48

Содержание

Введение…………………………………………………………………...4

1 Понятие и основные виды Альтернативной энергии………………...6

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)...……………………….……..6

1.2 Энергия солнца………………………………………………….……..8

1.3 Энергия ветра………………………………………………….……...11

1.4 Энергия воды……….………………………………………….….…..13

2 Особенности использования альтернативной энергетики…………...18

3 Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в

России………………………………………………………………….….26

Заключение………………………………………………………….........30

Список используемых источников……………………………………...32

Приложение А Традиционные и альтернативные источники энергии33

Приложение Б Малые ГЭС в России…….. ……………………...……..34

Приложение В ВЭУ в России.…………………………………………..35

Введение

Не зря говорят: «Энергетика - хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие - «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря - о богатстве любого государства.

В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.

За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.

К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня - гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.

Потом люди придумали мельницы - технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и - уже в середине ХХ столетия - атомные реакторы.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.

Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют природе гидроэлектростанции! Выбросов в воздух от ГЭС нет никаких, но зато вред водной среде наносит довольно большой. В первую очередь страдают рыбы, которые не могут преодолеть плотины ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько - так называемые каскады ГЭС, - резко меняется количество воды до и после плотин. На равнинных реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все находящиеся ниже плотины ГЭС. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.

Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда - дорогостоящее и трудно добываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые - малые, или «нетрадиционные», - виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.

1. Понятие и основные виды Альтернативной энергии

1.1 Геотермальная энергия (тепло земли)

Геотермальная энергия - в дословном переводе значит: земли тепловая энергия. Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры , имеет очень высокую температуру.
Если учесть ещё и тепоёмкость пород Земли, то станет ясно , что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы.

В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы ( островное государство на севере Атлантического океана -Исландия; и наши Камчатка и Курилы).

Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено.
Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. "Стоимость топлива" такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых ( то есть, с температурой гораздо выше 100^oС ) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара.

Валовой мировой потенциал геотермальной энергии в земной коре на глубине до 10 км оценивается в 18 000 трлн. т усл. топлива, что в 1700 раз больше мировых геологических запасов органического топлива. В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 трлн. т усл. топлива. Использование только около 0,2 % этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос только в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Именно из-за того, что эти условия до сих пор не соблюдались при попытках создания в стране опытных установок по использованию геотермальной энергии, мы сегодня не можем индустриально освоить такие несметные запасы энергии.

Геотермальная энергия по времени использования -- наиболее старый источник альтернативной энергии. В 1994 г. в мире работало 330 блоков таких станций и здесь доминировали США (168 блоков на «месторождениях» Гейзере в долине гейзеров, Империал Вэлли и др.). Второе место занимала. Ита-лия, но в последние годы ее обогнали КНР и Мексика. Самая большая доля используемой геотермальной энергии прихо-дится на страны Латинской Америки, но и она составляет немного более 1%.

В России перспективными в этом смысле районами являют-ся Камчатка и Курильские острова. С 60-х годов на Камчатке успешно работает полностью автоматизированная Паужет-ская ГеоТЭС мощностью 11 МВт, на Курилах -- станция на о. Кунашир. Такие станции могут быть конкурентоспособны лишь в районах с высокой отпускной ценой на электроэнергию, а на Камчатке и Курилах она очень высока в силу даль-ности перевозок топлива и отсутствия железных дорог.

Приливные станции -- самые дорогие сооружения и пока это только потенциальный источник энергии. Районами их сооружения могут стать заливы и устья рек с очень высоким уровнем приливов. В заливе Фанди (Канада) он достигает 16,2 м, в устье р. Северн (Великобритания) -- 14,5 м, в порту Гранвиль (Франция) -- 14,7 м.

