Геоэкологические аспекты альтернативных и возобновляемых источников энергии

Очень многие страны используют все свои возможности для получения дополнительных источников энергии. В связи с экономическим кризисом 2008 г. активизировались исследования и работы по возобновляемым и альтернативным источникам энергии во многих странах Европы. Да и весь мир, пожалуй, наполнен этой заботой. Так, уже 49 стран имеют программы развития экологически чистых возобновляемых источников энергии. Например, в Индии предполагается за счет всех источников увеличить энергопотребление с 130 000 в 2008 г. до 400 000 МВт в 2030 г. Большое внимание уделяется возобновляемым и альтернативным источникам. Наиболее распространенными и продвинутыми являются такие геотехнологии.

• 1. Метан из угольных пластов. Уже есть несколько пилотных установок и промышленных предприятий в центральной и восточной частях Индии. Предполагалось получить 1,24 млрд м³ газа до 2012 г. и пробурить 1000 скважин.
• 2. Подземная газификация угля. В штате Гуджерат (Vastan) выбрана территория для пилотного проекта, где уже пробурено 18 скважин. Будет получено около 3 млрд м³ газа.
• 3. Ветроэнергетика. Индийский ветроэнергетический комплекс (рис. 4.5) имеет установки суммарной мощностью 8800 MW (март 2008 г.). В штате Гуджарат есть станции мощностью более 50 MW.

Рис. 4.5. Ветрогенераторы

4. Газогидраты. В принципе это углеводородный потенциал Арктического шельфа и акваторий, но он относится к альтернативным источникам в силу недостаточно изученных условий образования метангидратных скоплений и отсутствия методов и технологий освоения таких месторождений. Но масштабность и перспективность получения огромных углеводородных масс из газогидратных образований приковывает внимание многих стран и компаний к этому источнику. Например, в индийских водах работает специальный корабль Joides Resolution для постоянных исследований. Япония вкладывает по 60 млн иен в год на поиски и разведку газогидратных месторождений в Японском море.

Установлено, что имеются мощные газогидратные толщи (более 130 м) в бассейне Кришна Годавари (Бенгальский залив) и самые глубоководные (более 600 м ниже уровня моря) на Андаманских островах.

Сегодняшняя ресурсная оценка только акваторий Индии составляет около 200 трлн м³ углеводородных газов, включая газогидратные скопления. Особенно перспективными считаются Андаманские острова, где запасы гидратного газа оцениваются в 6 трлн м³. Правительство Индии разработало национальную программу по газогидратам, нацеленную на разведку и освоение ресурсов газогидратов в стране.

5. Водородная энергетика. Разработки термохимических, электролитических и фотоэлектрохимических реакторов для получения водорода получили во многих странах широкое развитие. Проводятся эксперименты, строятся заводы по производству водородных топливных элементов. Более перспективными считаются химические реакции с применением катализаторов и последующим разложением образующихся продуктов, в частности получение водорода из сероводорода, содержащегося в морской воде. Большие надежды возлагаются на инновационные технологии получения водорода с использованием фотосинтезирующих бактерий в качестве преобразователя солнечной энергии.

Особое внимание уделяется переводу транспортных средств на водородное топливо, так как более 40% углеводородных продуктов сейчас поглощает транспорт.

Теплотворная способность водорода как перспективного энергоносителя в 3 раза выше, чем углеводородных топлив. Водород — экологически чистое топливо, в отличие от традиционных видов природного топлива, не содержит ни серы, ни пыли, ни тяжелых металлов. При сжигании водород превращается в водяной пар. Единственными токсикантами в этих условиях могут стать оксиды азота, которые образуются из-за окисления атмосферного азота при особо высоких температурах горения. Это негативное явление нейтрализуется с помощью некоторых катализаторов. Водород пригоден для использования в качестве не только горючего, но и универсального аккумулятора энергии, которую можно транспортировать и применять в различных отраслях энергетики.

