К разумной энергетике

К разумной энергетике

Растущая потребность в традиционных энергоресурсах (при неуклонном возрастании их себестоимости) — с одной стороны — и экологические последствия их использования — с другой — вызывают самое серьезное беспокойство мировой общественности. Это, естественно, активизирует поиск путей выхода из этой сложнейшей ситуации с целью предотвратить надвигающийся кризис, грозящий не только замедлением дальнейшего прогресса (прежде всего — экономического развития стран), но и обострением конфликтов вплоть до межгосударственного уровня, а, самое главное, — глобальной экологической катастрофой.

Однако в поисках решения этой проблемы мы, как правило, руководствуемся опять же сегодняшними экономическими, политическими, а то и просто своими узкокорыстными интересами: так, например, наращивая объемы добычи и переработки природных ископаемых ресурсов на топливо, мы заботимся, конечно же, о нынешних выгодах, закрывая глаза на потенциально тяжкие последствия безответственного опустошения недр и ухудшения состояния окружающей среды для своих же потомков.

Кому еще не понятна связь между участившимися и всё ужесточающимися природными бедствиями и «парниковым эффектом», постоянно усиливаемым техногенным воздействием на атмосферу? Как видим, надежда на «авось» не срабатывает. Неизвестно, когда такой сценарий достигнет своей катастрофической кульминации, но ясно одно: необходимо принимать самые срочные меры по резкому сокращению сжигания ископаемого топлива. Что бы там ни говорили «мудрые аналитики» насчет естественной повторяемости изменений климата, логика происходящих явлений предельно проста: если природа (за миллиарды лет!) создала нормальную для жизни планеты атмосферу путем изъятия из нее (с перемещением в недра планеты) почти всего углерода, то в результате творимого человечеством ускоренного о б р, а т н о г о процесса д е г р, а д, а ц и я атмосферы со всеми непредсказуемыми последствиями н е и з б е ж н а! Опасные погодные аномалии во многих регионах мира, приносящие ныне великие беды природе и людям, — грозное предупреждение об этом!

А наращивание мощности атомной энергетики? Это ведь не только опасные для биосферы ее тепловые загрязнения, во много раз превосходящие таковые от ТЭЦ, но и вполне реальная радиоактивная «бомба замедленного действия» с непредсказуемой зоной поражения. И какая разница: будь то эксплуатационная авария или так же не предсказуемые последствия захоронения отработавших АЭС и ядерных топливных материалов, тем более — в условиях воздействия природной стихии. Не зря же в Европе (и не только!) взят курс на свертывание такой энергетики.

Бесперспективны и эксперименты с переводом в горючее различных сельхозпродуктов. (К тому же это, если не преступное, то уж, несомненно, аморальное занятие перед сотнями миллионов голодающих на планете, да и перед самой землей-кормилицей и ее тружениками).

Отсюда следует, что выход из этого энергетического и экологического тупика — только в самом широком освоении возобновляемых — экологически чистых — энергоресурсов! энергетика экономический хозяйственный Конечно, возобновляемые энергоресурсы и в наше время освоены повсеместно: современная гидроветрои гелиоэнергетика всерьёз заявила о себе. Однако до настоящего времени темпы прироста этой составляющей даже в энергобалансах ведущих стран были явно не достаточны.

В чем же трудности масштабного использования возобновляемых энергоресурсов? Они, очевидно, в несовершенстве нынешних преобразователей. Например, практически все ныне действующие преобразователи природной тепловой энергии в механическую (при всей их усложненности) по своей эффективности мало отличаются от допотопных паровозов и потому бесперспективны. Это можно сказать и об относительно мощных солнечных источниках электроэнергии, и о геотермальных и, уж тем более, о морских тепловых электростанциях (ОТЭС).

Анализ технико-экономических показателей реализованных проектов позволяет сделать вывод: для альтернативных энергоресурсов нам необходимы альтернативные способы их использования, требующие новых технических и технологических решений.

При этом главными критериями в оценке перспективности новых энергопреобразователей должны быть их безопасность, надежность, высокая эффективность капвложений, возможность комплексного промышленного изготовления при минимальных сроках и стоимости строительно-монтажных работ.

Об этом и поговорим, обратившись к некоторым разработкам последних лет.

