Мы все привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо – уголь, газ и нефть. Но запасы данных природных ископаемых рано или поздно могут быть исчерпаны. В мировом сообществе все чаще ведутся разговоры вокруг внедрения и развития альтернативной энергетики.
О том, какие альтернативные источники энергии уже сегодня может использовать человечество, об их преимуществах и недостатках узнавал корреспондент интернет-издания Новости Украины – From-UA.
Уголь
Полезное ископаемое, вид топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией.
Каменный уголь используется как в быту (причем не только для топки печей в избах, но также для движения кораблей и железнодорожного транспорта), так и в промышленности (химической и металлургической).
В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети. Использование угля увеличивается в периоды высоких цен на нефть и другие энергоносители.
Преимущества: относительная дешевизна, теплотворная способность выше, чем у дров, удобство (отсутствие дополнительных горелок), трудно воспламеняется, не взрывается.
Недостатки: необходимость специальных складских помещений, экологически менее чистый вид топлива, чем дрова, высокая зольность, необходимость наличия определенных навыков в использовании, отсутствие эстетической ценности, поставщики – предприятия, в большинстве дотируемые государством.
Самый глубокий в мире угольный разрез в России (Челябинская область)
Независимый эксперт по энергетическим вопросам, экс-директор энергетических программ Центра Разумкова Владимир Сапрыкин рассказал корреспонденту интернет-издания Новости Украины – From-UA, что запасов угля в Украине могло бы хватить на 400 лет.
«К сожалению, сегодня ситуация не очень понятна. Добыча угля ведется на значительном количестве шахт, однако он не вывозится в полном объеме, так как этому мешают боевые действия на Донбассе. Сегодня Украине не хватает 4-5 млн. т угля для прохождения зимнего периода», - объясняет господин Сапрыкин.
Шахтный метан
Шахтный метан добывается при взрывах в угольных шахтах как самостоятельное ископаемое или как попутный продукт, который получают в процессе дегазации шахт перед добычей угля. Для добычи шахтного метана бурят скважины глубиной в 100 м.
Шахтный метан может заменить природный газ, традиционно используемый различными отраслями промышленности, а также часть угля при производстве тепла и электроэнергии. Обеспечивает производство электрической и тепловой энергии за счет высокой теплотворной способности (позволяет использовать угольный и шахтный метан для отопления жилых помещений, для производства электроэнергии и как топливо для автотранспорта).
Также шахтный метан может применяться в автомобильных двигателях в качестве моторного топлива в сжатом или в сжиженном состоянии.
Известно, что в угольных шахтах присутствуют значительные количества загрязняющего атмосферу вредного метана (СН4), который может как загрязнять окружающую среду, так и служить ресурсом для выработки экологически чистой энергии.
Наиболее значительные ресурсы шахтного метана сосредоточены в Китае, России, США, Австралии, ЮАР, Индии, Польше, Германии, Великобритании и Украине. В последние годы начаты интенсивные работы по извлечению метана в Австралии, Китае, Канаде, Польше, Германии и Великобритании.
Как уточняет господин Сапрыкин, без угля шахтный метан не добывается.
«Метан газовых пластов добывается в небольших количествах при дегазации существующих шахт. Его объемы в Украине очень небольшие, и рассчитывать на какую-то серьезную альтернативу не приходится. Хотя по запасам шахтного метана мы входим в первую десятку мира. При этом негативные показатели, такие как толщина пластов угля, проницаемость угля, не позволяют надеяться, что в ближайшее время будут добываться существенные объемы шахтного метана», - поясняет эксперт.
Сланцевый газ
Сланцевый газ – это разновидность природного газа, хранящегося в виде небольших газовых образований, в коллекторах, в толще сланцевого слоя осадочной породы. Добывается из горючих сланцев и состоит преимущественно из метана.
Технология добычи сланцевого газа включает бурение одной вертикальной скважины и нескольких горизонтальных скважин с мультиотводами на одной глубине, а также многоступенчатых горизонтальных скважин с длиной горизонтального отвода до трех километров.
В пробуренные скважины закачивается смесь воды, песка и химикатов, в результате гидроудара разрушаются стенки газовых коллекторов, и весь доступный газ откачивается на поверхность.
Типы природного газа: обычный (A), сланцевый (C), из жёсткого песка (D), попутный (F), угольный метан (G)
Ресурсы сланцевого газа в мире составляют 200 трлн м³. В настоящее время сланцевый газ является региональным фактором, который имеет значительное влияние только на рынок стран Северной Америки.
В США разведанные запасы сланцевого газа составляют 24 трлн м³ (на 2007 год по оценке US EnergyInformationAdministration технически извлекаемы — 3,6 трлн м³), или более 10 % от мировых. Ведущей корпорацией в США по добыче сланцевого газа является ChesapeakeEnergy.
