Планету спасёт только неотложный переход на возобновляемые энергоресурсы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Планету спасёт только неотложный переход на возобновляемые энергоресурсы

Как уже обсуждалось в статье «К разумной энергетике» (revolution.allbest.ru /economy/...), растущая потребность в традиционных энергоресурсах (при неуклонном возрастании их себестоимости) ? с одной стороны ? и экологические последствия их использования - с другой ? вызывают самое серьезное беспокойство мировой общественности. Например, только в Индии по долгосрочному прогнозу до 2040 года (New Energy Outlook, 2016 от аналитической компании Bloomberg New Energy Finance (BNEF), спрос на электроэнергию с 2016 по 2040 года увеличится в 3,8 раза. Несмотря на прогнозируемые инвестиции в возобновляемую энергетику на уровне 611 млрд. и в ядерную энергетику на уровне 115 млрд. долларов США в ближайшие 24 года, основной прирост энергоактивов ожидается за счет угольных ТЭЦ, поскольку этот энергоноситель является самым доступным в регионе. Таким образом, в перспективе Индия станет самым крупным производителем выбросов парниковых газов на планете, обогнав даже Китай

В мировом масштабе дефицит энергоресурсов грозит не только замедлением дальнейшего прогресса (прежде всего ? экономического развития большинства стран), но и обострением конфликтов вплоть до межгосударственного уровня, а сжигание традиционного топлива в таких масштабах - глобальной экологической катастрофой.

Наращивая объемы добычи и переработки природных ископаемых ресурсов на топливо, мы заботимся, конечно же, о решении нынешних проблем, закрывая глаза на потенциально тяжкие последствия безответственного опустошения недр и ухудшения состояния окружающей среды для своих же потомков.

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

Опасные погодные аномалии во многих регионах мира, приносящие ныне великие беды природе и людям, - грозное предупреждение об этом!

То же можно сказать и о наращивании мощности атомной энергетики, с которой связаны не только опасные для биосферы ее тепловые загрязнения, во много раз превосходящие таковые от ТЭЦ, но она же по сути и вполне реальная радиоактивная «бомба замедленного действия» с непредсказуемой зоной поражения. И какая разница: будь то эксплуатационная авария или так же не предсказуемые последствия захоронения отработавших АЭС и ядерных топливных материалов, тем более ? в условиях воздействия природной стихии (свежий пример - Фукусима!). Не зря же в Европе (и не только!) взят курс на свертывание такой энергетики, а некоторые страны изначально отказались от такого энергоресурса.

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

Отсюда следует, что выход из этого энергетического и экологического тупика ? только в самом широком и ускоренном освоении возобновляемых ? экологически чистых энергоресурсов!

Конечно, возобновляемые энергоресурсы и в наше время используются повсеместно: современная гидро- ветро- и гелиоэнергетика всерьёз заявила о себе. Однако до настоящего времени темпы прироста этой составляющей даже в энергобалансах ведущих стран были явно не достаточны для реального перехода мировой энергетики на возобновляемые энергоресурсы в ближайшие десятилетия.

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

Анализ технико-экономических показателей реализованных проектов позволяет сделать вывод: для основательного перехода на альтернативную энергетику нам необходимы новые альтернативные технические и технологические решения.

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

А что же мы имеем в настоящее время?

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

Но почему бы не использовать ветроустановки с непосредственным преобразованием энергии ветра в тепло, когда нет необходимости предъявлять к тепловому потоку столь строгие требования, как к параметрам электрического тока. Тепло легко аккумулировать, причем энергоёмкость тепловых аккумуляторов не соизмерима с электрическими. Снижаются капитальные затраты, упрощается обслуживание, повышается безопасность.

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

В этом плане рассмотрим простейшую микротеплоэлектроцентраль, работающую по гибридной схеме от ветровой и солнечной энергии (патент RU № 2608448, 2017.). Микро-ТЭЦ представляет собой единый модуль с энергоёмким высокотемпературным теплоаккумулятором. Она позволяет обеспечить автономное комплексное энергоснабжение таких объектов, как индивидуальное жилье и другие небольшие объекты.

