О пользе и вреде электростанций, работающих на альтернативных источниках энергии. Часть 2

Ветряные электростанции

Ветровая, или ветряная, электростанция (рис. 12) преобразует в электричество кинетическую энергию ветра. В нее входят ветродвигатель той или иной формы, генератор электрического тока, автоматическое устройство управления и мощные конструкции для установки и обслуживания этого оборудования. Зачастую используются и устройства, аккумулирующие электроэнергию.

Рис. 12. Ветряные электростанции [23]

Производство таких электростанций является довольно дешевым, но они имеют малую мощность, работают очень шумно и к тому же их функционирование зависит от наличия и силы ветра. Ветропарки часто занимают большие территории (примерно на два порядка больше, чем тепловые электростанции), создают помехи для воздушного сообщения и радиоволн, вызывают локальное ослабление силы воздушных потоков, повышают температуру поверхностного грунта под собой, что вызывает большее выделение углекислого газа почвенными микроорганизмами. То есть крупные ветропарки локально влияют на климат. Впрочем, такого вреда меньше, если используется отдельная установка для изолированно расположенного частного дома или хозяйства.

Рис. 13. Отдельная установка для изолированно расположенного частного дома не принесет такого локального вреда для экологии, как крупный ветропарк [23]

Волновые электростанции

Волновые электростанции вырабатывают электричество за счет механической энергии морских волн. Надо сказать, что энергия волн по сравнению с ветровой или солнечной обладает гораздо большей удельной мощностью.

Уже сейчас предложено практически бесчисленное количество проектов волновых электростанций. И многие из них реализованы. Такие гидроэнергетические установки состоят из перемещающегося под действием волн рабочего тела (твердого, жидкого, газообразного) или водоприемника, силового преобразователя (гидравлической или воздушной турбины, водяного колеса, зубчатой или цепной передачи или др.), генератора электроэнергии и системы крепления для удержания установки на месте. В качестве рабочих тел или вместилищ для них используются поплавки, волноприемные камеры, эластичные трубы, волноотбойные сооружения и пр.

Например, волны поступают в трубу либо проходят через полую камеру и выталкивают сжатый воздух (рис. 14), заставляя работать турбину и электрогенератор. Может также использоваться энергия поверхностного качения или колебательных движений расположенных на поверхности воды преобразователей-поплавков или их комбинаций разной формы (рис. 15). Существуют даже так называемые морские змеи – цилиндрические преобразователи-поплавки, соединенные шарнирно. Такая «змея» под воздействием волн изгибается (рис. 16) и приводит в движение гидравлические поршни. Бывают располагающиеся на берегу бетонные сооружения с наклонной суживающейся поверхностью для набегания волн, вода которых через суживающийся канал поступает в турбинный водоприемник. Иногда эти сооружения имеют форму небольшого атолла с водоприемником посередине. И так далее.

Рис. 14. Волновая электростанция Oceanlinx (Австралия). Проходящие через нее волны периодически заполняют водой особую камеру, вытесняя из нее воздух, который вращает лопасти турбины [6]

Рис. 15. Некоторые типы поплавковых электростанций, преобразующие энергию качения или колебаний при воздействии волн [12, 22, 27, 33, 35, 37]

Рис. 16. Поплавковая волновая электростанция – «морская змея» [5]

Разумеется, потенциал волновых электростанций огромен, потому что они используют неисчерпаемый и бесплатный источник экологически чистой энергии. Но на сегодняшний день получаемое таким способом электричество является очень дорогим и в мире его производится только 1%, причем только для локального применения, то есть в приморских населенных пунктах. Сами волновые электростанции пока имеют большие риски повреждений. Кроме того, возможное в будущем покрытие ими значительной части той или иной акватории может все-таки повредить экологии, помешать судоходству и рыболовству.

И все же в определенных регионах за волновыми электростанциями может быть будущее. На сегодняшний день уже около 400 маяков и навигационных буев получают от них электропитание. Достаточно значимые из них имеются, например, в Португалии, Норвегии и Австралии. Первые шаги в этом отношении делает и Россия (в Приморском крае).