Крупные месторождения сланцевого газа обнаружены в ряде государств Европы, в частности, в Австрии, Англии, Венгрии, Германии, Польше, Швеции, Украине.
Залежи сланца, из которого можно добывать сланцевый газ, весьма велики и находятся в ряде стран: Австралия, Индия, Китай, Канада. Китай планирует в 2015 году добыть 6,5 млрд кубометров сланцевого газа. Общий объём производства природного газа в стране вырастет на 6 % с текущего уровня. К 2020 году Китай планирует выйти на уровень добычи в диапазоне от 60 млрд до 100 млрд кубометров сланцевого газа ежегодно.
Преимущества: близость месторождений к рынкам сбыта; значительные запасы; заинтересованность властей ряда стран в снижении зависимости от импорта топливно-энергетических ресурсов.
Недостатки: относительно высокая себестоимость; непригодность для транспортировки на большие расстояния; быстрая истощаемость месторождений; низкий уровень доказанных запасов в общей структуре запасов; значительные экологические риски при добыче.
«На сегодня перспективы сланцевого газа в Украине — ноль целых ноль десятых. Запасы газа есть, это 100%, но с другой стороны — нет экономической целесообразности его добычи. Поскольку никаких серьезных геологических исследований не проводилось, сегодня нельзя включать сланцевый газ в альтернативные углеводороды, которые могут быть использованы как минимум в ближайшие 5 лет», - объяснил эксперт в сфере энергетики Владимир Сапрыкин.
Атомная (ядерная) энергия
Ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения располагается в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками (персоналом).
Энергия, которая выделяется в активной зоне реактора, передается теплоносителю, который далее отправляет энергию в теплообменник (парогенератор), где в дальнейшем вода нагревается до кипения. Затем полученный пар (за счет деления изотопов урана или плутония в ходе управляемой цепной реакции, протекающей в ядерном реакторе) через вращающиеся электрогенераторы поступает в турбины, а на выходе попадает в конденсаторы, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.
Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе
Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергии являются:
США (836,63 млрд кВт·ч/год), работает 104 атомных реактора (20 % от вырабатываемой электроэнергии); Франция (439,73 млрд кВт·ч/год); Япония (263,83 млрд кВт·ч/год); Россия (177,39 млрд кВт·ч/год); Корея (142,94 млрд кВт·ч/год); Германия (140,53 млрд кВт·ч/год).
Преимущества: практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива; относительная экологическая чистота.
Недостатки: тяжелые последствия аварий.
Самые крупные атомные электростанции в мире
По мнению Владимира Сапрыкина, атомная энергетика — это один из основных базисов ТЭКа Украины.
«Мы знаем, что в зимний период производство энергетики на АЭС составляет более половины от всех источников. Это основной источник выработки электроэнергии.
Есть незначительные запасы мазута, который может заменить частично уголь, однако это намного дороже. К сожалению, правительство не разрабатывало или не публиковало запасы балансов, поэтому ситуация непонятна. Единственно, что понятно — что существует дефицит угля. Уже необходимо закупать постепенно природный российский газ. Ситуация сложная, но не катастрофическая. Проблемным местом сейчас являются запасы угля, поскольку многие АЭС, ТЭЦ работают практически с колес, как в каком-то 1997 году. Правительство должно поставить под контроль поставку каждого эшелона с углем», - резюмирует энергетик.
Геотермальная энергия
Производство энергии и тепла из недр Земли достигается за счет скважин (как правило, двух), доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии для магистральных тепловых и региональных электросетей. Наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности.
Геотермальная станция выглядит следующим образом: горячие подземные воды, или горячий пар, подаются в специальное устройство, где при помощи теплообменника вырабатывается пар, который, в свою очередь, приводит в движение турбину, производящую электричество. Отдав тепловую энергию, отработанная вода с температурой около 50°C закачивается по трубопроводам обратно в скважину в водоносный слой.
ГеоТЭС используются практически во всех частях мира, наиболее распространены в Исландии, Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении, РФ.
Преимущества: главное достоинство – неиссякаемость энергии и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.
Недостатки: необходимость в обратной закачке отработанной воды в подземный водоносный горизонт (в термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов – бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка, и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности).
Несьявеллир ГеоТЭС в Исландии
Геотермальная электростанция в Исландии (город Крапла)
ГеоЭС в России (Камчатка)
Известно, что данный способ источник энергии используется и в Украине.
«Геотермальная энергетика используется в городе Рава-Русская во Львовской области, такие станции есть и в Крыму, и в Закарпатье. Но пока энергия земли большой роли в энергобалансе не играет, и вряд ли будет играть, хотя по запасам ее больше всего, за исключением солнца», - рассказывает замдиректора Института альтернативной энергетики НАНУ Виктор Резцов.
