Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Однією з основних переваг відновлювальної нетрадиційної енергетики є зменшення негативного впливу на навколишнє середовище в порівнянні з традиційними джерелами енергії, при цьому кожний вид джерел створює на нього як прямий, так і побічний вплив.

При використанні відновлювальних нетрадиційних джерел енергії знижуються викиди різних забруднюючих речовин, в тому числі парникових газів, в порівнянні з традиційними джерелами енергії. ВДЕ можуть також впливати на зменшення місцевого забруднення атмосфери, покращення якості повітря в містах і зонах відпочинку.

У табл. 5.1 наведено рівень викидів основних забруднювачів довкілля від ВДЕ при виробленні одиниці енергії. Він на порядки менше викидів вказаних речовин при використанні традиційних джерел енергії, які, наприклад у Великобританії, мають значення, г/(кВт·год): для установок на вугіллі СО2 – 955; SO2 – 11,8; NOх – 4,3; для установок нанафті – відповідно 818; 14,2; 4,0; для установок на газі – 430; 0; 0,5; для установок на дизельному паливі – 772; 1,6; 12,3.

Геліоенергетика. Зібрана геліоенергетичними пристроями сонячна радіація замінює енергію, яка виробляється за допомогою брудних стосовно довкілля технологій. У цьому і полягає головний екологічний ефект сонячної енергетики.

Наземні сонячні електростанції, в яких перетворення енергії пов’язане з концентрацією сонячного випромінювання, потребують відведення значних територій. Так, в середньому на 1 МВт баштової сонячної електростанції для слідкуючих геліостатів потрібна площа коло 0,035 км2. У цілому площа, необхідна для сонячних електростанцій на 1 МВт потужності, складає по різним країнам світу 0,001–0,008 км2.

Що стосується сонячних колекторів, то вони здебільшого встановлюються на дахах домів і не впливають на пейзаж і стан атмосфери даної місцевості, до того ж вони не потребують додаткових земельних площ.

Основний шкідливий вплив геліоустановок на навколишнє середовище – побічне і обумовлене технологічними процесами, пов’язаними з виробництвом нових речовин для геліоустановок. У багатьох випадках це потребує рідкоземельних елементів, які містяться в дуже малих концентраціях в земних породах і для їх видобутку необхідно переробити значну кількість таких порід.

Таблиця 5.1 Питомі викиди забруднювачів від ВДЕ при отриманні одиниці енергії, г/(кВт·год)

Забруднювачі навколишнього середовища	Біологічне паливо	Малі ГЕС	Традиційні ГЕС	Сонячні фотоелементи	Сонячні колектори	Вітрові установки	Геотермальні установки
Забруднювачі навколишнього середовища	на сьогодні	у майбутньому	Малі ГЕС	Традиційні ГЕС	Сонячні фотоелементи	Сонячні колектори	Вітрові установки	Геотермальні установки
CO2	17 – 27	15 – 18	9	3,6 – 11,6	98 – 167	26 – 38	7 – 9	79
SO2	0,07 – 0,16	0,06 – 0,08	0,03	0,009 – 0,024	0,20 – 0,34	0,13 – 0,27	0,02 – 0,07	0,02
NOx	1,1 – 2,5	0,35 – 0,51	0,07	0,003 – 0,006	0,18 –0,30	0,06 – 0,13	0,02 – 0,06	0,28

Геліоустановки не впливають на природний тепловий режим планети, оскільки беруть дуже невелику частину сонячної енергії, але і вона після перетворення в електричну енергію та її використання повертається в оточуюче середовище у вигляді теплоти.

Вітроенергетика. Вітроустановки виробляють електричну енергію практично без забруднення довкілля, але при цьому їх негативний вплив пов’язаний з відведенням під будівництво значних площ і зміною ландшафту, загрозою гибелі птахів, металоємністю вітроустановок, що обумовлює забруднення при виробництві металу.

Основним недоліком вітроенергетичних станцій є використання під будівництво ВЕС значних земельних ресурсів. Під потужні промислові ВЕС необхідна площа з розрахунку від 5 до 15 км2/МВт в залежності від рози вітрів і місцевого рельєфу району. Максимальна потужність, яка може бути отримана з 1 км2 площі, залежить від району будівництва ВЕС, типу станції і технологічних особливостей конструкції; середнє значення отриманої потужності складає приблизно 10 МВт. Для ВЕС потужністю 1000 МВт потрібна площа в 70–200 км2, хоча більша частина цих земель може бути використаною. Самі ВЕС займають тільки 1% всієї території, 99% решти можна використати для сільського господарства або іншої діяльності, що і відбувається в таких густонаселених країнах, як Данія, Нідерланди, Німеччина.