Более мощным источником тепловой и электрической энергии является мини-ТЭЦ, работающая также на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) и описанная в патенте RU № 2643877, 2018. Она предназначена для автономного комплексного энергоснабжения небольших населенных пунктов, промышленных и аграрных предприятий и иных объектов.

При возрастающих темпах освоения возобновляемых источников энергии в связи с их непостоянством перевод на них относительно мощных энергоустановок сопряжен в основном с двумя проблемами: отсутствием разработанных моделей недорогих энергоемких (сезонных) тепловых аккумуляторов (ТА) и достаточно мощных тепломеханических преобразователей (ТМП) - приводов для электрогенераторов, рассчитанных на использование меньших температур рабочего тела, чем в традиционных паровых машинах. возобновляемый энергоресурс экологический

В новой мини-ТЭЦ грунтовые аэродинамические нагреватели ? накопители тепловой энергии обеспечивают бесперебойную и длительную, вплоть до сезонных интервалов времени с недостаточным поступлением природной энергии, работу мини-ТЭЦ. При этом стоимость сооружения таких теплоаккумуляторов минимальна, они практически не нуждаются в обслуживании, а на занимаемой ими территории могут быть размещены первичные преобразователи возобновляемой энергии.

Важным отличием таких мини-ТЭЦ является привод их электрических генераторов от мощных тепломеханических преобразователей без паросилового звена, что обеспечивает их работу в более широком интервале рабочих температур с максимальным отбором теплового ресурса, а это позволяет уменьшить габариты теплового аккумулятора и потери тепла. Эти приводы рассмотрены в патентах RU №№ 2613337, 2017., 2623728, 2017., 2636956, 2017. и 2694568, 2019. Они предпочтительны также и для геотермальных электростанций, а предпоследний из них, кстати, хорошо вписывается и в рассмотренную микро-ТЭЦ вместо паровой турбины.

Первичными преобразователями природной энергии в мини-ТЭЦ могут быть энергоустановки, описанные в патентах RU №№ 2535193, 2014., 2569423, 2015., 2623637, 2017., 2659837, 2018. и 2661169, 2018., в которых негативные воздействия на природу и её обитателей сведены к минимуму.

Такие мини-ТЭЦ позволяют решить проблемы комплексного энергоснабжения многих как существующих, так и строящихся объектов, а также сбережения энергоресурсов и защиты окружающей среды.

Широко распространенные и мощные ресурсы - энергия морских волн и горных рек - так же представляют особый интерес. Тут имеется очень большой резерв, разумеется, при использовании опять же новых технических решений, реализованных, например, в разработанной волновой электростанции (патент RU 2313690, 2007 г.). К тому же, подобные установки, оснащенные ? при необходимости ? системой гашения избыточной энергии опасных волн (патент RU 2365780, 2009 г.) надежно защитят от разрушения берега морей и построенные на них сооружения, сохранив при этом естественные условия для экосистем прибрежной зоны.

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

Однако в разрешении и этой проблемы уже имеется успешный масштабный опыт перевода котлов и ДВС на экологически чистое водородное топливо (примером может служить Исландия, где для производства такого топлива используется, в основном, энергия рек и геотермальных источников), (Portal-Energo.ru, Исландия. Страна надежной и чистой энергетики).

Кстати, для этих и других, «неприхотливых» к качеству электроэнергии целей, разработан упрощенный вариант волновой ЭС (см. патент RU №2374485, 2009 г.).

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

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

Вместе с тем, анализ потенциальных возможностей освоения возобновляемых источников энергии показывает, что наиболее используемые ныне солнечные, ветровые, геотермальные, волновые энергоустановки не могут свести к приемлемому минимуму использования традиционного топлива, поэтому для успешного решения этой проблемы нужны несоизмеримо более мощные, высокоэффективные и надежные возобновляемые энергоресурсы. И такими ? тепловыми! ? ресурсами обладают моря и океаны.

