Тема 4. Альтернативні джерела енергії

Альтернативні джерела енергії — це енергія вітру, морів та океанів, внутрішнього тепла Землі, Сонця.

Енергія вітру. За оцінками вчених, загальний вітроенергетич­ний потенціал Землі в ЗО разів перевищує річне споживання енергії людством. Однак використовується лише мізерна частка цієї енергії. Так було не завжди. За даними статистики, до рево­люції в кожному другому селі України працював вітряк. Але парова машина, а потім двигун внутрішнього згоряння витіснили цих скромних трудівників. Добре відомо також, що до появи па­роплавів усі морські перевезення здійснювалися вітрильниками.

Можливості використання енергії вітру в різних місцях Землі неоднакові. Для нормальної роботи вітроелектричних двигунів швидкість вітру в середньому за рік має бути не меншою ніж 4—5 м/с, а краще, коли вона становить 6—8 м/с. В Україні до таких зон належать узбережжя Чорного моря, особливо Крим, а також Карпати й південні степові райони.

Піонером будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) був видат­ний український учений та інженер, один з основоположників космонавтики Ю. Кондратюк. Побудована ним у 1931 р. поблизу Севастополя ВЕС потужністю 100 кВт більш як 10 років забезпе­чувала місто електроенергією.

Сьогодні на Заході, особливо в Данії та США, серійно випус­каються ВЕС потужністю від 1,5 до 100 кВт, діє також кілька експериментальних потужністю до ЗО тис. кВт.

Вітроелектростанції не забруднюють довкілля. Єдиний нега­тивний фактор — низькочастотний шум (гудіння) під час роботи ВЕС та ще одиничні випадки загибелі птахів, які потрапляють у лопаті вітродвигунів.

Думки інженерів і вчених повертаються й до, здавалося б, дав­но забутих вітрильників. Відомий океанолог Ж.-І. Кусто наприкінці 80-х років сконструював і випробував вантажне судно, в якого, крім дизельного двигуна, є й вітрила. Щоправда, цей вітрильник мало схожий на оспівані бригантини минулих віків — його вітрила являють собою вертикальні напівциліндричні кон­струкції з, алюмінієвого сплаву, якими керує комп'ютер. Викори­стання цих вітрил під час трансокеанічного плавання дає змогу економити значну (до 70 % за сприятливого вітру) кількість палива.

Енергія морів та океанів. Світовий океан містить колосальні запаси енергії.

По-перше, це енергія сонячного випромінювання, поглинута океанською водою, яка виявляється в енергії морських течій, хвиль^рибою, різниці температур різних шарів води. По-друге, це енергія тяжіння Місяця й Сонця, що спричинює морські припливи й відпливи. Використовується цей екологічно чистий потенціал іще дуже мало.

Першими об'єктами такої енергетики можна вважати морські хвильові електростанції, які акумулюють енергію вертикальних коливань води. Хвиля метрової висоти забезпечує від 25 до 35 кВт енергії, навіть хвиля заввишки всього 35 см може обертати спеціальну турбіну й давати електричний струм. Одна з перших хвильових електростанцій потужністю 350 кВт ось уже близько ЗО років успішно діє поблизу норвезького міста Бергена. * Збу­довано також перші морські електростанції, що утилізують енергію припливів і відпливів, — на узбережжі Ла-Маншу у Франції потужністю 240 тис. кВт і в Кольській затоці (Росія) потужністю 400 кВт. * А на тихоокеанському острові Науру діє електростанція потужністю 100 кВт, яка використовує (за прин­ципом термопари) різницю температур нагрітого тропічним сонцем поверхневого шару води й холодного придонного

. Енергія внутрішнього тепла Землі. З глибиною підвищується температура в земній корі (в середньому на ЗО °С на 1 км, а у вул­канічних районах — набагато швидше). За оцінками геологів, до глибин 7—10 км загальна кількість теплоти в 5000 разів переви­щує теплоємність усіх видів мінерального палива, що є на Землі. Теоретично лише 1 % цього тепла достатньо, аби забезпечити людство енергією на найближчі 4000 років. Та на практиці це джерело енергії використовується ще дуже мало. Найкращі ре­зультати досягаються в районах активної вулканічної діяльності (Ісландія, Камчатка, Гаванські острови), де близько до поверхні є термальні води. Крізь свердловини гаряча водяна пара надхо­дить у турбіни, що виробляють електроенергію. Відпрацьована га­ряча вода йде на обігрівання теплиць, житла тощо. В холодній Ісландії в таких оранжереях вирощують овочі й навіть банани, а столиця країни Рейк'явік уже понад 40 років уся забезпечується теплом за рахунок цього джерела.