Один з недоліків таких ВЕС – неприємні звуки, що утворюються при обертанні лопатей ротора. Люди бідкалися, що нерідко при наближенні до електростанції вони починали відчувати дискомфорт, а іноді навіть напади невмотивованого страху. Тварини і птахи мали за краще одразу залишати зони, забудовані ВЕС, а перелітні птахи відхилялися від звичого маршруту і робили гаки в декілька кілометрів, щоб їх облетіти.

Особливу екологічну проблему становлять шумові впливи вітроагрегатів потужністю 250 кВт і більше. Проблема генерації ВЕУ ультразвуку була подолана вибором профілю лопаті та швидкості обертання вітроколеса, а точніше кінців лопатей вітроколеса.

Результати випробувань в Данії, а також аналіз інформації щодо експлуатації приблизно 50 типів ВЕУ, які є в європейському каталозі вітрових турбін,показали, що більшість сучасних вітроустановок в безпосередній близькості від міста їх встановлення генерують при швидкості вітру 10 м/с шум біля 95–103 дБ, що відповідає рівню шуму на звичайному промисловому підприємстві. Однак вже на відстані 100 м від ВЕУ рівень шуму зменшується до 50 дБ, а на відстані 300 м складає менше 40 дБ; на більшій віддалі робота вітроустановки ледь прослуховується на фоні шуму оточуючого середовища. Виходячи з цього, в Німеччині, Нідерландах, Данії та інших країнах прийняті закони, які встановлюють мінімальну відстань від ВЕУ до житла не менше 300 м. В Україні прийнято, що припустима відстань від вітроагрегату до житла повинна бути рівною 150 м, від вітроелектростанції до житла – 250 м. Негативний вплив ВЕС може бути усунений при розташуванні вітроустановок на мілині в морі.

Зона вітроелектростанцій на морському шельфі «Хорнс Риф» (Данія) 

Найбільша в світі зона вітрових електростанцій на морському шельфі «Хорнс Риф» (Данія) почала працювати в 2007 році. Використовуючи силу вітру, потужні турбіни, розташовані в Північному морі в 20 км мід міста Есб’єрг, здатні безперервно постачати електроенергію в 150 тис. будинків. Існуючі в країні 5,2 тис. ВЕУ вже на сьогодні забезпечують 20% її потреби в електроенергії. До 2025 року планується довести цей показник до 50–75%.

Для України в першу чергу це незамерзаюче мілководдя (глибина переважно 0,5 м при максимумі 3,2 м) затоки Сиваш, що складає порядку 2700 км2 і незадієна у господарському використанні; до того ж значна частина площі затоки тривалий період часу (по 2–3 місяці), особливо влітку, стоїть буз води.

Поява експериментального вітродвигуна на Оркнейських островах (Великобританія) в 1986 році викликала численні скарги телеглядачів з найближчих населених пунктів. Перешкоди створював сталевий каркас лопатей та існуючі в них металеві полоски, призначені для відведення ударів блискавки. Вони відбивали і розсіювали ультракороткохвильовий сигнал. Відбитий сигнал змішувався з прямим, що йшов від передавача, і створював на екранах перешкоди. У результаті коло вітростанції був побудований телевізійний ретранслятор. Лопаті крильчатої вітрової турбіни були виконані зі склопластика, який не відбивав і не поглинав радіохвилі.

Для зменшення впливу ВЕС на радіоі телевізійні передачі їх лопаті замість металевих (відбивають радіоі телесигнали) і дерев’яних (поглинають сигнали) почали виготовляти зі скловолокна без металевих включень, і тому вони напівпрозорі для проходження радіоі телесигналів. Однак якщо передача радіоі телесигналів відбувається через супутник, проблема відпадає автоматично.

При збільшенні висоти башти до 100 м і розмірів лопатей до 40–60 м стало гострим питання захисту лопатей від блискавки. Для вирішення цієї проблеми в середину лопатей почали закладати алюмінієві провідники значного перерізу, якими струм під час попадання блискавки протікає в землю. Такі лопаті стають свого роду дзеркалами для проходження радіоі телесигналів, особливо це стосується сигналів військових радарів. У результаті в Великобританії підсилилися вимоги відносно обмеження будівництва потужних ВЕС вздовж узбережжя. У Норвегії, за оцінками експертів, врахування цих вимог військових може призвести до зниження потенційних вітроенергоресурсів на 50%.

Результати оцінки впливу ВЕУ на загибель птахів, наведена в Нідерландах, показує, що смертність птахів від ВЕС потужністю 1000 МВт в 300 разів нижча, ніж від руху автомобілів, і в 50 разів нижче, ніж від ліній електропередачі. Цьому сприяє також перехід до більш потужних вітроагрегатів і зменшення частоти їх обертання. Якщо частота обертання ротора агрегату при потужності до 100 кВт досягає 300–450 об/хв., то для ВЕУ потужністю 1–2 МВт – від 10 до 30 об/хв., а при потужностях 3–4,5 МВт – 8–14 об/хв.

