Развитие энергетики пока в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии - углеродсодержащем или урановом топливе. Экологические недостатки этих источников энергии приводят к разработке и все более широкому использованию нетрадиционных (альтернативных) возобновляемых источников энергии. С этой точки зрения перспективной является энергетика, основанная на использовании солнечной энергии, энергии ветра, малых рек, приливов и волн, течений, геотермальной энергии, энергии биомассы и т.п. Перечень нетрадиционных возобновляемых источников энергии с развитием науки и технологий непрерывно возрастает. Уже в 1991 г. энергия от возобновляемых источников в процентах к общему объему производства энергии составляла в Норвегии - 99%, Австрии - 70, Швейцарии - 62, Португалии - 55, Швеции - 41, Испании - 25.
В настоящее время исследования по использованию солнечной энергии ведутся на всех континентах. В США к 2020 г. предполагают удовлетворить от 10 до 30% своих энергетических потребностей страны за счет солнечных установок, в Японии в 2010 г. - 3%. Национальные программы развития солнечной энергетики приняты в 68 странах. Солнечная радиация, достигающая внешних границ земной атмосферы, несет энергию в 5,6 o 106 ЭДж в год (Р= 17 млрд кВт). Около 65 % этой энергии расходуется на нагрев поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а также на образование волн, воздушных и океанских течений и ветра, 35% солнечной энергии отражается. Поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, в 9 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органических видов топлива и урана.
Солнечная энергия обладает рядом преимуществ. Она имеется повсюду, практически неисчерпаема и доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени. Чтобы обеспечить свои энергетические потребности в 2100 г., человечеству достаточно использовать меньше 0,1 % падающей на Землю солнечной энергии или сороковую часть солнечной энергии, падающей на пустыни. Однако солнечная энергия обладает низкой плотностью потока (800-1000 Вт/м2), ее интенсивность меняется в течение
130
суток, зависит от сезона и т.д. Как падающая, так и рассеянная солнечная радиация относится к прямым видам солнечной энергии. Косвенными видами солнечной энергии являются энергия ветра, волн, приливов, тепловые градиенты океана, гидроэнергия и энергия, полученная благодаря фотосинтезу.
Условно можно выделить четыре направления использования солнечной энергии: теплотехническое, фотоэлектрическое, биологическое и химическое. Теплотехническое направление (солнечное теплоснабжение) основано на нагревании теплоносителей, например воды, обычными или сконцентрированными солнечными лучами в специальных устройствах-коллекторах. Этот способ уже стал находить практическое применение в США, Японии, в южных районах нашей страны для опреснения и получения горячей воды, обогрева зданий зимой и охлаждения их летом, для сушки различных продуктов и материалов, питания термопреобразователей и т. п. Уже при сегодняшней эффективности солнечные коллекторы могут оказаться экономически целесообразными вплоть до районов, лежащих на 56-й широте (примерно на широте Москвы). Большое внимание во многих странах уделяется фотоэлектрическому способу использования электрической энергии.
К существенному прогрессу здесь привели открытия, сделанные за последние 10 - 20 лет в физике и химии полупроводников. На их основе были созданы фотоэлектрические преобразователи - солнечные батареи, которые ныне широко используются на космических кораблях. КПД батарей составляет 12-15%, а на лабораторных образцах достигнуты и значительно лучшие результаты (28 - 29%).
Теоретические исследования привели к выводам о принципиальной возможности достижения в полупроводниковых структурах с переменной шириной запрещенной зоны, использующих объемный фотоэффект, коэффициента полезного действия, близкого к 90%. Однако широкое использование полупроводниковых преобразователей в наземной энергетике сдерживается из-за их пока еще высокой стоимости (стоимость выработки электроэнергии солнечными батареями выше, чем при традиционных способах) (рис. 8.3). Следовательно, одно из главных направлений здесь - разработка более дешевых преобразователей, например с использованием пленочных и органических полупроводников, и менее дорогих технологий их производства.
В Италии и США уже созданы солнечные электростанции. Их экологическими недостатками являются большие затраты материалов и нарушения экологического равновесия под солнечными батареями, занимающими площадь в несколько гектаров.
Наряду с этим намечаются и пути практического использования уже имеющихся биологических преобразователей. С точки зрения возможности относительно быстрой реализации наиболее заманчивым представляется следующий двухступенчатый метод: вначале
131
Рис. 8.3. Стоимость электроэнергии, получаемой за счет энергии Солнца иветра.
С 1980 по 1990 г. стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными, тепловыми и ветроэнергетическими установками, снизилась более чем в 5 раз. В настоящее время эти технологии конкурентоспособны с традиционными способами производства электроэнергии
под действием солнечного света на культуру быстрорастущих микроводорослей или других растений следует накапливать органическую биомассу, а затем с помощью специальных бактерий перерабатывать ее в высококалорийное топливо, например метан.
