Раздел 5. Возобновляемая нетрадиционная энергетика и охрана окружающей среды

Одним из основных преимуществ возобновляемой нетрадиционной энергетики является уменьшение негативного воздействия на окружающую среду в сравнении с традиционными источниками энергии, при этом каждый вид источников оказывает на нее различное как прямое, так и косвенное влияние.

При использовании возобновляемых нетрадиционных источников энергии снижаются выбросы различных загрязняющих веществ, в том числе парниковых газов, по сравнению с традиционными источниками энергии. ВИЭ могут также играть роль в уменьшении местного загрязнения атмосферы, улучшая качество воздуха в городах и зонах отдыха.

В табл. 5.1 приведен уровень выбросов основных загрязнителей окружающей среды от ВИЭ при выработке единицы энергии. Он на порядки меньше выбросов указанных веществ при использовании традиционных источников энергии, которые, например в Великобритании, имеют значения, г/(кВт·ч): для установок на угле СО2 – 955; SО2 – 11,8; NОх – 4,3; для установок на нефти – соответственно 818; 14,2; 4,0; для установок на газе – 430; 0; 0,5; для установок на дизельном топливе – 772; 1,6; 12,3.

Гелиоэнергетика. Собранная гелиоэнергетическими устройствами солнечная радиация заменяет энергию, которая производится с помощью грязных относительно окружающей среды технологий. В этом и состоит главный экологический эффект солнечной энергетики.

Наземные солнечные электростанции, в которых преобразование энергии связано с концентрацией солнечного излучения, требуют отведения значительных территорий. Так, в среднем на 1 МВт башенной солнечной электростанции для следящих гелиостатов необходима площадь около 0,035 км2. В целом площадь, требуемая для солнечных электростанций, на 1 МВт мощности, составляет по разным странам мира 0,001–0,008 км2.

Что касается солнечных коллекторов, то они обычно устанавливаются на крышах домов и не влияют на пейзаж и состояние атмосферы данной местности, к тому же они не занимают дополнительно земельных площадей.

Основное вредное влияние гелиоустановок на окружающую среду косвенное и обусловлено технологическими процессами, связанными с производством новых соединений для гелиоустановок. Во многих случаях это требует редкоземельных элементов, которые содержатся в очень малых концентрациях в земных породах и для их добычи необходимо переработать значительное количество таких пород.

Таблица 5.1 Удельные выбросы загрязнителей от ВИЭ при получении единицы энергии, г/(кВт·ч)

Загрязнитель окружающей среды	Биологическое топливо		Малые ГЭС	Традиционные ГЭС	Солнечные фотоэлементы	Солнечные коллекторы	Ветровые установки	Геотермальные установки
	на сегодня	в будущем
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

Гелиоустановки не влияют на природный тепловой режим планеты, так как берут очень небольшую часть солнечной энергии, но и она после преобразования в электрическую энергию и ее использования возвращается в окружающую среду в виде теплоты.

Ветроэнергетика. Ветроустановки вырабатывают электрическую энергию практически без загрязнения окружающей среды, но при этом их отрицательное влияние связано с отведением под строительство значительных территорий и изменением ландшафта, шумовыми эффектами, препятствием распространению радиосигналов, вибрационным действием, угрозой гибели птиц, металлоемкостью ветроустановок, что обуславливает загрязнения при производстве металла.

Основным недостатком ветроэнергетических станций является использование под строительство ВЭС значительных земельных ресурсов. Под мощные промышленные ВЭС необходима площадь из расчета от 5 до 15 км 2 /МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена с 1 км 2 площади, зависит от района установки ВЭС, типа станции и технологических особенностей конструкции; среднее значение получаемой мощности равно примерно 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь в 70–200 км 2, хотя большая часть этих земель может быть использованной. Сами ВЭС занимают только 1% всей территории, на 99% остальной можно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что осуществляется в таких густонаселенных странах, как Дания, Нидерланды, Германия.

Один из недостатков таких ВЭС – неприятные звуки, вызванные вращением лопастей ротора. Люди жаловались, что нередко при приближении к электростанции они начинали испытывать дискомфорт и иногда даже приступы немотивированного страха. Животные и птицы предпочитали сразу покидать зоны, застроенные ВЭС, а перелетные птицы уклонялись от маршрута и делали крюк в несколько километров, чтобы их облететь.

