На сегодняшний день становится понятно, что жизнь человека на нашей планете станет невыносимой, если в самом ближайшем будущем человечество не перейдет на возобновляемые источники энергии. 2017 год был объявлен годом экологии для привлечения внимания общественности к проблемам экологии. Проблем в экологии действительно много, и энергетика в ней занимает, пожалуй, центральное место.
Наше общество разделяется на два лагеря. Одни, с экономическим складом ума, мыслят рационально и видят возобновляемую энергию слишком дорогой для потребителей. И это действительно так, типичные ВИЭ — ветровые и солнечные с учетом затрат на обслуживание дают намного более дорогую электроэнергию, чем от ГЭС, ТЭС и АЭС. Попытки обойти этот факт утверждением, что они окупятся через 20 лет некорректны — по прошествии этого срока они выработают свой ресурс.
Другая часть общества видят в возобновляемых источниках энергии спасение планеты, возможность передать ее в руки внуков в пригодном для жизни состоянии за счет сокращения выбросов углекислого газа. И неважно, сколько будет стоить такая энергия.
Обе части общества по-своему правы. Но как же быть?
Всё новое — хорошо забытое старое. Пожалуй, самой большой ошибкой в вопросе перехода на возобновляемые источники энергии является то, что энергия, получаемая от разных источников, обезличена, измеряется единой единицей измерения (Ватты в час) и смешивается в едином «котле», откуда распределяется всем потребителям просто в виде электроэнергии.
Когда не было развитой сети электроснабжения такой проблемы не было. Люди, не искушенные преимуществами электрической энергии, энергию расходовали рационально. Люди, располагавшие ветряными мельницами, максимально полезно их использовали, за счет превращения кинетической энергии ветра в механическую энергию, приводящую во вращение жернова мельницы. Если люди обладали гидроэнергией, они ее использовали для поднятия воды в целях орошения, приведения во вращение кузнечных мехов и молота. Топливо люди сжигали только для обогрева. Людям не приходило в голову ветряные мельницы и водяные мельницы использовать для получения тепла, а энергию сжигания топлива использовать для приведения во вращение каких-либо механизмов и других электроприборов (https://elektrikadeshevo.ru/).
А теперь давайте посмотрим на нашу сегодняшнюю ситуацию на примере одной из западных стран. Вблизи населенного пункта А построена солнечная электростанция, энергия которой, как и от всех возобновляемых источников энергии, попадает в общую сеть и равномерно распределяется всем потребителям. В населенном пункте А имеется частный сектор без газификации и в каждом домовладении расположен накопительный электрический водонагреватель для нужд горячего водоснабжения — бойлер. Рационально ли жители населенного пункта А используют электрическую энергию? Нет. Электрическая энергия расходуется в бойлере просто на нагрев воды, что неэффективно, ведь тут не используются, как следует, преимущества электрической энергии — её бесшумность, невидимость, отсутствие загрязнения окружающей среды в местах ее потребления. Причем при низком потреблении воды бо ́льшая часть энергии уходит на восполнение потерь тепла через тепловую изоляцию бойлера. Вместо электрических водонагревателей можно было установить солнечные коллекторы, ведь солнечного излучения в данной местности достаточно для этого. Но это не выгодно, так как цена электроэнергии низкая, поскольку государство субсидирует солнечную энергетику «зеленым» тарифом.
На примере все того же накопительного водонагревателя давайте проследим, что происходит, когда энергия для бойлера производится на тепловой электростанции. При сжигании топлива на ТЭС только 35-40% энергии переходит в электрическую (60-65% рассеивается в окружающей гидросфере или атмосфере), затем часть (допустим, 10% от электрической энергии) теряется при транспортировке и в итоге… остаток, дошедший до потребителя, просто нагревает воду в емкости или просто восполняет тепловые потери в бойлере… То же справедливо для электрических масляных обогревателей, электрических котлов, электрических чайников. Снизить потребление энергии, вместе с ним топлива (примерно в три раза!) и вместе с ним выбросы углекислого газа (также примерно в три раза) можно было бы, заменив электрический нагрев непосредственным сжиганием топлива, например природного газа — то есть использовать котлы для отопления и горячей воды на природном газе, а для приготовления пищи и чая/кофе использовать газовые плиты взамен электрических.
Вы можете мне возразить, мол, в современных высотных домах газовые плиты не устанавливаются вовсе, а у современных электрических индукционных плит высокий КПД, примерно 90% против 60-70% у морально устаревших чугунных теновых электрических плит. У газовых плит КПД составляет до 60% (при использовании современной посуды с двойными стенками). Но давайте не забывать о том, чтобы подать электроэнергию на индукционную печь, ее нужно произвести с КПД, если повезет, 40% и дотранспортировать с КПД 90%. Итого общий КПД индукционной печи, если электроэнергия произведена из газа, составит 0,4*0,9*0,9 = 0,32 или 32%, в то время как у старой «бабушкиной» газовой плиты КПД составляет до 60%.
