Потребление энергии человечеством растет с каждым годом. По оценкам Международного энергетического агентства, к 2030 году мировая потребность в энергоресурсах увеличится на 60%.
Большая часть энергии (до 80%) производится при сжигании разных видов ископаемого топлива, в первую очередь, нефти, газа и угля. Однако, по словам ученых, разведанных запасов хватит всего на 70–130 лет. Не исправит ситуацию и развитие атомной энергетики, поскольку она связана со сложностями в добыче урановых руд и утилизацией радиоактивных отходов.
На энергетические проблемы человечества накладывается и экологическая тема. Добыча, переработка и сжигание органического топлива выливаются в такие негативные последствия для природы, как загрязнение воздушной и водной сред, кислотные дожди и парниковый эффект из-за увеличения концентрации СО2 в атмосфере. Становится реальностью глобальное потепление, которое означает сдвиг климатических зон и повышения риска стихийных бедствий – ураганов, наводнений и опустынивания.
Ученые уверены, что освоение термоядерной энергии поможет решить энергетические проблемы. Академик Евгений Велихов поясняет, что на единицу веса термоядерного топлива получается в 10 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании нефти, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.
Но даже самые оптимистичные прогнозы отодвигают расцвет термоядерной энергетики на несколько десятилетий. Пока работают лишь экспериментальные установки, но эффективность их очень низка. Первый промышленный реактор начали строить во французском городе Кадараш, что под Марселем, консорциумом из шести стран, включая Россию.
Между тем, ситуация требует самого оперативного реагирования. Столкнувшись с энергетической проблемой, человечество обратилось в первую очередь к природным стихиям и возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). Сейчас за счет ВИЭ покрывается примерно 2% мировых потребностей в первичных энергоресурсах. Но, по прогнозам американской компании Shell International Petroleum, уже к 2020 году эта доля может возрасти до 20%. Какие альтернативные источники доступны уже сейчас?
Энергия ветра и возможности ее использования
Ветер рассматривается специалистами как один из наиболее перспективных источников энергии. На сегодняшний день ветровая энергетика является самым быстроразвивающимся направлением, ежегодно увеличивая мощности на 22%. Причины этого очевидны – стоимость электричества, полученного благодаря ветру, зачастую оказывается ниже полученной на тепловых станциях, благодаря сравнительно низким затратам на установку и обслуживание ветрогенераторов. Большое преимущество в том, что ветряки позволяют снабжать энергией местности, удаленные от больших городов.
Однако развитие ветроэнергетики как источника энергии во многих странах сталкивается с препятствиями: ветровые фермы занимают большие площади и порождают проблемы, связанные с изменением ландшафта. Да и расположить ветрогенераторы можно лишь на открытых местах, где ветер не встречает преград в виде городов и промышленных объектов.
Около 80% ветроэнергетических мощностей сосредоточено сейчас всего в четырех промышленно развитых странах: Германии, Дании, Испании и США. Лидирует в развитии ветровой энергетики Германия, покрывая с помощью ветра 4,7% своего энергопотребления (в федеральной земле Шлезвиг-Гольштейн – больше 15%), а Дания к 2030 году планирует довести этот показатель до 50%.
Также активно развивает ветроэнергетику Испания, где мощности перешагнули за мегаватт. Наиболее «ветрофицированный» испанский регион — Наварра, здесь ветрогенераторы вырабатывают 23% всего произведенного электричества.
В США в середине 2006 года суммарная мощность всех ветрогенераторов составила 10.000 МВт. Самая крупная из действующих ветровых ферм находится в Миннесоте, ее мощность – 107 МВт. Также значительно развитие ветровой энергетики в Калифорнии, Вайоминге, Орегоне, Техасе, Неваде.
Между тем, получает популярность и идея использовать для установки ветряков прибрежные воды, где скорость ветров обычно высока, а хозяйственная ценность таких территорий ничтожна. Нидерландская фирма Enron Wind уже установила на мелководьях Швеции семь ВЭС мегаваттного класса.
А что же в России? В 90-е годы в нашей стране были построены лишь около десяти экспериментальных ветроустановок мощностью по 250 кВт и одна – 1 МВт. Нужно отметить, что наиболее населенные и промышленно развитые Центрально-европейский и Западносибирский регионы относятся к числу территорий со сравнительно небольшими ветровыми ресурсами. Поэтому крупные ветровые станции здесь нецелесообразны. Однако в малонаселенных областях Приполярья и Дальнего Востока, да и просто в российской глубинке ветрогенераторы могут стать интересным решением для электроснабжения деревень и отдельных домов.
