Возобновляемые источники энергии

Экологические аспекты ветроэнергетики

Выбросы в атмосферу

Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота. По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тон.

Влияние на климат

Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков (например в Европе) это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные) климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Впрочем, учёные пока только разворачивают исследования в этой области, научные работы, анализирующие эти аспекты, не дают количественную оценку воздействия широкомасштабной ветряной энергетики на климат, однако позволяют заключить, что оно может быть не столь пренебрежимо малым, как полагали ранее.

Вентиляция городов

В современных  городах выделяется большое количество вредных веществ, в том числе  от промышленных предприятий и автомобилей. Естественная вентиляция городов происходит с помощью ветра. При этом описанное  выше снижение скорости ветра из-за массового использования ВЭУ  может снижать и вентилируемость городов. Особенно неприятные последствия это может вызвать в крупных мегаполисах: смог, повышение концентрации вредных веществ в воздухе и, как следствие, повышенная заболеваемость населения. В связи с этим установка ветряков вблизи крупных городов нежелательна.

Шум

Ветряные энергетические установки производят две разновидности  шума:

механический  шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для  современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)

аэродинамический  шум — шум от взаимодействия ветрового  потока с лопастями установки (усиливается  при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки)

В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.

Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенератор Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и была демонтирована.

Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах  и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время  и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов — 300 м.

Низкочастотные  вибрации

Низкочастотные  колебания, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в  домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок мегаваттного класса.

Как правило, жилые  дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.

Радиопомехи

Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигналаЧем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы. 
 
 
 
 
 
 
 

Гидроэнергетика 

Энергия мирового океана

Известно, что  запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. кв. км, Атлантического – 93 млн. кв. км, Индийского – 75 млн. кв. км. Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Происходящее  весьма быстрое истощение запасов  ископаемых топлив, использование которых  к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды, заставляет ученых и инженеров уделять все  большее внимание поискам возможностей рентабельной утилизации обширных и  безвредных источников энергии, в том  числе и энергии в Мировом  океане. Широкая общественность еще  не знает, что поисковые работы по извлечению энергии из морей и  океанов приобрели в последние  годы в ряде стран уже довольно большие масштабы и что их перспективы  становятся все более обещающими.

Океан таит в  себе несколько различных видов  энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию. 

Энергия приливов

Веками люди размышляли над причиной морских  приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное  явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Приливные волны  таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт.

Наиболее очевидным  способом использования океанской  энергии представляется постройка  приливных электростанций (ПЭС).

Энергию приливов на протяжении веков человек использовал  для приведения в действие мельниц  и лесопилок. Но с появлением парового двигателя она была предана забвению до середины 60-х годов, когда были пущены первые ПЭС во Франции и  СССР.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также  энергию волн и температурного градиента. 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 1 метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в Великобритании и  Японии.  
 

Энергия морских  течений

Не так давно  группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды  со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные  пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли? "Смогут" - таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее мнение заключалось в том, что имеют место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет  ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".  

Термальная энергия  океана

Большое внимание приобрела "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.

Температура воды океана в разных местах различна. Между  тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 27є C. На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 2-4є С. Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить электричество? Да, и это возможно.

Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32° С) направляют в теплообменник, где жидкий аммиак или фреон превращаются в пар, который вращает турбину, а затем  поступает в следующий теплообменник  для охлаждения и конденсации  водой с температурой 5-6 °С, поступающей с глубины 200-500 метров. Получаемую электроэнергию передают на берег по подводному кабелю, но ее можно использовать и на месте (для обеспечения добычи минерального сырья со дна или его выделения из морской воды). Достоинство подобных установок – возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же, разность температур различных слоев океанической воды – более стабильный источник энергии, чем, скажем, ветер, Солнце, морские волны или прибой. Первая такая установка была пущена в 1981 году на острове Науру. Единственный недостаток таких станций – их географическая привязанность к тропическим широтам. Для практического использования температурного градиента наиболее пригодны те районы Мирового океана, которые расположены между 20° с.ш. и 29° ю.ш., где температура воды у поверхности океана достигает, как правило, 27-28° С, а на глубине 1 километр имеет всего 4-5° С. 

Внутренняя энергия  молекул воды

Конечно, доступ к запасам электроэнергии ОТЕС предоставляет  великолепные возможности, но (по крайней  мере, пока) электричество не поднимает  в небо самолеты, не будет двигать  легковые и грузовые автомобили и  автобусы, не поведет корабли через  моря. Однако самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузовики могут приводиться  в движение газом, который можно  извлекать из воды, а уж воды-то в  морях достаточно. Этот газ - водород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород - один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу воды? Формула H2O значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии. Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом относится к "водородной энергетике" будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в танкерах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при температуре 423 градуса по Фаренгейту (-203 С).

Его можно хранить  и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом или  с магнием для образования  металлических гидридов. После этого  их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости. Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередивший свое время, предвидел возникновение такой водородной экономики. В своей книге "Таинственный остров" он предсказывал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве источника для получения топлива. "Вода, - писал он, - представит неиссякаемые запасы тепла и света". Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водорода из воды. Один из наиболее перспективных из них - электролиз воды. (Через воду пропускается электрический ток, в результате чего происходит химический распад. Освобождаются водород и кислород, а жидкость исчезает.) В 60-е годы специалистам из НАСА удалось столь успешно осуществить процесс электролиза воды и столь эффективно собирать высвобождающийся водород, что получаемый таким образом водород использовался во время полетов по программе "Аполлон".

Таким образом, в океане, который составляет 71 процент  поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии - энергия волн и приливов; энергия  химических связей газов, питательных  веществ, солей и других минералов; скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах воды; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; удивительная по запасам энергия, которую можно  получать, используя разницу температур воды океана на поверхности и в  глубине, и их можно преобразовать  в стандартные виды топлива. Такие  количества энергии, многообразие ее форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка. В то же время не возникает необходимости  зависеть от одного - двух основных источников энергии, какими, например, являются давно  использующиеся ископаемые виды топлива  и ядерного горючего, методы получения которого были разработаны недавно.

Более того, в  миллионах прибрежных деревень и селений, не имеющих сейчас доступа к энергосистемам, будет тогда возможно улучшить жизненные условия людей. Жители тех мест, где на море бывает сильное волнение, смогут конструировать и использовать установки для преобразования энергии волн. Живущие вблизи узких прибрежных заливов, куда во время приливов с ревом врывается вода, смогут использовать эту энергию. Для всех остальных людей энергия океана в открытом водном пространстве будет преобразовываться в метан, водород или электричество, а затем передаваться на сушу по кабелю или на кораблях. И вся эта энергия таится в океане испокон веков.