Что касается высотных домов, то, вероятно, скоро нам будет нужно пересмотреть целесообразность строительства высотных зданий вообще и жилых высотных домов в частности. Так, например, недавно была подана петиция о запрете строительства высотных домов в Москве (Источник №6). А ведь действительно, архитекторы перекладывают проблемы жизнеобеспечения зданий на энергетиков и экологов. Кроме исключения газовых плит из использования, высотные дома требуют исправной работы лифтов, дополнительного насосного парка для холодного и горячего водоснабжения (в небоскребах сооружается целая цепь резервуаров наподобие водонапорных башен — смотри Источник №11), а это дополнительные затраты энергии, дополнительное загрязнение экологии. На свалку истории оказались выброшены системы отопления с гравитационной циркуляцией и практика оставлять окно между кухней и санузлом, благодаря которому естественный солнечный свет в дневное время попадал в санузел… Может, действительно, пора спуститься на землю и строить дома пятиэтажные?
Пора что-то решать. К настоящему моменту можно сделать вывод о том, что новых революционных технологий производства энергии из возобновляемых источников в ближайшем будущем ждать не приходится. Хотя и ожидается некоторое снижение себестоимости производимой электроэнергии при более массовом производстве таких электростанций, но в целом, основные технические характеристики известных типов электростанций близки к максимально возможным. Так, себестоимость электрической энергии от лучших солнечных электростанций оставляет 350-1500 руб/МВт*ч, ветряных электростанций 300-900 руб/МВт*ч, гидроэлектростанций 150-200 руб/МВт*ч, тепловых электростанций 220-350 руб/МВт*ч, атомных электростанций 200-500 руб/МВт*ч (Источник №1). С этим мы и наши дети вынуждены будем жить в ближайшей перспективе.
Совершенно ясно, что нужно тепловые электростанции частично заменять на электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии. Но когда и насколько — вопрос остается открытым. Самый главный практический вопрос — к каким показателям нужно стремится? Ведь в настоящее время озвучивается только то, что нужно осваивать ВИЭ, но без оглашения конкретной задачи и конкретной цели ситуация с места не сдвинется.
В некоторых странах могут хвастаться изобилием возобновляемых источников энергии — сильным ветром, высоким солнечным излучением, доступностью гидроэнергии, низким энергопотреблением. В этих странах жители оценивают электроэнергетику других государств по своей стране, те или иные источники возобновляемой энергии идеализируются в том или ином виде. Где-то видят смысл в развитии только ГЭС (как, например, в Норвегии), где-то только ветряных электростанций (например, в Дании). Другие страны, например, Россия, имеет более скромный потенциал возобновляемых источников энергии, пригодных для экономически рационального освоения, и в то же время имеют большую потребность в энергии в силу природных факторов. Все это проявляется в значительных перегибах: где-то возобновляемая энергетика вообще не используется, а где-то она используется нерационально.
И вообще, нужно ли сокращать выбросы углекислого газа на нашей планете?
Баланс углерода на земле выглядит примерно так:
— ежегодно наземное микробное дыхание выделяет +60 млрд тонн углерода в атмосферу, растительное дыхание выделяет +60 млрд тонн углерода в атмосферу, антропогенные выбросы добавляют почти +9 млрд тонн углерода (в том числе из-за сжигания нефтепродуктов 3,5; угля 2,9; природного газа 1,5; производства цемента 0,5 млрд тонн в год), итого +129 млрд тонн в год.
— ежегодное наземное поглощение наземной биосферой за счет поглощения и фотосинтеза в доиндустриальный период составляло -120 млрд тонн в год, в настоящее время из-за повышения концентрации углекислого газа в воздухе и увеличения роста растительности — 123 млрд тонн углерода в год.
Следовательно, ранее выделение и поглощение наземной биосферой углекислого газа находилось в равновесии (+60+60, — 120), в настоящее же время поступление увеличилось на +9, поглощение увеличилось на -3, остаток составляет +6 млрд тонн, он попадает в атмосферу и мировой океан.
Баланс углерода в мировом океане выглядит примерно так:
— ежегодное дыхание и разложение в мировом океане составляет выделяет около +90 млрд тонн углерода.
— ежегодное поглощение мирового океана за счет фотопланктона и фотосинтеза ранее составлявшее -90, увеличилось до -92 млрд тонн из-за увеличения концентрации углекислого газа в воздухе из-за антропогенных выбросов.
Следовательно, ранее выделение и поглощение океаном углерода находилось в равновесии (+90, — 90), в настоящее же время поглощение из атмосферы увеличилось на -2 млрд тонн в год. (Источник №2)
То есть при +9 млрд тонн углерода, выделяемого в атмосферу за счет антропогенных факторов только -5 млрд тонн, то есть половина, усваивается биосферой и океанами (-3,-2), остальной углерод остается в воздухе и приводит к парниковому эффекту. Но это не главное.
Главное в другом. Замечено, что обширные лесные пожары могут высвобождать ежегодно до 1, 2, 3, 4 млрд тонн углерода! Это вполне сравнимо с третью и даже половиной всех антропогенных выбросов… Почему так происходит? Это происходит потому, что на земле и в океане накоплены колоссальные запасы углерода. Например, в растительной биомассе содержится 550 млрд тонн углерода и, конечно, если происходят обширные пожары на площади в миллион гектаров, то в атмосферу может быть высвобождено колоссальное количество углерода, сравнимое со всем сжигаемым топливом человеком за год. В атмосфере содержится примерно 720 млрд тонн углерода, а в океане, крупнейшем хранилище углерода — аж 38400 млрд тонн!