В Україні досі немає установок такого типу, хоч у нас є перспективні зони для застосування геотермальної енергії — Карпати, Закарпаття та Крим.

У разі споживання геотермальної енергії постає проблема відпрацьованих підземних вод. Вони сильно мінералізовані, і їх не можна спускати у водостоки. Тому відпрацьовані води знову закачують у підземні горизонти для повторного використання. З деяких таких розсолів добувають йод, бром, літій та деякі інші елементи.

Енергія Сонця. Сонце — найпотужніше джерело екологічно чистої енергії, і людство має зосередити свої зусилля на розробці методів її утилізації. Основна перешкода полягає в розсіяності сонячної енергії: на широтах України, наприклад, на кожний квадратний метр поверхні за рік надходить лише близько 1900 кВт сонячної енергії. Утилізація сонячної енергії стри­мується також високою вартістю установок, а отже, й порівняно високою собівартістю електроенергії.

Сонячну енергію можна застосовувати для добування електро­енергії, побутового тепла, високотемпературного тепла в промис­ловості, на транспорті. Найбільших успіхів досягнуто в таких країнах, як США, Франція, Туркменистан, причому переважно в галузі так званої «малої» енергетики.

Для добування електроенергії від Сонця застосовується кілька методів, найперспективніший з яких полягає в безпосередньому перетворенні сонячного випромінювання на електрику за допо­могою напівпровідникових фотоелектричних генераторів (соняч­них батарей). ККД найсучасніших їх типів сьогодні становить 25—30 %. Через високу вартість такі батареї поки що використо­вуються мало — на космічних супутниках і станціях, у ретрансля­торах, навігаційних маяках, телефонних станціях у пустельних місцевостях, для живлення невеликих радіостанцій, у мікрокаль­куляторах, електронних іграшках тощо.

Електроенергію від Сонця добувають також за допомогою паротурбінних генераторів. Одну з таких сонячних електростанцій (СЕС) потужністю 1200 кВт споруджено в Криму побли­зу Керчі. В центрі круга діаметром 500 м установлено 70-метрову башту з парогенератором на верхівці, її оточують 1600 рухомих дзеркал (геліостатів). Стежачи за допомогою ЕОМ за рухом Сон­ця, вони відбивають його промені на парогенератор, нагріваючи в ньому воду до утворення пари температурою 300 °С. Пара подається на турбіну з електрогенератором.

СЕС не забруднюють довкілля. Щоправда, для майбутніх потужних СЕС на сонячних батареях знадобляться великі площі. Але на нашій планеті — близько 20 млн. км² пустель, де землі непридатні для сільського господарства, потік сонячної енергії найпотужніший, а кількість хмарних днів протягом року міні­мальна. Щоб задовольнити енергетичні потреби людства, треба розмістити батареї на площі від 1 до 3 млн. км², тобто достатньо зайняти лише 5—15 % площі пустель.

Сонячна енергія використовується також для добування побу­тового тепла (100—150 °С), яке йде на опалювання приміщень, приготування їжі, опріснення води тощо. * Розроблено досить зручні пристрої для таких потреб (наприклад, параболічне дзеркалопіч діаметром 1,5 м, у фокусі якого вода в трилітровому чай­нику закипає за 10 хв.). * Для промислових цілей (плавлення проб металів, вирощування кристалів із розплаву і т. п.) створено сонячні печі, у фокусі дзеркала яких температура сягає 3800 °С. Одна з таких установок діє у Франції.

Сонячна енергія може застосовуватися й на транспорті — для енергоживлення автомобілів, невеликих суден і навіть літаків. Із площі в кілька квадратних метрів (дах мікроавтобуса) можна зібрати енергію для живлення автомобільного акумулятора. * В 1982 р. такий автомобіль, не витративши й. краплі бензину, перетнув Австралію, подолавши за два місяці відстань у 4000 км. <• На літаку, верхню площину крила якого було вкрито сонячни­ми батареями, здійснено переліт через Ла-Манш.

*На півдні Австралії будується екологічно чиста сонячно-вітрова електростанція, або так званий «сонячний комин», потужністю 200 МВт. Вона, до речі, стане найвищою спорудою у світі. Конструктивно це буде бетонна труба заввишки 1 км, ото­чена скляним кожухом. За принципом дії ця електростанція подібна до ГЕС, але рушієм її турбін буде не вода, а висхідний потік нагрітого сонцем повітря. Нагріте сонцем у скляному кожусі повітря підніматиметься вгору трубою й надаватиме рух генераторам електростанції. Спорудження станції має завершити­ся в 2005 р. Вона забезпечить екологічно чистою електроенергією близько 200 тис. мешканців цього району. Вночі генератори станції діятимуть від гарячого повітря, що нагріватиметься в спеціальних водяних колекторах, які протягом дня запасатимуть тепло за рахунок нагрівання сонцем.

