7.1. Відновлювані джерела енергії

Відновлювані джерела енергії — це випро­мінювання Сонця, рослинна біомаса, морські припливи, вітер і річки. Енергія рослинної біомаси, вітру та річок спричинена дією со­нячної енергії. Всі відновлювані джерела енергії дотепер використовують незначною мірою, хоча їхні запаси практично невичерпні (табл. 7.1).

Сонце — невичерпне джерело, яке випро­мінює на Землю енергію в кількості, що наба­гато перевищує потребу в ній і тепер, і навіть у найвіддаленішому майбутньому. Людству відомі способи одержання цієї енергії. Якщо говорити про розподіл променистої енергії Сонця, то тепловий баланс має приблизно та­кий вигляд: ~7 % — відбиває атмосфера Землі,


~27 % — відбивають хмари; з енергії, що поступила на Землю: ~2,5 % — перетворюється на енергію вітру, ~0,05 % — обертається на енергію морських течій, ~33 % — падає на поверхню океану, ~25 % — падає на сушу, ~7 % — відбивається Землею, ~0,12 % — за­своюється рослинами.

Щорічний приріст зеленої біомаси на Землі становить 117 млрд т у сухому вигляді, що енергетично дорівнює 40 млрд т нафти. Загальна ж кількість рослинної біомаси на планеті пере­вищує 1 800 млрд т, що еквівалентно 640 млрд т нафти. Ясна річ, як паливо може розглядатися тільки частина щорічного прирос­ту, яку можна виділити для цього ланцюга.

Енергія морських припливів є значною, а відтак, будівни­цтво припливних станцій видається перспективним, дарма що воно складне, дороге і не виключає непередбачуваних екологіч­них наслідків.

Енергія вітру менша, але все-таки велика, вона заслуговує на серйозну увагу, проте непостійна в часі, і це утрудняє її ви­користання.

Енергія річок є відносно помірною, її вже використовують значною мірою, причому як для рівнинних річок — з неґатив-ними наслідками, котрі свідчать про потребу в надзвичайно обачному ставленні до механізмів екології.

Можливість користатися з унутрішньої теплоти Землі має ло­кальне значення: утилізують лише теплоту гарячих підземних вод.

Безумовно, надалі конче слід орієнтуватися на одержання енергії з відновлюваних джерел. У цьому плані цікавими ви­даються перспективи енергетики з позиції теоретичної фізики.

Енергетичні процеси пов'язані з перетворенням силових полів. Таких полів є три: мезонне, що цементує атом (найпотужніше); ґравітаційне; електромагнітне в різних формах, зокрема у вигля­ді електричної енергії. Науковці припускають, що ці поля — різні прояви єдиного поля. Теорію єдиного поля намагалися створити найбільші учені світу — О. Гевісайд, А. Ейнштейн, І. Е. Тамм, але поки що безуспішно. Наявність такої теорії дала б змогу розро­бити нові, досконаліші способи одержання електричної енергії через перетворення на неї мезонного і ґравітаційного полів, а тим паче — електромагнітного. Нині цю проблему розв'язують кружним і складним шляхом. Так, на гідростанціях ґравітаційне поле води верхнього б'єфу перетворюється на електроенергію за допомогою гідрогенераторів. Система перетворення мезонного поля в електроенергію на атомних станціях ще складніша: ре­актор — пара — турбогенератор. Не менш складним є перетворю­вання електромагнітного поля сонячного випромінювання, що має світлову частоту, в електромагнітне поле електричного стру­му на сонячних електростанціях перетворювання, здійснюване за теплотехнічним способом (сонячний котел — пара — турбоге­нератор). По суті, всі ці схеми надзвичайно громіздкі, як і схеми, що на них базуються енергетичні установки, де відбувається спалювання горючих речовин. Як протилежний приклад мож­на назвати тільки сонячну батарею, що перетворює випроміню­вання Сонця безпосередньо в електроенергію.

Сонячне випромінювання на Землю — невичерпне джерело вели­чезної кількості енергії — є екологічно нейтральним, оскільки процес його використання не спричиняє шкідливих викидів і майже не викликає додаткового нагрівання Землі. Остання за-ввага є надто важлива, адже Земля як термодинамічна система перебуває у вкрай нестійкій рівновазі.

Ще в самому розпалі атомного буму найвидатніший фізик ХХ ст. Ф. Жоліо-Кюрі казав таке: "Розв'язання проблеми використання сонячної енергії для людства важить більше, ніж під­корення енергії атома". Цю енергію одержують у такі способи: теплохімічним (нагрівання теплоносіїв), фотоелектричним (ви­користання сонячних батарей), біологічним (фотосинтез рос­лин) з переходом у біотехнологічний при поєднанні з водневою енергетикою. Основне значення мають фотоелектричний і біот-ехнологічний способи.

