Энергосбережение и развитие альтернативных источников энергии

Прогресс цивилизации представляет собой процесс замены человеческого труда другими источниками энергии. Например, для получения 1 т зерна, кроме человеческих рук и солнечной энергии, требуется баррель нефти (нефтяной баррель составляет 159 л), используемой в виде горючего для сельхозтехники, а также для производства удобрений и пестицидов.

В настоящее время на долю нефти приходится 44 % общего энергопотребления, доля природного газа в нем составляет 21 %, а угля — 22 %. Ядерное топливо, гидростанции и другие энергоресурсы дают остальные 13 %.

Существуют несколько основных направлений использования энергии:

• транспорт — автомобили, автобусы, самолеты, поезда, корабли, тракторы, бульдозеры и т. д.;
• промышленность — металлургия, химический синтез, производство других материалов, изготовление готовых изделий;
• температурный контроль — отопление и охлаждение (кондиционирование) помещений, горячее водоснабжение;
• производство электроэнергии, необходимой для работы электромоторов, которые приводят в действие самое различное оборудование, освещения, бытовой и промышленной электроники.

Уголь, нефть и природный газ часто называют ископаемым топливом. Хотя эти ископаемые и образовались в результате биологических процессов, всякое пополнение их запасов по мере использования исключено по двум причинам. Во-первых, условия на Земле изменились так, что значительного накопления органического вещества уже не происходит. Во-вторых, мы потребляем горючие ископаемые со скоростью, намного превышающей скорость, которая необходима для их образования. Подсчитано, что количество сырой нефти, расходуемое сейчас в течение дня, формировалось естественным путем в течение тысячи лет. Поэтому необходимо сократить потребление нефтепродуктов. Для этого подходит любое сочетание двух основных подходов — энергосбережения и развития альтернативных источников  энергии.

Энергосбережение — это разработка систем, более эффективно использующих энергию, т. е. обеспечивающих такой же или даже более высокий уровень транспортных услуг, освещения, отопления, производительности труда и т. д. при меньших энерготратах, что подразумевает:

• сокращение вдвое расхода автомобильного горючего — с 18,2 до 9,1 л на 100 км пробега (уже только это позволяет экономить около 2 млн бар. сырой нефти в сутки);
• разработку моделей автомобилей, у которых средний расход горючего составляет 2,23…3,4 л на 100 км пробега (фирма «Рено» создала автомобиль, использующий 1,9 л на 100 км пробега);
• улучшение термоизоляции помещений, благодаря чему можно добиться снижения энергорасходов на отопление и охлаждение и сэкономить как минимум 1 млрд бар. в год;
• замену традиционных электроламп флуоресцентными, так как у ламп накаливания КПД составляет всего 5 %, а 95 % энергии теряется в виде тепла, в то время как у флуоресцентных ламп КПД близок к 95 %;
• экономию сырой нефти и других видов ископаемого топлива, что позволит смягчить парниковый эффект, связанный с выбросами в атмосферу двуокиси углерода, сократить масштабы кислотных дождей, снизить приземный уровень озона и других загрязнителей воздуха, возникающих в основном при сжигании этих энергоресурсов;
• изменение образа жизни — отказ от использования одноразовой тары, сдача бутылок, бумаги, вторичного сырья и т. д.

Снизить потребление сырой нефти и других традиционных видов топлива можно, заменив их альтернативными источниками энергии.

Ядерная энергия. После чернобыльской катастрофы в апреле 1986 г. нетрудно понять, почему интерес к атомным электростанциям (АЭС) сменился недоверием. Если, однако, сопоставить работу двух электростанций ТЭС и АЭС одной и той же мощности (1000 МВт) в течение года, выяснится следующее:

• потребность в топливе: для ТЭС необходимо 3,5 млн т угля;
• добыча такого его количества открытым способом нанесет серьезный ущерб ландшафту, окружающим водоемам и за счет кислотного выщелачивания — грунтовым водам; для АЭС потребуется 1,5 т обогащенного урана, что соответствует всего 1000 т урановой руды;
• выделение углекислого газа: в результате работы угольной ТЭС в атмосферу поступит более 10 млн т углекислого газа, что усугубит парниковый эффект; АЭС углекислого газа не выделяет вообще;
• выбросы двуокиси серы и других компонентов, выпадение кислотных дождей: на ТЭС составят более 400 тыс. т; на АЭС они не образуются; твердые отходы: проблема их захоронения существует в обоих случаях, но радиоактивные отходы АЭС составят около 2 т, тогда как на ТЭС образуется около 100 тыс. т золы.

Тем не менее именно радиоактивные отходы и возможности аварий на АЭС вызывают тревогу ученых и общественности.

Солнечная энергия представляет собой кинетическую энергию излучения (в основном света) и образуется в результате термоядерных реакций в недрах Солнца. Ее запасы практически неистощимы: астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллиардов лет. Также подсчитано, что примерно 1 % солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения всех нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, вне зависимости от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.

По использованию солнечной энергии на душу населения на первом месте в мире стоит Кипр, где 90 % коттеджей и значительное число отелей и многоквартирных домов располагают солнечными водонагревателями. В Израиле солнечная энергия обеспечивает 65 % горячего водоснабжения жилищ.

Одним из основных источников солнечной энергии являются солнечные батареи, изготовленные из особых материалов, в которых падающая энергия света индуцирует поток электронов, т. е. попросту электрический ток.

