Материал взят с alumni.iatp.org.ua/publications/files/2004041519521526.doc
Артем Мадатов, выпускник программы SABIT 1999
Потребление энергии на душу населения определяет уровень развития технологической цивилизации, которая и является стилем нашей жизни. Сейчас среднемировая мощность потребляемой энергии составляет 0,7 кВт на каждого жителя Земли. Однако, в странах Первого мира этот показатель около 2 кВт, а в странах Третьего мира – меньше 0,1 кВт. Украина как постиндустриальная держава занимает промежуточное положение: каждый украинец по статистике потребляет около 0,4 кВт. Это значит, что из энергосети в пересчете на среднесуточные и среднегодовые показатели отбирается около 20 ГВт электроэнергии. Много это или мало? Если бы коэффициент полезного действия на тепловой электростанции (ТЭЦ) был 100%, то для обеспечения такой мощности нужно было бы ежесекундно сжигать 12 тонн условного топлива или 378 млн.т в год. Поскольку к.п.д. ТЭЦ не 100%, а около 40%, то для удовлетворения нужд украинских потребителей энергии нужно сжигать в 2,5 раза больше условного топлива.
Что же такое условное топливо и где его берут? Понятие условного топлива введено для удобства расчетов нужд энергетической отрасли в реальных видах топлива – угле, нефти и газе. В настоящее время Украина испытывает дефицит всех видов топлива, а точнее – средств для закупки топлива. Следствием этого является всем известные отключения целых районов в городах и сельской местности зимой в часы «пик», т.е. тогда, когда спрос на электричество возрастает. К счастью, не все электричество в Украине вырабатывается ТЭЦ, небольшая часть его вырабатывается Днепровским каскадом ГЭС и несколько больше – атомными электростанциями. Поэтому энергетики имеют возможность уменьшить количество сжигаемого углеродистого топлива. Казалось бы, а в чем проблема? Сжигайте больше топлива и удовлетворяйте возросший спрос на энергию. Проблем здесь несколько. Во-первых, добыча угля в Украине и импорт газа и нефти из России становится все дороже. Значит, нужно поднимать тарифы на оплату электроэнергии – сразу же напрашивается ответ. Скажите – а Вы лично хотите платить по счетам энергокомпании в 10 раз больше, чем вчера? Нет? Тогда кто покроет убытки энергетиков – государство? А ведь государство – это мы. Все. Завтра круг замкнется и придется платить или добровольно, как цивилизованные люди, или нехотя, как дикари – инфляция все равно вывернет у всех карманы. Нужно экономить электроэнергию – другой ответ. Это все знают. Хорошо – тогда сейчас же выключите телевизор, холодильник и микроволновку. Ложитесь спать с наступлением темноты. Не поможет – уровень развития цивилизации заставляет нас тратить все больше энергии. Исторический пример: через 50 лет после изобретения паровой машины в Англии исчезли леса – ушли в топки. Только тогда уже принялись за уголь. Заметьте – сначала сожгли то, что сверху лежало, а не наоборот. А ведь наши предки не были глупее нас и потомки не будут умнее. Просто такова природа человеческая – идти по пути наименьшего сопротивления, хотя знаем уже, чем это закончится.
Во-вторых, загрязнение атмосферы (и не только атмосферы). Во время Каменноугольного периода (450 млн. лет тому назад) большое количество углекислого газа в атмосфере Земли было превращено растениями в уголь. Солнце обеспечивало этот процесс энергией, состав атмосферы менялся – содержание углекислого газа стало практически равно нулю, а кислорода – увеличилось. На это ушло 150 млн. лет. Животные постепенно привыкли дышать другим воздухом и вышли на сушу. И вот теперь повышенное содержание углекислоты в воздухе до всего 0,15% уже смертельно для нас! Сейчас человечество принялось за обратный процесс – извлекаем накопленную энергию солнца, сжигая углеродистое топливо, тратим кислород и возвращаем атмосфере углекислоту. Беда только, что делаем мы это в миллион раз быстрее, чем когда-то накапливался уголь. А леса в это время вырубаем и не будет у нас времени привыкнуть к углекислотному воздуху, как у доисторических зверей на Земле. Раньше, чем закончится уголь – закончится воздух для дыхания.
