Энергетика

Энергия биомассы.

Вклад биомассы в мировой  энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная доля биомассы, используемой для энергетических нужд, не является коммерческим продуктом и, как результат, не учитывается официальной статистикой. В странах Европейского Союза, в  среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, но с широкими вариациями: в Австрии - 12%, в Швеции - 18%, в Финляндии - 23%.

Первичной биомассой являются растения, произрастающие на суше и  в воде. Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная  энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический кпд  собственно фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от рода растений и климатической зоны произрастания  это приводит к различной продуктивности в расчете на единицу площади, занятой растениями. Для северных зрелых, медленно растущих лесов продуктивность составляет 1 т прироста древесины  в год на 1 га. Для сравнения  урожай кукурузы (вся зеленая масса) в штате Айова, США в 1999 г. составил около 50 т/га.

Для энергетических целей  первичная биомасса используется в  основном как топливо, замещающее традиционное ископаемое топливо. Причем речь, как  правило, идет об отходах лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также об отходах полеводства (солома, сено). Теплотворность сухой древесины достаточно высока, составляя в среднем 20 ГДж/т. Несколько ниже теплотворность соломы, например, для пшеничной соломы она составляет около 17,4 ГДж/т. В то же время большое значение имеет удельный объем топлива, который определяет размеры соответствующего оборудования и технологию сжигания. В этом отношении древесина значительно уступает, например, углю. Для угля удельный объем составляет около 30 дм3/ГДж, тогда как для щепы, в зависимости от породы дерева, этот показатель лежит в пределах 250 - 350 дм3/ГДж; для соломы удельный объем еще больше, достигая 1 м3/ГДж. Поэтому сжигание биомассы требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств. В частности, в ряде стран распространение получил способ уплотнения древесных отходов с превращением их в брикеты или, так называемые, пелетки. Оба способа позволяют получить топливо с удельным объемом около 50 дм3/ГДж, что вполне приемлемо для обычного слоевого сжигания. Например, в США годовое производство пелеток составляет около 0,7 млн. т, а их рыночная цена - около 6 долл. /ГДж при теплотворности около 17 ГДж/т.

В Казахстане использование отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока достаточно ограничено. По данным Госкомстата в 2001 г. в стране имелось 27 малых ТЭЦ с общей установленной мощностью 1,4 ГВт, использовавших биомассу совместно с традиционными топливами (мазут, уголь, газ). При этом собственно на биомассе выработано 2,2 млрд. кВтч электроэнергии и 9,7 млн. Гкал тепла из общей выработки 5,5 млрд. кВтч и 24 млн. Гкал (т.е. около 40% от общей выработки).

Наряду с первичной  растительной биомассой значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твердых  бытовых отходах и отходах  различных отраслей промышленности. Использование этого потенциала возможно термохимическими или биохимическими методами. В первом случае речь идет в основном о твердых бытовых  отходах, которые либо сжигаются, либо газифицируются на мусороперерабатывающих фабриках. Во втором случае сырьем является навоз или жидкие бытовые стоки, которые перерабатываются в биогаз.

В Казахстане ежегодно образуется около 26 млн. т твердых бытовых отходов (ТБО); количество отходов животноводства и птицеводства составляет около 80 млн. т/год, а осадков сточных вод 3 млн. т/год. Энергетический потенциал этих отходов составляет 190 млн. т у. т. Этот потенциал используется пока совершенно недостаточно. Имеются единичные опытные установки по переработке ТБО, эксплуатационные характеристики которых нельзя признать удовлетворительными для широкого промышленного использования. В этом направлении предстоит еще большая работа.

Серьезные успехи были достигнуты в области переработки жидких городских стоков. Уже с 50-х годов  прошлого века на Курьяновской и Люберецкой станциях г. Москвы производилась очистка городских стоков и работали мощные биогазогенераторы - метантенки. Этот радикальный метод переработки активного ила и осадков сточных вод был затем реализован на станциях очистки Новосибирска, Сочи и других городов России. В Казахстане на сегодняшний день данный вид энергетики не развит, хотя имеются все необходимые предпосылки для его развития.