А исправное ли у нас это хранилище? Мы думаем, что дело только о выбросах углекислого газа, в то время как щедро загрязняем атмосферу многочисленными другими парниковыми газами в том числе обыкновенным водяным паром, совершенно не считаясь с тепловым загрязнением окружающей среды. А ведь поглощение всех газов, в том числе углекислого, водой мирового океана напрямую зависит от температуры.
Создавая парниковый эффект за счет выброса фреона, напрямую нагревая воздух нашими двигателями внутреннего сгорания, нагревая воду прудами-охладителями ТЭС и АЭС, мы вместе с тем повышаем температуру воды в мировом океане. Таким образом мы создаем эффект тепловой деаэрации, когда вода перестает поглощать газы и начинает высвобождать уже растворенные в ней газы, в том числе парниковые. Существует даже гипотеза «о метангидратном ружье» — гипотеза о возможности внезапного, самоусиливающегося процесса высвобождения метана из отложений гидратов метана под морским дном, которое сократит содержание кислорода в атмосфере и приведет к резкому повышению температуры на Земле8.
В это самое время ситуация зацикливается — повышение температуры воздуха обнажает залежи метана в Арктике, отчего этот парниковый газ начинает усиленно попадать в атмосферу, повышение температуры в океане приводит к исчезновению гигантских природных зеркал, отражающих солнечное излучение обратно в космос — ледяных шапок, расположенных, в первую очередь, в Северо-Ледовитом океане. Сильное воздействие могут оказывать и «безобидные» ГЭС, расположенные на сибирских реках, если они задерживают пресную, более легкую воду в зимнее время (существует гипотеза, что именно из пресной воды сибирских рек, главным образом, образуется лед в Северо-Ледовитом океане, поэтому если слив пресной воды сдерживается в холодное время, то льда в Северо-Ледовитом океане образуется значительно меньше). Дополнительный разогрев океана усиливает происходящие процессы.
Основные мероприятия по сохранению нашей атмосферы должны быть направлены не столько на уменьшение выбросов углерода в атмосферу, сколько на предупреждение лесных и степных пожаров и, самое-самое-самое главное — на сохранение крупнейшего хранилища углерода — океана, в исправном состоянии. Архиважная проблема даже не в том, чтобы снизить содержание углекислого газа в атмосфере, а в том, чтобы океан не стал выдавать нам в атмосферу обратно накопленные 38 400 млрд тонн углерода!
Такой подход значительно меняет концепцию бережного отношения к нашей планете, где основная задача — меньше выделять тепла на поверхности Земли, а не просто меньше выделять углекислого газа.
Оппоненты могут заявить, что на Землю попадает от Солнца в 7-10 тысяч раз энергии больше антропогенных выбросов и что они ничтожны по сравнению с Солнечным теплом. Это так, но только при очень грубом расчете. Важен характер излучающего тела, его агрегатное состояние, его температура и характер излучения. Если в естественных условиях источником инфракрасного излучения является сильно нагретая твердая пустынная земля, теплые стебли растений в умеренной полосе, белоснежная поверхность твердого льда на горных хребтах или жерло вулкана с горячей лавой, можно сказать, что значительная часть их инфракрасного излучения уйдет в космос, поскольку тела твердые и излучают несколько другой спектр (в отличие от жидкостей и газов). Кроме лучистой энергии, отраженной от льда, эти поверхности сильно нагреты относительно окружающей среды и потому сильнее испускают инфракрасное излучение. А каким образом человек избавляется от излишнего тепла? Во-первых, чаще всего это именно газы с присущими им, особенным спектром излучения. Во-вторых, это тепло всегда низкотемпературное, то есть температура выбросов чаще всего выше окружающей среды всего на несколько градусов. В-третьих, теплоносителем часто выступает углекислый газ (дым) или водяной пар (от водооборотных циклов), то есть как раз те парниковые газы, которые, находясь в том же агрегатном состоянии на десяток километров выше, прекрасно это излучение (от более нижних слоев) поглощают без остатка. Кроме того, это тепло мы выбрасываем в биосферу, прямо себе под нос. Мы повышаем температуру рек, окружающего воздуха, океана, в которых и находится все те организмы и растения, что работают на поглощение и удержание углерода для всего земного шара.
Но нет, мы сами себя обманываем, сравнивая Ватты на квадратный метр одного вида излучения с Ваттами на квадратный метр совсем другого излучения. Все-таки было ошибкой все виды энергии выражать в Ваттах, мы из-за этого потеряли связь с реальностью. Думаю, Джеймс Уатт был бы очень разочарован в этом.
