«ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Под общей редакцией профессора С. П. Кундаса Учебно-методическое пособие Минск 2011 1 УДК 620.91:621.311.2:620.97 ББК 31.15 Э65 Рекомендовано к изданию НМС МГЭУ им. А. ...»

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Международный государственный экологический

университет имени А. Д. Сахарова»

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Под общей редакцией профессора С. П. Кундаса

Учебно-методическое пособие

Минск

2011 1 УДК 620.91:621.311.2:620.97 ББК 31.15 Э65 Рекомендовано к изданию НМС МГЭУ им. А. Д. Сахарова (протокол № 9 от 17 мая 2011 г.) Авторы:

Родькин О. И., проректор по учебной работе, доцент кафедры энергоэффективных технологий МГЭУ им. А. Д. Сахарова, к.б.н.;

Кучинский О. А., ст. преподаватель кафедры энергоэффективных технологий МГЭУ им. А. Д. Сахарова;

Матвеенко И. И., декан ФПК МГЭУ им. А. Д. Сахарова;

Кундас С. П., профессор, д.т.н., ректор МГЭУ им. А. Д. Сахарова;

Позняк С. С., проректор по научной работе МГЭУ им. А. Д. Сахарова, доцент, к.с.-х.н.;

Вайцехович Н. Н., проректор по административно-хозяйственной работе МГЭУ им. А. Д. Сахарова Рецензенты:

зав. кафедрой ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» БНТУ, профессор Баштовой В. Г.;

консультант по науке и технологиям ГКНТ Республики Беларусь, доктор Шенк Ю.

Э65 Энергосбережение и возобновляемые источники энергии: учебно-методическое пособие / О. И. Родькин [и др.]; под общ. ред. С. П. Кундаса. – Минск :

МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2011. – 160 с.

ISBN 978-985-551-006-3.

Данное учебно-методическое пособие содержит учебно-методические материалы для проведения лекций для слушателей курсов повышения квалификации и студентов, а также для самостоятельного изучения дисциплины.

УДК 620.91:621.311.2:620. ББК 31. Настоящее издание подготовлено и издано в рамках проекта «Образование для устойчивой энергетики в Беларуси: Реализация программы ШПИРЕ – Школьной программы использования ресурсов и энергии в учреждениях школьного и внешкольного образования» при финансовой поддержке Министерства иностранных дел Норвегии и Норвежского общества охраны природы.

ISBN 978-985-551-006-3 © Международный государственный экологический университет имени А. Д. Сахарова,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Тема 1. Энергетическая политика Республики Беларусь и стран ЕС в области энергосбережения и использования Возобновляемых источников энергии.......... 1.1. Особенности энергетической политики в мире

1.2. Особенности энергетической политики в Республике Беларусь................. Тема 2. Экологические проблемы использования традиционных источников энергетики. Пути решения проблем современной энергетики

2.1. Классификация природных ресурсов

2.2. Экологические проблемы использования ископаемых энергетических ресурсов

Тема 3. Перспективы развития возобновляемой энергетики

3.1. Современное состояние развития возобновляемой энергетики................. 3.2. Виды возобновляемой энергии

3.2. Использование энергии солнца

3.3. Малая гидроэнергетика

3.4. Геотермальная энергия

3.5. Использование низкопотенциальных источников энергии. Тепловые насосы

3.6. Биоэнергетика

Тема 4. Ядерная энергетика

4.1. Современное состояние ядерной энергетики в мире

4.2. Атомные электростанции

4.3. Белорусская АЭС и перспективы развития ядерной энергетики в Бе ларуси

4.4. Экологические проблемы ядерной энергетики

Тема 5. Основы рационального использования энергии

5.1. Энергосбережение в быту

5.2. Оптимизация выбора систем освещения и электробытовой техники..... 5.3. Приборы учета и контроля за потреблением тепловой и электрической энергии

Тема 6. Основы энергетического менеджмента

6.1. Нормирование топливно-энергетических ресурсов

6.2. Классификация и структура норм расхода ТЭР

6.3. Энергоэкономические показатели по нормированию ТЭР

6.4. Снижение энергопотребления в производственных процессах............... Тема 7. Рекомендации по использованию пособия в учебном процессе............ 7.1. Организация проведения занятий. Реализация учебного плана.............. 7.2. Контроль знаний

