Зеленая энергетика: нетрадиционные ресурсы и топлива

УДК 620.91
Р.С. Сырлыбаев
Зеленая энергетика:
нетрадиционные ресурсы и топлива
Неуклонное увеличение населения Земли, стремление к высоким
стандартам жизни, особенно в развитых странах, ведет к росту потребностей в
энергии. Энергетика стала и становится главной составляющей экономик всё
возрастающего числа стран. Это ведет к возникновению глобальных
противоречий человека со средой обитания (так всё чаще называют Природу) и
нарушению теплового равновесия Земли со Вселенной. Это происходит из–за
того, что получение наиболее востребованных видов энергии – электрической
(очень удобной для “конвертации” ) и механической (для обеспечения движения
транспортных средств) в настоящее время осуществляется в основном путём
сжигания различных традиционных первичных углеводородных топлив в
кислороде воздуха[1]. В США на нужды транспорта (транспортной энергетики)
расходуется 25…30% энергоресурсов [2].
К первичным (стоящим в начале “энергетической цепочки”) относят
энергоресурсы в первую очередь основные (традиционные): уголь, нефть, газ,
атомную и гидроэнергию, а также нетрадиционные возобновляемые
энергоресурсы. Путем преобразования (конвертации) первичных получают
вторичные энергоресурсы (чаще всего-это электроэнергия) [3].
Показатель полезного использования химической энергии, содержащейся в
углеводородном сырье редко превышает 30%. Остальная часть – 70% миллиарды гигакалорий – рассеивается в окружающем пространстве и должна
уходить в Космос для поддержания теплового баланса Земли. Однако при работе
производственных и энергетических объектов, сжигающих ежегодно миллиарды
тонн угля, нефти, природного и попутного газа, других видов топлива образуются
молекулы CO2 и другие газы. Газы –продукты сгорания и другой техногенной
деятельности человека скапливаются в верхних слоях атмосферы и образуют слой
обуславливающий изменение её свойств,
он “запирает” инфракрасное
излучение, образующееся на поверхности Земли. Это препятствует рассеиванию
тепловой энергии в космическом пространстве. Возникает “парниковый эффект”,
повышается средняя температура планеты. Транспорт также вносит “вклад” в
процесс, особенно в крупных городах. В Алматы, например, по мнению экологов
до 90% загрязнений воздушного бассейна- “заслуга” автотранспорта [4].
Установлено, что в последние десятилетия температура поверхности Земли
поднимается на полградуса в год, что ведет к повышению уровня Мирового
океана. Тают и уменьшаются по толщине и площади ледяные покровы Арктики и
Антарктики. Уменьшаются запасы влаги в виде вечных снегов высокогорий.
Уже сейчас выпадают обильные осадки в зонах конденсации атмосферной
воды – на поверхность океанов, островов, затапливают огромные территории
прибрежных районов. Материковые пространства Земли иссушаются зноем.
“Большую”
гидроэнергетику
и
“атом”
также
относят
к
традиционным источникам энергии. Они также
экологически “нечисты”.
Атомные электростанции (АЭС) должны строиться и эксплуатироваться по
высочайшим стандартам надёжности (вспомним Чернобыль и Фукусиму),
серьёзной проблемой является также утилизация отработавшего ядерного топлива
[1]. (В то же время во Франции, например, 80% электроэнергии вырабатывается
на АЭС [3]. Сами французы объясняют это обстоятельство бедностью страны
ископаемыми топливами). При строительстве крупных гидроэлектростанций
создаются высотные плотины (до 200…300м), затапливаются и выводятся из
оборота громадные площади полей- лесов, терпят ущерб сельское и рыбное
хозяйство и т.д.[1,5].
И люди заново вспомнили, что есть на нашей Планете быстро движущаяся
вода и вольный ветер, вечное сияние Солнца, приливы- отливы в морях- океанах,
(там, кстати, никогда не успокаиваются волны и течения). Эти и другие
непреходящие проявления животворящих “естественных” сил могут с лихвой
покрыть потребности человечества в энергии, не нарушая гармонии Природы [4].
“Неископаемые ресурсы”- так можно называть нетрадиционные
возобновляемые источник энергии (НВИЭ). В мире их потенциал в настоящее
время оценивается в 20 млрд т у.т. в год (у.т.- условное топливо имеет теплоту
сгорания 29302 кДж/кг). Это в 2 раза больше чем может обеспечить объем
годовой добычи всех видов ископаемого топлива. Это ли не знак указывающий
путь развития энергетики на перспективу[6]? Традиционные ископаемые
энергоносители даются людям в результате целенаправленной тяжкой работы
(порой небезопасной) и громадных капитальных вложений (в пересчете на
энергосодержание 1кДж/кг они безудержно увеличиваются). В тоже время
атмосфера, Космос, Океаны, Природа пронизаны флуктуирующими потоками
энергии. Она вездесуща [4].