Итак, если предупреждать глобальное потепление, все-таки, сокращением тепловых выбросов, а не сокращением выбросов углекислого газа (а снижение выбросов углекислого газа и так будет сопутствовать снижению выбросам тепла), то вырисовывается следующая картина:
— вред от атомных электростанций вполне сравним с вредом от простых угольных тепловых электростанций, ведь электрический КПД у АЭС ниже (30-35%), чем у ТЭС (35-40%), то есть тепла от АЭС в биосферу выбрасывается больше, чем на ТЭС;
— тратить ресурсы на покорение управляемого термоядерного синтеза для создания новых АЭС также смысла нет, ведь энергию нужно вырабатывать исключительно из уже находящейся энергии вблизи поверхности Земли — энергии ветра, солнца, воды;
— усиленно развивать выработку геотермальной электроэнергии за счет каких-то фантастически сверхглубоких скважин тоже не рационально.
Электрический КПД турбин на паре низких параметров (15-20%) еще ниже электрического КПД турбин АЭС, поэтому при той же выработке электроэнергии, тепловые выбросы в атмосферу от ГеоТЭС будут намного большими, чем у АЭС и, тем более, ТЭС.
Одним из самых передовых методов выработки электроэнергии в последнее время называют создание огромной солнечной электростанции в пустыне Сахара на африканском континенте, энергию от этой СЭС предполагается посредством линий электропередач передавать в Европу (Источник №3). Но солнечные батареи сами по себе темно-серого цвета… Создание огромной солнечной электростанции размерами с небольшое государство повлечет за собой больший разогрев земной поверхности и нижних слоев атмосферы, ведь сегодня светлый песок в пустыне отражает большую часть солнечного излучения, а завтра темно-серые фотоэлектрические панели будут не только вырабатывать энергию для человека, но и притягивать большое количество солнечного излучения, которое раньше отражалось обратно в космос.
Тепловое загрязнение от СЭС необходимо компенсировать сооружением легких конструкций с зеркальными или белыми поверхностями, отражающими солнечный свет обратно в космос, чтобы конструкции СЭС с такими компенсаторами поглощали столько же солнечного излучения, сколько природная поверхность в данной местности до сооружения солнечной электростанции.
— по этой же причине обширные пожары катастрофичны не только выбросами большого количества углекислого газа, не только выделением большого количества тепла во время пожара, но и большим поглощением солнечной энергии территорией, на которой рассыпан черный пепел.
— Сообщалось, что группа волонтеров приступила к окраске белой краской горы, потерявшей снеговой покров из-за глобального потепления. Ожидается, что белая краска остановит нагрев этой территории и снеговой покров, пусть даже небольшой толщины снова восстановился на этой горе (Источник №4).
По-видимому, этот прием должен стать привычкой для всего человечества — нужно всеми способами восстанавливать снеговые покровы в горах, способствовать восстановлению льдов в Северо-Ледовитом океане и просто окрашивать свои автомобили и дома в светлые тона для максимального отражения солнечного излучения от земной поверхности (Источник №5).
Земля — наш дом. Давайте попробуем сделать следующий важный вывод — можно ли вообще избавится от тепловых электростанций? Вместе с этим вопросом давайте зададимся еще одним вопросом, актуальным для России — может ли человечество обойтись без ископаемого топлива вообще? Кроме выработки электроэнергии, топливо еще затрачивается для отопления и горячего водоснабжения.
Слово экология произошло от слияния древнегреческих οἶκος — обиталище, жилище, дом, имущество и λόγος — понятие, учение, наука, то есть экология — наука о жилище. Давайте посмотрим на проблему использования топлива на примере своего домохозяйства. ТЭС. Можно ли отказаться от топлива вообще в своем домохозяйстве? На нашей планете, конечно, есть места, где легко использовать геотермальную энергию, но их можно пересчитать по пальцам. В Западной Европе широко используются для отопления и горячего водоснабжения тепловые насосы. Да, относительно дешевые тепловые насосы «воздух-воздух» (наподобие кондиционера, переносящего тепло с улицы в помещение) могут довольно активно использоваться при температуре окружающего воздуха выше -15ºС. Тепловые насосы «вода-вода» или «вода-воздух», отбирающие низкотемпературное тепло из земли, не зависящие от температуры окружающего воздуха, стоят как новый легковой автомобиль, имеют ограниченный срок службы и во время работы потребляют довольно много электрической энергии. Это не по карману обычному жителю Земли.