7.3. Содержание курса

7.4. Примерная тематика лабораторных и практических работ

Заключение

Cписок литературы

ВВЕДЕНИЕ

Директива № 3 Президента Республики Беларусь поставила ряд задач, связанных с обеспечением энергетической безопасности нашей страны [1]. Одна из таких задач – подготовка и повышение кадров в области энергосбережения, энергоэффективных технологий и возобновляемых источников энергии. Важным аспектом в практической реализации этой задачи является внедрение непрерывной, сквозной системы образования на всех уровнях, начиная с дошкольного и заканчивая переподготовкой кадров и повышением квалификации. Большие задачи по экономии энергоресурсов поставлены и перед системой образования, что также требует проведения работы по переподготовке и повышению квалификации специалистов, работающих в этой сфере, которые должны обладать комплексом технических и экономических знаний и навыков в сфере энергосбережения.

Для реализации такой концепции необходимо проводить повышение квалификации руководителей учебных заведений и преподавателей средней и высшей школы системы Министерства образования.

Курсы повышения квалификации должны ставить своей целью:

дать характеристику основных научных принципов энергетических исследований;

обеспечить изучение вопросов эффективности использования энергии, существующих источников энергии и современных энергетических технологий;

обеспечить в обязательном порядке как теоретическую, так и практическую подготовку на соответствующей материально-технической базе.

Таким образом, соответствующее обучение повысит квалификацию преподавателей и специалистов системы Министерства образования, позволит стимулировать широкое практическое использование энергоэффективных технологий в системах тепло- и энергообеспечения отрасли, принципов энергосбережения при эксплуатации зданий и сооружений, а также передачу соответствующих знаний учащимся всех уровней образования.

В результате обучениия слушатель курсов должен:

основы энергосбережения;

основные нормативные и директивные положения по энергосбережению;

основные направления энергосбережения в зданиях и при использовании бытовой и офисной техники;

преимущества и перспективы развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ);

радиационные способы получения тепловой и электрической энергии;

интерпретировать полученные знания в учебном процессе;

демонстрировать:

возможность преобразования солнечной энергии в тепловую;

возможность преобразования ветровой энергии в электрическую;

возможность преобразования биомассы в тепловую энергию;

сравнительные энергосберегающие характеристики различных потребителей;

иметь представление о:

сущности, целях, задачах и порядке проведения энергетического менеджмента;

роли энергетики в развитии человеческого общества;

эффективности использования и потребления энергии в различных странах и в Республике Беларусь;

видах топлива, их характеристиках и запасах в Республике Беларусь;

экологических проблемах энергетики;

путях решения проблем современной энергетики;

методах и технологиях энергосбережения в быту и на производстве.

ТЕМА 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПОЛИТИКА

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ И СТРАН ЕС В ОБЛАСТИ

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

1.1. Особенности энергетической политики в мире В соответствии с оценками Римского клуба, опубликованными в книге «Пределы роста» в 1972 г., при прогнозируемых темпах развития промышленности и роста народонаселения серьезнейшие проблемы, способные поставить под угрозу существование человечества, могут возникнуть уже в середине нынешнего века.

По современным прогнозам, опубликованным в обзоре ООН, доступные запасы нефти могут быть исчерпаны в течение 41, газа – 64 и угля – 251 года (начиная с 2001 г.). При всей своей условности и относительности такие прогнозы свидетельствуют о том, что человечество обязано активно искать возможные источники замены традиционных энергоносителей уже сегодня. Необходимость поиска альтернативных источников энергии в значительной степени обуславливается также другими глобальными экологическими проблемами, прежде всего ростом концентрации в атмосфере парниковых газов.

Активность стран мирового сообщества в решении энергетических проблем за последние годы закономерно возросла. Конференция ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) не включала энергетические вопросы в число приоритетных, но, тем не менее, они были упомянуты в ряде разделов итогового документа «Повестка 21». Однако уже в 1997 г. на 19-й специальной сессии Генеральной Ассамблеи ООН, посвященной обзору 5-летнего периода выполнения «Повестки 21», особое внимание на межправительственном уровне уделялось развитию устойчивой энергетики. Эти тенденции получили развитие на саммите ООН «Миллениум», состоявшемся в 2000 г. В этом же году на встрече лидеров 8 индустриально развитых держав в Окинаве были сформулированы специальные задачи по развитию возобновляемой энергетики. Эти направления корректировались и дополнялись на 9-й сессии Комиссии по устойчивому развитию в 2001 г., на международном саммите в Йоханнесбурге в 2002 г. и на других важнейших конференциях стран мирового сообщества. Целью и итогом этих конференций были оценки потенциала возобновляемых источников энергии как в глобальном, так и региональном масштабах и выработка стратегических направлений их развития.