Энергетик Владимир Сапрыкин также согласен с мнением господина Резцова: «Геотермальная энергетика для Украины – это мизер. Она не сможет закрыть все дефицитные направления».
Солнечная энергия
Активно используется как для нужд теплоснабжения, так и для получения электроэнергии (для этого применяют фотоэлектрические генераторы и солнечные коллекторы).
Может обеспечивать энергией как большие станции, так частные дома.
Панель преобразователя солнечной энергии состоит из двух тонких пластин фотоэлектрического полупроводника, обычно из чистого кремния (реже – из селена, германия), сложенных вместе. Эти пластины пропускают УФ-лучи. Их ламинируют пленкой и крепят на стекло. Скрепленные слои вставляют в алюминиевую раму.
Таким образом солнечные лучи попадают на поверхность пластин и сдвигают электроны кремния с орбит атомов. Эти освобожденные электроны и образуют электрический ток.
Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств.
Используется в Германии, Бельгии, США, Китае, Японии, Великобритании, Италии, Испании, Франции, Индии, Австралии.
Преимущества: самовозобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.
Недостатки: зависимость от интенсивности солнечного излучения, необходимость в больших площадях для строительства электростанций, высокая стоимость конструкции, необходимость очистки фотопанелей от загрязнения, снижение эффективности через 30 лет эксплуатации, наличие ядовитых веществ в фотоэлементах.
Экс-директор энергетических программ Центра Разумкова Владимир Сапрыкин рассказывает, что Украина также использует солнечную энергетику, но не так активно, как хотелось бы.
«Солнечные батареи у нас в стране работают эффективно, но в основном летом, и то больше в южных областях. Когда у нас был Крым, и солнечная, и ветряная энергетика широко развивались именно там», - пояснил эксперт.
Китай
Мост на солнечных батареях в Австралии
Стадион на солнечных батареях в Японии
Солнечная батарея «цветок» для автомобиля
Самодельная солнечная печь
Энергия ветра
Используется для преобразования ее в механическую и электрическую энергию. Ветроэлектростанция – это мачта, наверху которой размещается контейнер с генератором и редуктором, к оси которого прикреплены лопасти. Контейнер электростанции поворачивается в зависимости от направления ветра.
Принцип действия ВЭС очень простой: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатывает электрическую энергию.
Кинетическая энергия ветра всегда была и остается доступной практически во всех уголках Земли. Может быть использована, как в широких масштабах (ветровые турбины для ферм), так и для генерирования энергии для частного дома.
Активно используется в Европе (Дании, Голландии, Германии, Испании и Великобритании), а также в США, Индии и Китае.
Преимущества: отсутствие выбросов углекислого газа, огромный энергетический потенциал (может конкурировать с невозобновляемыми источниками энергии).
Недостатки: производство электроэнергии зависит от силы ветра, на которую человек не может повлиять, высокий уровень шума, сложная регулировка генерации, угроза для птиц и млекопитающих, приводит к теле- и радиопомехам, изменению ландшафта.
Владимир Сапрыкин уточняет, что в Украине ветровая энергетика используется в большей мере в побережных областях Черного моря.
«Мощность оставшихся ветряных станций стала гораздо ниже, после того, как Крымский полуостров перестал контролироваться Киевом», - напоминает энергетик.
Крупнейшая ветряная станция в США
Ветряной небоскреб, проект британских ученых (способен обеспечить электричеством две тысячи частных жилых домов)
Ветряной небоскреб-турбина в Дели, Индия
Ветряные мельницы в Испании
Энергия воды (гидроэнергетика)
Используется для преобразования воды в электрическую энергию. Один из старейших источников энергии. Принцип работы ГЭС достаточно прост: станция обеспечивает необходимый поток воды, который поступает на лопасть гидротурбины (приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию). Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины в определенном месте или благодаря естественному потоку воды (деривации). В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.
Сегодня на энергии воды работают большие и малые гидроэлектростанции, приливные и волновые электростанции.
Абсолютные лидеры по использованию гидроэнергии – Парагвай и Исландия. Также активно используется в Норвегии, Швеции, Канаде, США, Бразилии, Китае, России. Малые ГЭС используют во всем мире.
Преимущества: дешевая возобновляемая энергия, работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу, быстрый выход на режим рабочей мощности.
Недостатки: строительство возможно только при наличии крупных водных ресурсов (исключение – горные реки), затопление пахотных земель, изменения в уникальных экосистемах по всему руслу рек, что приводит к их загрязнению, исчезновению мест гнездования разных видов животных и птиц, недостаточное увлажнение почвы, сокращение потока биогенных масс в Мировой океан, большие ГЭС могут влиять на развитие эпидемий заболеваний, связанных с водой.
