О пользе и вреде электростанций, работающих на альтернативных источниках энергии. Часть 1

Гидроэлектростанции

На гидроэлектростанциях (ГЭС) в электроэнергию преобразуется механическая энергия водных потоков (рис. 1–3). Пока именно на них производится основная часть электроэнергии в мире. Лидерами здесь являются Китай, Канада, Бразилия, США, Россия, Норвегия, Индия, Венесуэла, Япония, Швеция, Франция, а также Исландия, Парагвай, Новая Зеландия и др.

Рис. 1. Крупная электростанция на равнинной реке с большим водохранилищем (Днепрогэс) [30]

Рис. 2. Плотина Гувера с относительно небольшим по площади, но очень глубоким водохранилищем и электростанция в каньоне реки Колорадо (штат Невада, США) [23]

Рис.  3. ГЭС Хуанза с небольшим водохранилищем в горной местности (Западные Кордильеры, Перу) [23]

Преимуществами гидроэнергетики являются: использование возобновляемых ресурсов; дешевизна получаемого электричества за счет ненужности топлива; независимость от наличия и стоимости ископаемых углеводородов; отсутствие вредных выбросов в атмосферу после окончания строительства; долгий срок эксплуатации ГЭС (иногда до 50–100 лет и более); немногочисленность обслуживающего персонала; гибкость работы гидроэлектростанций с быстрым увеличением или уменьшением выработки электроэнергии по мере необходимости; смягчение климата вблизи крупных водохранилищ; использование водохранилищ для накопления воды и защиты от наводнений в периоды половодий и ее использования в засушливые периоды, для разведения рыбы, для рекреационных и других целей.

Но есть и недостатки. Это затопление земель и населенных пунктов при строительстве водохранилищ, заиливание этих водоемов, возможность строительства ГЭС только там, где есть реки или реки и горы для использования кинетической энергии падающей воды. Строительство и работа некоторых ГЭС могут нести сейсмические риски и риски наводнений, приводят к перестройке (иногда трагичной) речных экосистем. Более того, в жарких странах из водохранилищ выбрасываются значительные количества метана и сероводорода (из-за активного гниения органических остатков на дне и в донных грунтах). Подсчеты Всемирной комиссии по плотинам в 2000 году показали, что если водохранилище затопило невырубленный лес, то выбросы парниковых газов могут быть даже больше, чем при работе тепловой электростанции.

Выходом могли бы стать свободнопоточные (бесплотинные) электростанции (и разработки в этом направлении ведутся), но пока их мощность невелика даже в горах, где они могут обеспечивать электричеством лишь небольшие населенные пункты.

Солнечные электростанции

Солнечные электростанции (СЭС) преобразовывают в электрический ток излучение Солнца. Уже сегодня на Земле имеется множество их типов.

Башенные СЭС, солнечные электростанции с параболоидными или параболоцилиндрическими концентраторами работают на основе термодинамических методов: отражения и концентрации солнечной энергии и использования ее тепла с преобразованием его в механическую, а затем и в электрическую энергию.

В центре башенной СЭС (рис. 4) стоит, соответственно, башня высотой 18–24 м, на вершине которой располагается резервуар с темным покрытием, заполненный водой, или приемник излучения с циркулирующим у его поверхности теплоносителем, передающим тепло парогенератору. Такие станции также оборудованы насосами, турбогенераторами и системами аккумулирования тепла и/или электроэнергии на случаи пасмурных дней и ночного времени суток. Вокруг башни на большой площади размещено множество крупных зеркал (гелиостатов), которые в зависимости от положения солнца меняют ориентацию так, чтобы в любой момент дня отраженные от них лучи попадали на указанный резервуар, где температура при высоком давлении может доходить до 700 град. по Цельсию (этого достаточно для вращения такой же стандартной турбины, как на тепловой электростанции). СЭС башенного типа имеют большие КПД (около 20%) и высокие мощности. Для их размещения лучше всего подходят пустыни. Такие проекты реализованы в основном в Испании и США.

Рис. 4. Башенная электростанция [8]

Основные недостатки башенных СЭС заключаются в следующем. Большие ограничения в их работу вносят суточная и сезонная цикличность и зависимость от погодных условий. Поэтому для них разрабатываются дорогие аккумулирующие устройства, требующие добычи полезных ископаемых. Система позиционирования зеркал потребляет много энергии, что может сильно уменьшить КПД всей электростанции. Значительных затрат требует периодическая очистка зеркал. Такие станции занимают большие площади и могут отрицательно влиять на почву, климатические условия и биоразнообразие на соответствующих территориях, в том числе наносить большой вред птицам.

Используются также СЭС c концентраторами солнечной энергии в виде вогнутых зеркал (параболоидной или параболоцилиндрической формы) и линз (рис. 5). Но стоимость такого оборудования очень высока. Дело в том, что свой парогенератор приходится устанавливать в фокусе каждого искривленного зеркала, а потом собирать пар с большой территории. Температура пара не получается выше 400–500 град. по Цельсию. (Впрочем, иногда в фокусах устанавливают электрогенераторы в виде не самых дешевых двигателей Стирлинга (рис. 6), что гораздо эффективнее.) Работа таких станций тоже зависит от наличия солнечного света, а иногда и от высоты положения Солнца. Кроме того, и здесь множество затрат приходится на очистку вогнутых зеркал.