В 2001 г. потребление энергии в мировом масштабе составляло приблизительно 10,2 гигатонн у. т. Вклад возобновляемых источников, включая биоэнергетику, малую гидроэнергетику, ветровую энергетику, гелиоэнергетику и энергию приливов, составлял около 2,2 %. Из них на биоэнергетику приходилось 68 %.

Сегодня существует несколько сценариев – прогнозов развития энергетики и использования энергии в мировом масштабе. В соответствии с прогнозом, разработанным Мировым энергетическим советом (МЭС), в 2050 г. потребление энергии возрастет более чем в 2 раза [4].

При этом более 40 % энергетических потребностей будет покрываться за счет возобновляемых источников энергии, в том числе 32 % составит вклад биоэнергетики. Очевидно, что развитие биоэнергетики получит приоритетный статус, что является исключительно актуальным и для Беларуси, природные условия которой в полной мере соответствуют реализации данного направления. Потенциал Республики Беларусь в этом отношении включает такие источники, как лесные и растительные остатки, энергетические культуры, твердые отходы и отходы животноводства.

На протяжении последних десятилетий программы развития энергетики Европейского Союза (ЕС) предусматривают использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в качестве серьезной альтернативы традиционной энергетике. Развитие использования ВИЭ стало приоритетом энергетической политики ЕС. Основной темой опубликованной Зеленой Хартии Стратегического Развития ЕС стали перспективы расширения масштабов использования возобновляемых источников энергии.

Некоторые страны уже превысили первоначально установленные Комиссией ориентиры по возобновляемым источникам энергии, другим же еще предстоит решить целый ряд задач. Например, Дания в 2005 г.

достигла отметки 12 %, а к 2030 г. планирует подойти к показателю в 35 %. Среди других стран, установивших свои, хотя и по-разному определенные ориентиры, – Германия, Испания, Греция, Франция, а также Великобритания.

Различия в показателях стран – членов ЕС частично объясняются несоответствием в том наборе возобновляемых источников энергии, которыми эти страны обладают. Например, некоторые страны имеют значительный гидроэнергетический потенциал или же располагают развитой деревообрабатывающей промышленностью, дающей биомассу, в то время как другие, не обладая в значительной степени ничем из вышеперечисленного, располагают большими ресурсами энергии ветра.

Тем не менее, решающую роль в развитии ВИЭ играют такие факторы, как государственная политика в области энергетики и структура национальной промышленности. Наличие эффективных схем стимулирования способно существенно влиять на темпы развития ВИЭ. Например, тот факт, что доля Германии и Дании в общем объеме мощностей установленных ветровых электростанций составляет 70 % от показателей всего ЕС, объясняется вовсе не тем, что эти страны обладают большими ресурсами ветра, а скорее, существованием общенациональных программ, стимулирующих развитие этой отрасли. Таким образом, стимулирующие факторы оказывают решающее влияние на расширение рынка, принося тем самым двойную выгоду: способствуя вводу новых мощностей и помогая развитию индустрии ВИЭ в целом. Все это содействует усилению конкуренции и стимулирует технологический рост: например, коммерциализация ветроэнергетической отрасли привела к тому, что, начиная с 1990 г., цены на ветроэнергетические установки упали приблизительно на 30 %.

Улучшение технологии и стремление к снижению затрат стали следствием осуществления отдельных национальных программ стран ЕС.

Осуществление таких программ, направленных на обеспечение постоянного роста технологического уровня установок, использующих возобновляемые источники для производства энергии, позволило также добиться существенного снижения затрат на их изготовление и установку.

1.2. Особенности энергетической политики в Республике Беларусь Большой опыт европейских стран в развитии возобновляемой энергетики может быть успешно использован и в Республике Беларусь. Ключевым направлением при этом должно быть создание на основе мирового опыта собственных производств и инфраструктуры для широкого применения возобновляемых и местных источников энергии. Развитие и использование в республике ВИЭ отечественного производства является ключевым и связующим элементом повышения энергетической безопасности, энергосбережения и повышения энергоэффективности экономики.