В-третьих, необходимость дополнительных трат энергии на производство машин для угледобывающего комплекса, перевозку угля и т.д. С отменой Советской власти производство средств производства никто не отменял. Машины амортизируются, требуют замены и т.п. Так вот, та энергия, которая потребляется всеми нами, - это лишь верхушка айсберга. 9/10 всей энергии расходуется производственной сферой на себя же. Нагрузка на окружающую среду в 10 раз больше, чем могла бы быть. Круглосуточно выдается уголь на-гора, горят доменные и мартеновские печи, льется сталь. И так год за годом по нарастающей. Куда сталь девается? В ржавчину. 95% ежегодно выплавляемой стали идет на замену проржавевших машин, конструкций и т.д. 5% - на развитие производственной базы, и только 0,5% - на развитие базы потребления. Железный замкнутый круг, заложником которого стало человечество. И что, нет выхода из этого круга? Есть – есть металлы и сплавы, не подвергающиеся коррозии. Вышедшие из употребления предметы можно переплавить в новые без потерь. Вот только стоимость их намного выше, чем железа: алюминия – в 10 раз, медных сплавов – в 15, хромоникелевых – в 20, титана – в 300, ниобия и тантала – в 1000. Ну, и что, скажут наиболее решительные, а может, лучше меньше, да лучше? Сокращение добычи и выплавки в 20 раз, пусть и более дорогого, все равно дает экономию. Может быть, но пока что на выплавку из руды железа тратится энергия в виде угля (кокса), а на выплавку цветных металлов – в основном электрическая энергия, которая намного дороже. Все, что нам мешает сейчас перейти на более высокую и экономичную ступеньку развития технологии, – это неумение извлекать из природных ресурсов энергию простым и дешевым способом.
А как же атомная энергия – чистая, дешевая, технологичная, безопасная? О чистоте и безопасности атомной энергии нам будет вечно напоминать Чернобыль. Насчет дешевизны атомного электричества тоже не стоит заблуждаться. Вроде бы все в порядке – тонна природного урана, превращенного в реакторе, заменяет пятьдесят тысяч тонн угля, сожженных на ТЭЦ. Такая энергия даже при соблюдении всех возможных мер безопасности и надежности, должна быть сверхдешевой! Урана в земной коре достаточно, хватит на поколения вперед. Ну, а если использовать на топливо атомные боеголовки, что уже наготовили за десятки лет, то производство энергии обойдется почти что задаром. Красота! Да не совсем. Гораздо честнее (перед потомками) посчитать себестоимость всего цикла производства энергии, включая утилизацию отходов производства. И тут победный звук фанфар стихает. Дело в том, что отходы атомного производства особенно опасны для всего живого, а то, во что превращается уран в реакторе – просто смертельно. Для самого простого способа их утилизации – хранения нужна не просто особая технология, а целая отрасль промышленности, специальные места хранения (таких безлюдных мест на Украине просто нет). Да и неизвестно, какие сюрпризы преподнесет «мирный» атом через десятки лет после хранения таких отходов. Конструкции, здания АЭС, машины, одежда и т.д., которые уже отслужили свое, тоже требуют специальных технологий утилизации. На это тоже нужна энергия и труд людей! Как бы и тут не стать заложниками уранового замкнутого круга. Так что говорить сегодня о дешевой атомной энергии – это значит просто перекладывать энергетические проблемы на плечи будущих поколений. Интересно, каким незлым тихим словом они нас помянут? Итак, основной вопрос «Что делать?» остался на повестке дня. Ответ на этот вопрос дан довольно давно, только его никак не услышат наверху – там, где принимаются решения. В перспективную программу развития страны этот ответ до сих пор не включен. Не назначены ответственные за выполнение этой программы, не определена статья бюджета – просто потому, что такой программы нет.
