Сторінка
1

Альтернативні технології енергетики, їхні переваги й недоліки

Нині природних екологічно чистих джерел енергії відомо вже чимало. Але використовують їх зовсім недостатньо. Основна проблема — це низька якість (концентрованість) усіх відомих на сьогодні альтернативних видів енергії, і, відповідно, низька економічна ефективність їхньої конверсії у висококонцентровану форму.

Аналізуючи різні альтернативні джерела енергії, слід пам’ятати, що в усіх без винятку випадках важливо підібрати до кожного промислового об’єкта найбільш раціональне за концентрацією енергії джерело, пам’ятаючи, що чим більше концентровано енергію, тим вона дорожча. Розглянемо еколого-економічні аспекти альтернативних джерел енергії, які сьогодні вже застосовують.

Вітрові електростанції (ВЕС)

Проблема конверсії енергії вітру не нова, але не така проста, як може гадати не фахівець. Передовсім виникає питання якості (концентрованості) вітрової енергії, її ресурсу. Установлено, що на території в 1 млн km2 енергетичні ресурси вітру становлять близько 0,5 TW. Але з огляду саме на низьку концентрацію (якість), можливість використання вітру для конверсії в електричну енергію за сучасного стану техніки є незначною.

Оцінити потужність (отже, і енергетичну якість) реального вітрового потоку перерізом 1 m2 і швидкістю в 10 m/s (швидкість бігу чемпіона світу на 100 m) кожен зможе за формулою кінетичної енергії mv2/2 (відповідь: 0,645 kW). Отже, на кожний kW потужності вітрового двигуна треба мати контактну поверхню лопаті (за вітру 10 m/s) близько 1,5 m2. За потужністю такий вітровий потік еквівалентний тепловому потоку, який виділяється за спалювання кожної секунди лише 0,1 грама вугілля, а за η = 0,3 ТЕС — 0,3 g.

На початку минулого десятиріччя в СРСР експлуатувалось кількасот вітрових електрогенеруючих установок (ВЕУ). Одна установка типу АВЕУ-6 (автоматична вітрова електрична установка) потужністю у 6 kW була спроможна за добу викачати зі свердловини глибиною понад 50 m до 20 m3 води або освітлити й обігріти невеликий будинок. Але, щоб одержувати електроенергії від ВЕС стільки, скільки її виробляє лише один потужний електроблок сучасної ТЕС чи АЕС в 1200 MW (а на кожній станції їх кілька), потрібно було б змонтувати 200 000 таких ВЕУ!

І все ж за останні 10 років, у зв’язку із загостренням екологічних проблем, вітровим турбоелектрогенераторам стали приділяти значно більше уваги. Щоправда, потужність сучасних великих вітрових турбоелектрогенераторів, значно більша і становить 50…100 і більше kW

Такі установки досить широко застосовують, наприклад, у Данії, де існують сприятливі кліматичні умови з постійними вітрами оптимальної швидкості від 14 до 24 m/s.

На початку ХХІ ст. ВЕС будуть спроможні покривати до 10—15% регіональних потреб деяких розвинених держав у електроенергії. Так, наприклад, у США (Каліфорнія) в енергосистемі «Pacific Gas and Electric» уже працює понад десяток великих ВЕС, загальна потужність яких становить близько 1000 МW і планується дальше її збільшення. Слід зазначити, що такі ВЕС можуть ефективно працювати лише за певних кліматичних умов. Наприклад, одну систему ВЕС згаданої вище компанії США розміщено в 50 km від Сан-Франциско на перевалі Алтамонт-Пасс, де стабільні вітрові потоки забезпечують ефективну роботу 900 установок з потужністю 100 kW кожна. Усе ж навіть ця сучасна ВЕС за потенційним ресурсом енергії еквівалентна лише 10% одного блока сучасної АЕС.

Більш потужну (1000 МW) ВЕС у 80-х роках планувалося будувати в СРСР в акваторії Фінської затоки на площі в 40 km2, де середня річна швидкість вітру близька до оптимальної (див. графік на рис. 56). За проектом ВЕУ потужністю у 2,5—5 МW мали бути гігантських розмірів: башта до 100 m, а діаметр вітрового колеса особливої конструкції — 80 m. Наскільки реалізація такого проекту виявилась би економічно і екологічно виправданою, сьогодні сказати важко. Всяка гігантоманія породжує негативні наслідки. Але навіть менш потужні сучасні ВЕС мають значні екологічні вади: значний шумовий ефект (до 50 децибел на відстані понад 1 km), великі площі відчуження земель, погіршання рекреаційних властивостей природного ландшафту, перешкоди міграції птахів, телетрансляціям і радіозв’язку. Реальну небезпеку для всієї ВЕС може спричинити руйнування лише одного вітрового колеса потужної ВЕУ: його уламки можуть розлетітись на сотні метрів, руйнуючи інші ВЕУ.

Безумовно, широке застосування ВЕУ значною мірою спроможне вирішити сучасні економічні проблеми постачання електроенергії окремим господарським регіонам, переважно у сільській і віддаленій від електромереж місцевості, але навіть за межами першого десятиріччя ХХІ ст. частка ВЕС у загальному світовому балансі енергопостачання не перевищуватиме кількох відсотків.

Сонячні електростанції

Сонячна енергія — це першоджерело рушійної сили не тільки живих організмів планети, а й технологічних систем. Людина вже давно використовує, і мабуть недалекі ті часи, коли повністю використає, накопичені нашою планетою запаси сонячної енергії у формі внутрішньої енергії міжатомного зв’язку вугілля, нафти й газу.

Сьогодні людство намагається збільшити використання енергії Сонця, безпосередньо перетворюючи його радіацію на електричну. Ця ідея не нова і дуже приваблива. Як свідчить легенда, ще у 215 р. до н. е. Архімед уперше сконцентрував сонячні промені з допомогою дзеркала, щоб спалити римський флот. Проте низька якість (концентрація) сонячної енергії ставить під сумнів реальність цього дотепного задуму. Потужність сонячного випромінювання, яке досягає поверхні нашої планети, не перевищує 1 kW на 1 m2.

Існують два напрями конверсії сонячної енергії в технологічну — термічний і фотоелектричний. Принцип термічної конверсії бере за основу давню ідею Архімеда — концентрацію сонячних променів відбиванням їх з великої поверхні дзеркал на малу робочу поверхню. Експериментальна СЕС, збудована й випробувана у 80-ті роки в Криму, включала 1600 так званих геліостатів, кожний із яких складався із 45 дзеркал загальною площею в 25 m2. Отже, сумарна площа дзеркал становила 1600 × 25 = 40 000 m2. Уся система за допомогою автоматики наводиться на Сонце й відбиває його проміння на порівняно невелику площу панелі парогенератора. Пара (250ºС і 4 MРa) спрямовується в парову турбіну, змонтовану в блоці з електрогенератором. Потужність такої СЕС — 5 МW, що дорівнює 0,5% одного блока АЕС. Із наведених даних неважко обчислити конкретний коефіцієнт конверсії сонячної енергії в електричну. На жаль, навіть за такої громіздкої конструкції він не перевищує 10%. До того ж і собівартість електроенергії в десятки разів вища, ніж на ТЕС.