В детстве вы не раз пользовались увеличительным стеклом, чтобы прожечь дырку в бумаге. Своеобразное применение подобный подход нашел в так называемых энергобашнях. Установленные на площади в несколько гектаров зеркала фокусируют солнечный свет на котле, находящемся на вершине башни. Высокая температура превращает воду в пар, приводящий в движение обычный турбогенератор. По своей рентабельности энергобашни могут конкурировать с АЭС, а кроме того, они не загрязняют окружающую среду.

Создание солнечных прудов — это еще более дешевый способ улавливать и запасать солнечную энергию. Солнечный пруд представляет собой искусственный водоем, частично заполненный рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как  изоляция, не позволяя остывать нижнему. Иными словами, в солнечных  прудах используется тот же принцип, что и в парниках, только земля и стекло заменены здесь рассолом и пресной водой соответственно. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно.

Энергетическое использование биомассы. Любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза, называется биомассой. Ее энергетическое использование — непосредственное применение в виде топлива или переработка в различные его виды, что осуществляется различными способами (рис. 4).

Прямое сжигание. Одна треть населения земного шара до сих пор использует древесину как единственный источник тепла и получения энергии. В ряде районов проблема загрязнения воздуха дымом от дровяных печей встала настолько остро, что уже вводятся ограничения на такое использование биомассы.

Получение метана (природного газа). Питание бактерий органикой в анаэробных условиях сопровождается выделением так называемого биогаза, на две трети состоящего из метана.

Получение спирта. Когда дрожжи в анаэробных условиях питаются сахаром и/или крахмалом, в качестве побочного продукта выделяется спирт, происходит так называемое спиртовое брожение. Первой страной, начавшей крупномасштабное производство спирта из сахарного тростника как автомобильного горючего, стала Бразилия. В настоящее время многие автомобили там работают на его смеси с бензином — так называемом бензоспирте.

Гидроэнергия. В течение тысячелетий падающая вода использовалась для вращения различных лопастей, колес и турбин. Однако Земля не располагает достаточным количеством крупных естественных водопадов, поэтому еще в XIX в. началось строительство высоких плотин, создающих искусственные
перепады воды, которые позволяют получать значительное количество гидроэлектроэнергии.

Строительство плотин привело к затоплению ряда красивейших речных долин, гибели их растительного и животного мира, исчезновению ценных сельскохозяйственных угодий, лесов, территорий, представляющих археологический и геологический интерес. Поскольку расход воды, проходящей через плотину ГЭС, регулируется в зависимости от потребностей в электроэнергии, ниже по течению уровень реки в течение дня может меняться от почти полного пересыхания до паводковых отметок. Также экологические нарушения вызываются и снижением количества биогенов, достигающих ее устья.

Таким образом, любые предложения по строительству новых ГЭС должны рассматриваться с учетом того, окупают ли доходы от электроэнергии экологический и социальный ущерб, наносимый созданием водохранилища.

Энергия ветра. Ветер представляет собой одну из форм преобразованной солнечной энергии, так как его причина — неравномерное нагревание атмосферы Солнцем. В настоящее время используются специальные машины, называемые ветротурбинами. Чем больше площадь лопастей ветротурбины,
тем больше она позволяет получить энергии: вдвое удлинив лопасти, можно в четыре раза увеличить выход энергии. Так, установка с размахом лопастей около 100 м, размещенных на башне высотой порядка 60 м, при оптимальной скорости ветра дает энергию 2,5 МВт, что достаточно для энергоснабжения около 2500 жилых домов. В большинстве регионов мира есть территории, где ветры дуют практически постоянно, что делает использование ветротурбин вполне рентабельным.

Геотермальная энергия. Поскольку в недрах Земли в результате распада природных радиоактивных веществ идет постоянное высвобождение энергии, внутренняя часть планеты представляет собой расплавленную горную породу, которая время от времени вырывается наружу в виде вулканических
извержений и других загрязнителей, в частности соединений серы. Однако эти примеси вызывают быструю коррозию турбин и другого оборудования, а при их выбросах в ОС загрязняются воздух и вода. Кроме того, число мест с геотермальными водами невелико и многие из них расположены далеко от
потребителей энергии.

Энергия приливов и отливов. В приливах и отливах, сменяющих друг друга дважды в день, также заключена огромная энергия. Предложено множество интересных проектов использования этого экологически чистого и неиссякаемого источника. Самое простое из предложений заключается
в постройке плотины с турбинами поперек устья морского залива. Вода, проходя во время прилива через отверстия в плотине, приводит турбины в движение, генерируя электроэнергию. При отливе наклон лопастей меняется на противоположный и генераторы продолжают работать без остановки.

В настоящее время в мире функционируют две приливно-отливные электростанции — в нашей стране и во Франции. Выработка электроэнергии на таких установках рентабельна при амплитуде колебаний уровня воды не менее 6 м. На Земле есть около 15 мест, где амплитуда приливов и отливов достигает такой величины.

Но и у этого вида энергии есть недостатки экологического характера. Плотины вызовут существенную деградацию ОС. Они станут задерживать наносы, мешать миграции морских организмов, нарушать сложившиеся механизмы циркуляции и перемешивания морских и пресных вод.

Итак, обзор различных альтернативных источников энергии показывает, что на пороге широкомасштабного промышленного внедрения находятся только три из них — ветротурбины, солнечные батареи и биогаз. Если добавить к этому энергосбережение, есть надежда на решение актуальных энергетических проблем. Таким образом, строительство новых атомных и тепловых электростанций вовсе не обязательно. Однако их придется еще какое-то время сохранять в качестве резервных источников для стабильного энергообеспечения.