Как и все гениальное, решение лежит на поверхности. Это старые добрые источники возобновляемой энергии. Как говорится, солнце, воздух и вода – наши лучшие друзья! Наши предки отнюдь не брезговали такими источниками энергии. 100 лет назад редко какой украинский (а также голландский, французский и т.д.) пейзаж обходился без ветряной или водяной мельницы. Люди сами решали свои энергетические проблемы – было бы желание, дело-то нехитрое. Брал предок топор, пилу, молоток – и – тюк-тюк – обзаводился своим автономным энергоисточником. А мы разучились, избаловались, выходит. Отключит РЭО ток, мы и сидим в темноте, митингуем. Возразят – ну, в селах понятно – каждый во дворе ветряк может поставить, места много, а как в городах? Представьте, ветряк на многоэтажном 100-квартирном здании. Тут жильцы не могут договориться, чья очередь подъезд мыть или лампочку вкрутить, а такой проект тем более не смогут продвинуть. А вот это и есть функция государства. Зачем еще оно нужно, если не для решения общенациональных задач? В Англии, Голландии, Германии, США развивается возобновляемая энергетика, строят целые поля гигантских ветряков, снабжаются электроэнергией поселки и города. У японцев мало земли так они строят плавучие волновые электростанции громадных размеров – отбирают энергию у моря. Созданы специальные комиссии по возобновляемой энергетике при Министерствах энергетики для решения организационных, правовых и финансовых вопросов. Что же мы, глупее англичан? Почему при украинском Минтопэнерго нет такой комиссии? Почему Минэкоресурсов не разрабатывает перспективную программу экологически целесообразной реорганизации энергетической отрасли? Днепропетровский Институт Энергетики может предложить оригинальные энерготехнологии как для региональной, так и общенациональной перспективной программ. Днепропетровский Химико-технологический Университет разрабатывает концепцию устойчивого развития общества в переходный период, которая могла бы быть основой для такой перспективной программы. Об этом украинские ученые не молчат, докладывают на международных конференциях (НАТО, ноябрь 2001, август 2002, апрель 2003). Силы, талант, желание есть – можно привлечь оборонную промышленность в рамках конверсионной программы, провозглашенной Президентом Украины. Уже и иностранные компании заинтересовались разработками украинских ученых. Понимают, видно, что основы будущего нужно закладывать сегодня.
А в это время Институт Энергетики ломает голову, где взять материалы для постройки промышленной волно-энергетической установки в Крыму. А в это время телевидение передает репортаж о фермере-умельце из Харьковской области, собравшем на своем подворье ветрогенератор из Бог-знает-чего. А в это время мы читаем в газете о колхозе в Западной Украине, самостоятельно построившем мини-гидро-электростанцию для энергоснабжения своего коровника. Но молчит Минтопэнерго, молчит Минэкоресурсов, молчат областные власти. Все идет своим чередом. Так что пока кризис не грянет, украинский мужик не перекрестится.
Экологически чистая энергетика – будущее Украины.
Взгляните на любую почетную грамоту, какими награждали еще недавно передовиков труда в нашей стране. Мощь индустрии, заводы, трубы и – дым, дым, дым через весь небосвод. Теперь восторги поутихли – мы поняли, что дышим этим самым дымом. Но заводы не могут работать без дыма – таковы издержки технологии. И остановить заводы, фабрики, электростанции тоже нельзя – нужно поддерживать уровень потребления, к которому мы привыкли. Человечество уже никогда не сможет вернуться в пещеры и леса – пещер на всех не хватит, а леса вырублены. Неужели мы и наши дети уже никогда не насладимся свежим запахом лесных цветов, ароматным дуновением степного ветерка? Как сделать воздух опять пригодным для дыхания, а воду в реках и озерах – для питья? Выход есть – разработать и внедрить в промышленность экологически целесообразные технологии промышленного производства. Такие технологии подразумевают не столько очистку выбросов промышленных агрегатов, сколько предотвращение образования самих выбросов. Дело в том, что утилизация выбросов вредных веществ – отходов производства обходится дороже, чем производство самой полезной продукции. Пример: ТЭЦ сжигает 2000 т угля в сутки. Можно поставить на трубы фильтры и извлечь из отходящих дымовых газов 100 т золы ежесуточно. Воздух станет чище. Мы предотвратим пылевое загрязнение. Можно дополнительно пропустить газы через химический поглотитель и убрать из газов 80 т сернистого газа – воздух станет еще чище, кислотных дождей еще меньше, а электричество несколько подорожает (издержки!). Но куда мы денем 7333 т углекислого газа, образующегося от сжигания этого угля? Извлечь его из дымовых газов и где-то хранить невозможно ни технически, ни экономически. Гораздо умнее производить энергию совсем без угля – тогда и проблемы с утилизацией отходов отпадут. Так вот задача нынешнего поколения и заключается в поиске и разработке безотходных технологий, иначе планета совсем скоро превратиться в сплошную свалку.
