К разумной энергетике

Дата публикации: 8 октября 2015

Осознать проблемы

Парниковый эффектРастущая потребность в традиционных энергоресурсах (при неуклонном возрастании их себестоимости) – с одной стороны – и экологические последствия их использования – с другой – вызывают самое серьезное беспокойство мировой общественности. Это, естественно, активизирует поиск путей выхода из этой сложнейшей ситуации с целью предотвратить надвигающийся кризис, грозящий не только замедлением дальнейшего прогресса (прежде всего – экономического развития стран), но и обострением конфликтов вплоть до межгосударственного уровня, а, самое главное, – глобальной экологической катастрофой.

Однако в поисках решения этой проблемы мы, как правило, руководствуемся опять же сегодняшними экономическими, политическими, а то и просто своими узкокорыстными интересами: так, например, наращивая объемы добычи и переработки природных ископаемых ресурсов на топливо, мы заботимся, конечно же, о нынешних выгодах, закрывая глаза на потенциально тяжкие последствия безответственного опустошения недр и ухудшения состояния окружающей среды для своих же потомков.

Кому еще не понятна связь между участившимися и всё ужесточающимися природными бедствиями и «парниковым эффектом», постоянно усиливаемым техногенным воздействием на атмосферу? Как видим, надежда на «авось» не срабатывает. Неизвестно, когда такой сценарий достигнет своей катастрофической кульминации, но ясно одно: необходимо принимать самые срочные меры по резкому сокращению сжигания ископаемого топлива. Что бы там ни говорили «мудрые аналитики» насчет естественной повторяемости изменений климата, логика происходящих явлений предельно проста: если природа (за миллиарды лет!) создала нормальную для жизни планеты атмосферу путем изъятия из нее (с перемещением в недра планеты) почти всего углерода, то в результате творимого человечеством ускоренного о б р а т н о г о процесса д е г р а д а ц и я атмосферы со всеми непредсказуемыми последствиями н е и з б е ж н а! Опасные погодные аномалии во многих регионах мира, приносящие ныне великие беды природе и людям, ─ грозное предупреждение об этом!

А наращивание мощности атомной энергетики? Это ведь не только опасные для биосферы ее тепловые загрязнения, во много раз превосходящие таковые от ТЭЦ, но и вполне реальная радиоактивная «бомба замедленного действия» с непредсказуемой зоной поражения. И какая разница: будь то эксплуатационная авария или так же не предсказуемые последствия захоронения отработавших АЭС и ядерных топливных материалов, тем более – в условиях воздействия природной стихии. Не зря же в Европе (и не только!) взят курс на свертывание такой энергетики.

Бесперспективны и эксперименты с переводом в горючее различных сельхозпродуктов. (К тому же это, если не преступное, то уж, несомненно, аморальное занятие перед сотнями миллионов голодающих на планете, да и перед самой землей-кормилицей и ее тружениками).

Отсюда следует, что выход из этого энергетического и экологического тупика – только в самом широком освоении возобновляемых – экологически чистых – энергоресурсов!

Конечно, возобновляемые энергоресурсы и в наше время освоены повсеместно: современная гидро- ветро- и гелиоэнергетика всерьёз заявила о себе. Однако до настоящего времени темпы прироста этой составляющей даже в энергобалансах ведущих стран были явно не достаточны.

В чем же трудности масштабного использования возобновляемых энергоресурсов? Они, очевидно, в несовершенстве нынешних преобразователей. Например, практически все ныне действующие преобразователи природной тепловой энергии в механическую (при всей их усложненности) по своей эффективности мало отличаются от допотопных паровозов и потому бесперспективны. Это можно сказать и об относительно мощных солнечных источниках электроэнергии, и о геотермальных и, уж тем более, о морских тепловых электростанциях (ОТЭС).

Анализ технико-экономических показателей реализованных проектов позволяет сделать вывод: для альтернативных энергоресурсов нам необходимы альтернативные способы их использования, требующие новых технических и технологических решений.