Главное преимущество этих энергоресурсов состоит в том, что большинство
из них являются местным видом топлива, а районы наибольшей концентрации их
сырьевой базы, как правило, испытывают определенные трудности в
формировании своего топливно-энергетического баланса (ТЭБ). Хозяйственное
освоение их будет не только способствовать оптимизации структуры ТЭБ этих
районов, но и снижению напряженности транспортных грузопотоков и,
соответственно, дополнительному энергосбережению.
Из сказанного проистекает первый и главный стимул к переходу на
альтернативные нетрадиционные источники энергии- быть готовыми к
окончанию “века пара” (фактически он всё ещё продолжается “в лице”
циклопических ТЭС- основе современной энергетики- по всему миру).
Второй стимул к переходу на “зеленую” энергетику с использованием
природных- неисчерпаемых- возобновляемых- энергетических ресурсов предотвратить экологическую катастрофу и сохранить природу для будущих
поколений
По данным ЮНЕСКО миллиарды сельских жителей в мире не имеют
доступа к электричеству и цивилизации. Это создаёт большие социальные
проблемы и ведёт к уходу людей в города, “разбуханию” больших городов. В
Казахстане большое количество малых поселений в сельской местности оторваны
от систем электроснабжения. Нет энергии, нет воды питьевого качества, низкая
продуктивность сельскохозяйственного производства и низкий уровень жизни.
Отсюда- третий стимул развития “зеленой” энергетики на базе
использования неисчерпаемых и возобновляемых энергетических ресурсов обеспечение энергией людей, проживающих в регионах, удалённых от
существующих систем энергоснабжения. Главным направлением решения этой
проблемы является создание децентрализованных автономных систем
энергоснабжения и источников энергии индивидуального пользования,
работающих с использованием энергии ветра, Солнца, движущейся воды и
других нетрадиционных возобновляемых энергетических ресурсов – отходов
сельскохозяйственного производства.
Единичная мощность используемых здесь энергетических установок
составляет от 1,0 до 30…50 кВт. Они комплектуются аккумуляторными
батареями и обеспечивают работу бытовых энергопотребителей – средств связи,
телевизоров, радиоприёмников, электрического освещения, холодильников,
нагревателей воды, кондиционеров, водоподъёмников и тому подобное.
Для создания местных энергетических систем, обслуживающих посёлки,
аулы, крупные фермы используются комплексные энергетические установки
мощностью 50 – 250 кВт – ветровые, солнечные и дизельные агрегаты.
Сегодняшние международные конфликты это в значительной степени
войны за энергию. Политическая дестабилизация мира, обусловлена, как правило,
борьбой за владение запасами нефти и газа (вспомним “намеки” в сторону России
о её громадной территории и ресурсах).
И поэтому: четвертый стимул развития энергетики на нетрадиционных
и возобновляемых источниках энергии (НВИЭ)- снижение уровня политических
интриг и военных акций за владение традиционными энергетическими ресурсами
– нефтью, природным газом, углем. В тоже время неисчерпаемые энергетические
ресурсы Ветра и Солнца не являются объектом монопольного владения и
торговли, они даны поровну всем и каждому. Конкурентная борьба в этой сфере
идёт через международный рынок энергетических установок, преобразователей
первичной энергии в электрическую.
В 1978г. Генеральной Ассамблеей ООН был утвержден список
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (резолюция № 33/148):
солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана,
энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев,
битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков [3].
За истекшее время этот список значительно пополнился. С учетом
сегодняшних реалий его следует расширить и уточнить толкования.
Уточненный список НВИЭ включает: солнечную, ветровую, геотермальную
энергии; энергию морских и океанских течений, волн, приливов, температурного
градиента морской воды, текущей и падающей
воды рек и каналов,
низкопотенциального тепла земли, воздуха, воды; энергию биомассы животного
и растительного
происхождения, торф, попутный газ (зачастую при
разработке нефтяных месторождений он бездарно сжигается в факелах),
твердые бытовые и прочие отходы; новые виды жидкого и газообразного
топлива, представленные синтетической нефтью на основе угля,
органической составляющей горючих сланцев и битуминозных пород
(дополнительные углеводородные ресурсы), а также спирты, топлива для
транспортных средств добываемые из биомассы, водород и живой тягловый
скот.[2,3,4,6,7].