Біоенергетика. Пряме використання біомаси для отримання енергії є більш екологічно безпечним, ніж, наприклад, вугілля. При спалюванні біомаси виділяється менше 0,2% сірки і від 3 до 5% золи в порівнянні з 2–3 і 10–15% відповідно для вугілля, решта переважно вуглекислий газ. Крім того, зола біомаси може повернутися в грунт, що забезпечує замкнутість кругообігу біогенних елементів. З точки зору вуглекислого газу біомаса є практично нейтральною, тобто в період зростання рослини поглинають сонячну енергію, воду, вуглекислий газ, виділяють кисень і утворюють вуглець в процесі фотосинтезу; під час спалювання процес відбувається в зворотному напрямі: кисень поглинається, а теплота, вода і вуглекислий газ виділяються. Що стосується нафти, вугілля і газу,то існує та ж закономірність для СО2, але термін, необхідний для оновлення балансу СО2, досягає декілька мільйонів років. Середня теплота прямого згорання біомаси складає 7–9 МДж/кг.

На сьогодні доведено, що всі технології енергетичного використання біомаси не збільшують емісію СО2, а запобігають емісії в об’ємі виробленої електричної і теплової енергії.

Газифікація біомаси є більш ефективним способом її використання. При повітряній газифікації утворюється генераторний газ з теплотою згорання порядку 4–6 МДж/м3, газифікація з використанням кисню дає газ вищої якості з теплотою згорання 10–18 МДж/м3. Газ, який отримують в результаті газифікації деревини при повітряному окиснювачі, вміщує: азоту – 50–54%, оксиду вуглецю – 20–22%, водню – 12–15%, діоксиду вуглецю – 9–12%, метану – 2–3%. Ще більший ефект отримується при газифікації в киплячому шарі, в потоці, газифікації в двох реакторах киплячого шару тощо.

У результаті піролізу біомаси утворюються незконденсовані гази СО, СО2, Н2, СН4, С2Н4, склад яких залежить від виду біомаси і режиму термічної обробки. Вихід незконденсованого піролізного газу може досягати 70% сухої біомаси, а теплота згорання – 12,5–13,3 МДж/м3. До складу рідинних продуктів піролізу входять різні речовини: кислоти, спирти, ацетон, формальдегід, вода тощо. Він залежить від виду і якості біомаси і умов процесу; теплота згорання рідинних продуктів досягає 20–25 МДж/кг. Коксовий залишок піролізу має біля 95–97% вуглецю, а вихід його може досягати 25–30% сухої біомаси, теплотворна здатність залишку складає до 35 МДж/кг.

При метановому бродінні отриманий біогаз вміщує 60–70% метану, 30–40% вуглекислого газу, невелику кількість сірководню, а також суміш водню, аміаку і оксиду азоту, теплота згорання біомаси складає 22–26 МДж/кг. Залишок, що утворюється в процесі метанового бродіння, має значну кількість живильних речовин (особливо азоту) і може бути використаний як дуже якісне добриво.

Виробництво і використання рідкого палива з біомаси не тільки забезпечує підвищення енергетичної безпеки держави, а і покращує екологічну ситуацію.

Паливний етанол, отриманий з біомаси, як добавка до бензину дозволяє підвищити октанове число і покращити експлуатаційні суміші, при вмісті етанолу в бензині до 15% не треба змінювати конструкції сучасних двигунів внутрішнього згорання. Під час роботи на суміші бензину з етанолом вміст СО2 у вихлопних газах зменшується на 25%, а вуглеводнів і NОх – на 5%, що є особливо важливим для зниження забруднення довкілля у великих містах зі значним використанням автомобільного транспорту.

Біодизельне паливо (біодизель) – продукт переробки рослинних масел (рапсового, підсонячникового, пальмового). Біодизельне паливо для автомобільного транспорту на основі рапсового масла має такі переваги в порівнянні з паливом з нафти:

• не впливає на парниковий ефект, оскільки рапс, як і вся біомаса, є нейтральним відносно СО2;

• утворює меншу концентрацію шкідливих речовин у вихлопних газах (концентрація СО, вуглеводнів і твердих частинок зменшується на 25–50%, задимленість газів – вдвічі);

• не вміщує канцерогенних речовин (поліциклічних ароматичних вуглеводів, особливо бензопірену);

• при згоранні потребує меншу кількість повітря;

• має високий ступінь біологічного розкладання (за 21 добу біологічне розкладання його складає коло 90%).