В соответствии с Директивой № 3 [1] приоритетными направлениями внутренней и внешней политики государства являются обеспечение энергетической безопасности и энергетической независимости Беларуси.

Правительству в 2007–2010 гг. и в перспективе надлежит не просто обеспечить полное и надежное снабжение населения страны и национальной экономики энергоресурсами, снизить риски и не допустить кризисных ситуаций в энергообеспечении, но и сделать возможной поставку энергоресурсов потребителям по экономически обоснованным ценам (тарифам).

При этом, начиная с 2007 г., поставка в республику топливноэнергетических ресурсов осуществляется только по долгосрочным соглашениям.

Во исполнение Директивы № 3 Правительством образована постоянно действующая Республиканская межведомственная комиссия по контролю за экономией и рациональным использованием топливноэнергетических и материальных ресурсов (постановление Совета Министров Республики Беларусь от 30 июля 2007 г. № 972).

Основными задачами комиссии являются: определение главных направлений обеспечения энергетической безопасности и энергетической независимости страны, а также мониторинг эффективности реализуемых мер по экономному и рациональному использованию топливноэнергетических и материальных ресурсов и выработка соответствующих предложений.

Аналогичные комиссии созданы не только по всей исполнительной вертикали (на отраслевом, областном, городском и районном уровнях) и в государственных организациях, но и в негосударственных юридических лицах – хозяйственных субъектах, в которых государство является участником и может принадлежащими ему голосами определять принимаемые решения. Эти комиссии должны обеспечить разработку и реализацию мер по экономному и бережливому использованию топливноэнергетических и материальных ресурсов во всех сферах производства и в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Правительством также создан институт внештатных инспекторов по надзору за эффективным использованием ресурсов.

В соответствии с Директивой предусматривается активизировать продажу (в установленном порядке) имущественных комплексов неэффективно работающих малых и средних государственных организаций, не завершенных строительством объектов с превышением нормативного срока строительства свыше двух лет, а также долей государства в уставных фондах убыточных хозяйственных обществ.

Новый импульс к совершенствованию получила работа по обеспечению экономии валютных средств за счет активизации импортозамещения, существенного сокращения импорта промышленной и сельскохозяйственной продукции, аналогичной производимой в республике.

Основной задачей государственной инвестиционной политики на современном этапе является привлечение инвестиций, в первую очередь, для технического переоснащения и модернизации основных производственных фондов, внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий.

В настоящее время в Беларуси реализуется более 90 важнейших инвестиционных проектов, крупнейшими из которых являются модернизация таких предприятий, как Беларуськалий, Белшина, Минская ТЭЦ, БМЗ, МТЗ, МАЗ и др.

Особое значение имеет переоснащение перерабатывающих предприятий агропромышленного комплекса в целях обеспечения глубокой переработки сельскохозяйственного сырья и максимального использования отходов производства, включая создание на их основе производств по получению топлива.

Более того, по поручению Главы государства в Минске и Бресте прорабатываются проекты строительства жилых микрорайонов с использованием геотермальной энергии для обогрева домов. Белорусская сторона уже ведет переговоры с фирмами Китая, где в отоплении жилфонда широко используется тепло подземных вод.

В последние годы при проектировании и строительстве домов активно применяется энергоэффективный метод с использованием отечественных энерго- и ресурсосберегающих конструктивных элементов, материалов и инженерных систем. Как правило, в отопительный сезон жилые дома потребляют для отопления и горячего водоснабжения около 40 % производимой в республике тепловой энергии. Это много, особенно если учесть, что значительная часть тепла уходит через стены, крыши, окна, вентиляцию. Именно поэтому старые дома сейчас «одевают в шубы», т. е. проводят тепловую модернизацию, утепляя стены. А при строительстве новых домов уже используются материалы с повышенным термосопротивлением; обязательными стали стеклопакеты в квартирах.

В республике вплотную подошли и к решению проблемы уменьшения потерь тепла через вентиляцию, которые составляют около половины всех теплопотерь жилого фонда. В Минске в микрорайоне Красный Бор в 2007 г. построен экспериментальный дом будущего. Дом отличает повышенная теплозащита стен, использование принципа неоднородного утепления. Здесь установлены энергосберегающие окна, внедрена специальная система вентиляции с рекуперацией тепла уходящего воздуха.