Особую экологическую проблему представляют шумовые влияния ветроагрегатов мощностью 250 кВт и выше. Проблема генерации ВЭУ ультразвука была преодолена путем выбора профиля лопасти и скорости вращения ветроколеса, а точнее концов лопасти ветроколеса.

Результаты испытаний в Дании, а также анализ информации по эксплуатации примерно 50 типов ВЭУ, имеющихся в европейском каталоге ветровых турбин, показали, что большинство современных ветроустановок в непосредственной близости от места их установки генерируют при скорости ветра 10 м/с шум около 95–103 дБ, что отвечает уровню шума на обычном промышленном предприятии. Однако уже на расстоянии 100 м от ВЭУ уровень шума уменьшается до 50 дБ, а на расстоянии 300 м составляет менее 40 дБ; на большем отдалении работа ветроустановки едва прослушивается на фоне шума окружающей среды. Исходя из этого, в Германии, Нидерландах, Дании и других странах приняты законы, которые устанавливают, что минимальное расстояние от ВЭУ до жилья должно быть не менее 300 м. В Украине принято, что допустимое расстояние от ветроагрегата до жилья должно быть равным 150 м, от ветроэлектростанции до жилья – 250 м. Отрицательное влияние ВЭС может быть устранено при расположении ветроустановок на мелководье в море.

Крупнейшая в мире зона ветряных электростанций на морском шельфе «Хорнс Риф» (Дания) вступила в строй в 2007 году. Используя силу ветра, мощные турбины, расположенные в Северном море в 20 км от города Эсбьерг, способны бесперебойно снабжать электричеством примерно 150 тыс. домов. Имеющиеся в стране 5,2 тыс. ВЭУ уже сейчас обеспечивают 20% ее потребностей в электроэнергии. К 2025 году планируется довести этот показатель до 50–75%.

Зона ветроэлектростанций на морском шельфе «Хорнс Риф» (Дания)

Для Украины в первую очередь это незамерзающее мелководье (глубины преимущественно 0,5 м при максимуме 3,2 м) залива Сиваш, составляющее порядка 2700 км 2 и незадействованное в хозяйственном использовании; к тому же значительная часть площади залива длительный период времени (по 2–3 месяца), особенно летом, стоит без воды.

Появление экспериментального ветродвигателя на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвало многочисленные жалобы телезрителей из ближайших населенных пунктов. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски, предназначенные для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и создавал на экранах помехи. В итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражал и не поглощал радиоволны.

Для уменьшения влияния ВЭС на радиои телевизионные передачи их лопасти вместо металлических (отражают радиои телесигналы) и деревянных (поглощают сигналы) стали изготавливать из стекловолокна без металлических включений, и поэтому они полупрозрачны для прохождения радиои телесигналов. Однако если передача радиои телесигналов осуществляется через спутник, проблема отпадает автоматически.

При увеличении высоты башни до 100 м и размеров лопастей до 40–60 м стал острым вопрос защиты лопастей от молнии. Для решения этой проблемы в середину лопастей стали закладывать алюминиевые проводники значительного сечения, по которым ток во время удара молнии протекает в землю. Такие лопасти становятся своего рода зеркалами для прохождения радиои телесигналов, особенно это касается сигналов военных радаров. В результате в Великобритании усилились требования относительно ограничения строительства мощных ВЭС вдоль побережья. В Норвегии, по оценкам экспертов, учет этих требований военных может привести к снижению потенциальных ветроэнергоресурсов на 50%.

Результаты оценки влияния ВЭУ на гибель птиц, которая проведена в Нидерландах, показывает, что смертность птиц от ВЭС мощностью 1000 МВт в 300 раз ниже, чем от двигающихся автомобилей, и в 50 раз ниже, чем от линий электропередачи. Этому содействует также переход к более мощным ветроагрегатам и уменьшению частоты их вращения. Если частота вращения ротора агрегата при мощности до 100 кВт достигает 300–450 об/мин, то для ВЭУ мощностью 1–2 МВт – от 10 до 30 об/мин, а при мощностях 3–4,5 МВт – 8–14 об/мин.