Кроме того, волновые электростанции могут не только вырабатывать электроэнергию, но и обеспечивать автоматическую охрану морских границ и выступать в роли волногасителей, защищая буровые платформы, берега, гавани, опоры мостов, маяки, причалы и другие береговые сооружения от разрушений.

Приливные электростанции

Приливные электростанции (рис. 17) используют для выработки электричества механическую энергию приливов и отливов. Для их устройства, например, перекрывается плотиной небольшой залив или устье реки. Во время прилива вода поступает в этот бассейн через водопропускные отверстия в плотине и вращает турбины, которые заставляют работать электрогенераторы. Когда уровни воды в бассейне и море становятся одинаковыми, затворы водопропускных отверстий закрываются. А когда при отливе уровень воды в море достаточно снизится, эти отверстия открываются и напор обратного течения воды снова вращает турбины. Есть и ряд других проектов.

Но и у этих электростанций есть недостатки. Их можно строить только на берегах морей и океанов, причем желательно там, где приливно-отливные колебания уровня моря составляют не менее 4 м. Мощность их невелика, тем более что приливы бывают только два раза в сутки. К тому же приливные электростанции нарушают обмен соленой и пресной воды и условия жизни морских живых организмов (а иногда и речных, если отгороженным бассейном является устье реки). Они могут повлиять на местные климатические условия, меняя скорость движения и территорию распространения морских вод при приливах и отливах.

Рис. 17. Турбина приливной электростанции во Франции [21]

Градиент-температурные электростанции

Градиент-температурные электростанции пока не очень распространены. Они строятся преимущественно в акваториях морей и океанов (пока в основном в экспериментальном порядке). Перепад температур между холодной водой на глубине и нагретой солнцем теплой водой на поверхности представляет собой неисчерпаемый источник энергии. Так, средняя температура воды у поверхности океанов в тропиках достигает 25-30 град. по Цельсию, на глубине 400 м она уменьшается до 12 град., а на глубине 1 км - до 3-5 град.

Эти электростанции работают по принципу так называемых тепловых насосов (как в кондиционерах или холодильниках, только в обратном порядке) (рис. 18, 19). Основным их элементом является широкая труба длиной в несколько сотен метров, которая погружается на большую глубину для забора холодной воды. Воду поднимают по трубе к поверхности, при этом она охлаждает теплоноситель (низкокипящую жидкость) в закрытой системе циркулирования (или морскую воду в открытой системе, причем могут быть и гибридные схемы). Охлажденный теплоноситель поступает в другой сектор системы, в котором нагревается поверхностной теплой водой и испаряется с образованием газа (пара), который вращает турбину (турбины), заставляющую работать электрогенератор. Потом газ поступает в охлажденную часть системы и конденсируется, опять превращаясь в низкокипящую жидкость. Затем процесс повторяется.

Рис. 18. Принцип работы градиент-температурной морской электростанции, где теплоносителем является низкокипящая жидкость, которая циркулирует в закрытой системе, оборудованной особыми клапанами для снижения или повышения давления [13]

Рис. 19. Принцип работы градиент-температурной морской электростанции, где теплоносителем является морская вода, которая циркулирует в открытой системе, оборудованной особыми клапанами для снижения или повышения давления [1]

Однако градиент-температурные электростанции способствуют нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных, выделению из глубинных вод большого количества углекислого газа, что сказывается на климатических условиях и экосистемах соответствующих районов.

И все же основная цель создания таких электростанций - обеспечение электричеством островных и удаленных регионов, которые пока еще используют привозное топливо. Поэтому, например, в островном штате Гавайи (США) гидротермальные проекты разрабатываются и претворяются в жизнь уже несколько десятков лет.