Океаны покрывают более 70% поверхности Земли и являются самыми большими в мире коллекторами и аккумуляторами солнечной энергии. Этот потенциал в энергетике не только велик, но и отличается большой удельной плотностью энергии. Для сравнения, максимальная плотность энергии солнечной радиации 1400 Вт/м2, усредненная энергии ветра 1700 Вт/м2, а тепловой энергии океанов тропических широт 300000 Вт/м2!

Общеизвестны и другие преимущества океанской теплоэнергетики с чистым и практически неисчерпаемым природным ресурсом.

Однако ранее созданным ОТЕС присущи и отрицательные факторы:

? стоимость электроэнергии, производимой ОТЕС, выше традиционной;

? для нормальной работы ОТЕС необходимо наличие ряда природных условий: разность температур между теплым поверхностным и холодным глубоководным слоями воды должна составлять около 20°C, причем экономический эффект достигается при расстоянии от поверхности до глубины с достаточно низкой температурой не более 1 км;

? конструкции океанских станций и проложенные под водой трубы могут повреждаться из-за плохих погодных условий, прибоев;

? отсутствуют достаточно эффективные и экономически приемлемые средства борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов;

? если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то она может нанести вред не только морской флоре и фауне, но и озоновому слою планеты.

Негативные экологические последствия работы таких тепловых станций по схеме с подъемом глубинных вод возникают при выделении последними в атмосферу содержащихся в них растворенных газов. Эти воды содержат большое количество углекислого газа, который выделяется при их подъеме на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры.

Известны варианты ОТЕС без использования глубинных холодных океанских вод путем их замены, например, потоком холодного воздуха. Но такое техническое решение рассчитано только на арктические условия, а стабильность работы ОТЕС оказывается в сильной зависимости от погоды.

Они, конечно же, неприменимы в умеренных, а тем более в экваториальных широтах, где сосредоточены главные ресурсы тепловой энергии океана.

Другие же способы преобразования этой энергии в ОТЕС без использования воды глубинных (абиссальных) слоев океана не известны.

И вот теперь изобретен морской энергокомплекс (патент RU №2650916, 2018.), оснащенный мощным тепловым насосом и тепломеханическим преобразователем, работающим на малом перепаде температуры рабочего тела, а также установками для опреснения воды и ее электролиза. При необходимости теплообменник испарителя теплового насоса может быть оснащен "нетрадиционным" устройством принудительной циркуляции морской воды в виде индукционного насоса соответствующей конструкции, а в варианте с усиленной циркуляцией воды намного улучшается теплообмен и исключается биологическое обрастание стенок испарителя. Для его защиты от экстремального волнения морской поверхности место расположения испарителя можно защитить волноломом, например, по патенту RU №2461681, 2012 г., а в цунами опасных регионах -- цунами-гасителем по патенту RU №2524814, 2014 г.

Входящие в состав комплекса рассмотренные выше тепломеханические преобразователи, работающие с использованием свойства температурного расширения рабочего тела, не нуждается в парообразователе и потому обладает работоспособностью при ограниченном (в пределах 100°C) перепаде температур, что вполне обеспечивают теплообменники теплового насоса данного комплекса.

Включение в состав энергокомплекса опреснительных и электролизных установок позволит решить проблемы водоснабжения и обеспечения экологически чистым топливом (водородом), в т.ч. и для транспортных средств.

Представленные энергокомплексы не нуждаются в охлаждающей воде или воздухе, что позволит резко снизить затраты по освоению тепловой энергии океанов, расширить географическое пространство ее использования до самых полярных широт, приблизить эти энергоисточники к населенным регионам, исключить техногенную нагрузку на природную среду, решить многие социальные проблемы.

Широкомасштабное использование этого энергоресурса позволит отказаться от сжигания традиционного топлива практически во всех сферах энергетики, и в этом залог спасения окружающей среды родной планеты.

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

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

Только не опоздать бы!

Размещено на Allbest.ru