Ветряки отечественного производства мощностью от 15 до 30 кВт сегодня доступны по цене от 120 до 200 тыс. рублей. Такие установки вполне могут обеспечить потребности коттеджа в электричестве. А для увеличения надежности их рекомендуется комбинировать с дизель-генератором или солнечными батареями, о которых мы расскажем ниже.
Солнечная энергия — неисчерпаемый и чистый ресурс
Еще одним уже интенсивно используемым источником чистой энергии является солнце. Существует два основных способа «законсервировать» его свет. Первый – с помощью солнечных коллекторов, в которых вода или другой теплоноситель нагревается и запасает энергию на несколько дней. Второй – более предпочтительный метод преобразования света в электричество с помощью полупроводниковых солнечных батарей.
По мнению экспертов, фотоэнергетика может стать ведущим источником мировой промышленной энергии. Перспективность применения фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии обусловлена его экологической чистотой, значительным сроком службы фотоэлементов и малыми затратами на их обслуживание. Чаще всего модули солнечных батарей крепятся на крышах домов. Как правило, монтируются системы мощностью 2–5 кВт, что покрывает примерно половину потребностей в электричестве. В среднем, стоимость такой установки – около 2 тыс. долл., а срок окупаемости составляет 5–10 лет.
Не стоит думать, что этот вид энергетики доступен только в тропических и экваториальных регионах. По расчетам российских ученых, в средней полосе России двухэтажный коттедж, занимающий территорию 100 м2, за год получает от солнца более 160 мегаватт/час энергии, что превышает самые нескромные потребности его обитателей.
Сегодня в странах мира ежегодно вводятся в эксплуатацию более 100 МВт солнечных ФЭУ. Так, например, в США общая мощность солнечных электростанций составляет в настоящее время уже более 400 МВт, а к 2010 г., по прогнозам американских специалистов, она будет равна 11.5 ГВт. Общая мощность всех солнечных энергетических тепловых установок Европы составляет 9,5 ГВт/год.
Более 20 тыс. домов в Мексике, Индонезии, Южной Африке, Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические системы, смонтированные на крышах зданий. В городах США уже имеется 50 тыс. таких установок и ежегодно монтируется еще около 8 тысяч. Самая успешная из программ поддержки солнечной энергетики – в Японии, где фотоэлементами покрыто уже свыше 25 тыс. жилых домов.
Потенциал солнечной энергетики России оценивается довольно высоко, но сейчас эта сфера фактически находится в зачаточном состоянии. Наиболее перспективными для использования солнечных батарей специалисты считают европейский юг России, Якутию, некоторые другие регионы Сибири, а также и Дальний Восток.
Чистая и возобновляемая геотермальная энергетика
Земные недра тоже таят в себе колоссальный источник энергии – это человек знал издавна, наблюдая за грандиозными извержениями вулканов. Именно на использовании природного тепла Земли базируется так называемая геотермальная энергетика.
Первая геотермальная электростанция была построена в 1904 году в итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников.
Схема преобразования тепла земных недр в электричество довольно проста. Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холодная вода, а вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину. Однако в местностях, богатых геотермальными водами и гейзерами, их тепло используется напрямую. Так, например, Рейкьявик, столица Исландии, равно как и все прочие города этого сурового острова, отапливается только за счет подземных источников. Воды, нагретые теплом Земли, дают 28% энергии в Никарагуа, 26% – на Филиппинах.
К сожалению, стоимость использования этого источника энергии все еще велика, так что эксплуатируются лишь наиболее концентрированные ресурсы. Сегодня в мире действуют геотермальные электростанции общей мощностью более 6000 МВт, в том числе: в США – 2700 МВт, на Филиппинах – 900 МВт, в Мексике – 600 МВт, в Македонии – 220 МВт, в Германии – 20 МВт.
В России наиболее перспективны в этом плане Камчатка, Сахалин, Приморье и Курильские острова, где ГеоЭС в перспективе могут почти полностью удовлетворить потребности в электроэнергии и уже сейчас имеют коммерческую привлекательность с учетом высокой стоимости привозного топлива. Именно здесь сосредоточены все уже работающие ГеоЭС, первая из которых, Паужетская на Камчатке, была введена в эксплуатацию в 1966 году. Там же в настоящее время функционирует первая очередь Верхне-Мутновской ГеоТЭС (12 МВт), которая в перспективе будет иметь мощность до 200 МВт.