А начнем с ветроустановок. Ныне практически все они, за исключением традиционных мельниц и других немногочисленных агрегатов, преобразуют энергию ветра в электрическую энергию. И тут возникают серьезные проблемы, связанные с непостоянством ветрового напора, а, следовательно, и параметров получаемой электрической энергии. Наиболее простое решение — связать электрический генератор с внешней сетью. Но при этом остается не достижимой оптимизация работы ветроустановки: при повышенном напоре ветра она не способна к многократной перегрузке, а при его спадах сама становится нагрузкой на эту сеть.

Но представим себе: сколько электроэнергии ныне используется в нагревательных целях! Так, например, на просушку только одного кубометра древесины уходят сотни кВт· ч (см. пат. RU 2 338 136, 2008 г). А сколько ее тратится для отопления? Почему бы не использовать ветроустановки с непосредственным преобразованием энергии ветра в тепло, когда нет необходимости предъявлять к тепловому потоку столь строгие требования, как к параметрам электрического тока. Тепло легко аккумулировать, К тому же, отпадает потребность в дорогих электрогенераторах, устройствах, обеспечивающих стабильность электроснабжения, включая мощные электрические аккумуляторы, а также в электронагревателях. Упрощается обслуживание, повышается безопасность.

В этой связи рассмотрим ветротепловую установку (патент RU 2 253 041, 2005 г.). Ее назначение — теплоснабжение усадебных домов, миниферм, дачных и садовых помещений и других малых объектов. Установка отвечает всем важнейшим требованиям: безопасна при всякой погоде и на всей прилегающей территории (т. е. не имеет «опасной зоны»), способна надежно работать в широком диапазоне ветровых нагрузок, имеет оптимальную динамику работы за счет строгой согласованности силовых характеристик ветроколеса и теплогенератора, защиту от запредельных режимов, а также вполне приемлемые капитальные затраты, сопоставимые со стоимостью системы отопления подобных объектов с подключением к газовой сети. Эксплуатационные же расходы при использовании ветротепловых установок мизерны, ибо энергоресурсы бесплатны! При наличии теплоаккумулятора (а их конструкций разработано множество) обеспечивается бесперебойность энергоснабжения: отопления помещений, теплиц, работы теплоэлектрических преобразователей, бойлеров, сушилок, саун и др. Использование некоторых типов теплоаккумуляторов, например, галечных либо жидкостных, позволит существенно упростить конструкцию и самой ветротепловой установки.

Весьма перспективной может стать уникальная парусная ветроустановка — без вращающихся рабочих органов! — (патент RU 2 469 209, 2012 г.), которая может быть источником как электрической, так и тепловой энергии. Она применима даже в условиях самой плотной городской застройки.

Теперь о солнечной энергии. Примеров ее успешного применения предостаточно. Однако и здесь свои проблемы: к.п.д. мощных гелиоэлектрических преобразователей (при их нынешней дороговизне!) пока еще низок, в тепловых же установках повышение к.п.д. даже до 70% связано с большим усложнением и удорожанием их конструкции, слабо используется рассеянное и отраженное (в основном — снежной поверхностью) излучение, практически отсутствуют установки с непосредственным (то есть без паросиловых агрегатов) преобразованием солнечной энергии в механическую для использования в качестве привода электрогенераторов и других машин.

Многие из этих проблем могут быть решены с использованием нового коллектора-приемника оптического излучения с зеркальным абсорбером и особыми свойствами прозрачного ограждения (патент RU 2 269 726, 2006 г.). Реальный к.п.д. таких коллекторов может превысить 90%, позволив применять их не только в солнечных энергоустановках, но и в экономически обоснованных системах передачи тепловой энергии оптическим путем.

Разработана конструкция солнечного коллектора, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя и самонаведение на источник излучения без использования внешних энергоисточников (патент RU № 2 535 193, 2014 г.).

Созданы и весьма перспективные тепломеханические преобразователи. Эти приводы по принципу действия очень просты. К тому же, они универсальны по виду источника используемой тепловой энергии: будь то солнечная радиация, термальные воды, температурный перепад в морских акваториях, теплоаккумуляторы, теплосодержащие выбросы в окружающую среду, факелы на углеводородных промыслах и т. д.