Внешне это рядовая девятиэтажка, в которой 143 квартиры. Однако за отопление жильцы станут платить в 3–4 раза меньше той суммы, которую мы платим обычно. При строительстве дома учтены все факторы, позволяющие сохранить тепло: уменьшена теплопроводность стен; вместо металлических гибких связей применяется стеклопластиковая арматура; используются более эффективные утеплители. Стекла на окнах устанавливаются со светофильтрами, отражающими инфракрасное излучение. В итоге их теплопотери вдвое меньше, чем у применяемых в настоящее время.

Если в обычных квартирах идет постоянная вентиляция воздуха (через шахты теплый воздух уходит, а через окна и щели приходит холодный воздух с улицы), то в экспериментальном доме вентиляция не свободная, а принудительная. В лоджии каждой квартиры установят блок принудительной вентиляции, которая, подавая в квартиру воздух с улицы, будет подогревать его выходящим из квартиры теплом.

Новая система вентиляции поддерживает оптимальный уровень температуры, влажности и газового состава воздуха в квартире. Оснащенная блоком догрева, система вентиляции создаст комфорт в помещении в переходный период «осень – зима», когда отопление еще не включили, но в домах уже прохладно.

Мингорисполкомом принята программа, согласно которой все крупнопанельные дома в Минске с 2012 г. будут строить энергоэффективными.

Имеются и другие примеры нетрадиционных подходов к решению проблемы энергосбережения. Так, в Житковичском районе Гомельской области появились три детских садика, которые оборудованы солнечными батареями. Энергосберегающее оборудование позволило в три раза сократить расход электроэнергии на подогрев воды для нужд дошкольных учреждений. Солнечной энергии оказалось достаточно для того, чтобы в летний период обеспечить подогрев воды на уровне 60 °С, а в зимнее время – 35–40 °С.

Обеспечение экономической безопасности государства и повышение конкурентоспособности национальной экономики в определяющей степени зависят от хода реализации Cтратегии развития энергетического потенциала Республики Беларусь (утверждена Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 9 августа 2010 г. № 1180, далее – Стратегия) [2], основной целью которой является инновационное и опережающее развитие отраслей ТЭК, обеспечивающее производство конкурентоспособной продукции на уровне мировых стандартов при безусловном надежном и эффективном энергообеспечении всех отраслей экономики и населения.

Стратегия направлена на достижение следующих показателей (табл. 1.1):

Цели Стратегии развития энергетического потенциала Республики Беларусь Доля собственных энергоресурсов* в балансе котельно-печного топлива Доля природного газа в потреблении котельно-печного топлива 71,8 64,0 55, Износ основных производственных фондов организаций ТЭК 54,3 48,3 43, Доля доминирующего поставщика энергоресурсов в потреблении валовых ТЭР Обеспеченность емкостями для хранения запасов КПТ (по газу и мазуту), суток *С учетом продуктов нефтепереработки из собственной нефти и вторичных энергоресурсов, попутного газа и экспорта топливных брикетов.

Приоритетами стратегии являются:

повышение уровня энергетической безопасности страны;

полное, надежное обеспечение населения и экономики республики энергоресурсами;

снижение удельных затрат на производство, транспорт и потребление энергоресурсов;

максимально целесообразное использование собственных энергоресурсов;

повышение финансовой устойчивости, эффективности функционирования и развития отраслей ТЭК.

Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 10 мая 2011 г. № 586 была утверждена Национальная программа развития местных и возобновляемых энергоисточников на 2011–2015 гг. [3] Целью Национальной программы является увеличение объемов использования собственных энергоресурсов и развитие новых для Республики Беларусь тенденций в области энергетики в 2011–2015 гг. с доведением доли в котельно-печном топливе страны местных видов топливно-энергетических ресурсов до 30 % в 2015 г.

Для достижения поставленной цели Национальной программой предусматривается решение следующих задач:

уточнение потенциальных запасов местных энергоресурсов;

определение технически возможных и экономически целесообразных объемов добычи (производства) местных видов топливно-энергетических ресурсов;

распределение заданий по производству и потреблению энергоресурсов по отдельным отраслям и регионам;

оценка возможности собственного производства оборудования для использования местных видов топливно-энергетических ресурсов;

оценка требуемых инвестиций;

совершенствование правовой базы и тарифной политики в части стимулирования использования местных и возобновляемых источников энергии;

реализация конкретных мероприятий.