Во Франции работает крупная ПЭС на р. Ране мощностью 240 МВт, 25-летний опыт ее эксплуатации показал абсолют-ную экологическую чистоту таких сооружений: залив Се-Мало превратился в спокойное озеро, стал местом отдыха и туризма, плотина ПЭС имеет рыбоход и не влияет на мигра-цию рыб. В России с 1968 г. действует Кислогубская ПЭС, установленная мощность ее ничтожна -- 0,7 МВт. Потенци-альных районов для строительства крупных ПЭС в стране несколько: Мезенская губа, Тугурский залив Охотского моря. Первая могла бы иметь мощность 15000 МВт, вторая -- 10300. Однако капитальные затраты на сооружение гигант-ских плотин большой протяженности и трудности сооруже-ния ПЭС в котловане с перемычками настолько велики, что в сегодняшних условиях эти проекты абсолютно нереальны.

Около 4% всех запасом воды на нашей планете сосредоточено под землей - в толщах горных пород. Воды, температура которых превышает 20? С, называют термальными (от греч. «терме» - «тепло», «жар»). Нагреваются подземные озера и реки в результате радиоактивных процессов и химических реакций, протекающих в недрах Земли. В районах вулканической деятельности на глубине 500-1000 м встречаются бассейны с температурой 150-250 ?С; вода в них находится под большим давлением и, поэтому не кипит. В горных областях термальные воды нередко выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90 ?С.

Люди научились использовать глубинное тепло Земли в хозяйственных целях. В странах, где термальные воды подходят близко к поверхности, сооружают геотермальные электростанции (геоТЭС). Они преобразуют тепловую энергию подземных источников в электрическую. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетка, в районе вулканов Кошелева и Кабального. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (в Калифорнии, в Долине Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии (в районе Уайракеи), Мексике и Японии.

1.2 Энергия солнца

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Использование только 0,5 % этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия. На Сев. Технический потенциал солнечной энергии в России (2,3 млрд. т усл. топлива в год) приблизительно в 2 раза выше сегодняшнего потребления топлива.

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И в России наибольший теоретический потенциал, более 2000 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.), имеет солнечная энергия . Несмотря на такой большой потенциал в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии на 2005 г определен в очень малом объеме - 17-21 млн.т у.т. Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование-дело отдаленного будущего (после 2020г). В данной работе мы покажем, что это не так и что солнечная энергия является серьезной альтернативой традиционной энергетике уже в настоящее время.

Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн.лет. Гигантские темпы потребления не возобновляемых энергоресурсов по относительно низкой цене, которые не отражают реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь в займы, кредиты у будущих поколений, которым не будет доступна энергия по такой низкой цене. Другая составляющая стоимости энергии, которая распределяется на все общество и не включается в тарифы за энергию, связана с загрязнением окружающей среды энергетическими установками. Выбросы тепловых электростанций состоят, в основном, из углекислого газа, который ответственен за тепличный эффект и изменение климата и, например, приводит к засухе в районах производства зерна и картофеля. Другие выбросы включают окислы серы и азота, которые в атмосфере превращаются в серную и азотную кислоты и возвращаются на землю со снегом или в виде кислотных дождей. Повышенная кислотность воды привод к снижению плодородия почвы, уменьшению рыбных запасов и засыханию лесов, повреждению строительных конструкций и зданий. Токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий, ртуть, свинец, могут растворяться кислотами и попадать в питьевую воду и сельскохозяйственные продукты. Существует большая неопределенность в определении реальной стоимости электроэнергии, получаемой от атомных электростанций. Можно утверждать, что реальные цены в атомной энергетике будут определены после того, как будут решены вопросы безопасности АЭС и ядерных технологий по получению топлива и захоронения отходов и разработаны принципы обращения с оборудованием, зданиями и сооружениями АЭС, выводимыми из эксплуатации через тридцать лет работы, и эти цены будут выше существующих. Наши и зарубежные оценки прямых социальных затрат, связанных с вредным воздействием электростанций, включая болезни и снижение продолжительности жизни людей, оплату медицинского обслуживания, потери на производстве, снижение урожая, восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы дают величину добавляющую около 75% мировых цен на топливо и энергию. По существу это затраты всего общества - экологический налог, который платят граждане за несовершенство энергетических установок, и этот налог должен быть включен в стоимость энергии для формирования государственного фонда энергосбережения и создание новых экологически чистых технологий в энергетике. Если учесть эти скрытые сейчас затраты в тарифах на энергию, то большинство новых технологий возобновляемой энергетики становится конкурентноспособными с существующими технологиями. Одновременно появится источник финансирования новых проектов по экологически чистой энергетике. Именно такой "экологический" налог в размере от 10 до 30% от стоимости нефти введен в Швеции, Финляндии, Нидерландах и, возможно, в 1993 г. он будет введен в Германии и странах ЕЭС.
Геотермальные, ветровые и гидроэлектростанции имеют конкурентноспособные экономические характеристики при любом уровне мощности, который ограничен только наличием соответствующих энергоресурсов. Геотермальная энергетика при строгом рассмотрении не является возобновляемой, ее методы являются традиционными и в данной работе не рассматриваются. Потенциал ветровой и гидроэнергии составляют соответственно 0,02% и 0,07% от солнечной энергии и позволяют обеспечивать энергией локальных и региональных потребителей при суммарной мощности до нескольких сотен и тысяч мегаватт.

Энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60%. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект "2000 солнечных крыш" в Германии. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов. В Германии разработана новая технология прозрачной теплоизоляции зданий и солнечных коллекторов с температурой 90-50 гр.С. При приближении к мировым ценам становятся экономически приемлемыми технологии получения газа и моторного топлива из биомассы. Например, опыты показывают, фермер, имеющий посевы рапса и рапсовое масло, может быть независимым от поставок моторного топлива . В регионах, богатых торфом и древесиной и имеющих дефицит моторного топлива, технологии газификации, получение этанола и метанола позволят использовать газ и синтетическое топливо в дизельных электрогенераторах и автомобилях. Отсутствие экономически приемлемых технологий аккумулирования сдерживает широкое использование водорода и электрического транспорта.

Однако поисковые работы в этой области ведутся весьма интенсивно и не исключено, что в ближайшие годы будут предложены новые решения, как это произошло в системах преобразования и передачи электрической энергии. В 1992г. в ВИЭСХе (Всесоюзный институт электрификации сельского хозяйства) совместно с ВЭИ ( Всесоюзный энергетический институт) (автор Авраменко С.В.) разработан и испытан образец такой системы мощностью 1,5 кВт, в 1993г. мы надеемся увеличить ее мощность до 100 кВт. Помимо снижения числа проводов до одного ЛЭП практически не имеет джоулевых потерь и потерь на корону и авторы рассчитывают, что указанные свойства сохранятся при увеличении уровня передаваемой мощности до 10 ГВт и более. Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики.

При КПД солнечной электростанции (СЭС) 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 кв.м, что составляет 0.024% территории.
Наиболее практическое применение в мире получили гибридные солнечно-топливные электростанции с параметрами: КПД 13,9%, температура пара 371 гр.С , давление пара 100 бар, стоимость вырабатываемой электроэнергии 0,08-0,12 долл/кВт.ч, суммарная мощность в США 400 МВт при стоимости 3 долл/Вт. СЭС работает в пиковом режиме при отпускной цене за 1 кВт.ч электроэнергии в энергосистеме: с 8 до 12 час.-0,066 долл. и с 12 до 18 час.- 0,353 долл.. КПД СЭС может быть увеличен до 23% - среднего КПД системных электростанций, а стоимость электроэнергии снижена за счет комбинированной выработки электрической энергии и тепла.
Основным технологическим достижением этого проекта является создание Германской фирмой Flachglass Solartechnik GMBH технологии производства стеклянного параболоцилиндрического концентратора длиной 100 м с апертурой 5,76 м, оптическим КПД 81% и ресурсом работы 30 лет. При наличии такой технологии зеркал в России целесообразно массовое производство СЭС в южных районах, где имеются газопроводы или небольшие месторождения газа и прямая солнечная радиация превышает 50% от суммарной.

