Альтернативная энергетика

Что выделяет человека из общего ряда животного мира? Сколько бы мы ни перебирали вариантов, везде найдем совпадения. Есть только одно действительное отличие нас, людей, от, например, коровы или даже нашего близкого родственника – обезьяны. Это то, как мы добываем энергию и как ее используем. Животное для пополнения своих энергетических запасов может только съесть что-либо или кого-либо.

Мы же способны извлечь энергию не только из живых организмов. А использовать ее и для обеспечения физиологических потребностей, и для других нужд. Простейший пример – костер, который по своей физической сущности является источником низкотемпературной плазмы. Его можно использовать не только для приготовления пищи, но и для обогрева. Однако он не слишком надежен и функционален, к тому же требует больших затрат на сбор горючего материала.

Поэтому человек всегда искал и находил альтернативные источники энергии, которые давали тепла больше при меньших затратах на добывание сырья для его получения (торф, горючий сланец, древесный, а потом и каменный уголь) или позволяли выполнять работу иного рода – молоть зерно, поднимать грузы. Процесс этот происходил на протяжении всей истории цивилизации и не закончен до сих пор, он только перешел на иной технологический уровень.

Вечный поиск альтернативы

К концу XIX века человек научился пользоваться энергией, накопленной в органических веществах (дрова, уголь, горючие сланцы), воды и пара, как ее разновидности, а также ветра. Кончились ли на этом его искания и желание обладать той же энергетической мощью, что и солнце – бесплатной и неиссякаемой? Нет, он нашел способ преобразовать уже обузданный им тип энергии в другой – в электричество.

В принципе, вся альтернативная энергетика, о которой сегодня столько говорят и спорят, развивается именно по этому пути – опираясь на фундаментальные основы, находить новые технологические принципы извлечения энергии. Кто посмеет утверждать, что ядерная энергетика к моменту ее появления не являлась альтернативной?

При этом основа технологического цикла получения электричества у нее осталась той же – нагрев теплоносителя, вращение им турбины и привод электрогенератора. Изменился только принцип повышения температуры – для этого используются не дрова или уголь, а энергия, выделяемая при распаде атома на элементарные частицы.

В XX веке поиск иной, более безопасной энергии  диктует актуальность энергосбережения, так как с увеличением количества жителей земли увеличилась и выработка энергии, а вместе с ней и выбросы вредных веществ от сжигания природного углеводородного топлива.

На сегодняшний день человечество, в поисках энергетической альтернативы, ставит перед собой следующие задачи:

• Источник энергии должен быть, в идеале, неиссякаемым. В крайнем случае его объем должен стремиться к бесконечности.
• Получение и обладание энергией не должно приводить к ухудшению уровня жизни Человека и тем более ставить его на грань исчезновения.

Солнечная энергетика

Наиболее популярное направление в поисках альтернативных источников энергии. По той причине, что все, вроде бы, очевидно: солнце вечно, оно греет и есть смысл использовать то, что дается даром. Попытки к этому предпринимались еще в античные времена – существует легенда о том, что Архимед сжег римский флот, осаждавший Сиракузы, направив на него сфокусированные солнечные лучи. Несмотря на фантастичность, она была подтверждена в 2005 году опытами ученых из Массачусетского университета.

На сегодняшний день возобновляемая энергетика на основе солнечной радиации развивается по двум путям:

1. Нагреву теплоносителей и использования его для отопления или привода турбин, вырабатывающих электричество.
2. Получения электрической энергии напрямую, используя эффект электронного преобразования в особых веществах – пленочных полупроводниках.

На практике оказалось, что использование солнечной энергии для нагрева более эффективно, чем прямое получение электричества. Даже при использовании инновационных материалов КПД солнечных электроустановок не превышает 3%. Тем не менее, уже существуют действующие электростанции большой мощности, работающие на этом принципе.

Например, в Калифорнии построено генерирующее поле Ivanpah (Айвонпа), состоящее из 173 тысяч гелиостатов, установленных на площади более 14 кв. километров. Она работает на термодинамическом принципе (нагрев теплоносителя). Ее мощность 397 МВт. В Европе рядовые потребители все чаще устанавливают солнечные батареи на крышах, но такая популярность продиктована скорее раскрученным трендом сохранения окружающей среды. Если 1 кВт*час традиционно выработанной электроэнергии там стоит около 25 центов, то альтернативный, с учетом стоимости всей установки, около 300 евро.

Ветроэнергетика

Сила ветра используется с незапамятных времен. И выработка электричества таким способом не является чем-то инновационным. Однако на волне всемирной борьбы с парниковыми газами ветроэнергетика является действительно альтернативной по силе воздействия (точнее, по его отсутствию) на окружающую среду. Несмотря на то, что КПД ветроэнергетических установок превышает 40 процентов, их применение сдерживалось до недавнего времени по нескольким причинам:

• Не было прочных и легких материалов, позволяющих строить ветряки больших размеров. А от них напрямую зависит мощность установки.
• Не было создано аккумуляторных батарей, способных хранить большое количество энергии в малых объемах.
• Необходимостью адаптировать выработанную электроэнергию к стандартам традиционной энергетики (частота, напряжение).