Рис. 5. Параболоидный концентратор СЭС (тарельчатого типа) [8]

Рис. 6. СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами [8]

Рис. 7. Параболоидные концентраторы с двигателями Стирлинга в их фокусах. Эти двигатели непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию с высокой эффективностью (до 31% и больше). В качестве рабочего тела используется водород или гелий [8]

Наиболее распространены СЭС на основе фотоэлектрических методов. Остановимся на них подробнее. Такие солнечные электростанции используют фотоэлектрические модули (фотопреобразователи, фотобатареи). Крупнейшие в мире СЭС такого типа имеются в Индии, ОАЭ, США и Китае. Есть они также в Германии, России, Чили, Канаде, Италии, Таиланде, Белоруссии, Украине, Казахстане, Португалии, Испании, Франции и других государствах.

Рис. 8. Крупная СЭС, использующая фотоэлектрические модули [23]

Солнечные электростанции с фотопреобразователями используют неиссякаемый источник энергии. Они полностью автономны (не зависят от внешних источников питания), работают бесшумно, имеют большой срок эксплуатации (от 25 лет), устойчивы к повреждениям, легко ремонтируются путем замены отдельных вышедших из строя элементов, довольно красиво выглядят. Считается, что они не наносят урон окружающей среде в процессе эксплуатации. Однако такие СЭС имеют низкий коэффициент полезного действия (5–25%), не работают ночью и в пасмурные дни, требуют больших площадей и возможностей разворота солнечных панелей в сторону солнечных лучей.

И самое главное: производство фотоэлектрических преобразователей является очень дорогим и в массовом масштабе может угрожать экологии планеты. Так, производство одной фотоэлектрической панели мощностью 1 кВт требует приблизительно 3,9 тыс. кВт/ч электроэнергии, что соответствует годовому потреблению энергии одной квартирой. А, например, в Китае солнечные батареи изготавливаются на заводах, получающих энергию от тепловых электростанций, работающих за счет сжигания углеводородов и выбрасывающих в атмосферу ряд вредных веществ (по меньшей мере парниковый углекислый газ даже при хороших фильтрах). При этом в России и азиатских странах новые СЭС строятся в основном на основе китайского производства или дочерних компаний китайских корпораций.

Далее. В процессе производства фотоэлектрических элементов на основе кремния, а также свинцово-кислотных аккумуляторов (например, в Индии и Китае) образуются вредные для окружающей среды вещества. В самих фотоэлементах также содержатся ядовитые вещества (кадмий, мышьяк, свинец, галлий и др.). Поэтому вопрос утилизации «электронного мусора» из них стоит очень остро. Если суметь во всех странах обеспечить полный цикл по переработке и утилизации побочных продуктов производства, отходов и отработанных элементов таких солнечных электростанций, то ущерб для экологии, возможно, и будет минимизирован (к тому же ведутся разработки по повторному использованию до 90% материалов солнечных панелей и по усовершенствованию полупроводников в солнечных модулях с использованием висмута и сурьмы). Достичь этого в масштабе всей планеты при стремительно растущем количестве СЭС довольно трудно, но работы в этом направлении ведутся.

Кроме того, большие площади солнечных электростанций на основе фотопреобразователей (как минимум в 100 раз больше, чем у теплоэлектростанций), локальное изменение в этих районах светового и температурного режима, влажности, состава грунтовых вод из-за мытья панелей и даже направления ветра могут отрицательно повлиять на почву и целые экосистемы. Отраженные солнечные лучи очень крупных СЭС могут даже убивать птиц, что уже наблюдалось в Калифорнии. То же касается и аэростатных СЭС. А уж какие опасности сулят космические СЭС, которые будут передавать энергию на Землю с высоты 36 км посредством излучения, не подверженного ослаблению из-за атмосферных явлений, остается только гадать (однако китайские инженеры уже вовсю планируют запустить их на орбиту).

Но отдельные солнечные панели или их небольшие группы на фонарях, маяках, фасадах и крышах зданий, в частных хозяйствах, на автомобилях будут вызывать меньше проблем (рис. 9). При этом частникам надо учитывать, что все необходимое оборудование для небольшой СЭС (скажем, на 30 кВт) окупится только через 5–6 лет, а то и к окончанию срока его службы

Рис. 9. Отдельные солнечные панели или их небольшие группы на фонарях, фасадах и крышах зданий, в частных хозяйствах, на автомобилях и пр. не должны вызывать больших проблем [23]

Иногда используют комбинированные солнечные электростанции, которые совмещают два или несколько их типов (рис. 10). Однако это не избавляет их от названных выше недостатков СЭС.