На один из таких преобразователей (без паросилового звена!), рассчитанный на широкое практическое применение, выдан патент (RU 2 442 906, 2012 г.).

При этом следует напомнить, что решение энергетических проблем возможно не только на базе крупных генерирующих установок, когда их связь с потребителями энергии требует строительства и обслуживания дорогостоящих преобразовательных, передающих и распределительных систем. Во многих реальных условиях выгоднее иметь рассредоточенную систему малых энергоустановок, (с накопителем энергии в виде несложного теплоаккумулятора, оснащенного теплоэлектрическим преобразователем), привязанных к конкретным объектам, таким, как индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма. Они позволят решить жизненно важные инфраструктурные проблемы при освоении и заселении новых территорий, для улучшения условий жизни в малых поселениях, а также снизить зависимость и иных потребителей от поставщиков энергии с их ценовым и правовым произволом. (Пример комплексного энергоснабжения подобных объектов в наших условиях? см. ниже).

Особый интерес представляют другие весьма распространенные и мощные ресурсы: энергия морских волн, еще не освоенных горных рек и др. И тут имеем очень большой резерв, разумеется, при использовании опять же новых технических решений, реализованных, например, в разработанной волновой электростанции (патент RU 2 313 690, 2007 г.). К тому же, подобные установки, оснащенные — при необходимости — системой гашения избыточной энергии опасных волн (патент RU 2 365 780, 2009 г.) наряду, например, с новыми пневмогидравлическими энергонезависимыми волноломами (патент RU 2 461 681, 2012 г.) надежно защитят от разрушения берега морей и построенные на них (и даже в открытом море!) сооружения, сохранив при этом естественные условия для экосистем прибрежной зоны.

Сложнейшей проблемой является топливообеспечение транспорта. Кому не известно, что для производства жидкого топлива используются колоссальные перерабатывающие мощности с опять же огромными затратами сырьевых ресурсов и своим «букетом» опасных выбросов в природную среду, в том числе на добыче и транспортировке? А довершают картину ядовитые транспортные выхлопы. Вот какая действительная «цена» перевозок!

Однако в разрешении и этой проблемы уже имеется успешный масштабный опыт перевода двигателей на экологически чистое водородное топливо (примером может служить Исландия, где для производства такого топлива используется, в основном, геотермальная энергия). Кстати, для этих и других, «не прихотливых» к качеству электроэнергии целей, разработан упрощенный вариант волновой ЭС (патент на импульсный преобразователь волновой энергии RU 2 374 485, 2009 г.).

При практически не ограниченных на нашей планете ресурсах возобновляемой энергии можно произвести достаточный запас водорода. Конечно же, электролизом воды с использованием возобновляемых энергоресурсов. А излишний кислород разумно даже сбрасывать в атмосферу, восполняя (хотя бы частично) экологическую функцию истребляемых лесов и гибнущего от загрязнений фитопланктона!

При переходе на такое топливо будет реализован идеальный вариант сохранения природных условий — то есть замкнутый в природе цикл с экологически чистым продуктом сгорания водорода (водяной пар: к тому же при его искусственной конденсации снова получим дефицитные дистиллированную воду и тепловую энергию). Разве это не в наших силах и наших общих жизненно важных интересах?!

Переход на альтернативную энергетику остро необходим и в социальном плане: труд многих миллионов людей связан с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива с немалым риском для здоровья и самой жизни (и речь тут не только о шахтерах).

И только с этим переходом экономика многих государств сможет безболезненно — «без ломки» — слезть с «нефтяной иглы», своевременно освоив производство (и экспорт!) экологически чистых недорогих и высокоэффективных топливных продуктов и самих энергоустановок (спрос на них сегодня трудно переоценить). Это, к тому же, позволит занять свое население, в т. ч. и ныне безработное, куда более интересным, достойным и безопасным трудом, связанным с широким освоением возобновляемых энергоресурсов, а ныне безмерно расхищаемые и безрассудно сжигаемые подземные сокровища оставить потомкам как ценнейшее сырье для производства всевозможных материалов с уникальными свойствами, позволяющими им уже сегодня вытеснять дорогие металлы и сплавы даже в самых ответственных конструкциях (например, в новейших воздушных лайнерах углеродные композиты и углепластики составляет добрую половину используемых материалов!).

Только не опоздать бы!