Биоэнергетика. Прямое использование биомассы для получения энергии является более экологически безопасным, чем, например, угля. При сжигании биомассы выделяется меньше 0,2% серы и от 3 до 5% золы в сравнении с 2–3 и 10–15% соответственно для угля, остальное преимущественно углекислый газ. Кроме того, зола биомассы может вернуться в грунт, что обеспечивает замкнутость кругооборота биогенных элементов. С точки зрения учета углекислого газа биомасса является практически нейтральной, то есть в период роста растения поглощают солнечную энергию, воду, углекислый газ, выделяют кислород и образовывают углерод в процессе фотосинтеза; во время сжигания процесс идет в обратном направлении: кислород поглощается, а теплота, вода и углекислый газ выделяются. В этом процессе количество поглощенного и выделенного углекислого газа абсолютно одинаково. В процессе образования 1 кг сухой биомассы (древесины) поглощается 1,83 кг СО 2 и столько же выделяется при ее разложении (окислении, горении). Что касается нефти, угля и газа, то наблюдается та же закономерность для СО 2, но время, необходимое для обновления баланса СО 2, достигает несколько миллионов лет. Средняя теплота прямого сгорания биомассы составляет 7–9 МДж/кг.

В настоящее время признано, что все технологии энергетического использования биомассы не увеличивают эмиссию СО 2, а предотвращают эмиссию в объеме вырабатываемой электрической и тепловой энергии.

Газификация биомассы является более эффективным способом ее использования. При воздушной газификации получается генераторный газ с теплотой сгорания порядка 4–6 МДж/м 3, газификация с использованием кислорода дает газ высшего качества с теплотой сгорания 10–18 МДж/м 3. Газ, который получают в результате газификации древесины при воздушном окислителе, содержит: азота – 50–54%, оксида углерода – 20–22%, водорода – 12–15%, диоксида углерода – 9–12%, метана – 2–3%. Еще больший эффект получается при газификации в кипящем слое, в циркулирующем кипящем слое, в потоке, газификации в двух реакторах кипящего слоя и др.

При пиролизе биомассы образуются несконденсированные газы СО, СО 2, Н 2, СН 4, С 2 Н 4, содержание которых зависит от вида биомассы и режима термической обработки. Выход несконденсированного пиролизного газа может достигать 70% сухой биомассы, а теплота сгорания – 12,5–13,3 МДж/м 3. В состав жидких продуктов пиролиза входят разные вещества: кислоты, спирты, ацетон, формальдегид, вода и др. Он зависит от вида и качества биомассы и условий процесса; теплота сгорания жидких продуктов достигает 20–25 МДж/кг. Коксовый остаток пиролиза имеет около 95–97% углерода, а выход его может достигать 25–30% сухой биомассы, теплотворная способность остатка составляет до 35 МДж/кг.

При метановом брожении полученный биогаз содержит 60–70% метана, 30–40% углекислого газа, небольшое количество сероводорода, а также смесь водорода, аммиака и оксида азота, теплота сгорания биомассы составляет 22–26 МДж/кг. Остаток, образующийся в процессе метанового брожения, содержит значительное количество живительных веществ (особенно азота) и может быть использован как превосходное удобрение.

Производство и использование жидкого топлива из биомассы не только содействует повышению энергетической безопасности государства, но и улучшению экологической ситуации.

Топливный этанол, полученный из биомассы, как добавка к бензину позволяет повысить октановое число и улучшить эксплуатационные смеси, при содержании этанола в бензине до 15% не требуются изменения конструкций современных двигателей внутреннего сгорания. Во время работы на смеси бензина с этанолом содержание СО 2 в выхлопных газах уменьшается на 25%, а углеводородов и NО х – на 5%, что является особенно важным для снижения загрязнения окружающей среды в крупных городах со значительным использованием автомобильного транспорта.

Биодизельное топливо (биодизель) –продукт переработки растительных масел (рапсового, подсолнечного, пальмового). Биодизельное топливо для автомобильного транспорта на основе рапсового масла имеет такие преимущества в сравнении с топливом из нефти:

• не влияет на парниковый эффект, так как рапс, как и вся биомасса, является нейтральнім относительно СО 2 ;
• образует меньшую концентрацию вред
• ных веществ в выхлопных газах (концентрация СО, углеводородов и твердых частиц уменьшается на 25–50%, задымленность газов – вдвое);
• не содержит канцерогенных веществ (полициклических ароматических углеводов, особенно бензпирена);
• для сгорания требует меньшее количество воздуха;
• имеет высокую степень биологического разложения (за 21 день биологическое разложение его составляет около 90%).

В то же время недостатками биодизельного топлива в сравнении с топливом из нефти являются меньшая теплота сгорания, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению мощности двигателя на 16%; большая вязкость рапсового масла, ухудшающая распыливание, смесеобразование и сгорание в дизеле; необходимость частой замены масляных фильтров и проведения регламентных работ на форсунках вследствие сильного закоксовывания отверстий распылителей.