Принципиально новые типы солнечных концентратов, использующие технологию голографии, предложены ВИЭСХом. Его главные характеристики-сочетание положительных качеств солнечных электростанций с центральным приемником модульного типа и возможность использования в качестве приемника как традиционных паронагревателей, так и солнечных элементов на основе кремния.

Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%. Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5-3 долл/Вт при стоимости электроэнергии 0,25-0,56 долл/кВт.ч. Солнечные энергосистемы заменяют керосиновые лампы, свечи, сухие элементы и аккумуляторы, а при значительном удалении от энергосистемы и малой мощности нагрузки - дизельные электрогенераторы и линии электропередач.

1.3 Энергия ветра

Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.

Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.

1.4 Энергия воды

Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние греки объясняли колебание уровня воды волей повелителя морей Посейдона. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.

Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн - перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы - с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

В 1968 г. на Баренцевом море, неда-леко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строитель-ства - Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ в области ис-пользования энергии приливов.

Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м.

Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м

С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной трубы Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

Энергия волн

Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.

В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит из него, то входит. Но движение воздуха возможно только лишь через верхнее отверстие (такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. Другой тип установки - что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.

В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.

В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.

Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской свет") - самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями - построена в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до 6 - 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 - 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км. В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт. ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.

Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт.·ч электроэнергии.

А в Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки - камеры. В них находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.

Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.

В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 - 15 м установка развивала мощность 150 кВт.

Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 - 30 поплавков. В 1978 г. была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 - 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.

Энергия течений

Наиболее мощные течения океана - потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м² поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).

Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.

Программа "Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.

После того как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной - 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше - передача тока по подводному кабелю на берег.

Материал турбины- алюминий. Срок службы - 80 лет. Ее постоянное место - под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.

Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.

Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.

Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.

2 Особенности использования альтернативной энергетики

В последние годы в России возрос интерес к использованию альтернативных источников энергии -- солнца, ветра, внутреннего тепла Земли, морских приливов. Уже построены опыт-ные электростанции на нетрадиционных источниках энергии. Так, на энергии приливов на Кольском полуострове работают Кисло-губская и Мезенская электростанции.

Термальные горячие воды используются для горячего водо-снабжения жилых объектов и в теплично-парниковых хозяйствах. На Камчатке, на р. Паужетка построена геотермальная электро-станция. Ее мощность 5 МВт.

Крупными объектами геотермального теплоснабжения явля-ются теплично-парниковые комбинаты -- Паратунский на Кам-чатке и Тернапрскии в Дагестане. В перспективе масштабы ис-пользования термальных вод будут неуклонно возрастать.

Ветровые энергоустановки имеются в жилых поселках Край-него Севера используются для защиты от коррозии магистраль-ных газо и нефтепроводов, на морских промыслах. Разработана программа, согласно которой в начале третьего тысячелетия пла-нируется построить ветровые электростанции -- Калмыцкую. Ту-винскую, Магаданскую, Приморскую и геотермальные электро-станции -- Верхне-Мугимовскую, Океанскую. На юге России, в Кисловодске. предполагается сооружение первой в стране опыт-но-экспериментальной электростанции, работающей на солнеч-ной энергии Ведутся работы по вовлечению в хозяйственный обо-рот такого источника энергии, как биомасса

По данным экспертов, ввод в эксплуатацию указанных элект-ростанций позволит к 2010 г. довести долю нетрадиционной и малой энергетики в энергобалансе России до 2%.

Использование энергии ветра

Современная ветроэнергетика зародилась в Калифорнии в начале 1980-х годов, вскоре после резкого повышения цен на нефть в 1973 и 1979 гг. В то время уже существовала федеральная программа налогового стимулирования сферы возобновляемых источников энергии. Калифорния под руководством губернатора Джерри Брауна дополнила эту программу своей налоговой инициативой, создав инвестиционный климат, который позволил построить на террито-рии штата ветротурбины, достаточные для снабжения электриче-ством городского хозяйства Сан-Франциско. Но вскоре после это-го интерес к энергии ветра в США упал, и в течение десяти лет ветроэнергетика практически не развивалась^. В это время в Европе ветроэнергетика продолжала делать успехи Лидером здесь вначале была Дания, которая была производителем большинства ветротурбин, установленных в Калифорнии В период с 1995 по 2000 г. во всем мире использование энергии ветра увели-чилось почти вчетверо -- такими темпами росла только компьютер-ная индустрия. К этой гонке снова присоединились Соединенные Штаты: Американская ассоциация ветроэнергетики, как мы уже сказали, прогнозирует 60%-е увеличение мощностей ве-троэнергетики в 2001 г.