Энергия водных течений
В поисках неисчерпаемых источников энергии непозволительно было бы забыть про Мировой океан, ведь приливные и ветровые волны таят в себе огромный потенциал. Однако до сих пор этот источник казался малоперспективным, так как необходимы огромные капиталовложения, которые окупаются крайне медленно.
Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС). Первая в мире ПЭС была построена в 1966 году в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров. В то же время в Советском союзе создана Кислогубская экспериментальная приливная электростанция мощностью 400 кВт, которая после реконструкции работает до сих пор.
Разрабатываются проекты строительства новых приливных электростанций: одной – в Белом море (Мезенская ПЭС), и двух – в Охотском. На Пенжинской губе Охотского моря самые высокие приливы в мире доходят до 17 метров, и по некоторым расчетам, станция, построенная здесь, сможет обеспечить электричеством весь Магадан.
Энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии – около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в этих странах.
Энергосбережение – эффективности экономики
Доступность большинства источников восстанавливаемой энергии сильно зависит от географических и природных факторов. Но есть один способ решить энергетические проблемы, который доступен в большинстве стран, – это повышение эффективности использования энергии.
После энергетического кризиса 70-х годов, Западная Европа планомерно проводила политику снижения непродуктивных потерь тепла и электроэнергии и достигла в этом немалых результатов. Суммарный эффект экономии тепла во вновь возводимых жилых и коммерческих зданиях здесь составляет 50–70%. Столь существенное снижение потерь позволяет быстро окупить затраты от применения энергосберегающих технологий.
Одним из главных компонентов такой политики является стимулирование строительства энергоэффективных домов с расходом тепла 15–30 кВт/м2, что на 70% ниже среднестатистических европейских показателей. За минувшие десятилетия в Скандинавии, Дании и Германии таких зданий возведено уже несколько десятков тысяч.
Хорошим примером энергосбережения является совместный проект, реализованный производителем типовых домов SEEST HUSE и компанией ROCKWOOL, мировым лидером в области производства негорючей теплоизоляции из каменной ваты. Недавно в датском городе Систе был возведен первый из целой серии домов, годовое потребление которых не превышает 2,5 литров топлива на м2, что в два раза меньше, чем требуется на отопление стандартного дома. Согласно Директиве Еврокомиссии о энергоэффективности зданий, он классифицируется, как дом Класса 1 (высшая категория по энергосберегающим характеристикам).
Энергоэффективные дома характеризуются комплексной системой утепления и терморегулирования, благодаря которой внутри здания поддерживается комфортный микроклимат, а теплопотери сведены к минимуму. Обязательными компонентами системы являются эффективные и экологичные теплоизоляционные материалы, окна с герметичными трехслойными стеклопакетами, приточно-вытяжные системы вентиляции с теплообменниками.
Помимо экономических выгод, следует вспомнить и о вкладе энергоэффективных зданий в экологическую безопасность планеты. Специалисты компании ROCKWOOL провели любопытные расчеты. Оказывается, за 50 лет эксплуатации каменноватная теплоизоляция толщиной 250 мм сэкономит в 162 раза больше СО2, чем было затрачено на ее производство. Баланс углекислого газа становится положительным через четыре месяца после монтажа.
Наша страна в сфере энергоэффективности оказалась на весьма скромных позициях. По данным Госстроя России, 64% всей вырабатываемой в стране тепловой энергии расходуется на отопление жилых и общественных зданий, причем от этого количества половина теряется при транспортировке либо из-за низкой теплозащиты домов. Из-за этого на единицу жилой площади в России расходуется в 2–3 раза больше тепла, чем в странах Европы со схожим климатом. То есть потенциал экономии огромен – нужно лишь правильно его реализовать. И, надо отметить, перенимая европейский опыт энергосбережения, отечественное строительство делает весьма многообещающие шаги в этом направлении.
Энергоэффективные дома у нас пока строятся лишь в порядке эксперимента. Но для нынешнего российского ЖКХ сейчас гораздо более актуальны отработанные схемы санации и утепления «хрущевок», значительно снижающие затраты на их отопление. Такие программы реконструкции панельных домов начали действовать во многих регионах страны, и по экономическому и экологическому эффектам они, пожалуй, могут превзойти выгоды от развития альтернативной энергетики.