Увеличение производства биомассы улучшает микроклимат благодаря использованию воды и рециркуляционных механизмов. Производство и применение компостов из биомассы улучшает структуру грунта и снижает загрязнение вод.

Ряд технологий получения биогаза на свалках, из отходов животноводчества, из отходов пищевой промышленности, по сути являются природоохранными, так как предотвращают загрязнение воды, почвы и воздуха этими отходами.

Геотермальная энергетика. Активное промышленное использование геотермальных источников с точки зрения влияния на окружающую среду может давать некоторый негативный эффект. При интенсивном выходе на поверхность подземных вод возможно локальное опускание земной поверхности, что приводит к нарушению устойчивости наземных сооружений и изменению ландшафта. Одновременно со снижением пластовых давлений может повыситься сейсмичность районов интенсивного использования геотермальных вод.

Геотермальная вода содержит много примесей, что в небольших количествах не представляет угрозу (соли разных металлов, сероводород), а также вредных веществ (мышьяк, бор), могут выделяться метан, углекислый газ, аммиак. Хотя эти показатели значительно меньше, чем соответствующие показатели при эксплуатации традиционных энергетических систем, их необходимо учитывать. Кроме того, выход на поверхность значительных объемов воды может ухудшать состояние грунтовых вод в зоне эксплуатации (заболоченность и засоление).

Новые эффективные технологии позволят свести к минимуму негативное влияние геотермальной энергетики на окружающую среду, а также получить дополнительный экономический эффект за счет добычи ценных компонентов.

Значительно повышается эффективность эксплуатации термальных вод при их комплексном использовании. При этом в разных технологических процессах можно достичь наиболее полной реализации теплового потенциала воды, в том числе избыточного, а также получать ценные компоненты термальной воды (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберовая соль, борная кислота и много других) для промышленного применения.

Наиболее перспективным способом отбора глубинной теплоты является создание подземных циркуляционных систем с полным или частичным возвратом отработанной воды в продуктивные пласты. Эти системы предотвращают истощение запасов геотермальных вод, поддерживают гидравлическое равновесие в подземных пластах, ликвидируют загрязнение окружающей среды в местах расположения геотермальных объектов.

Геотермальные электростанции в сравнении с тепловыми станциями на природном топливе вырабатывают очень мало серы и совсем не вырабатывают оксидов азота. Под геотермальные установки необходимы совсем небольшие участки земли, которые намного меньше, чем для энергетических установок других типов, их можно располагать практически на любых землях, в частности и на сельскохозяйственных угодьях. К тому же бурение геотермальных скважин намного меньше влияет на окружающую среду, чем разработка каких-либо других источников энергии. Ландшафт вокруг геотермальной установки не портят ни шахты, ни туннели, ни кучи отходов.

На современных геотермальных станциях выбросы СО 2 на 1 МВт·ч электрической энергии минимальные и составляют в среднем всего 0,45 кг, в то время как на электростанциях на природном газе – 460 кг, на нефти – 720 кг, на угле – 820 кг.

Использование энергии окружающей среды. Использование тепловых насосов существенно улучшает состояние окружающей среды за счет отсутствия процесса горения для получения тепловой энергии, а также за счет утилизации тепловых отходов производств, что, таким образом, защищает биосферу от теплового загрязнения.

Малая гидроэнергетика. Малые ГЭС оказывают крайне ограниченное влияние на окружающую среду даже в том случае, когда создается водохранилище для регулирования стока реки. Применение комплекса природоохранных и защитных мероприятий позволяет минимизировать отрицательное влияние малой гидроэнергетики на рыб и водные экосистемы, исключить подтопление земель, сократить площадь отводимых земель. Малые ГЭС позволяют сохранить природный ландшафт, отсутствует негативное влияние на качество воды, она полностью сохраняет природные свойства и может использоваться для водоснабжения населения.

Приливные электростанции. Изменение водного режима заливов и устьев рек, отгороженных от моря плотинами приливных электростанций, будет оказывать негативное влияние на окружающую среду, в первую очередь на флору и фауну, для минимизации которого потребуется выполнение комплекса природоохранных и компенсационных мероприятий. Значительно меньше отрицательное влияние при устройстве безплотинных электростанций, использующих скоростную энергию прилива.