К 2020 г. по прогнозам специалистов потребление водорода в качестве экологически чистого топлива возрастет в 12—17 раз.

6. Солнечная энергетика. Солнечная энергия, поступающая на землю, перераспределяется по двум механизмам: часть отражается в космос, а другая преобразуется в геосферах Земли. Последняя аккумулируется в виде невозобновляемых источников (ископаемые энергоносители) или возобновляемых (растения, ветер, волны и т. п.). Энергию Солнца преобразуют в тепловую с помощью солнечных коллекторов, которые нагревают тот или иной теплоноситель. На многих домах, особенно в горных районах, устанавливаются солнечные батареи. Здесь нагреваемая вода обычно идет на отопление жилых и промышленных зданий. Получаемое в больших масштабах гелиотепло может поступать в паровую турбину. Первая солнечная электростанция в СССР мощностью 5 МВт была построена в Крыму.

Солнечная энергия преобразуется также непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи. В составе ФЭП задействованы фотоэлементы (на основе монокристаллов кремния и арсенида галлия) прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. В настоящее время коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП на основе кремния составляет 13—15%.

Идея солнечной космической электростанции на стационарной орбите была запатентована американцем П. Глезером в 1973 г. Ее суть в том, что солнечная энергия преобразуется в излучение оптического диапазона, затем она концентрируется и передается по светопроводящим каналам к потребителю. Пока вопрос о способе передачи генерируемой на орбите электроэнергии на землю не разрешен. Есть предположения о преобразовании электроэнергии в лазерное излучение или излучение микроволнового диапазона, т. е. в те излучения, для которых атмосфера прозрачна.

7. Приливная энергетика и подводные течения (рис. 4.6). Проект реализован в заливе Кач (юго-запад Индии).

Рис. 4.6. Турбины приливной электростанции.

8. Разумеется, использование биомассы и отходов для получения хотя бы небольшого количества энергии тоже не остается без внимания.

Следует отметить, что по-прежнему применяются древние традиционные возобновляемые виды топлива. Во многих странах в качестве топлива широко используют сухой навоз (кизяк) и древесину, в первую очередь для удовлетворения бытовых потребностей. Эксперты, например, Индии подсчитали, что это составляет более 20% всей потребляемой энергии в стране.

В Гималаях ячий кизяк, сгорая, дает удивительно приятный дым, для гималайцев напоминающий ладан. В целях более рационального потребления кизяка в последние годы расширяется производство из него энергетического биогаза.

В целом, население почти половины всех стран мира до сих пор готовит еду и обогревается на таком топливе, как кизяки (рис. 4.7), дерево, отходы сельскохозяйственного производства. Задача состоит в том, чтобы облегчить населению утилизацию этих видов топлива (энергоносителей) с учетом использования современных технологий и геобиореакторов, которые могли бы обеспечивать не только высокий КПД, но и сохранение здоровья от чрезмерного вдыхания продуктов сгорания в жилищах. На этот счет есть специальные проекты Всемирной организации здравоохранения. А пока все еще много «кизяковых» костров на улицах, тем более на окраинах городов и в селах.

Рис. 4.7. Ишаки, груженные корзинами с кизяком, в торговом квартале города.

В связи с этим можно считать некорректной статистику, рассчитывающую потребление энергии на душу населения (per capita) в той или иной стране (регионе) с учетом лишь стандартных (невозобновляемых) источников энергии.

Россия обладает огромными запасами энергии из возобновляемых источников. Они оцениваются в 4,6 млрд т в год, что в 5 раз превышает объем ежегодного потребления первичных энергоресурсов. Однако пока отсутствуют программа развития возобновляемых источников энергии (ВИЗ) и правовая база для их освоения. До настоящего времени отсутствуют стимулы для развития этого направления. Нет координирующего центра, объединяющего разрозненные разработки. В концепциях Российской академии наук, ведущих институтов, отраженных в программе «Экологически чистая энергетика» (1993 г.), практически отсутствовали планы полномасштабного перехода на ВИЭ. Многое изменилось с опубликованием приказа Минэнерго России от 30.06.2010 № 299 «Об утверждении Положения о формировании перечня проектов использования возобновляемых источников энергии и перечня проектов использования экологически чистых производственных технологий в топливно-энергетическом комплексе».