Значит, без топлива и без его сжигания, хотя бы для использования его для нужд отопления и горячего водоснабжения, нам не обойтись. Тогда возникает вопрос, а что случится, если оставить тепловые электростанции для обеспечения энергией установки по добыче, транспортировке и сжиганию топлива? Потребление топлива от этого сильно не увеличится (на какие-то проценты), ведь оно будет использовано только для манипуляций с самим топливом. Да, при таком раскладе количество ТЭС сократится, но принципиально важно то, что они, как разновидность электростанций, обязательно останутся в обозримой перспективе. И пока работники ТЭС, читая эти строки, радостно выдыхают задержанный в легких воздух, мы с Вами вспомним, что на ТЭС разделяются на КЭС (конденсационные) и ТЭЦ (телоэлектроцентрали), где используются соответственно только конденсационные турбины и турбины с отбором пара или турбины с противодавлением. Последние, словно, снимая сливки с молока, превращают в электрическую энергию легкодоступную кинетическую энергию пара, а остаток энергии, словно обезжиренное молоко в виде пара или горячей воды отпускают другим потребителям. А турбины конденсационные как раз и являются злостными загрязнителями окружающей среды. Такие турбины выжимают из пара всю энергию, которую можно обратить в механическую. Однако даже на выходе из турбин отработанный пар обладает огромным количеством энергии (хотя и низкотемпературной). Именно из-за несовершенства такого способа производства энергии, примерно 60% тепла от сжигания топлива тут же, на тепловой электростанции, направляются в атмосферу или гидросферу. Это, конечно, усугубляет и загрязнение углекислым газом атмосферы, увеличивает тепловое загрязнение окружающей среды, приводит к выбросам водяного пара — сильнейшего парникового газа на нашей планете. Именно в выводе из эксплуатации таких, конденсационных турбин, в будущем и будет заключаться снижение производства электрической энергии тепловыми электростанциями. Тепловые же электростанции, преимущественно работающие по тепловому графику, будут актуальны и в далеком будущем (актуально для ТЭЦ).
Эпиграф, написанный в начале данной работы, на самом деле, написан не случайно, он явился ключом к разработке данной концепции, в котором предлагается разделить потребителей и производителей на своеобразные стихии — огонь, воду, воздух, землю и эфир.
На примере ТЭС мы с Вами выяснили, что энергию, предназначенную для добычи, транспортировки и сжигания топлива (собственные нужды котлов, котельных, печей и сушилок, работающих на топливе) нет смысла заменять возобновляемыми источниками энергии, такую энергию есть смысл производить, как и раньше, за счет сжигания топлива на тепловых электростанциях. Нет никакого смысла даже фантазировать на тему обеспечения собственных нужд топливопотребляющего оборудования за счет возобновляемых источников, потому что везде, где есть сжигание топлива, так или иначе можно получить и энергию для собственных нужд, минуя её электрическую форму. Так, например, на провозах широко применялись насосы с паровой тягой — так называемые паровые инжекторы.
Особенность потребителей энергии для нагрева заключается в большой неравномерности — они стремится к нулю в летнее время, но увеличивается в летние часы пик (расходы на отпуск горячей воды), очень большие расходы такой энергии в зимнее время и достигают максимальных значений в зимние часы пик. Для обеспечения таких потребителей нерационально сооружать ветряные и, тем более, солнечные электростанции, ведь и без того их низкий КИУМ (коэффициент использования мощности) за год в таком случае будет около нуля. Ведь, в своем домохозяйстве Вам никогда не придет в голову обеспечивать себя энергией для отопления со средней нагрузкой, например, 30 кВт, за счет сооружения специально для этого ветряной электростанции. При очень оптимистичном коэффициенте установленной мощности на зимний период на уровне 0,33, для средней нагрузки отопления 30 кВт, Вам потребуется установить ветряк мощностью 100 кВт. Его высота составит примерно 32,5 метра (мачта+лопасть), лопасти будут длиной 12,5 метров, а диаметр описываемой окружности составит 25 метров (Источник №13).
А что, если электроэнергию произведенную тепловыми электростанциями (где энергия выработана за счет образования ТЕПЛА) направлять тем потребителям, которые её используют для НАГРЕВА? Например, электросварка, электрические котлы, электроконвекторы, утюги, электрочайники, микроволновки и так далее… Такую энергию можно условно назвать «нагревающей». В этом случае будет более ясна необходимость газификации всех жилых домов, особенно домовладений, ведь гораздо рациональнее получать тепло для горячей воды, отопления, приготовления пищи от сжигания природного газа на месте с КПД 80-90%, чем использовать на нагрева электрическую энергию, выработанную на ТЭС с КПД 30-40%.
ГЭС. А что, если электроэнергию произведенную гидроэлектростанциями (где энергия произведена от падения воды), условно назовем «поднимающей», направлять на привод водяных насосов и вообще на водоснабжение и водоотведение? Также ее есть смысл ее расходовать на ПОДЪЁМ грузов во всевозможных механизмах. Почему? Потому, что обилие ГЭС обычно бывает в горной местности, там как раз много используется энергии наземным транспортом на преодоление подъемов, при этом ветра бывает недостаточно для установки ветряных электростанций, при этом потребление и выработка энергии может совпадать по времени — оно небольшое в течение всего дня и сильно возрастает в часы пик.
Тогда в некоторых местах станет очевидно, что человек запрудил гораздо больше рек, чем ему требуется для производства энергии для водоснабжения и подъема грузов. Ведь есть много мест, где человек слишком сильно нарушил экологию строительством гидроэлектростанций — нарушил рыбное хозяйство или усилил нагрузку на слабые грунты в сейсмоопасных регионах.
ВЭС. А что, если электроэнергию, произведенную ветряными электростанциями благодаря движению воздуха, условно назвать «двигающей», и тратить в электроприёмниках, где потребление энергии преимущественно равноускоренное и относительно равномерное в течение суток: на вентиляцию, наземный транспорт (на движение на равнинных участках), приведение во вращение всевозможных механизмов? Именно так поступали наши прадеды, вынужденные пользоваться ветряными мельницами для размола зерна.