Сейчас ветряками заняты огромные площади по берегам морей. Особенно много их в Дании и на побережье Шотландии. Однако их широкое применение выявило один существенный недостаток: вращающиеся лопасти вибрируют и являются источником ультразвуковых колебаний. Они настолько сильны, что в пределах генерирующих полей отсутствует все живое, даже птицы.

Применение таких установок в быту оправдано только в том случае, если нет альтернативы – возможности подключения к электросетям или доставки горючего для работы электростанций на ДВС. Дело в том, что они требуют установки аккумуляторных батарей большой емкости и инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный, используемый подавляющим большинством бытовых приборов. Цена таких установок очень высока, она окупится лишь через 30-50 лет эксплуатации.

Гидроэнергетика

Несмотря на то, что гидроэлектростанции используют практически неисчерпаемый источник энергии, сейчас они не признаются альтернативными. А все потому, что при их строительстве существенно изменяется ландшафт. Водохранилища не только забирают самые плодородные почвы, но и изменяют климат. Поэтому инженеры пытаются использовать другие возобновляемые источники энергии, порождаемые движением воды.

Например, морские приливы. В нашей стране такая электростанция действует на Кольском полуострове, это Кислогубская ПЭС мощностью 1,7 МВт. Принцип ее работы заключается в том, что во время прилива вода поднимает понтон, на котором установлена турбина. Ее лопатки расположены так, что при вертикальном перемещении сооружения ротор агрегата начинает вращаться и вырабатывать ток.

Сейчас вторая электростанция такого типа строится в устье реки Мезень. Там высота прилива не 5, а 10 метров, поэтому проектная мощность агрегата 8 ГВт. За один год он выработает столько же электроэнергии, сколько весь волжский каскад ГЭС от Рыбинска до Волгограда. И при этом не окажет существенного влияния на экологию региона.

Геотермальная энергетика

Разогретое ядро Земли является еще одним практически неисчерпаемым источником энергии. Геотермальная энергетика находит особенно широкое применение в районах повышенной сейсмической активности. Например, в нашей стране на Итурупе – главном острове Курильской гряды – построена ГеоТЭС электростанция «Океанская».

Она работает на пароводяной смеси, которую «производит» находящийся неподалеку вулкан Баранского. Ее мощность 2,5 МВт, она позволяет отказаться от завоза на Итуруп более 4 миллионов литров дизельного топлива в год.

Однако использовать земное тепло можно и не в столь экстремальных условиях. Для этого существуют так называемые тепловые насосы. Принцип их работы основан на том, что температура породы на глубине выше, чем на поверхности. Чем больше перепад высот, тем больше разница. Если в скважину опустить замкнутую систему труб и заполнить их теплоносителем, то возникнет его естественная циркуляция.

В тепловом насосе происходит тот же процесс, что и в бытовом холодильнике. Прокачиваемый насосом хладагент нагревается от теплоносителя из скважины и испаряется, а потом конденсируется, отдавая тепло конденсатору, соединенному с теплообменником системы отопления дома. Это очень заманчиво – получать тепло как бы из ничего, но монтаж таких установок обычно очень дорог, как и они сами.

Энергетика элементарных частиц

Появившаяся в середине 50-х годов прошлого века атомная энергетика так же считалась альтернативной, поскольку соотношение объема использованного топлива и полученного количества киловатт было самым большим.

Все уже кричали «Ура», поскольку искомая бесконечная энергия была, вроде бы, найдена. К сожалению, несколько десятков лет эксплуатации таких установок показали, что безопасными они могут быть лишь при высочайшей культуре производства, а их отходы становятся вечной головной болью, поскольку период полного распада урана столь долог, что лежит за пределами человеческого восприятия.

Тем не менее, именно установки, использующие энергию элементарных частиц, являются настоящей альтернативой всему, что сейчас Человечество пытается использовать вместо сжигания углеводородного сырья.

Все наше недоверие к ним сродни субъективному испугу ребенка, однажды приложившегося к горячему утюгу. По мере взросления мы научимся пользоваться и ими, все предпосылки для этого есть. Сейчас создаются атомные реакторы принципиально новых конструкций, в которых учтены все ошибки, совершенные ранее.

Окончательное же решение альтернативной энергетики произойдет лишь тогда, когда ученым удастся решить проблему управляемого термоядерного синтеза, аналогичному тому, что происходит в недрах звезды по имени Солнце.

Не хочется предвосхищать события, но, по всей видимости, момент этот близок. Вот уже пять лет научное сообщество пытается понять, кто такой итальянец Андреа Росси, который создал первый реактор холодного термоядерного синтеза – ловкий мошенник или гений. Его установка действительно производит энергию вроде бы из «ничего», что доказали тесты российского физика Пархомова Александра Георгиевича.