При этом главными критериями в оценке перспективности новых энергопреобразователей должны быть их безопасность, надежность, высокая эффективность капвложений, возможность комплексного промышленного изготовления при минимальных сроках и стоимости строительно-монтажных работ.

Об этом и поговорим, обратившись к некоторым разработкам последних лет.

Ветроэнергетика

А начнем с ветроустановок. Ныне практически все они, за исключением традиционных мельниц и других немногочисленных агрегатов, преобразуют энергию ветра в электрическую энергию. И тут возникают серьезные проблемы, связанные с непостоянством ветрового напора, а, следовательно, и параметров получаемой электрической энергии. Наиболее простое решение – связать электрический генератор с внешней сетью. Но при этом остается не достижимой оптимизация работы ветроустановки: при повышенном напоре ветра она не способна к многократной перегрузке, а при его спадах сама становится нагрузкой на эту сеть.

Но представим себе: сколько электроэнергии ныне используется в нагревательных целях! Так, например, на просушку только одного кубометра древесины уходят сотни кВт·ч (см. пат. RU 2338136, 2008 г). А сколько ее тратится для отопления? Почему бы не использовать ветроустановки с непосредственным преобразованием энергии ветра в тепло, когда нет необходимости предъявлять к тепловому потоку столь строгие требования, как к параметрам электрического тока. Тепло легко аккумулировать, К тому же, отпадает потребность в дорогих электрогенераторах, устройствах, обеспечивающих стабильность электроснабжения, включая мощные электрические аккумуляторы, а также в электронагревателях. Упрощается обслуживание, повышается безопасность.

В этой связи рассмотрим ветротепловую установку (патент RU 2253041, 2005 г.). Ее назначение – теплоснабжение усадебных домов, миниферм, дачных и садовых помещений и других малых объектов. Установка отвечает всем важнейшим требованиям: безопасна при всякой погоде и на всей прилегающей территории (т. е. не имеет «опасной зоны»), способна надежно работать в широком диапазоне ветровых нагрузок, имеет оптимальную динамику работы за счет строгой согласованности силовых характеристик ветроколеса и теплогенератора, защиту от запредельных режимов, а также вполне приемлемые капитальные затраты, сопоставимые со стоимостью системы отопления подобных объектов с подключением к газовой сети. Эксплуатационные же расходы при использовании ветротепловых установок мизерны, ибо энергоресурсы бесплатны! При наличии теплоаккумулятора (а их конструкций разработано множество) обеспечивается бесперебойность энергоснабжения: отопления помещений, теплиц, работы теплоэлектрических преобразователей, бойлеров, сушилок, саун и др. Использование некоторых типов теплоаккумуляторов, например, галечных либо жидкостных, позволит существенно упростить конструкцию и самой ветротепловой установки.

Весьма перспективной может стать уникальная парусная ветроустановка – без вращающихся рабочих органов! – (патент RU 2469209, 2012 г.), которая может быть источником как электрической, так и тепловой энергии. Она применима даже в условиях самой плотной городской застройки.

Солнечная энергетика

Теперь о солнечной энергии. Примеров ее успешного применения предостаточно. Однако и здесь свои проблемы: к.п.д. мощных гелиоэлектрических преобразователей (при их нынешней дороговизне!) пока еще низок, в тепловых же установках повышение к.п.д. даже до 70% связано с большим усложнением и удорожанием их конструкции, слабо используется рассеянное и отраженное (в основном – снежной поверхностью) излучение, практически отсутствуют установки с непосредственным (то есть без паросиловых агрегатов) преобразованием солнечной энергии в механическую для использования в качестве привода электрогенераторов и других машин.

Многие из этих проблем могут быть решены с использованием нового коллектора-приемника оптического излучения с зеркальным абсорбером и особыми свойствами прозрачного ограждения (патент RU 2269726, 2006 г.). Реальный к.п.д. таких коллекторов может превысить 90%, позволив применять их не только в солнечных энергоустановках, но и в экономически обоснованных системах передачи тепловой энергии оптическим путем.