Уже четверть века авторитетные международные организации ООН,
ЮНЕСКО при поддержке ведущих мировых держав и заинтересованных
организаций проводят мероприятия по широкому внедрению технологий НВИЭ.
Многие страны (США, Германия, Дания, Норвегия, Нидерланды) добились
впечатляющих результатов [8].
Следует отметить, что для Казахстана ядерная энергетика не является
традиционной (в нашем отечестве нет АЭС). В своем последнем Послании
народу Казахстана Глава государства подтвердил необходимость и намерения
начать в стране развитие ядерной энергетики [9].
Тенденция к переводу энергетики на “ зеленые рельсы” наиболее отчетливо
проявилась в последние годы в энергетике развитых стран и регионов, особенно в
Северной Америке. Там сравнялись доли производства возобновляемых
ресурсов – гидроэнергии, биомассы (включая дрова и отходы) – и новых способов
использования таких почти традиционных ресурсов, как ветер и солнце. Важно
также, что совокупность возобновляемых ресурсов достигла доли атомной
энергетики и в сумме с ней вплотную приблизилась к доле каждого из основных
видов топлива [3].
В сценарии Мирового энергетического Совета предусматривается к 2050 г.
увеличение доли использования ВИЭ до 40%. Европейский Союз взял на себя
обязательства довести данный показатель до 20% к 2020 г. и до 30% - к 2040 г.Это
при том, что в данное время нетрадиционные возобновляемые источники в
мировой структуре энергопотребления занимают порядка 7%. Прогнозируется,
что лидерами по использованию «зеленого» топлива будут США, Бразилия и
европейские страны [3].
В Казахстане на сегодняшний день доля возобновляемых источников
составляет около 15% топливно-энергетического баланса и представлена
практически только “большой” гидроэнергетикой. Доля
альтернативных
(нетрадиционных) источников составляет 0,3-0,4%. Подобная ситуация не может
считаться приемлемой, учитывая огромный потенциал и значительную
целесообразность развития НВИЭ в РК [6,8]. Перечисленные выше четыре
стимула развития “зеленой” энергетики для нашего государства выглядят
особенно и очень убедительно. В РК разработана Государственная научнотехническая программа «Экологически чистая энергетика», включающая набор
проектов решения этой проблемы [10].
Топливно-энергетический комплекс для любого государства - важнейший
“столп” экономики. ТЭК- это совокупность индустрии добычи и использования
первичных энергоресурсов, связанных с удовлетворением потребности в энергии
и некоторых побочных продуктах.
Все возрастающие нагрузки оказываемые на окружающую среду традиционной
энергетикой, промышленностью, транспортом, антропогенной деятельностью
человечества привели к острой необходимости в интеграции энергетической,
экологической и социально-экономической политики в глобальном измерении.
Итак, главным вектором энергетической политики развитых и развивающихся
государств (ЕС, БРИКС и др.) стало создание экологически чистых энергетических
установок на традиционных видах топлива, всемерное развитие технологий НВИЭ, а
также разработка и проведение мер по энерго- и ресурсосбережению. Всё это при
неукоснительном соблюдении постоянно ужесточающихся экологических
стандартах.
Широкое внедрение технологий НВИЭ позволит решить проблемы [10]:
- снижения существенного отрицательного воздействия повсеместно
превалирующей традиционной теплоэнергетики (“стационарной” и транспорной) на
окружающую среду (читай Природу);
- удовлетворения потребностей в энергии значительной части населения, в
первую очередь проживающих в сельской местности и в районах, расположенных
вдали от линий электропередач (ЛЭП);
- ограничения применения органического топлива в тепловых процесах и
сохранение его как сырья для химической промышленности ( Д. И. Менделеев более
века назад сказал примечательные слова: “Обогреваться нефтью- всё равно, что
топить печь ассигнациями”).
Экспертное сообщество считает что, по крайней мере, до 2030г. потребление
традиционных первичных ресурсов будет только возрастать [5,10]. и поэтому НВИЭ
следует рассматривать на достаточно продолжительный период (по крайней мере на
первую треть XXI в.) не как альтернативу традиционной энергетике, а как
дополнительный источник энергии, решающий важные экологические и социальноэкономические задачи [7,8,10].
Потенциальные возможности НВИЭ практически не ограничены. Однако
несовершенство
техники
и
технологии,
отсутствие
необходимых
конструкционных и других материалов пока не позволяет широко вовлекать
НВИЭ в энергетический баланс.
