературная бесхлорная технология получения солнечного кремния под руководством «Интерсо-лорцентра» (Москва). В результате удалось разработать оригинальную технологию изготовления фотопреобразователей -солнечных элементов и модулей солнечных элементов с КПД до 16%. Было осуществлено внедрение этой технологии на фирме «Солнечный ветер» (г. Краснодар) и на ЗАО ОКБ завода «Красное Знамя» (г. Рязань). Промышленная реализация этого проекта сулит большие выгоды для нашей страны. В 1997 г. президент США Б. Клинтон провозгласил программу США «Миллион солнечных крыш», которая предусматривает установление к 2010 г. солнечных энергосистем на крышах миллиона муниципальных и частных домов. Несмотря на то что принцип преобразования солнечной энергии в электрическую известен уже более 100 лет, технологии на его основе получили широкое применение только в течение последних десятилетий, пройдя сложный путь от использования на космических объектах до массового применения на Земле. Так, ОКБ (опытное конструкторское бюро) завода «Красное Знамя» (г. Рязань) выпускает и предлагает для продажи фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии на их основе модули, мощностью от единиц до сотен ватт. По технологическим и экономическим показателям они превосходят свои зарубежные аналоги. Агрегаты из Рязани можно использовать на садовых участках и в коттеджах как источник питания для телевизоров, водяных насосов, холодильников, компьютеров и другого электрического оборудования. А общество с ограниченной ответственностью ООО «АЛТЕКТ» (Москва) выпускает и предлагает для продажи солнечную водонагревательную установку (ВУ-1). В комплект установки весом в сборе не более 85 кг входит один коллектор площадью 1,85 м2, бак-аккумулятор для горячей воды объемом 100 л, запорно-регулировочная аппаратура или узел креплений на крыше.
Рис 6.6. Проект сельского дома с использованием энергии Солнца Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства разработан проект сельского дома с использованием энергии Солнца (рис. 6.6). Геотермальная энергия. Работа геотермальных станций основана на использовании внутреннего тепла Земли, о чем говорилось ранее. В настоящее время у нас в стране эксплуатируются месторождения геотермальных вод на Сахалине, Камчатке, Курильских островах, в Краснодарском и Ставропольском краях, в Дагестане и Ингушетии. Принципиальная схема геотермальной станции показана на рис. 6.7.
Рис. 6.7. Схема ГеоЭС Первая геотермальная станция была построена у нас на Камчатке еще в 1966 г. Она расположена в долине р.Паужетки, в 35 км от Охотского моря, вблизи вулканов Кошелева и Камбальского. Мощность станции — 11 тыс. МВт. Пароводяная смесь здесь разделяется в сепараторах, установленных на устьях скважин. Пар направляется к конденсационным турбинам, а термальная вода сбрасывается в поверхностные водотоки, в частности в р. Паужетку. Сбросные воды Паужетской ГеоЭС отличаются аномальным содержанием редких щелочных металлов, мышьяка, бора и лития, превышающим предельно допустимые концентрации для хозяйственно-бытовых и рыбохозяйственных целей в 70-90 и более раз. Сбросные воды ГеоЭС требуют предварительной очистки перед сбросом их в поверхностные водотоки. В связи с этим сотрудниками Всесоюзного научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) еще в начале 90-х гг. XX в. была разработана технологическая схема переработки сбросных вод Паужетской ГеоЭС, которая внедряется. На Паранутском месторождении горячих вод была построена опытная фреоновая электростанция, позволяющая использовать для выработки энергии подземные воды с температурой 80 - 90°С. Кроме того, в рабочем поселке Паранутка был введен в действие первый в нашей стране тепличный комбинат по выращиванию овощей производительностью до 1000 - 1200 т в год. На Паранутском месторождении термальные воды используются также для бальнеологических целей. Здесь построен первый на Камчатке санаторий. Привлекают внимание также Мутковское, Кошелевское, Больше-Банное, Ниже-Кошелевское месторождения на Камчатке, а также Горячий Пляж на о. Кунашир и месторождение вблизи вулкана Эбеко на о. Парамушир (Курильские острова). В 1993 г. на о. Кунашир у подножия вулкана Менделеев (в 20 км от Японии) была введена в эксплуатацию опытно-промышленная модульная ГеоЭС типа «ОМЭГА-500», а с 1997 г. ведется эксплуатация ГеоЭС типа «Туман» мощностью 3,5 Гкал. В настоящее время введена в эксплуатацию первая очередь Мутновской геотермальной станции мощностью 40 МВт (2 блока по 20 МВт). На ее строительство Европейским Банком Реконструкции и Развития в 1997 г. был предоставлен кредит в размере 150 млн долл. США. Перевод Камчатки на геотермальное энергоснабжение позволит экономить ежегодно более 900 тыс. т условного топлива. Кроме того, ввод в эксплуатацию геотермального энергоснабжения Камчатки позволит снизить количество вредных выбросов: двуокиси углерода более чем на 1,6 млн т в год, двуокиси азота - 8 тыс. т в год, золы - 650 т в год. На территории Европейской части страны термальные воды имеют широкое распространение и используются главные образом в лечебных и оздоровительных целях, а также для теплоснабжения населенных пунктов и тепличных хозяйств. Фонтанирующие гейзеры широко распространены в Исландии, где природное тепло земной коры интенсивно используется для теплоснабжения городов и сельских населенных пунктов, а также для выработки электроэнергии. А столица Исландии Рейкьявик сегодня получает тепло исключительно от горячих подземных источников. Известны гейзеры в Новой Зеландии, Северной Америке, Новой Гвинее и других регионах нашей планеты, где проявляются процессы современной вулканической деятельности в земной коре.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ» з дисципліни «Геоекологія»