Со школьной скамьи каждый знает, что ничто в природе не берется ниоткуда и никуда не исчезает. Откуда же берется энергия? Все виды энергии на Земле дает нам Солнце. Энергия, запасенная в виде угля, нефти, газа, дров и вообще любого топлива – это все «законсервированная» с помощью растений миллионы лет назад энергия солнечного света. Также и энергия текущей с гор воды – тоже превращенная энергия солнечного излучения, правда, более «молодая». Вода океана испаряется под солнечными лучами, пар поднимается, сгущается и проливается сверху дождем или сыплется снегом. Вода течет вниз, вращает колеса мельниц или турбины электростанций по пути, если мы позаботились построить их. Таким образом человек может использовать часть энергии Солнца. Вода возвращается в море, испаряется и все повторяется сначала. Поскольку для человечества Солнце будет светить всегда, то источник этот неиссякаем. Зачем же мы сжигаем уголь, нефть, газ, а кое-где еще и дрова, загрязняя воздух, землю и воду? Не лучше ли запрудить реки, поставить на плотинах колеса и турбины и горя не знать? Конечно, лучше. Проблема, однако, в том, что все возможные реки для производства дешевой и чистой энергии человек уже запрудил, и давно. В Англии, например, последнее водяное колесо большой мощности (174 кВт!) было установлено более 150 лет тому назад. Все, больше запруживать нечего. А потребление энергии растет, удваиваясь каждые 30 лет. Выходит, выхода нет? К счастью, Солнце дает нам намного больше, чем мы можем взять. Нагревая одни участки земной поверхности сильнее, чем другие, солнечный свет является причиной появления ветра. Ветры переносят огромную энергию – в миллионы раз больше того, что сейчас использует человечество. Стоит поставить на пути ветра колесо с воздушными лопастями – и, пожалуйста, часть энергии ветра мы уже можем использовать для производства полезной работы или электричества. Наши предки научились этому много веков тому назад. Ветряные мельницы были непременным атрибутом любого европейского пейзажа еще 100 лет назад. Но и это не все. Ветер поднимает волны в море. Волны, раскачиваясь все больше и больше, пробегая в океане сотни, а иногда и тысячи километров, накапливают энергию ветра, «запасают» ее. Высота волн нарастает постепенно, а энергия ветра, скрытая в этих волна, нарастает в квадрате. Благодаря высокой плотности воды, энергия, сосредоточенная в каждом метре волнового фронта, достигает огромных величин. При столкновении волн с берегом, энергия выделяется – волны переворачивают многотонные бетонные сооружения, гнут, как былинки, стальные балки, выбрасывают на берег пароходы, стачивают гранитные скалы в песок. Представьте, что мощности обрушивающихся на берез 3-х метровых валов, достаточно, чтобы с каждого метра запитать 10 утюгов или 20 холодильников! Подсчитано, что, если использовать всего 10% энергии волн, приходящих к берегам Англии из Северной Атлантики, то можно покрыть сегодняшние нужды английских потребителей несколько раз. Всего же Мировой океан несет энергии столько, что вряд ли человечество когда-нибудь сможет использовать такое ее количество. Куда же девается эта энергия сейчас? Как и любая энергия, в конце концов, она переходит в тепло. Во время шторма температура воды около берега, где разрушаются волны и отдают свою энергию, собранную где-то далеко, температура воды на 4-5 градусов выше, чем вдали от берега. Эдакий естественный нагреватель для воды. За последние несколько десятилетий разработаны несколько типов преобразователей волновой энергии в электрическую. Больше всего, конечно, в этом деле преуспели японцы – ведь у них ископаемого топлива нет совсем, а моря – сколько угодно. Уже давно ими выпускаются небольшие энергоисточники для морских навигационных буев – всего 30-40 Вт каждый. Представьте себе канистру, болтающуюся на волнах открытой горловиной вниз. Колеблющаяся внутри нее вода попеременно выталкивает и всасывает воздух через отверстия с клапанами. Воздух крутит маленькую турбинку с электрогенератором. Так просто. А как же от такой крохи освещать города? Для городов строят гигантские плавучие электростанции мощностью тысячи киловатт. Такие есть уже в Японии, Дании, Голландии. По подводному кабелю ток подают потребителям на берегу. В океане волны есть всегда – где-нибудь бушует шторм и услужливые волны принесут энергию за тысячи километров – только принимай!