Разработана конструкция солнечного коллектора, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя и самонаведение на источник излучения без использования внешних энергоисточников (патент RU №2535193, 2014 г.). Патентуется коллектор с защитой от атмосферных осадков и гололеда.

Созданы и весьма перспективные тепломеханические преобразователи. Эти приводы по принципу действия очень просты. К тому же, они универсальны по виду источника используемой тепловой энергии: будь то солнечная радиация, термальные воды, температурный перепад в морских акваториях, теплоаккумуляторы, теплосодержащие выбросы в окружающую среду, факелы на углеводородных промыслах и т. д. На один из таких преобразователей (без паросилового звена!), рассчитанный на широкое практическое применение, выдан патент (RU 2442906, 2012 г.). Создан и более компактный, несравнимый с ним по эффективности новый вариант преобразователя.

При этом следует напомнить, что решение энергетических проблем возможно не только на базе крупных генерирующих установок, когда их связь с потребителями энергии требует строительства и обслуживания дорогостоящих преобразовательных, передающих и распределительных систем. Во многих реальных условиях выгоднее иметь рассредоточенную систему малых энергоустановок, (с накопителем энергии в виде несложного теплоаккумулятора, оснащенного теплоэлектрическим преобразователем), привязанных к конкретным объектам, таким, как индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма. Они позволят решить жизненно важные инфраструктурные проблемы при освоении и заселении новых территорий, для улучшения условий жизни в малых поселениях, а также снизить зависимость и иных потребителей от поставщиков энергии с их ценовым и правовым произволом.

Особый интерес представляют другие весьма распространенные и мощные ресурсы: энергия морских волн, еще не освоенных горных рек и др. И тут имеем очень большой резерв, разумеется, при использовании опять же новых технических решений, реализованных, например, в разработанной волновой электростанции (патент RU 2313690, 2007 г.). К тому же, подобные установки, оснащенные – при необходимости – системой гашения избыточной энергии опасных волн (патент RU 2365780, 2009 г.) наряду, например, с новыми пневмогидравлическими энергонезависимыми волноломами (патент RU 2461681, 2012 г.) надежно защитят от разрушения берега морей и построенные на них (и даже в открытом море!) сооружения, сохранив при этом естественные условия для экосистем прибрежной зоны.

Транспорт — на экологичное топливо!

Сложнейшей проблемой является топливообеспечение транспорта. Кому не известно, что для производства жидкого топлива используются колоссальные перерабатывающие мощности с опять же огромными затратами сырьевых ресурсов и своим «букетом» опасных выбросов в природную среду, в том числе на добыче и транспортировке? А довершают картину ядовитые транспортные выхлопы. Вот какая действительная «цена» перевозок!

Однако в разрешении и этой проблемы уже имеется успешный масштабный опыт перевода двигателей на экологически чистое водородное топливо (примером может служить Исландия, где для производства такого топлива используется, в основном, геотермальная энергия). Кстати, для этих и других, «не прихотливых» к качеству электроэнергии целей, разработан упрощенный вариант волновой ЭС (патент на импульсный преобразователь волновой энергии RU 2374485, 2009 г.).

При практически не ограниченных на нашей планете ресурсах возобновляемой энергии можно произвести достаточный запас водорода. Конечно же, электролизом воды с использованием возобновляемых энергоресурсов. А излишний кислород разумно даже сбрасывать в атмосферу, восполняя (хотя бы частично) экологическую функцию истребляемых лесов и гибнущего от загрязнений фитопланктона!

При переходе на такое топливо будет реализован идеальный вариант сохранения природных условий – то есть замкнутый в природе цикл с экологически чистым продуктом сгорания водорода (водяной пар: к тому же при его искусственной конденсации снова получим дефицитные дистиллированную воду и тепловую энергию). Разве это не в наших силах и наших общих жизненно важных интересах?!

Выгоды в социальном плане

Переход на альтернативную энергетику остро необходим и в социальном плане: труд многих миллионов людей связан с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива с немалым риском для здоровья и самой жизни (и речь тут не только о шахтерах).