По мнению российских исследователей, создание градиент-температурных электростанций возможно даже в Арктике, но если использовать разницу между водой океана и гораздо более холодным атмосферным воздухом (разница достигает 40 град. по Цельсию).

Может быть строительство и работа градиент-температурных электростанций не только в море, но и, например, за счет разницы температур в глубоких слоях грунта и в атмосферном воздухе. Во всяком случае, просто для получения дополнительного тепла (нагрева воды) для некоторых частных домов уже вовсю используют "тепловые насосы", работающие на основе разницы температур между грунтом ниже сезонно-мерзлого (а можно и ниже многолетнемерзлого) слоя и атмосферным воздухом. Или между водой в ближайшем водоеме и атмосферным воздухом. Не говоря уже о кондиционерах, работающих на обогрев, а не только на охлаждение. И т.д.

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции (ГеоЭС) вырабатывают электричество за счет преобразования внутреннего тепла Земли. Прежде всего это гидротермальные электростанции, которые работают за счет энергии горячих пароводяных источников. Ведь температура земных слоев с глубиной увеличивается в среднем на 1 град. по Цельсию на каждые 36 м и на глубине 2-3 км от поверхности она выше 100 град. Природный пар на ГеоЭС направляется из скважины или гейзера по трубам к турбинам, соединенным с электрогенераторами. (Этот пар иногда приходится очищать от газов, вызывающих коррозию труб, и/или ядовитых для живых существ.)

Стоимость такой электроэнергии относительно невысока (хотя велики первичные вложения в разведку и строительство). ГеоЭС могут работать стабильно и занимать мало места в отличие от ветряных и солнечных электростанций. Более того, на некоторых ГеоЭС добывают газы, металлы и другие вещества, растворенные в пароводяной смеси, поступающей из-под земли. Например, одна из итальянских геотермальных электростанций поставила на промышленную основу добычу борной кислоты.

Самые крупные в мире ГеоЭС находятся в Кении, США, Индонезии, Японии, Исландии, на Филиппинах. Есть такие станции и в России (на Камчатке и на Курилах). (Отметим, что горячая вода или пар из-под земли могут использоваться в быту или на производстве непосредственно, без выработки электроэнергии, как это делается, например, в Исландии или даже в некоторых населенных пунктах Северного Кавказа.)

Рис. 20. Геотермальная электростанция Palinpinon на Филиппинах [28]

У геотермальных электростанций тоже есть недостатки. Они пока не могут сравниться по мощности с ГЭС, АЭС и ТЭС. К тому же в ряде случаев велика опасность локального оседания грунтов в месте забора пара или горячей воды и даже инициирования сейсмической активности. Кроме того, как уже было отмечено, выходящий из земных недр пар (или вода) может содержать ядовитые для живых организмов вещества (свинец, кадмий, мышьяк, цинк, серу, бор, аммиак, фенол и др.). И выброс таких смесей в атмосферу или водоем вызовет локальную экологическую катастрофу. В случае очистки пара от поднимающихся с ним опасных веществ и закачки конденсата обратно под землю геотермальные электростанции наносят минимальный вред экологии (или вообще не наносят) и практически не имеют сейсмических рисков. Но риски нештатных ситуаций все-таки остаются.

И конечно, для строительства геотермальных электростанций необходимы определенные инженерно-геологические условия, поэтому их создание возможно только в особых регионах, где имеются горячие подземные воды.

Впрочем, если горячей воды и пара в недрах нет, то можно строить альтернативные петротермальные электростанции, на которых производится закачка воды в глубокую скважину с горячими породами, где эта вода превращается в пар, который возвращается по соседней скважине (скважинам) обратно и крутит турбину (турбины) электростанции (рис. 21). Пока такие системы создаются только на экспериментальном уровне (например, в Японии и Австралии). Но и тут нужны определенные условия – прежде всего наличие водоемов, не слишком дорогая буримость грунтов и отсутствие сейсмических рисков.