Сегодня Дания получает 15% необходимой ей электроэнергии от ветра. В Шлезвиг-Гольштейне, самой северной земле Германии, эта цифра составляет 19%, а в некоторых районах там ветроэнергетика обеспечивает 75% потребностей в электроэнергии. Провинция Наварра, один из промышленных центров Испании, начав с нуля шесть лет назад, получает сегодня от использования ветра 22% всей энергии. Но по абсолютным показателям объемов гене-рирующих мощностей мировым лидером стала Германия; следом за ней идут Соединенные Штаты. В пятерку лидеров входят также Испания, Дания и Индия.

Развитие технологии строительства ветряных турбин, в значительной степени использовавшей достижения аэрокосмической промышленности, снизило стоимость энергии, получаемой от ветра, с 3 2 центов за 1 кВт/час в начале 1980-х годов до менее 4 центов в 2001г. -- в областях, богатых ветроэнергетическими ресурсами, (Приложение 3 см. рис. 5-2). В некоторых регионах электроэнергия, создаваемая силой ветра, уже сегодня стоит меньше, чем получаемая при сжигании нефти или газа Сейчас, когда в эту сферу направляют свои ре-сурсы такие крупные корпорации, как «ABB», «Ройал Датч Шелл» и «Энрон», ожидается еще большее удешевление этой энергии.

Ветер -- это огромный источник энергии, имеющийся повсюду на земном шаре. Великие равнины США -- это Саудовская Аравия ветроэнергетики. Северная Дакота, Канзас и Техас, три богатых энергией ветра штата, имеют потенциал, достаточный для удовле-творения потребностей в энергии всей страны. Китай может вдвое увеличить производство энергии, если будет использовать ветер. Европа, имеющая высокую плотность населения, полностью удовлетворит свои потребности в электричестве, расположив ветряные турбины на прибрежном шельфе на глубине до 30 м.

По мере того как стоимость производства электроэнергии вет-ряными турбинами падает, а озабоченность проблемой климатических изменений растет, все больше и больше стран включается в перспективный процесс развития ветроэнергетики. Начиная с декабря 2000 г. развитие этой отрасли пошло еще большими темпами. В начале этого месяца Франция объявила о том, что к 2010 г. она создаст ветроэнергетические установки мощностью 5000 мегаватт. В том же месяце о планах установки в Патагонии к 2010 г. ветряных турбин мощностью 3000 мегаватт заявила Аргентина. В апреле 2001 г. власти Великобритании приняли заявки подрядчиков на создание ветроэлектростанций на прибрежном шельфе мощностью 1500 ме-гаватт. В мае из Пекина пришло сообщение о том, что Китай плани-рует к 2005 г. получать 2500 мегаватт ветровой электроэнергии t.

Реальный рост ветроэнергетики постоянно превышает предва-рительные оценки. Европейская ассоциация ветроэнергетики, ко-торая в 1996 г. поставила целью освоение в Европе 40 000 мегаватт мощностей к 2010 г., недавно подняла планку до 60 000 мегаватт.