Тормозом к развитию ветроэнергетики является тот факт, что при работе ветряков образуется инфразвук. Но а такая ли это серьезная проблема, если инфразвук будет образовываться и в местах потребления такой электроэнергии, работе вентиляции, например?
В то же время понятно, что дорогую ветряную энергию — чистейшую механическую энергию нельзя бездумно тратить, например, на подогрев воды, потому что это безумие. Но почему-то это безумие сейчас в масштабах Евросоюза считается нормальным…
СЭС. А что, если выработанную солнечными электростанциями энергию назвать «информирующей» и использовать эту ценнейшую энергию для навигации — для освещения помещений, для работы электроники — телефонов, ноутбуков, телевизоров и прочей техники, где нет сильного нагрева и механических взаимодействий?
Со временем (наверное, в 22-23 веке) солнечным батареям, наверное, можно будет поручить снабжать нас энергией и для электронагревательных приборов — утюгов, микроволновок, чайников, электроплит и электродуховок, масляных обогревателей и так далее, но в ближайшей перспективе, на данном уровне технологий, об этом думать рано.
С таким подходом окажется понятно, что все виды электростанций нужны и важны, и их все нужно использовать по мере возможности, не зацикливаясь на одном из них. И при этом никому не будет обидно за нерациональное использование энергии от дорогостоящих ВИЭ, у каждого вида ВИЭ будет своя ниша, свое место. Более того, значительно решится проблема с неравномерностью выработки электроэнергии из возобновляемых источников.
Дорогую солнечную энергию, конечно, нужно аккумулировать, ведь доля затрат на хранение энергии в данном случае минимальная по отношению к ее полной стоимости. Более того, наши телефоны, ноутбуки, планшеты, на которые нацелена солнечная энергия, аккумулируется даже в самих устройствах, и никакой проблемы в этом нет. Для освещения будут проблемы, впрочем, это еще раз говорит о необходимости перехода к энергосберегающим источникам света, в первую очередь, светодиодам.
Выработку солнечной электроэнергии и ее аккумулирование желательно приблизить как можно ближе к потребителю. Чтобы при каких-либо сбоях в энергосистеме (крымчане, просидевшие в темноте и холоде двое суток даже без свечей поддержат данное предложение) потребитель мог пользоваться преимуществами накопления энергии, ведь она будет расходоваться на самые важные нужды человека — на ориентацию в окружающем пространстве. Это и оптическое освещение, и освещение информационное, и связь.
Есть смысл такую технику изначально производить и распространять через торговые точки с питанием не только от промышленной сети переменного тока 230 вольт и 50/60 Герц, но и от источника постоянного тока напряжением 12 Вольт. Это будет способствовать тому, что многие пожелают приобретать и устанавливать солнечные батареи и создавать отдельные микросети у себя дома, в квартире, на даче, в автомобиле.
В социальных сетях происходят серьезные споры на тему — устанавливать солнечные батареи на крышах автомобилей или нет? Скептики говорят, что количество произведенной электроэнергии ими сравнительно небольшое. Солнечной батареи хватает для искусственного освещения ночью? Вот и прекрасно! Не нужно на неё возлагать функцию ни движения автомобиля, ни отопления, для этого есть другие источники энергии.
Итак, давайте сопоставим нагрузку возобновляемых источников энергии и потребителей энергии не только по стихиям, но и по пиковым нагрузкам:
— большая часть энергии, вырабатываемой турбинами гидроэлектростанций приходится на часы пик. Именно в это время происходит максимальное потребление энергии на водоснабжение и водоотведение. Поэтому тут всё в порядке.
— как Вы могли заметить, потребители ветряной энергии (к которым отнесена вентиляция, холодильное оборудование, приведение во вращение всевозможных механизмов) в основном, имеют характер постоянного и круглосуточного потребления. Поэтому основное требование, которые мы должны возложить на ВЭС — давать нам электроэнергию хотя бы в постоянном, равномерном режиме. Какое-то увеличение в часы пик, конечно, будет (больше транспорта ездит в часы пик, чаще холодильники открываются и т.д.), но оно не будет таким катастрофическим, как в общем энергобалансе в настоящее время. Ветряным электростанциям будет тяжело обеспечить постоянство выработки энергии, но то, что на ВЭС мы не возлагается функция работы по суточному графику нагрузки, уже значительно упрощает задачу. Тем более, в отдельные промежутки времени ВЭС будут подстраховывать ТЭС, ГЭС, АЭС, в дневное время СЭС.
ТЭС, наоборот, будут принимать основной удар по восполнению дефицита энергии в пиковые часы, этим они и сейчас успешно занимаются. В зимнее время у них нагрузка будет гораздо выше, чем летом. Да, неравномерность выработки, более глубокие простои в летнее время скажутся удорожанием энергии от ТЭС, но ведь при этом ее себестоимость приблизится к себестоимости от возобновляемых источников энергии, поэтому система в целом приблизится к равновесному состоянию.