Особенно заметен в мире научно-технический прогресс в сооружении НВИЭустановок и в первую очередь: фотоэлектрических преобразований солнечной
энергии (фотовольтаики), ветроэнергетических агрегатов и в переработке
биомассы [11].
Основное преимущество НВИЭ — неисчерпаемость и экологическая чистота
(по крайней мере сравнительная). Их использование не изменяет энергетический
баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития
возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их
развития в Казахстане на ближайшие десятилетия.
Отмеченные
преимущества
НВИЭ
позволяют
заключить,
что
возобновляемые источники энергии могут сыграть значительную, может быть
определяющую, роль в решении трех глобальных проблем, стоящих перед
человечеством: энергетики, экологии, продовольствия [8].
Наше время характеризуется углублением старых и возникновением новых
противоречий как в отдельных странах, так и мире в целом. В ответ на требования
времени возникли и возникают новые (порой неожиданные и оригинальные)
технические решения и технологии.
Сейчас мы наблюдаем процессы:
1. Образование нового технологического уклада:
-информационно–коммуникационных
технологии
(ИКТ),
био-,
нанотехнологии, нетрадиционная альтернативная энергетика.
2. Корректировка старого уклада:
- разработка нетрадиционных месторождений углеводородов, технологии
синтетических моторных топлив, экологические технологии, совершенствование
инфраструктуры, снижение ресурсо- и энергоёмкости.
Итак, Планета стоит на пороге нового технологического уклада, который
будет характеризоваться более эффективной и “утонченной” энергетикой. Это
будет Третья промышленная революция (1-ая пришлась на“Век пара”, 2-ая на
”Век электричества и автомобиля”), её время, очевидно, можно будет назвать:
“Век зеленой энергетики и цифровых технологий”. Эра энергетики, основанной
на сжигании ископаемых топливных ресурсов, постепенно завершается и уже
нынешнее молодое поколение станет свидетелем этой Третьей промышленной
(энергетической) революции, которая будет базироваться на зеленых
технологиях, смарт-решениях и интернете [7].
Энергетика в среднесрочной будет характеризоваться:
- использованием НВИЭ– ветра, солнца, биомассы, водных потоков,
геотермального тепла, океанских и морских вод;
- отказом от сверхмощных генерирующих мощностей – получение
коммерческой энергии из локальных и индивидуальных источников (солнечных
панелей, мини-ветрогенераторов, тепловых насосов и т.п. Вплоть до миниТЭС и
ТЭЦ), посредством которых можно осуществлять не только автономное
энергообеспечение (в том числе и на транспорте), но и передавать излишки в
общую энергосеть;
переводом
автомобильного
транспорта
(легкового,
грузового,
общественного) на неуглеводородные топлива и электричество, а также развитие
новых экономичных видов транспорта, таких как монорельсовый, на магнитной
подушке и др.;
- внедрением технологий энерго- и ресурсосбережения, широким
использованием развитыми странами энергоэффективных и энергосберегающих
технологий в промышленности, жилищно-коммунальной сфере, на транспорте и
т.д., что будет сдерживать рост их совокупных потребностей в энергии;
- широким использованием технологий Smart Grid (умная сеть), основанных
на принципах и методах стандартизации функциональной совместимости
энергетического оборудования и информационных технологий.
В свете изложенного, транспортные энергетические технологии, в
частности, могут развиваться по направлениям показанным в Таблице 1.
Таблица 1
Основные направления развития транспортных энергетических технологий
Сферы развития
Моторизация
Индустриализация
Урбанизация
Добыча ископаемых
видов топлива
Технологии
Энергоэффективные транспортные средства. Новые
материалы (композиты). Гибридные двигатели,
электротранспорт. Водород как топливо для ДВС.
Транспорт на водородных топливных элементах.
Газ на транспорте, в том числе биогаз. 1-ое
поколение биотоплив: сахар, крахмал, масло из
растений, этанол, пропанол, бутанол. 2-ое
поколение
биотоплив:
переработка
целлюлозосодержащих компонентов (термохимия,
газификация, пиролиз, биохимия). Уменьшение
вредных выхлопов ДВС (стремление к 0)
Экономичное использование топлив на транспорте.
Аккумулирование
энергии
(не
только
электрической) для “помощи” двигателю в
“мгновения пик ”
Производство водорода, синтетического топлива.
Транспортировка водорода по трубопроводам, что
выгоднее передачи электроэнергии по ЛЭП
Упор на развитие общественного транспорта.