Рис. 21. Упрощенная схема работы петротермальной электростанции [10]

Биомассовая энергетика

В качестве возобновляемого источника энергии может использоваться биотопливо, получаемое из растительного или животного сырья, продуктов жизнедеятельности живых организмов или промышленных органических отходов. Это могут быть, например, стебли кукурузы или тростника, погибшие животные, быстрорастущие водоросли, навоз и др.

Бывает жидкое биотопливо, используемое для двигателей внутреннего сгорания (например, этанол, метанол, биодизель), твердое биотопливо для использования в быту и промышленности (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное биотопливо для получения электричества и непосредственного использования в быту и промышленности (биогаз, водород).

Самым безобидным для экологии является использование биогаза. Для его получения используют брожение биомассы под воздействием трех видов бактерий. При этом выделяется биогаз с высоким содержанием метана, и его вполне можно применять для выработки электроэнергии и просто для обогрева помещений, нагревания воды, приготовления пищи и пр.

Уже существуют, например, животноводческие хозяйства, которые сами обеспечивают себя электроэнергией и теплом, поскольку имеют специально разработанные биогазовые реакторы, работающие на навозе. При этом от навоза остается сухой остаток, который является хорошим удобрением для полей.

А, например, в африканской Кении экологически чистый биогаз начали успешно производить из такого цветкового растения, как водяной гиацинт (эйхорния отличная). Это растение в 1990-е годы было завезено из Южной Америки в Африку. Оно служит кормом для ряда связанных с водой животных, имеет красивые цветы, а его корневая система поглощает вредные вещества и тяжелые металлы, растворенные в воде. Однако при идеальных для водяного гиацинта климатических условиях он вызывает слишком быстрое зарастание поверхности водоемов, за что его иногда называют "водяной чумой". Так почему бы не использовать это растение в качестве практически неиссякаемого источника энергии в локальных масштабах? Было подсчитано, что в 4 кг высушенного водяного гиацинта содержится достаточно энергии, чтобы обеспечить ею суточную потребность одной кенийской семьи. Сейчас в Кении работает уже 50 биогазовых реакторов, в которых используется метановое брожение смеси биомассы из водяных гиацинтов и коровьего навоза.

Рис. 22. Водяной гиацинт (эйхорния отличная) и заросший им водоем [3, 15]

Однако получение электричества и тепла в результате сжигания биогаза возможно только в местных масштабах для небольших поселений. К тому же при этом в атмосферу выбрасывается как минимум углекислый газ, который, как известно, способствует потеплению климата. А при сжигании других видов биотоплива выделяется также ряд других вредных для экологии веществ. Более того, большие площади, используемые под посадку растений, из которых можно получать биотопливо, нарушают биоразнообразие. Известно даже, что ради посадки пальм для получения пальмового масла в качестве сырья для производства биотоплива в ряде случаев вырубались дождевые леса.

Заключение

Итак, альтернативная энергетика имеет как преимущества, так и недостатки. Пока действительно большое количество недорогой электроэнергии дают только гидроэлектростанции, причем они производят углекислый газ в основном только на этапе строительства.

Любые виды альтернативной энергетики зависят от определенных погодных, климатических, геологических и социальных условий. Поэтому многие из них требуют строительства ресурсоемких и очень дорогих аккумуляторов электроэнергии.

Возможно, суточные, сезонные и прочие колебания в производстве электричества можно сбалансировать за счет комбинирования разных типов получения электроэнергии (рис. 23) и создания континентальных сетей электропередачи, соединяющих между собой ветряные, солнечные и другие электростанции, но для этого потребуются огромные инвестиции. При этом всегда надо думать о правильной утилизации отработанных элементов электростанций, функционирующих за счет возобновляемых источников энергии.

Рис. 23. Один из типов комбинирования разных типов электростанций – в данном случае солнечных и ветровых [23]

В любом случае рано или поздно придется переходить на альтернативную энергетику, поэтому ученые всего мира упорно работают над проектами по увеличению ее эффективности и уменьшению ее воздействия на экологию.

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.