Есть еще одно интересное направление, которое обязательно рассмотреть с точки зрения своего домохозяйства, хотя оно слабо связано с электроэнергетикой, но составляет чуть ли не основу возобновляемых источников энергии. Это — биотопливо. Биотопливо может принимать разные формы — твердое (дрова, топливные гранулы, брикеты), жидкое (метанол, биодизель), газообразное (биогаз, водород), но все виды биотоплива получают из растительного или животного сырья (Источник №7). Представьте — Вы владелец единственной фермы на острове и можете выращивать различные сельскохозяйственные культуры на своем участке. Но жители острова требуют, чтобы Вы выращивали рапс. Много рапса. Его разбирают словно горячие пирожки, для того, чтобы из него промышленник получил биодизель, а мажоры, благодаря биодизелю, катались по острову на своих грузовиках в свое удовольствие. Причем даже если Вы засеете все свои поля, покупателей рапсом все-равно не насытите, им будет мало. Каковы Ваши действия? Увеличивая плантации рапса уменьшается участок с хлебом и цена на пшеницу растет, но рапс все равно дороже. Вы будете сеять только рапс и смотреть, как умирают с голоду Ваши дети? Нет? Тогда почему это происходит в эти часы в масштабах планеты? Площади продовольственных культур уменьшаются, цены на продовольствие растут, и малоимущей части Земли продовольствие становится не по карману.
Изначально идея выращивания биодизеля преследовала благую цель — выращивать рапс там, где пустует земля, дать дополнительную работу сельскому хозяйству. При сжигании биодизеля высвобождается углекислый газ, который потребляется из воздуха новыми побегами рапса. То есть углекислый газ зацикливается, снижается добыча нефти из недр Земли. Но маленький монстр вырос. Теперь для выращивания рапса вырубаются целые леса, которые раньше усваивали много углекислого газа… Теперь когда в какой-нибудь теплой нефтедобывающей стране перекрывают нефтяной вентиль, цены на нефть подскакивают, и большинство сельхозпроизводителей переходят на выращивание рапса, отчего дорожает продовольствие во всем мире и часть человечества остается вовсе без пищи. Нет, запрещать производить рапс и другие виды биотоплива не нужно, достаточно его производство ограничить до количества потребляемого топлива и энергии этим же, сельским, хозяйством. И тоже все встанет на свои места.
Давайте поговорим об АЭС. Думаю, все сойдутся в мнении, что атомных электростанций должно быть мало, быть может, штук 5-10-20 на каждый континент. Хотя они дают, по оценкам многих специалистов, самую дешевую энергию, но атом очень опасен своим коварным ядом. Завышение производимой энергии ими приводит к резкому снижению стоимости производимой энергии, из-за чего исчезают стимулы к ее экономии. Растущие аппетиты потребителей (например, на подогрев воды в бойлерах, на электроплитки, на тепловые насосы, на водоснабжение небоскребов) приходится удовлетворять повышением количества атомных энергоблоков, из-за чего возрастают риски внештатных ситуаций, тепловое загрязнение атмосферы и гидросферы, загрязнение атмосферы водяным паром.
Тут очень сложно найти оптимальное, рациональное решение. В Японии тоже не знают, что делать с атомными электростанциями после Фокусимы-1. С учетом того, что топлива для традиционных АЭС осталось примерно лет на сорок, тренд на снижение мощности очевиден. Быть может, ее вообще не нужно допускать в народное хозяйство?
АЭС — временный источник дешевой, но опасной, искусственной энергии, получаемый от деления ядер тяжелых элементов. Быть может, эту необычную энергию, по аналогии со всеми другими источниками энергии, направлять тоже в обратном направлении? То есть энергию, полученную от искусственного разрушения материи направить на восстановление экологии там, где ее раньше разрушил человек? В самом деле, риск возникновения внештатных ситуаций на АЭС есть и будет в будущем. Как бы человек не модернизировал реакторы, всегда будут находится неучтенные нюансы и «заряженное оружие» стрелять, хотя и очень редко, но будет. Этот риск должен быть оправдан какой-то особой пользой от их работы. Пускай АЭС поставляют энергию только на экологические мероприятия, направленные на предупреждение и компенсацию причиненного ранее ущерба экологии, то есть на газоотчистку промышленных предприятий, пылеуловители угольных ТЭС, выделение и захоронение углекислоты из дыма ТЭС и промышленных предприятий (Источник №9), подъем воды из заброшенных шахт. Действительно, для таких нужд надо энергии относительно мало и она будет отличатся исключительным постоянством, что важно для безопасной работы АЭС.
Работающую (на тот момент) Чернобыльскую атомную электростанцию передали в подчинение Министерству по чрезвычайным ситуациям Украины. Это было сделано, конечно, для более быстрого решения вопросов по ликвидации аварии, но в целом, данный прецедент имеет интерес с точки зрения организации производства такой энергии не для продажи ее посторонним потребителям, а для целевого использования энергии для ликвидации аварий, предупреждения чрезвычайных ситуаций и, конечно, восстановления экологии. Если расход электроэнергии на экологию снижаются, то АЭС есть смысл разгрузить для экономии ядерного топлива, для возможности использования этой энергии в будущем.