Одним из наиболее перспективных в будущем представляется процесс разложения воды на водород и кислород под действием солнечной радиации. Дело в том, что запасы воды на Земле практически неограниченны, а водород - это ценный химический продукт, который можно использовать в виде экологически чистого топлива, не дающего вредных отходов. Водород является лучшим топливом из всех известных видов: по теплотворности на единицу массы он в 2,6 раза превосходит природный газ и в 3,3 раза нефть или бензин. Кроме того, по мнению ряда ученых, он может передаваться по трубам на большие расстояния с затратами, близкими к стоимости передачи электрической энергии. Заметим, что вследствие непостоянства потока солнечной энергии, падающей на Землю в течение дня или в разные времена года, приходится использовать аккумуляторы энергии. Таким хорошим аккумулятором может быть сам водород, получаемый при разложении воды.
Извлечь водород из воды можно как электролитически, что довольно дорого, так и прямым химическим (или фотохимическим) путем. Однако видимая часть солнечного света воду практически не разлагает. Поэтому вся проблема сводится к тому, чтобы найти соответствующие катализаторы. Отдельные стадии этого процесса в той или иной степени уже разработаны. Ближайшая задача состоит в том, чтобы соединить эти каталитические системы в единый законченный фотохимический преобразователь.
Можно предположить, что со временем этот метод также станет экономически выгодным для широкого применения.
Все большее внимание привлекает использование энергии ветра, поскольку в масштабах планеты энергия ветра в 1000 раз превышает
132
гидроэнергию. В Дании в 1997 г. вращались лопасти 4000 электростанций, использующих энергию ветра. Они обеспечивают 3,7% общего объема потребления электроэнергии. Однако к 2030 г. производство электроэнергии на основе энергии ветра, солнца и биогаза должно увеличиться до 50 % общего производства. В итоге планируется вдвое уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу. Разработаны ветроустановки мощностью 500 - 600 кВт. Стоимость производства ветроэнергии сейчас составляет 20 центов за 1 кВт o ч, ее планируется уменьшить до 4,3 - 4,4 цента/кВт o ч, что меньше стоимости производства электроэнергии на АЭС и ТЭС (7 центов за 1 кВт o ч).
Дания является ведущей страной по применению энергии ветра. Национальные программы освоения энергии ветра развернуты также в Нидерландах, Канаде, ФРГ, Франции, Швеции, КНР и других странах. В США планировалось получить с помощью энергии ветра в 2000 г. 2 % всей производимой электроэнергии, в Дании и Нидерландах - 10%. Страны Европейского сообщества планируют довести к 2030 г. долю ветроустановок в производстве электроэнергии до 10%. Опытные работы, проведенные в ФРГ, показали, что современные оптимальные по энергетике ветроэлектростанции (ВЭС) будут иметь гигантские размеры: на 90-метровых башнях должны вращаться пропеллеры с размахом лопастей 80-100 м, которые приводят в движение роторы генераторов электрической энергии ВЭС. Башни должны отстоять друг от друга на расстоянии трех высот башен, поэтому ВЭС занимают сейчас большие площади.
В качестве главного экологического недостатка ВЭС отмечают генерацию ими инфразвукового шума, вызывающего постоянное угнетенное состояние, чувство дискомфорта и беспокойства. Как показывает опыт эксплуатации подобных установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы. Территории, где размещаются ВЭС большой мощности, оказываются практически непригодными для проживания.
В России построено 1500 ветроустановок разной мощности. В нашей стране целесообразно использовать ВЭС в Калининградской области, на побережье Каспийского и Черного морей, на Байкале, Камчатке и Сахалине, побережье Северного Ледовитого океана.
Геотермальная энергетика на базе термальных (горячих подземных) вод развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, где построены геотермальные тепловые электростанции. В России большие ресурсы геотермальной энергии имеются на Камчатке, Сахалине и Курильских островах, меньшие - на Кавказе. Геотермальная энергия может применяться в сельском (обогрев теплиц) и коммунальном (горячее водоснабжение) хозяйствах. К геотермальному водоснабжению подключены некоторые населенные пункты Дагестана, Ингушетии, Краснодарского и Ставропольского краев, Камчатки.
133
Океаны содержат огромный потенциал в виде тепловой энергии температурного градиента по глубине толщи воды (радиации, температур верхнего и нижнего слоев воды), а также энергию океанических течений, морских волн и приливов. В мире наиболее развиты работы по приливным электростанциям (ПЭС). В 1966 г. во Франции построена ПЭС "Ране", вырабатывающая 500 млн кВт · ч электроэнергии в год, в 1968 г. в России - Кислогубская ПЭС на Кольском полуострове, в 1984 г. - ПЭС в Канаде мощностью 20 МВт.
Перспективно производство энергии биомассы, получаемой в результате переработки органических отходов. Разработаны технологии производства биогаза и этанола, которые можно использовать как топливо и компост (органические удобрения) из органических отходов животноводческих комплексов, свинокомплексов, птицефабрик, городских сточных вод, бытовых отходов, отходов деревообрабатывающей промышленности.
134
