1.3.2. Гелиоэнергетика: биологический вариант

При биологическом варианте гелиоэнергетики использу­ется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинте­за в органическом веществе растений (обычно в древесине). Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжи­гании растительной массы, равно его усвоению при росте ра­стений (так называемые суммарные нулевые выбросы).

По сей день 55% древесины, которая используется челове­ком, - это топливо, причем в странах третьего мира древеси­на сжигается в очагах для приготовления пищи и обогрева помещений. Это «установки» с самым низким КПД, который не превышает 10%. В Кении за счет этих «установок» удов­летворяется 75% энергетических потребностей, в Эфиопии и Бангладеш - 90%, в Нигерии - 80% [25].

Значительно более высоким КПД обладают ТЭС, где в ре­зультате сжигания древесины получается электроэнергия. Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до 1/3 необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом око­ло 1 млн. га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, на­пример тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота деревьев около 4 м, диаметр стволиков больше 6 см). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростанции, сжигающие отхо­ды кукурузы.

Американская компания «Дженерал электрик» использу­ет биомассу быстро растущих бурых водорослей (ежедневно с 1 га таких плантаций получается энергия, эквивалентная энер­гии 28 л бензина). Используется также планктонная микро­скопическая водоросль спирулина, способная дать с 1 га до 24 т сухого вещества в год. В этом случае организуется замк­нутая система производства энергии: зола после сжигания водорослей поступает в бассейн для многократного использования, что снижает расход элементов минерального пита­ния.

Биологическим вариантом гелиоэнергетики является по­лучение биогаза из органических остатков, в первую очередь навоза. Несложные установки для получения биогаза широ­ко распространены в Китае и Индии. Уже в 1980-х гг. в Ин­дии действовало 50 тыс. таких установок. В Германии работа­ют более 2000 биогазовых установок, в которых перерабаты­ваются органические отходы, получаемые в результате сортировки мусора. Этот же вариант энергетики представля­ет получение швельгаза, который образуется при термичес­кой обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях на­греваются до температуры 400-700 °С. (В этом случае затра­чивается некоторое количество тепловой энергии из тради­ционных источников.)

В мире есть опыт утилизации «свалочного» газа, который образуется в результате гниения органических отходов на свалках. Для этого в толщу свалок пробуриваются скважи­ны. В США более 30 лет назад испытана система гигантских биореакторов: дно свалки покрывается изолирующим мате­риалом, а после ее заполнения бытовым мусором она пере­крывается газонепроницаемым субстратом. Для отведения метана используются специальные трубы. В течение 10 лет органика разлагается, после чего биореактор можно исполь­зовать для новых захоронений.

В России совместно с голландской компанией «Гронтмай» испытаны две экспериментальные установки для получения «свалочного» газа. Мощность этих установок - от 70 до 80 кВт. Опыт показал, что на средних по размеру полигонах можно получать 3500-4400 МВт в год. На крупных полигонах можно получать энергии еще больше.

Таким образом, получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии - одно из самых перспек­тивных направлений нетрадиционной энергетики. По наибо­лее оптимистичным прогнозам к 2020 г. эта отрасль будет да­вать от 5 до 25% мирового производства энергии.

Это один из наиболее развитых и перспективных вариантов нетрадиционной энергетики, при котором используется эколо­гически чистый и неисчерпаемый источник энергии — ветер.

Наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Герма­нии, Англии, Голландии, Дании, США (только в штате Ка­лифорния работает 15 тыс. ветряков). Наиболее оправданны небольшие ветряные энергетические установки (ВЭУ) мощ­ностью до 15 кВт, хотя сооружаются и установки мощностью 100-500 кВт. Обычно на одной площадке устанавливается большое число ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. Самая большая ферма сооружена в Калифорнии и со­стоит почти из 1000 ВЭУ, ее общая мощность 100 МВт.

Попытки соорудить «ветряные монстры» на суше (в устье Эльбы была построена ВЭУ мощностью 3 МВт, а в штате Огайо в США - мощностью 10 МВт) оказались неудачными, так как эти установки вызывают сильное шумовое загрязне­ние на больших территориях, примыкающих к ВЭУ. ВЭУ в Огайо проработала несколько суток и была демонтирована и продана как металлолом. Однако построенные в море мощ­ные ВЭУ оказываются выгодными, так как шумовое загряз­нение в этом случае не опасно. В целом по морским ВЭУ пока лидирует Дания. Лидерство же в разработке проектов принад­лежит Германии, где создан проект морской ВЭУ с диамет­ром ротора 100 м и мощностью 5 МВт.

Небольшие ВЭУ - идеальные источники энергии для сель­скохозяйственных ферм. Они могут быть подключены к цен­тральной системе энергоснабжения, дающей ферме энергию в период безветрия и, напротив, принимающей излишки энер­гии от ВЭУ в особо ветреную погоду. Удобны небольшие вет­ряки для дачных участков. По прогнозам футурологов, в не­которых странах доля электроэнергии, получаемой на ВЭУ, в будущем может составить 10%. Однако для того, чтобы уве­личить вклад ВЭУ в энергетический баланс развитого госу­дарства, необходимо примерно вдвое увеличить производство алюминия для ветряных «колес» и башен. А производство алю­миния является одним из наиболее энергоемких и экологи­чески грязных процессов.

Оборудование для получения энергии из нетрадиционных источников выпускают более 100 предприятий России. В 1998 г. в стране было произведено 120 ВЭУ мощностью 0,04-16 кВт для выработки электроэнергии и 10 водоподъемных ветроустановок. Кроме того, по линии международного сотрудниче­ства из США получено 30 ВЭУ мощностью по 10 кВт и 10 -по 1,5 кВт. Эти ВЭУ используются на Севере - в Архангельс­кой и Мурманской областях и на Чукотке.

Тем не менее, по мощности ВЭУ Россия отстала от разви­тых стран Запада и даже Индии на несколько порядков. Так, установленная мощность ВЭУ, подключенных к электричес­ким сетям в 2000 г. в некоторых странах составляла (в МВт): Германия - 6113, Испания - 2250, США - 2554, Дания - 2140, Индия - 1167. В России мощность ВЭУ составляет всего 5 МВт.

Бурный прогресс ветроэнергетики в мире отражается объе­мом продаж ВЭУ, который ежегодно возрастает на 30%. Кро­ме того, быстро снижается средняя стоимость производства энергии ВЭУ. Так, в США с 1982 по 2001 гг. стоимость 1 кВтч энергии ветряных турбин снизилась с 35 до 8 центов [9].