Транспорт. Как Вы уже могли понять, за электротранспортом не закреплен какой-то один вид энергии и вид электростанций, хотя основу должны составлять, конечно, ветряные электростанции. Например, троллейбус, едущий по маршруту «Симферополь-Ялта», должен получать энергию от ВЭС для движения по равномерным участкам, от ГЭС для движения в гору, от СЭС для функционирования освещения электроники и кондиционера, от ТЭС для нагрева салона в холодное время года. К сожалению, на момент написания данной статьи не найден способ накопления энергии, который можно было бы использовать для транспорта так же эффективно, дешево и безопасно, как бензин и дизельное топливо. Есть предпосылки того, что в обозримом будущем вряд ли в деле что-то изменится в деле накопления энергии. Если в качестве накопителей энергии не рассматривать аккумуляторы, супер-конденсаторы и супер-маховики, пружины, пневматику, с которыми много проблем, то остается только химические топлива, похожие на углеводородные топлива.
Но не смотря на ожидаемый успех в этом деле, нас ждет полнейшее фиаско в этой задумке. Чистый водород использовать в качестве топлива слишком сложно (источник №10). Причина этого в слишком маленькой плотности водорода, сильно затрудняющая его хранение и применение. Для того, чтобы утяжелить водород, к нему можно добавлять углерод, имеющий в 12 раз большую атомную массу. Для газообразного топлива — немного, для жидкого — больше для твердого — много, относительно водорода. В итоге мы придем к необходимости извлекать углерод из природы, то есть возвратимся к биотопливу со всеми вытекающими из этого проблемами. В итоге окажется, что лучше сжигать бензин и терпеть удушье от недостатка кислорода, чем досрочно умереть от голода.
Поэтому транспорт, по крайней мере, наземный автомобильный транспорт, предлагается снабжать электроэнергией прямо на дороге, по образцу троллейбусов. Только вместо открытых проводов и использования штанговых электроприемников следует использовать резонансную однопроводную систему питания, основанной на электростатической индукции (Источник №12 — интервью с Дмитрием Семеновичем Стребковым, директором ВНИИ электрификации сельского хозяйства РАСХН).
Как это будет работать. На основании указанных выше соображений предлагается разделить все электроприемники по стихиям или сферам деятельности (смотри таблицу), за каждой такой сферой условно закрепить тот или иной вид электростанций. Фактическое потребление различных групп электроприемников необходимо, по возможности, измерять средствами учета и передавать в соответствующее управление статистики:
Энергослужбы крупных предприятий и так прекрасно знают, сколько энергии потребляют те или иные группы потребителей. Вы будете удивлены, но российские предприятия уже и так предают подобные сведения в Росстат, заполняя форму 23-Н «Сведения о производстве, передаче, распределении и потреблении электрической энергии», в разделе 2 этой формы там как раз содержится распределение по сферам деятельности, названные по-другому (можно сказать, что заполнение данной формы вдохновило автора этой статьи на идею такой концепции). Ее нужно будет только незначительно доработать.
Средние потребители энергии (школы, магазины, например), как правило, имеют всего одну-две-три группы энергоприемников (у магазинов — холодильники, освещение, может быть отопление, у школ — освещение, редко отопление), поэтому, даже если нет отдельного учета для таких потребителей, это не проблема. Общее потребление электроэнергии таких потребителей можно разделить по сферам деятельности расчетным путем.
Распределение электроэнергии по сферам деятельности по мелким потребителям (квартиры, домовладения) могут осуществлять энергосбытовые компании по разработанным нормативам. Например, в квартирах, оборудованных газовыми плитами и централизованным отоплением, ориентировочно 60 кВт*ч можно отнести к «двигающим» (холодильники, пылесосы, вентиляция, кухонные комбайны и пр.), ориентировочно 40 кВт*ч можно отнести на
«нагревающие» (электрочайники, утюги, фены, плойки и т. д.), остальную часть энергии можно относить на «информирующие», а то количество энергии, что дополнительно возникает в зимний период, относить к «нагревающим».
На основании этих статистических сведений необходимо будет принимать решение о регулировании состава генерирующих мощностей в масштабах государства и всей планеты, вводя в эксплуатацию новые электростанции (или увеличивая их мощность) того или иного вида (смотри таблицу), всю остальную структуру разветвленной сети электроснабжения менять не нужно.
Автор: Павел Коломиец
Источники:
1. http://www.chemfive.ru/news/sebestoimost_ehlektroehnergii_ehlektrostancii_budushhego/2016-01-02-635
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle
3. http://www.facepla.net/the-news/energy-news-mnu/2617-sahara-solar-power.html
4. http://www.crimea.kp.ru/daily/24510/661657/
5. http://www.altsyn.com/energonovosti/486/prostoi-sposob-ostanovit-globalnoe-poteplenie-nuzhno-perekrasit-kryshi-v-belyi-tsvet
6. https://www.roi.ru/13867/ и https://www.roi.ru/35315/
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Биотопливо
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гипотеза_о_метангидратном_ружье
9. https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_scrubber
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Водородный_транспорт
11. https://shkolazhizni.ru/computers/articles/71239/
12. https://vk.com/wall-12644328_1035
13. http://www.altalgroup.com/wind_20kW_100kW.htm