В основе биохимической переработки  отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В  результате этого процесса органическая масса отходов определенными  штаммами бактерий превращается в биогаз. Обычный состав биогаза: до 70% метана и 30% диоксида углерода.

В настоящее время в  России разработкой, созданием, производством  опытных серий оборудования, установок  в целом, реализующих высокорентабельные биогазовые технологии, занимается ЗАО  Центр "ЭкоРос". Этот Центр разработал и выпускает опытными сериями  индивидуальные биогазовые установки  ИБГУ-1 для хозяйств, имеющих до 5-6 голов крупного рогатого скота. За 10 лет Центр произвел и реализовал 86 комплектов ИБГУ-1: из них - 79 в России, 4 - в Казахстане, 3 - в Белоруссии. С 1997 года по документации ЗАО Центр "ЭкоРос" освоено производство таких установок в Китае в  г. Ухань на совместном китайско-российском предприятии.

Геотермальная энергия.

Под геотермальной энергией понимают физическое тепло глубинных  слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха  на поверхности. Носителями этой энергии  могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так  и сухие горные породы, расположенные  на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно  поступает тепловой поток, интенсивность  которого в среднем по земной поверхности  составляет около 0,03 Вт/м². Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры - так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2-3К/100м. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100^оС и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.

Принято считать, что если температура в геотермальном  месторождении превышает 100оС, оно  пригодно для создания геотермальной  электростанции (ГеоЭС). При более  низкой температуре геотермальный  флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура  флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН).

В настоящее время в  мире суммарная мощность действующих  ГеоЭС составляет около 10 ГВт (э). Суммарная  мощность существующих геотермальных  систем теплоснабжения оценивается  в 17 ГВт (т).

Запасы геотермальной  энергии в России чрезвычайно  велики, по оценкам они в10-15 раз  превышают запасы органического  топлива в стране. Практически  на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами  в диапазоне от 30 до 200оС. Сегодня  на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые  позволяют перейти к широкомасштабному  внедрению самых современных  технологий для локального теплоснабжения на всей территории нашей страны. С  учетом того, что скважины уже существуют, энергия, получаемая из них, в большинстве  случаев окажется экономически выгодной.

В Казахстане ситуация существенно  отличается в силу географического  положения территории республики.

До недавнего времени  масштаб использования геотермальной  энергии в стране был весьма скромным. В последнее десятилетие благодаря  инициативе и работам АО "Геотерм" и АО "Наука" совместно с  турбинным заводом был сделан существенный скачок в использовании  геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах. Построена  Верхнемутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт. В 2002 г. пущен в эксплуатацию первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских островах сооружены  геотермальные станции теплоснабжения.

Особенно велики и практически  повсеместно распространены запасы термальных вод со сравнительно невысокой  температурой, недостаточной для  непосредственного теплоиспользования. Интерес представляет и использование  тепла поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине  в несколько десятков метров круглый  год практически постоянна и  равна среднегодовой температуре  воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить  низкопотенциальным источником тепла  для отопления с помощью тепловых насосов.

Атомная энергия.

Открытие излучения урана  впоследствии стало ключом к энергетическим кладовым природы. Главным, сразу же заинтересовавшим исследователей, был  вопрос: откуда берется энергия лучей, испускаемых ураном, и почему уран всегда чуточку теплее окружающей среды?

Эрнест Резерфорд и  Фредерик Содди. пришли их к революционному по тем временам выводу: атомы некоторых  элементов подвержены распаду, сопровождающемуся  излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных  молекулярных видоизменениях.

Невиданными темпами развивается  сегодня атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов  киловатт!

В принципе энергетический ядерный  реактор устроен довольно просто - в нем, так же как и в обычном  котле, вода превращается в пар. Для  этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.

Самый распространенный в  настоящее время тип реактора водографитовый.

Еще одна распространенная конструкция  реакторов - так называемые водо-водяные. В них вода не только отбирает тепло  от твэлов, но и служит замедлителем нейтронов вместо графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов  до миллиона киловатт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожской, Балаковской и других атомных  электростанциях. Вскоре реакторы такой  конструкции, видимо, догонят по мощности и рекордсмена - полуторамиллионик  с Игналинской АЭС.