У той же час недоліками біодизельного палива в порівнянні з паливом з нафти є менша теплота згорання, що призводить до збільшення витрати палива і зниження потужності двигуна на 16%; велика в’язкість рапсового масла, результатом чого є погіршення розпилювання, сумішеутворення і згорання в дизелі; необхідність частої заміни масляних фільтрів і проведення регламентних робіт на форсунках внаслідок сильного закоксовування отворів розпилювачів.

Збільшення виробництва біомаси покращує мікроклімат завдяки використанню води і рециркуляційних механізмів. Виробництво і використання компостів з біомаси покращує структуру грунту й знижує забруднення вод.

Ряд технологій отримання біогазу на звалищах, з відходів тваринництва, з відходів харчової промисловості по суті є природоохоронними, оскільки запобігають забрудненню води, грунту і повітря цими відходами.

Геотермальна енергетика. Активне промислове використання геотермальних джерел з точки зору впливу на довкілля може давати деякий негативний ефект. За інтенсивного виходу на поверхню підземних вод можливе локальне опускання земної поверхні, що призводить до порушення стійкості наземних споруд і зміни ландшафту. Одночасно зі зниженням пластового тиску може підвищитися сейсмічність районів інтенсивного використання геотермальних вод.

Геотермальна вода вміщує багато домішок, які в невеликій кількості не становлять загрози (солі різних металів, сірководень), а також шкідливих речовин (миш’як, бор), можуть виділяти метан, вуглекислий газ, аміак. Хоча ці показники значно менші, ніж відповідні показники при експлуатації традиційних систем, їх необхідно враховувати. Окрім того, вихід на поверхню значних об’ємів води може погіршити стан ґрунтових вод в зоні експлуатації (заболоченість, засолення).

Нові ефективні технології дозволяють звести до мінімуму негативний вплив геотермальної енергетики на довкілля, а також отримати додатковий економічний ефект за рахунок видобування цінних компонентів.

Значно підвищується ефективність експлуатації термальних вод при їх комплексному використанні. При цьому в різних технологічних процесах можна досягнути найбільш повної реалізації теплового потенціалу води, в тому числі надлишкового, а також отримувати цінні компоненти термальної води (йод, бром, літій, цезій, кухонна сіль, глауберова сіль, борна кислота і багато інших) для промислового використання.

Найбільш перспективним способом відбору глибинної теплоти є створення підземних циркуляційних систем з повним або частковим поверненням відпрацьованої води в продуктивні пласти. Ці системи запобігають вичерпанню запасів геотермальних вод, підтримують гідравлічну рівновагу в підземних пластах, ліквідують забруднення довкілля в місцях розташування геотермальних об’єктів.

Геотермальні електростанції в порівнянні з тепловими станціями на природному паливі виробляють дуже мало сірки і зовсім не виробляють оксидів азоту. Під геотермальні установки необхідні дуже невеликі ділянки землі, які набагато менші, ніж для енергетичних устновок інших типів, їх можна розташовувати практивно на будь-яких землях, в тому числі на сільськогосподарських угіддях. До того ж буріння геотермальних свердловин набагато менше впливає на довкілля, ніж розробка яких-небудь інших джерел енергії. Ландшафт навколо геотермальної установки не порушують ні шахти, ні тунелі, ні купи відходів.

На сучасних геотермальних станціях викиди СО2 на 1 МВт·год електричної енергії мінімальні й складають в середньому 0,45 кг, тоді як на електростанціях на природному газі – 460 кг, на нафті – 720 кг, на вугіллі – 820 кг.

Використання енергії оточуючого середовища. Використання теплових насосів суттєво покращує стан довкілля за рахунок відсутності процесу горіння для отримання теплової енергії, а також завдяки утилізації теплових відходів виробництв, що, таким чином, захищає біосферу від теплового забруднення.

Мала гідроенергетика. Малі ГЕС мають дуже обмежений вплив на довкілля навіть у тому випадку, коли створюється водосховище для регулювання стоку води. Використання комплексу природоохоронних і захисних заходів дозволяє мінімізувати негативний вплив малої гідроенергетики на риб і водні екосистеми, виключити підтоплення земель, скоротити площі відведених земель. Малі ГЕС дозволяють зберегти природний ландшафт, відсутній негативний вплив на якість води, вона повністю зберігає природні властивості й може використовуватися для водопостачання населення.

Припливні електростанції. Зміна водного режиму заток і гирловин річок, відгорожених від моря греблями припливних електростанцій, буде чинити негативний вплив на довкілля, в першу чергу на флору і фауну, для мінімізації якого потрібне виконання комплексу природоохоронних і компенсаційних заходів. Значно менше негативний вплив при будівництві безгребельних електростанцій, які використовують швидкісну енергію припливів.