Теплотехнічний спосіб застосовують (досить рідко) для одер­жання теплоти. Якщо електроенергію виробляють за допомогою турбогенераторів, він є нераціональним.

Фотоелектричний спосіб колись був надто дорогим. Донедавна фотоелектричні сонячні батареї внаслідок своєї високої вартості застосовувалися лише в окремих випадках, наприклад у космо­навтиці, і мали доволі невелику потужність, вимірювану сотнями ватів; проте завдяки розробці нових способів одержання кремніє­вих сонячних елементів їх вартість швидко знижується.

Відтак, доречними постають два напрями: застосування по­рівняно дешевих фотоелементів з невисоким ККД і створення дорожчих, але й ефективніших. Завдання полягає в тому, щоб зробити сонячні електростанції економічно вигідними порів­няно з іншими, наприклад з АЕС. Вирішення цього завдання вимагає зліквідувати розрив між науковими й інженерними розробками. Вочевидь, уже до кінця нинішнього століття геліоенергетика відіграватиме поважну роль, а до середини на­ступного матиме більше значення, ніж гідроенергетика.

Біологічний (біотехнологічний) спосіб грунтовано на фотосинтезі. Процес фотосинтезу рослин має неабияке значення для життя на планеті, оскільки з його допомогою неорганічні речовини переробляються в органічні, харчові, за рахунок енергії Сонця. Крім того, рослини забезпечують планету киснем. Для деяких країн фотосинтез може стати переважним способом одержання енергії. Ось як, наприклад, уявляють майбутній енергетичний баланс Швеції — маленької індустріальної країни, багатої на ліси, з розвиненою деревообробною промисловістю. До 2015 р. заплановано таку структуру енергетичного балансу: лісова біо­маса — 46 %; сонячне опалювання (одержання теплоти) — 13 %; енергія гірських річок (ГЕС) — 12 %; деревні відходи — 12 %; сонячне світло (виробництво електроенергії) — 9 %; вітер — 5 %; мор­ська біомаса — 3 %; нафта, газ, вугілля, ядерна енергія — 0.

Лісова біомаса — це посадки (спеціально для енергетичних цілей) швидкорослих дерев з деревиною, що має достатньо високу теплоту згорання (тополя). Щорічно використовують декілька відсотків масиву посадок з подальшим засівом площі вирубки. Шкідливість продуктів згорання деревини мінімаль­на, зола — відмінне добриво. Звичайно, для великої промислово розвиненої держави таке рішення не придатне.

У країнах, що розвиваються, біомаса рослин (дрова, сільсько­господарські відходи) задовольняє потребу в енергії наполовину, в розвинених країнах ця частка невелика, але за абсолютним значенням щорічно в Європі біомаса заміщає ~100 млн т нафти. Рідке паливо, що заміняє нафту, можна одержати біотехнологіч-ним шляхом з деяких тропічних рослин, створивши спеціальні нафтові плантації. Таким чином, рослини можуть слугувати багатющим джерелом не тільки харчової та технологічної, а й енергетичної сировини.

Біотехнологічний спосіб і воднева енергетика нині теж є досить вагомими. Водень — екологічно чисте паливо, яке можна збері­гати і транспортувати трубами, воно цінне і для технологічних процесів, і для автотранспорту. У процесі згорання водень пере­творюється на воду, не виділяючи жодних шкідливих речовин.

Заслуговує на увагу біофотоліз води — використання меха­нізмів фотосинтезу для її розкладання під впливом сонячного світла з метою дістати водень і кисень у вільному стані. Для здійснення цього процесу застосовують біохімічну систему, засновану на взаємодії двох мікроорганізмів: мікроскопічної водорості й термостійкої ціанобактерії, наділеної особливими властивостями. Клітини водоростей під впливом світла ви­робляють у процесі фотосинтезу органічні вуглецеві сполуки і вільний кисень. Фоторозкладання води, що відбувається, забезпечує постійне виділення кисню та водню. Таким чином сонячна енергія прямо перетворюється в паливо і, як наслідок, виникає перспектива створення нової галузі енергетики (біо-технологічної), що забезпечує одержання молекулярного водню як високоякісного та екологічно чистого палива.

Можливим є процес розкладання води на водень і кисень під дією видимого сонячного світла, одначе він потребує відповід­них каталізаторів. Водень можна діставати завдяки електролізу води за умови великої кількості електричної енергії в майбутньо­му, а нині — за рахунок енергії АЕС у години, коли електричне навантаження зменшується, тобто вночі.