Біоенергетичні технології. Життя та діяльність людей супровод­жуються утворенням великої кількості органічних відходів (побу­тове сміття, каналізаційні стоки, відходи виробництва сільського­сподарської продукції — солома, лушпиння й т. д., деревооброб­ки — тирса, обрізки, гілки, хвоя тощо). Звалища навколо великих міст забирають величезні площі (так, поблизу Нью-Йорка воно за об'ємом уже дорівнює 25 пірамідам Хеопса!), забруднюють повітря й воду. А тим часом розроблено технології, що дають змогу добувати з цих відходів енергію (сконструйовано, напри­клад, установки, в яких відходи спалюються, даючи тепло й елек­троенергію), а також різні корисні матеріали (скло, метали та ін.). Є й інша перспективна технологія переробки відходів — за допомогою метанобактерій. Ці мікроорганізми активно розмно­жуються в будь-яких органічних рештках, продукуючи в резуль­таті своєї життєдіяльності цінну енергетичну сировину — біогаз (суміш метану й чадного газу). Технологія добування біогазу дуже проста. Бетонні місткості або колодязі будь-якого об'єму запов­нюють гноєм, сміттям, листям, тирсою й т. п. Місткість має бути щільно закритою, щоб не було доступу кисню. Газ, який утво­рюється в результаті бродіння, відводиться в приймальний при­стрій або безпосередньо в газову плиту. Після процесу бродіння залишається добриво — знезаражене, без запаху, цінніше за гній.

Сьогодні така технологія широко застосовується в Китаї та Індії, де функціонують мільйони подібних установок. А в Румунії проведено успішні досліди з використання біогазу як палива для тракторів.

Останнім часом дедалі ширше розробляються технології добу­вання палива для двигунів внутрішнього згоряння з органічних речовин, що продукуються рослинами. * Так, у Бразилії з відходів виробництва цукру з цукрової тростини добувають технічний спирт, що використовується як паливо для автомобілів (причому вартість цього палива нижча, ніж бензину, а забруднен­ня повітря в результаті його згоряння — менше). •'• В Австралії успішно виготовляють так звану «зелену нафту» — продукт переробки спеціальних мікроскопічних водоростей, які вирощуються в штучних басейнах.

Для України особливе значення має технологія добування па­лива з ріпакової олії. Ріпак, ця невибаглива рослина, дає до 1 т олії з гектара, причому його можна вирощувати на землях, непридатних ні для чого іншого, наприклад на полях*зрошення, де нейтралізуються каналізаційні стоки, й навіть на землях 30-кілометрової зони відчуження навколо Чорнобильської АЕС, бо, як з'ясували вчені, радіонукліди не нагромаджуються в ріпа­ковій олії, її можна або безпосередньо заливати в баки дизелів (які, щоправда, в цьому разі треба модернізувати), або ж із неї можна виготовляти спеціальне дизельне паливо — «блакитний ангел», котре за всіма характеристиками подібне до солярової оливи, але при цьому екологічно чистіше й дешевше; нарешті, цю олію можна додавати в солярову оливу (до 20 %), що не змінює ні енергетичних, ні екологічних показників двигунів.

Воднева енергетика. До дуже перспективних джерел добування теплової та електричної енергії належить водень, який має висо­ку теплотворну здатність, може успішно замінювати природний газ і при цьому є екологічно чистим паливом, оскільки в резуль­таті його згоряння утворюється лише водяна пара. Отже, переве­дення ТЕС та інших споживачів газового палива на водень змен­шило б викиди в атмосферу вуглекислого газу й інших шкідливих сполук. Широке використання водню як джерела енергії до останнього часу стримувалося його вищою вартістю порівняно з природним газом, незважаючи на те, що є численні методи добу­вання водню. Але нещодавно в деяких країнах, зокрема в США, розроблено технології добування водню з глюкози або глюкозовмісних речовин, таких як крохмаль і целюлоза (деревина). Після обробки глюкози або її полімерів спеціальними фермента­ми, добутими з бактерій, вона перетворюється на глюкуронову кислоту, і при цьому виділяється водень. За повідомленнями пре­си, нині зазначені технології ще недосконалі (вихід водню поки що становить тільки 12 % від теоретично можливого), і тривають інтенсивні роботи в цій перспективній галузі. До речі, глюкуронова кислота — відхід виробництва — є цінною сировиною для хімічної промисловості.