Но все-таки будущее ядерной  энергетики, по-видимому, останется  за третьим типом реакторов, принцип  работы и конструкция которых  предложены учеными, - реакторами на быстрых  нейтронах. Их называют еще реакторами-размножителями. Обычные реакторы используют замедленные  нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе - уране-235, которого в природном уране  всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы  лишь одного сорта урана-235. Остальной  уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана  на сколько-нибудь продолжительное  время или же человечество вновь  столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов?

Более тридцати лет назад  эта проблема была поставлена перед  коллективом лаборатории Физико-энергетического  института. Она была решена. Руководителем  лаборатории Александром Ильичом  Лейпунским была предложена конструкция  реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая  установка.

Преимущества реакторов  на быстрых нейтронах очевидны. В  них для получения энергии  можно использовать все запасы природных  урана и тория, а они огромны - только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.

Но все 400 атомных электростанции, работающих сейчас на планете, не могут  создать угрозу, хотя бы сравнимую  с угрозой, исходящей от 50 тысяч  боеголовок.

Нет сомнения в том, что  атомная энергетика заняла прочное  место в энергетическом балансе  человечества. Она, безусловно, будет  развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую  людям энергию. Однако понадобятся  дополнительные меры по обеспечению  надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а ученые и  инженеры сумеют найти необходимые  решения.

1.3 Возобновляемые источники энергии в Казахстане

В Республике Казахстан на сегодняшний день, приоритетными  направлениями в развитии альтернативной энергетики, являются следующие:

биоэнергетика;

ветровая энергетика;

водородная энергетика;

геотермальная энергетика;

малая гидроэнергетика;

солнечная энергетика;

Казахстан обладает значительными  ресурсами возобновляемой энергии  в виде гидроэнергии, энергии солнца, ветроэнергии, биомассы. Однако, помимо части гидроэнергии, эти ресурсы  не нашли широкого применения вплоть до настоящего времени. Основной потребитель  топлива в Казахстане – производство электроэнергии и тепла. Годовое  потребление топлива этим сектором составляет около 30 млн. тут. В структуре  топливного баланса электростанций основную роль играет уголь, доля которого составляет около 75%, доля газа -23%, доля мазута -2%.

При существующих генерирующих мощностях наблюдается дефицит  производства электроэнергии. Общая  установленная мощность электростанций составляет около 18.7 тысяч МВт. Однако, существующие генерирующие мощности имеют  значительный срок эксплуатации (25 и  более лет), в связи с чем  располагаемая мощность составляет порядка 14,6 тысяч МВт. В структуре  генерирующих мощностей тепловые электростанции составляют 15.42 МВт, или 87% от общей мощности, доля гидростанций - около 12%, другие –  около 1%.

Учитывая значительную изношенность основных фондов потребуются значительные инвестиции в строительство новых  электростанций для удовлетворения спроса на электроэнергию. Правительством Казахстана в 2007 г. принят План развития электроэнергетической отрасли Республики Казахстан до 2015 г. В соответствии с этим планом предусматривается ввод новых мощностей в размере 5598 МВт до 2015 г. в том числе на угле – 4250 МВт.

Учитывая структуру размещения энергетических мощностей во всех регионах, за исключением энергоизбыточной северной зоны, где расположено около 60% генерирующих мощностей, будет сохраняться региональный дефицит мощности и электроэнергии.

В Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы, одобренной Указом Президента Республики Казахстан от 14 ноября 2006 г №216, предусматривается, что обеспечение  устойчивого экономического развития Казахстана будет осуществлено путем  поддержки экологически эффективного производства энергии, включая использование  возобновляемых источников и вторичного сырья. Законами РК «Об электроэнергетики» и «Об энергосбережении» упоминается  о необходимости развития и использования возобновляемых источников энергии, однако, каких-либо прямых мер по поддержке возобновляемых источников энергии не предусмотрено.