Із запропонованого в попередніх розділах аналізу базових енергетичних об'єктів та екологічних аспектів їхнього застосу­вання можна дійти певного висновку.

У складній системі "біосфера - техносфера" потрібні серйоз­ні зміни, передовсім у напрямку розвитку енергетики. Отже, щонайперше слід відмовитися від усталених стереотипів енерго-витратного способу життя, провести серйозну екологізацію всіх галузей енергетики, перейти на альтернативні, нетрадиційні, екологічно безпечні джерела енергії з поступовим нарощуванням їхньої потужності. Підходи, наявні сьогодні в сфері енергетики, є нестійкими, екологічно небезпечними, властиві їй поточні мо­делі й далі зумовлюють підвищення рівня нестабільності і, отже, не є інструментом для досягнення стійкого розвитку. Проте най­головнішим є те, що практично повне забезпечення електричною енергією, зокрема в країнах ЄС, ґрунтується на використанні тих-таки традиційних невідновлюваних енергоносіїв: органічного палива, атомної енергії та гідроенергії (рис.7.1).

Європейське Співтовариство не є однаковим з погляду енер­гопостачання: наскільки розходиться кількість щорічно вироб­люваної електроенергії в кожній державі-учасниці, настільки ж відрізняється й роль окремих енергоносіїв у цих країнах.

У XXI ст. всі спроби розв'язати соціально-економічні та екологічні проблеми, питання безпеки і миру немислимі без урахування енергетичних аспектів, особливо — зміни стратегії й тактики в сфері енергетики. Одна з таких стійких і перспектив­них стратегій — використання нетрадиційних енергоресурсів: енергії Сонця, вітру, біомаси, малих річок, геотермальних при­пливів і відпливів, застосування генераторного газу, газів малих газових, газоконденсатних і нафтогазоконденсатних родовищ, попутного нафтового газу, метану вугільних родовищ, спиртних сумішей, водопаливних суспензій, емульсій та ін.

 

Перспективи використання нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії. Установлена потужність електростанцій, що використо­вують нетрадиційні й відновлювані джерела енергії, дорівнює 33 млн кВт. Це становить 1,04 % від загальної встановленої потужності всіх електростанцій у світі (3 180 млн кВт). У США частка таких електростанцій становить 2,32 %, у Бразилії — 3,0, в Данії — 7,7, Німеччині — 2,8, Італії — 1,2, Іспанії — 2,2, Індії — 1,0, Японії — 0,4 і на Філіппінах — 17 % від загальної встанов­леної потужності.[31,46]

В Україні для виробництва електроенергії з відновлюваних джерел використовують тільки енергію вітру. За станом на початок 2000 р. встановлена потужність вітроенергетичних електростанцій (ВЕС) дорівнює 12,5 МВт; у 1999 р. вони виро­били 3,83 млн кВтт. Коефіцієнт використання встановленої по­тужності становив 0,031 при проектному коефіцієнті 0,19. Окрім цього, було споруджено і введено в експлуатацію Акташську ВЕС (0,6 МВт), Чорноморську ВЕС (0,6 МВт), другу чергу Ново-азовської ВЕС (1,6 МВт) і ряд вітроенергетичних електростанцій малої потужності (25—45 кВт).

В АР Крим, у Вінницькій, Одеській та інших областях України застосовують сонячну енергію, біомасу та інші види енергії для підігрівання води, використовуваної для обігріву приміщень. Застосування геотермальної енергії у виробництві електроенергії взагалі має експериментальний характер (уста­новка 5 МВт у Берегівському районі Закарпатської обл.).

З нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії в Україні у виробництві електроенергії можна використовувати: енергію вітру, геотермальну енергію, коксовий, доменний, некондицій­ний природний гази. Аналіз ресурсної бази цих видів енергії, а також досвід зарубіжних країн дають підставу твердити, що встановлена потужність електростанцій, які використовують ці ресурси, становитиме 2,5—3,0 % від загальної потужності електростанцій України.


Нижче наведено дані про прогнозовану встановлену по­тужність, виробництво електроенергії та заощадження палива, що їх можна досягнути, послуговуючись нетрадиційними і від­новлюваними джерелами енергії (табл. 7.2).

Прогнози, зроблені цілою низкою світових лідерів проми­словості, наприклад таких, як знана компанія «Шелл інтер-нешнл петролеум», свідчать про те, що під 2025 р. у світі панівне значення матиме енергетика, побудована на альтернативних, відновлюваних джерелах, щонайперше на сонячній енергії.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я