Большие ГЭС:
Плотина «Три ущелья» в Китае (крупнейшая гидроэлектростанция в мире)
Самая мощная в мире электростанция – «Итайпу» – построена на реке Парана на границе между Бразилией и Парагваем
Малые ГЭС: сочетают в себе преимущества большой ГЭС, с одной стороны, и возможность децентрализованной подачи энергии, с другой. Они не имеют многих недостатков, характерных для больших ГЭС, а именно: дорогостоящие трансмиссии, проблемы, связанные с негативным воздействием на окружающую среду. Малые ГЭС вырабатывают электроэнергию, если естественный уровень воды в реке на достаточном уровне (в периоды высыхания реки или падения скорости потока ниже определенной величины производство электроэнергии приостанавливается).
Малая ГЭС в Украине (Ивано-Франковская область)
Малая ГЭС в Армении
Малая ГЭС в России (городок Хямекоски)
Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию приливов морей и океанов (где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды), преобразуют ее в электрическую энергию. Волна двигает воду по траектории «вверх-вниз» в специальной камере, заполненной сжатым воздухом, потоки воды вытесняют воздух из камеры, а тот, в свою очередь, в результате возникающего давления, начинает вращать лопасти турбин и генерировать электрическую энергию.
Первые ПЭС были установлены в прибрежных районах Шотландии, Португалии, Франции и Японии.
Преимущества: экологичность и низкая себестоимость производства энергии.
Недостатки: высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций.
Самая первая ПЭС – «Ля Ранс» во Франции (1966 г)
Мощнейшая ПЭС в Южной Корее
Волновые электростанции (ВЭС): энергия морских (океанских) волн значительно выше энергии приливов.
Страны с большой протяженностью побережья и постоянными сильными ветрами, такие как Великобритания и Ирландия, Австралия, могут генерировать до 5 % требуемой электроэнергии за счет энергии волн. Избыток генерируемой энергии (общая проблема всех непостоянных источников энергии) может быть использована для выработки водорода или алюминия.
Что касается Украины, по мнению Владимира Сапрыкина, гидроэнергетика — достаточно стабильный источник поставок электроэнергии.
«Мощности использования этого вида энергии у нас в стране наращиваются. Это один из самых дешевых видов энергии, и его в дальнейшем стоит развивать. Это номер два по стабильности после ядерной энергетики. Это один из самых перспективных источников энергии», - утверждает эксперт.
Волновая электростанция «Oceanlinx» в Австралии
Биоэнергетика
Энергетика, основанная на использовании биомассы (крупнейший по использованию и самый многогранный в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс, имеющий большой потенциал роста). Биомасса пригодна для использования в качестве топлива, а также для производства тепла и электроэнергии.
Биомасса бывает твердой, жидкой и газообразной.
Сжигание дерева, дающее тепло, - старейший метод использования возобновляемого источника энергии. Однако в отличие от костра или старинной печки современные установки по сжиганию имеют несравненно более высокий коэффициент полезного действия.
В настоящее время различные страны проводят эксперименты по выращиванию энергетических лесов для производства биомассы. На больших плантациях выращиваются быстрорастущие деревья: тополь, акация, эвкалипт, ива и другие. Испытано около 20 видов растений. Но быстрорастущая ива признана самым энергоемким растением для биогорючего в Европе.
В биоэнергетике сегодня используют отходы лесного и сельского хозяйства (опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т.п.), твёрдые бытовые отходы и др.
В последнее время в Европе и США широко используются топливные гранулы (твердое биотопливо, получаемое из торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Представляют собой цилиндрические гранулы стандартного размера).
Преимущества: развитие возможно в любом регионе или стране мира, вне зависимости от климатических условий или рельефа, ведь производить биотопливо можно из самых разных органических материалов; решение проблемы утилизации мусора.
Недостатки: уничтожение лесов и нанесение вреда окружающей среде; массовое выращивание растений, предназначенных для производства биотоплива, способно истощить плодородные земли и послужить причиной голода во многих странах третьего мира.
Биоэлектростанция на отходах виски в Шотландии
По мнению энергетика Владимира Сапрыкина, биоэнергетика в Украине не сможет заместить основные виды топлива.
«Сейчас зима, мы не в Крыму, поэтому альтернативные источники, такие как биоэнергетика, ветреная и солнечная, составляют ноль целых в балансе – на них не стоит рассчитывать», - утверждает эксперт.
Господин Резцов в свою очередь убеждает в обратном: «Основные и наиболее перспективные виды альтернативной энергетики в Украине – солнечная, ветро- и биоэнергетика».