Есть и другие, более хитроумные способы преобразования энергии волн, например, с помощью гидравлики. Суть не в этом, а в том, что уже сегодня можно освещать и отапливать города без единой капли топлива, без каких-либо загрязнений. Вообще, можно энергию солнечного света превратить в электрический ток и непосредственно – с помощью фотоэлектрических элементов. В яркий солнечный день один квадратный метр батареи кремниевых фотоэлектрических элементов может дать ток мощностью 40 Вт. Тогда для удовлетворения энергетических нужд обитателей 1 коттеджа или квартиры (2-3 кВт) нужно «всего-навсего» 50-75 кв.метров «солнечных панелей», что обойдется обитателям дома в Украине в 10-15 тыс.дол., а за рубежом – в 4 раза дороже. А значит, стоимость солнечного источника электричества сравнима со стоимостью самого дома. Если же учесть, что спрос на энергию повышается как раз после захода солнца, можем смело удвоить указанную сумму. Вот почему солнечные панели широко применяются лишь для космических аппаратов. В космосе альтернативы нет, а стоимость большой роли не играет. На Земле же стоимость «солнечного» электричества оказывается в 100 раз больше, чем обычного, полученного при сжигании угля. И дело тут не в технологии или конструкции конкретного преобразователя энергии Солнца. Пробовали греть котел с водой солнечными «зайчиками» от тысяч зеркал, а пар из котла подавался на турбогенератор. Стоимость электроэнергии получалась примерно такая же. Подсчитано, что себестоимость постройки одного киловатта мощности для любого преобразователя энергии обратно пропорциональна плотности потока энергии через этот преобразователь. Таким образом, быстрее всего окупаются тепловые и атомные электростанции – 3-5 лет, затем ГЭС – 10-15 лет, затем ветровые – 25-30 лет, и, наконец, солнечные устройства – 50-100 лет. Кто же из инвесторов захочет ждать получения прибыли от энергопроекта 30, а тем более 100 лет? Поэтому, если где и строят ветровые и солнечные энергоустановки, то только там, где нет другой энергии – в пустынях, на далеких островах или в космосе.
Счастливым исключением из вышеуказанного ряда являются волновые энергоустановки (ВЭУ). Ведь энергия волн в 1250 раз более концентрированная, чем ветровая (плотность воды в 1250 раз больше плотности воздуха) и в 10000 раз – чем солнечная. Таким образом, плотность энергии волн может во время шторма приближаться к таковой на ТЭЦ. В то же время ВЭУ не потребляют топлива и окупаются в 10 раз быстрее, чем ТЭЦ, т.е. за несколько месяцев. Научно-производственная фирма «Морские электрогенераторы» совместно с Институтом Энергетики при Национальном Государственном Университете (г.Днепропетровск) разработала и начала производство ВЭУ из пластика, которые не подвержены коррозии в морской воде. Будучи технологичными и простыми в изготовлении, ВЭУ даже малого размера (20-15 кВт) невероятно дешевы – себестоимость 1 кВт не превышает 150 дол., а для больших ВЭУ – еще дешевле. Для сравнения: дизельные и бензиновые «движки» стоят 800-900 дол. за 1 кВт. А ведь они еще и топливо потребляют! ВЭУ оригинальной конструкции (которая, кстати, находится в процессе международного патентования) могут работать как в прибрежной полосе, так и в открытом море. Находясь в полупогруженном положении на якоре, ВЭУ устойчивы к действию штормовых волн и не требуют обслуживания при эксплуатации. Срок службы без ремонта – 3-5 лет в зависимости от климатических условий. ВЭУ прошли испытания в реальных условиях Черного моря и Тихого океана и показали свою надежность. Себестоимость электрической энергии, полученной от ВЭУ за 3 года эксплуатации, оказывается менее 1 цента за 1 кВтч. Для сравнения – себестоимость электричества от дизельной электроустановки около 50 центов за 1 кВтч. Такая дешевая и, главное, чистая энергия дает возможность создавать эко-промышленные зоны, особенно в курортных местах, на побережье Крыма, Азовского моря. При минимальных затратах можно обеспечить освещением, отоплением и кондиционированием, горячей водой пионерские лагеря, дома отдыха, дачные поселки и даже одиночные коттеджи на берегу моря. При совместном подключении объекта и к ВЭУ и к сети, можно, отдавая энергию в сеть, «откручивая» электрический счетчик назад, уменьшать оплату за электричество в то время, когда потребление энергии меньше ее выработки ВЭУ. Прибрежные эко-промышленные зоны дадут новый стимул к развитию небольших частных предприятий благодаря дешевой электроэнергии. В то же время техногенная нагрузка на окружающую среду не только не возрастет, но даже уменьшится – ведь все отопление жилья и нагрев воды можно тоже перевести на электричество. Без сомнения, волновая энергетика вскоре займет достойное место среди выдающихся достижений человечества.
Материал взят с alumni.iatp.org.ua/publications/files/2004041519521526.doc
Библиотека