В перечни проектов включаются проекты использования:

• — возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом комплексе;
• — экологически чистых производственных технологий в топливноэнергетическом комплексе.

Предписано обеспечивать размещение и обновление сведений, внесенных в перечни проектов, на сайте Минэнерго России в сети Интернет.

В настоящее время в России работает одна ГеоТЭС (Паужетская на Камчатке мощностью 11 МВт), одна приливная электростанция (Кислогубская мощностью 450 кВт), 1500 ветроустановок мощностью 0,1—16 кВт, 50 микрогидроэлектростанций мощностью 1,5—10 кВт, 300 малых гидроэлектростанций, солнечные фотоэлектрические станции общей мощностью около 100 кВт, солнечные коллекторы площадью 100 тыс. м², 3000 тепловых насосов мощностью 8—10 МВт, что примерно в 30 раз меньше, чем в США. Если не принять соответствующие меры, то это может негативно отразиться на экономическом развитии страны. (На юге Камчатки работают еще две геотермальные электростанции — 12 и 50 МВт на Мутновском месторождении.).

В селах России 20 млн домов все еще отапливаются дровами. Однако следует подчеркнуть, что практически в любой точке нашей страны можно использовать тепло Земли. Глубинная геотермика и гидротермальные ресурсы в особенности могут стать важной составной частью энергетического баланса многих регионов России, включая даже Ханты-Мансийский автономный округ.

В Геологическом институте РАН составлена карта «Перспективные гидротермальные провинции России». Эксперты-геотермики утверждают, что горячие подземные воды могут конкурировать с углем и нефтью. Ресурсы геотермальной энергии разделяются на гидротермальные и петротермалъные. Первые представлены теплоносителями — подземные воды, пар, пароводяные смеси. Вторые представляют тепловую энергию, запасенную в нагретых горных породах.

По самым скромным оценкам прогнозные запасы термальных вод с температурой 40—250 °С в недрах РФ (до 3 км) составляют 21—22 млн м³/сут, что эквивалентно 45—280 млн т условного топлива (тут) в год. Прогнозные запасы паровоздушной смеси с температурой 150—250 °С на Камчатке и Курилах составляют 500 тыс. м³/сут.

Петротермальная тепловая энергия составляет 99% от общих ресурсов подземного тепла в Российской Федерации. На глубине до 4—6 км горячие породы с температурой 100—150 °С распространены почти повсеместно. Общий ресурс тепловой энергии, запасенной в 10-километровом слое Земли, по мнению А. Д. Дучкова, эквивалентен тепловому потенциалу сжигания 34,1*10 млрд тут, что в несколько тысяч раз больше теплотворной способности всех известных запасов топлива на Земле.

Конечно, на пути использования неисчерпаемой (и возобновляемой) геотермальной (гидротермальной) энергии Земли имеется много проблем, которые могут быть преодолены вложением значительных средств и усилий в развитие инновационных геотехнологий извлечения внутриземного тепла, фактически в развитие нового энергетического направления.

Есть примеры использования горячих подземных вод в Новосибирской и Омской областях. Воды на глубине 1000—1200 м (покурская свита, мел) имеют пластовую температуру 60—65 °С, а на поверхности — 45 °C. Этой теплой водой отапливаются здания. Кое-где применяются тепловые насосы (теплотрансформаторы), разработанные в Академгородке (Новосибирск).

Перспективы, как обогреть самую холодную страну — Россию собственным теплом на основе инновационных геотехнологий, оконтурены. Пришло время покончить с виртуальными стратегическими планами и начать эпоху инновационного энергообеспечения, основанную на научных новшествах. Как говорил Д. И. Менделеев: «Без светоча науки и с нефтью будут потемки».