Рис. 10. Некоторые разновидности комбинированных солнечных электростанций [8]

На сегодняшний день, возможно, наименьший вред экологии должны приносить солнечно-вакуумные (градиент-температурные) электростанции, о которых обычно мало говорят и пишут и которые пока создаются главным образом в экспериментальном порядке. Они состоят из накрытого стеклянной крышей участка земли (парника) и высокой (вплоть до 1 км) башни в центре этого участка, внутри которой расположена воздушная турбина с электрогенератором. Воздух в приземном слое под стеклянной крышей нагревается от солнца и устремляется вверх по башне за счет тяги, возникающей из-за разницы температур и атмосферного давления внизу и наверху башни, что заставляет вращаться турбину. Такая станция способна вырабатывать электрический ток круглосуточно, поскольку даже ночью у земли теплее, чем наверху.

Есть и второй тип солнечно-вакуумных электростанций, которые занимают меньше места. Принцип их работы заключается в распрыскивании холодной воды наверху большой трубы, в результате чего воздух внутри трубы становится холоднее, чем снаружи. Более тяжелый холодный воздух, опускаясь вниз и вытекая из трубы, вращает лопасти турбогенераторов. Но тут встает вопрос о том, за счет какой энергии поднимать наверх холодную воду и где последнюю брать. Вероятно, за счет строительства в горах, где есть холодная вода и достаточный перепад высот?

Минус состоит в том, что солнечно-вакуумные электростанции относятся к малой энергетике (и, кстати, довольно шумно работают). Однако они вполне могут обеспечить электроэнергией и оживить экономику небольших населенных пунктов, если будут строиться там взамен котельных и дизельных электростанций, работающих на углеводородном топливе. И потом, можно практически бесконечно совершенствовать известные конструкции таких станций и повышать эффективность их работы.

Рис. 11. Один из типов солнечно-вакуумной электростанции и один из принципов ее работы [24, 34]

Стоит отметить, что на разных типах солнечных электростанций могут дополнительно устанавливать теплообменные конструкции для нагрева воды, необходимой для горячего водоснабжения, отопления или технических потребностей.

-

О преимуществах и недостатках, пользе и вреде других типов «зеленых» электростанций, работающих за счет альтернативных (возобновляемых) источников энергии, мы расскажем в следующей части статьи.

Источники

1. cosmos.mirtesen.ru/blog/43328252444/Vyirabotka-energii-iz-temperaturnogo-gradienta-vodyi.
2. ecoplanet777.com/opasnost-solnechnyh-batarej/.
3. ecoplanet777.com/v-afrike-iz-vodoroslej-giatsinta-proizvodyat-ekologicheski-chistyj-biogaz/.
4. electricalschool.info/energy/2432-solnechnye-elektrostancii-bashennogo-tipa.html.
5. elektro-blog.ru/glavnia/43-onas/105-elektriheskii-monstr.
6. energetika.in.ua/ru/books/book-5/part-1/section-2/2-7.
7. findpatent.ru/patent/226/2265163.html.
8. gigavat.com/ses_tipi.php.
9. greenologia.ru/eko-zhizn/texnologii/volnovye-elektrostancij.html.
10. habr.com/ru/company/toshibarus/blog/442632/.
11. habr.com/ru/company/vdsina/blog/526368/.
12. https://втораяиндустриализация.рф/poplavkovaya-elektrostanciya/.
13. information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/249-kakim-obrazom-ispolzuyut-energiyu-okeana.
14. invlab.ru/texnologii/alternativnaya-energiya/.
15. kursi-floristiki.ru/otkrytyj-grunt/vodnyj-giacint.html.
16. mirogorodov.ru/vodyanoj-giatsint.html.
17. myelectro.com.ua/98-gidroenergetika/111-glavnye-.
18. mywatt.ru/poleznaya-informaciya/samye-krupnye-solnechnye-elektrostancii-v-rossii.
19. mywatt.ru/poleznaya-informaciya/vidy-solnechnyh-elektrostancij-.
20. ozlib.com/856006/tehnika/solnechnye_elektrostantsii_bashennogo_tipa.
21. pinterest.ru/pin/204984220515800485/?d=t&mt=signup.
22. pinterest.ru/pin/333759022354502655/.
23. pixabay.com.
24. proza.ru/2019/03/05/933.
25. ria.ru/20091113/193404769.html.
26. ru.wikipedia.org/wiki/Биотопливо.
27. ru.wikipedia.org/wiki/Волновая_электростанция.
28. ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_электростанция.
29. ru.wikipedia.org/wiki/Гидроэнергетика.
30. ru.wikipedia.org/wiki/Днепрогэс.
31. ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_электростанция.
32. studme.org/325819/tehnika/stantsii_osnove_paraboloidnyh_kontsentratorov.
33. techcult.ru/technology/3537-volnovaya-elektrostanciya.
34. tmr-power.com/stati/tipy-solnechnykh-elektrostantsij-ses.
35. topscience.net/revolutionary-new-way-of-harnessing-ocean-waves-power/.
36. translate.yandex.ru/translate?lang=en-ru&url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FGeothermal_power_in_Iceland&view=c.
37. twitter.com/TEToday/status/918740290764201984/photo/1.
38. vd-tv.ru/content/volnovye-elektrostancii-preobrazovyvaut-mehanicheskyu-energiu-vody-v-elektrichestvo.