Ограничения на въезд в мегаполисы личного
автотранспорта. Перехватывающие автостоянки
Технологии
добычи
нетрадиционных
(из
сланцев,битуминозных пород) нефти и газа.
Технологии глубоководной добычи. Добыча на
арктических шельфах. Удешевление технологий
транспортировки газа.
Некоторые из приведенных технологий уже приблизились к тому, чтобы
стать (и стали, например, добыча сланцевого газа в США) коммерческими и
используемыми в промышленных масштабах.
Другие
НВИЭ-транспортные
технологии,
обладающие
большим
потенциалом, требуют доработки и должны рассматриваться на долгосрочную
перспективу (30…40 лет). Например: Автотранспорт на топливных элементах.
Трансформация топлив. Разработки для альтернативных топлив. На основе
природного газа: сжиженный углеводородный газ, сжатый газ. Жидкие
синтетические топлива: Gas To Liquid, Coal To Liquid. Биоэтанол (сахарный
тростник, зерновые) Биодизель Biomass To Liquid. Перспективный автотранспорт.
Развитие “гибридного” двигателестроения. Электромобили. Будущая система
заправок электромобилей.
Есть несколько веских причин, которые должны побудить Казахстан к
ускоренному освоению и внедрению
НВИЭ. И это при том, что наше
государство обладает значительными запасами углеводородов разведанных и
перспективных. Резоны таковы:

Казахстан обладает громадным потенциалом НВИЭ;

жители населенных пунктов, расположенных в зонах с плохой
экологией, могли бы надеяться на оздоровление обстановки;

развитие НВИЭ-энергетики – перспективный способ повысить
качество жизни населения аулов и сел удаленных от ЛЭП, которые испытывают
дефицит (и даже отсутствие) электроэнергии для бытовых и производственных
нужд;

современные биотехнологии позволяю уже сейчас получать
нетоварное моторное топливо из биомассы для собственных нужд малых и
средних хозяйств;

интенсификация применения НВИЭ позволит «растянуть» запасы
ископаемых углеводородных ресурсов на десятилетия для еще нерожденных
потомков;
Выводы
-есть прогнозы, что к 2050 году потребность в энергии по миру вырастет в 3
раза;
- эра энергетики, основанной на сжигании ископаемых топливных ресурсов,
эволюционно завершается;
- столпом энергетической политики должно стать создание экологически чистых
энергетических установок на традиционных видах топлива, приоритетное развитие
технологий НВИЭ, а также принятие мер по энерго- и ресурсосбережению;.
-с целью стабилизации выбросов парниковых газов, каждая нация (страна)
должна сделать ощутимый поворот к расширению использования НВИЭ;
-развитие НВИЭ-энергетики – перспективный путь повысить качество жизни
населения аулов и сел удаленных от ЛЭП, которые испытывают дефицит (и даже
отсутствие) электроэнергии для бытовых и производственных нужд [4,7];
-для Казахстана возможна поэтапная переориентации энергетики и
экономики на использование возобновляемых ресурсов;
- Казахстан попросту не имеет права отстать от глобального процесса
диверсификации энергетики и технологий [10].
Список использованных источников
1Быстрицкий Г.Ф. Основы энергетики: учебник.- М.: КНОРУС. 2011. – 408с.
2 Дэвинс Д. Энергия / Пер. с англ.– М.: Энергоатомиздат. 1985 – 352 с.
3 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Р.В. Городов, В.Е.
Губин. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.
4 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие/ А.Б.
Болотов.- Алматы: АУЭС, 2011.-79 с.
5 Дукенбаев К. Д. Нурекен Е. Энергетика Казахстана (технический аспект)
Алматы, 2001.-312с.
6 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие./В.Г.
Лабейш. – СПб.: СЗТУ, 2003. -79 с.
7.Сырлыбаев Р.С. Казахстан во время глобальной диверсификации энергетики и
технологий// Промышленность Казахстана, 2014, №2, с. 58-62
8.СибикинЮ.Д. Альтернативные источники энергии. М.: ИП РадиоСофт, 2014.
9.Абден Д. Атом: мой, твой, наш// Аргументы и факты, 2014, №20, с.10
10.Сценарий развития направления «Безопасная,чистая и эффективная энергия»
в Казахстане на период до 2030 года/ Экспертная группа: М.Б. Кошумбаев, В.В.
Стояк, С.А. Глазырин и др.- Астана: АО «Национальный центр государственной
научно-технической экспертизы»,2013.- 42 с.
11. Қойшиев Т.Қ. Жаңғыртылатын энергия көздері: Оқулық.- Алматы: 2013.
- 256 б.