И только с этим переходом экономика многих государств сможет безболезненно – «без ломки» — слезть с «нефтяной иглы», своевременно освоив производство (и экспорт!) экологически чистых недорогих и высокоэффективных топливных продуктов и самих энергоустановок (спрос на них сегодня трудно переоценить). Это, к тому же, позволит занять свое население, в т.ч. и ныне безработное, куда более интересным, достойным и безопасным трудом, связанным с широким освоением возобновляемых энергоресурсов, а ныне безмерно расхищаемые и безрассудно сжигаемые подземные сокровища оставить потомкам как ценнейшее сырье для производства всевозможных материалов с уникальными свойствами, позволяющими им уже сегодня вытеснять дорогие металлы и сплавы даже в самых ответственных конструкциях (например, в новейших воздушных лайнерах углеродные композиты и углепластики составляет добрую половину используемых материалов!).

Только не опоздать бы!

И опять же не только в смысле спасения природных ресурсов и окружающей среды. Ведь если не мы, а другие – наиболее «продвинутые» страны первыми совершат такой прорыв (а они перед собой такую задачу поставили!) и тем самым обрушат цены на углеводородное топливо, то мы окажемся за бортом мирового энергетического рынка, наш госбюджет останется без основного дохода, а великая армия ныне занятых в топливно-энергетическом комплексе умножит ряды безработных. (Хотя в энергетической политике государства погоду делают не какие-то Северные, Южные, Голубые потоки, а самый могучий – «Зелёный» поток (нефтедолларов!). И именно он притупляет и чувство ответственности, и само здравомыслие!). Не пора ли трезво оценить ситуацию?

Н.В. Ясаков,
г. Новороссийск, e-mail: energetika-veka@yandex.ru

Приложение

Пример комплексного энергоснабжения объектов от возобновляемых источников энергии

Данный комплекс обеспечивает автономное энергообеспечение таких объектов, как индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма. Он позволяет решить жизненно важные инфраструктурные проблемы при освоении и заселении новых территорий, для улучшения условий жизни в малых поселениях, а также снизить зависимость и иных потребителей от поставщиков энергии с их ценовым и правовым произволом.

Комплекс предельно экономичен: его тепловые потери зависят практически только от качества теплоизоляции всех элементов системы.

Необходимый ресурс для бесперебойного обеспечения объектов как тепловой, так и электрической энергией создается в теплоаккумуляторе, тип и параметры которого определяются степенью обеспеченности выбранных источников возобновляемой энергии, а также предъявляемыми требованиями к параметрам теплоносителя (его расход, температура). Необходимость в использовании электрических аккумуляторов исключена.

Первичными источниками энергии могут быть самые разные ее природные ресурсы, преобразуемые в теплоту такими устройствами, как, например, ветротепловая установка (патент RU №2253041, 2005 г.) или ее упрощенные аналоги, рассчитанные на определенный тип теплоаккумулятора, уникальная парусная установка без вращающихся рабочих органов (!), преобразующая энергию ветра, как в электрическую, так и в тепловую энергию (патент RU №2469209, 2012 г.), высокоэффективный солнечный коллектор (патент RU №2269726, 2006 г.) либо его упрощенный аналог, обеспечивающий «энергонезависимые» и циркуляцию теплоносителя, и самонаведение на источник излучения (патент RU 2535193, 2014 г.), импульсный преобразователь волновой энергии (патент RU №2374485, 2009 г.) и т. д.

Часть запасенного тепла расходуется непосредственно на различные бытовые и иные нужды. Другая часть потребляется тепломеханическим преобразователем – без каких-либо паросиловых агрегатов – (патент RU №2442906, 2012 г.), составляющим вместе с электрогенератором мощностью в несколько кВт компактную «МикроТЭЦ». Она потоком теплоносителя, нагревающимся в (открытом либо закрытом) контуре охлаждения теплочувствительных элементов, обеспечивает обогрев помещений, теплиц, бассейнов и других объектов.

Блок-схема

Блок-схема комплексного энергоснабжения

Наверх