В Соединенных Штатах, как мы уже сказали, ветроэнергетика начала развиваться в Калифорнии, однако в последние три года вошли в строй ветроэлектростанции также в штатах Колорадо, Айове, Миннесоте, Орегоне, Пенсильвании, Техасе и Вайоминге. Они уве-личили объем мощностей американской энергетики наполовину -- с 1680 мегаватт до 2550, а 1 мегаватт ветровой энергии обеспечи-вает электричеством в среднем 350 домов (квартир). В 2001 г. к ныне имеющимся мощностям добавятся еще 1500 мегаватт, которые будут вырабатываться на электростанциях, расположенных на территории более десяти штатов. Ветроэлектростанция мощностью 300 мегаватт, строящаяся сейчас на границе штатов Орегон и Ва-шингтон (на данный момент крупнейшая в мире), может снабдить электричеством 105 тысяч жилых домов и квартир.

Но это только начало. В феврале 2001 г. «Bonneville Power Administration» (ВРА) -- федеральное агентство, занимающееся энергоснабжением, объявило о своих планах по закупке ветроэнергетических установок мощностью 1000 мегаватт и предложило делать заявки. К своему удивлению, руководители агентства получили столько предложений, что их хватило бы на установку турбин мощностью 2600 мегаватт на территории пяти штатов, с возможным увеличением их мощности в дальнейшем до 4000 мегаватт.

Ветроэлектростанция в восточной части центральной области Южной Дакоты недалеко от границы с Айовой, которую сейчас планируют, будет иметь мощность 3000 мегаватт, что в 10 раз больше мощности станции, которая строится на границе штатов Оре-гон и Вашингтон. Этот проект, носящий название «Раскаты грома» («Rolling Thunder»), инициирован компанией «Делеен Эсоушиитс» под энергичным руководством Джима Делсена, одного из пионеров ветроэнергетики в Калифорнии. Ветровая станция будет снабжать электричеством районы Среднего Запада вокруг Чикаго. Масштабы проекта огромны не только для ветроэнергетики, но и для всей мировой энергетики.

Доходы от ветроэнергетики, как правило, остаются в общинах, стимулируя развитие местной экономики, обеспечивая занятость населения и налоговые поступления в бюджет. Одна мощная усовершенствованная ветровая турбина, занимающая площадь в четверть акра (0,1 га), может без особых хлопот приносить фермеру или владельцу ранчо 2000 долл. в год арендной платы, одновременно снабжая общину электричеством на 100 000 долл.

Для фермеров и владельцев ранчо обнаружить, что ветер может приносить доходы -- все равно, что открыть нефтяное месторождение на своем участке, с тем преимуществом, что энергия ветра неисчерпаема. Одним из плюсов ветроэнергетики является то, что турбины, установленные на территории фермы или ранчо, не препятствуют возделыванию земли или выпасу скота. В областях, богатых ветроэнергетическими ресурсами, доходы от энергии ветра могут запросто превысить доходы от продажи скота. Таким образом, ветроэнергетический бум может возродить сельские регионы во всем мире.

Дешевое электричество, полученное от энергии ветра, можно использовать для электролиза, в процессе которого молекула воды расщепляется на свои составляющие элементы -- водород и кислород. Водород -- самый простой вид топлива; в отличие от нефти и угля он не содержит углерода. Он используется в новом, высокоэкономичном двигателе на топливных элементах, над которым сейчас работают все ведущие компании--производители автомобилей. «Даймлер-Крайслер» выпустил на рынок машины с таким двигателем уже в 2003 году «Форд», «Тойота» и «Хонда», по-видимому, отстанут не намного.^. Излишки энергии ветра могут храниться в виде водорода и использоваться в топливных элементах или газовых турбинах для производства электричества в те периоды, когда ветра недостаточно. Ветер станет фундаментом новой энергетики.

Технологии использования ветра и водорода будут развиваться, и можно предположить, что настанет время, когда фермеры и ско-товоды станут основными поставщиками электричества и водорода в США. Впервые Соединенные Штаты имеют технологию, которая позволяет им покончить с зависимостью от ближневосточной нефти.

Сегодня в стране создается лобби в поддержку ветроэнергетики. Не только экологи и лидеры ветроэнергетики, но и фермеры и ско-товоды обращаются к законодателям с настойчивыми призывами поддержать развитие этой богатой сферы, предоставляющей ре-сурсы, альтернативные ископаемому топливу.