В Национальной программе обобщены и уточнены существующие программные документы в области использования местных видов топливно-энергетических ресурсов в Республике Беларусь, а также рассмотрен ряд новых направлений с указанием конкретных мероприятий по их реализации.

К другим важным нормативным правовым актам Республики Беларусь в области энергосбережения и использования возобновляемых источников энергии относятся:

Закон Республики Беларусь «О возобновляемых источниках энергии» от 27 декабря 2010 г. № 204-З;

Закон Республики Беларусь «Об энергосбережении» от 15 июля 1998 г. №190-З;

Государственная комплексная программа модернизации основных производственных фондов Белорусской энергетической системы, энергосбережения и увеличения доли использования в республике собственных топливно-энергетических ресурсов на период до 2011 г. (Указ Президента Республики Беларусь от 15 ноября 2007 г. №575);

Республиканская программа энергосбережения на 2011–2015 гг.

Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 24 декабря 2010 г. № 1882;

Программа строительства энергоисточников, работающих на биогазе, на 2010–2012 гг. (утверждена Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 9 июня 2010 г. № 885);

План мероприятий по разработке и освоению производства оборудования и комплектующих для биогазовых комплексов (утвержден Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 9 декабря 2010 г.

№ 1793);

Государственная программа строительства в 2011–2015 гг. гидроэлектростанций в Республике Беларусь. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 17 декабря 2010 г. № 1838;

Государственная программа «Торф» на 2008–2010 гг. и на период до 2020 гг. (утверждена Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 23 января 2008 г. № 94).

Государственная политика энергосбережения [3] с учетом требований Директивы Президента Республики Беларусь от 14 июня 2007 г. № «Экономия и бережливость – главные факторы экономической безопасности государства» позволила снизить энергетическую составляющую в затратах на производство промышленной продукции с 12,2 % в 2007 г.

до 10,8 в 2009. Финансирование мероприятий по энергосбережению с 2005 по 2009 гг. приведено в табл. 1.2. С 1997 по 2009 гг. рост ВВП составил 123,4 %, а потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) увеличилось только на 1,3 %.

Финансирование мероприятий по энергосбережению Финансирование, млн долларов США Затраты на экономию 1 т у. т., долларов США/т у. т.

Как видно из рис. 1.1, за последние 13 лет валовый внутренний продукт (ВВП) нашей страны вырос почти в 2,5 раз при повышении энергопотребления только на 6 %, что позволило снизить на 44 % энергоемкость ВВП. Однако если сравнить этот показатель с другими странами Европы (см. рис. 1.2), можно сделать вывод, что у нашей страны есть еще большие резервы в повышении энргоэффективности экономики и энергосбережения.

1997 г. 1998 г. 1999 г. 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

Финансирование энергосберегающих мероприятий в 2008 г. происходило по схеме: 30,8 % – собственные средства предприятий, 24 – средства инновационных фондов Минэнерго и других министерств и ведомств, 27,3 – средства республиканского и местных бюджетов и 17,9 % – кредиты и займы.

Рис. 1.2. Показатели энергоемкости ВВП в 2008 г. в странах мира (по данным Международного энергетического агентства)

ТЕМА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ЭНЕРГЕТИКИ. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

2.1. Классификация природных ресурсов Под природными ресурсами понимаются объекты, условия и процессы природы, которые используются или могут быть использованы в общественном производстве для удовлетворения материальных, научных, эстетических и других потребностей общества.

Существует ряд классификаций природных ресурсов. По своему происхождению они подразделяются на следующие виды: космические, земельные, растительные, фаунистические, планетарные, климатические, полезные ископаемые.

В последние годы в связи с активным использованием и необходимостью сохранения природных ресурсов особый интерес представляет классификация, основанная на возможности их исчерпаемости (рис. 2.1).

Неисчерпаемые ресурсы – это преимущественно внешние по отношению к Земле процессы и явления, такие как солнечная энергия и ее производные: ветровая энергия, энергия движущейся воды, энергия земных недр. В этой классификации вода и воздух относятся как к неисчерпаемым, так и к исчерпаемым ресурсам. В количественном отношении эти элементы окружающей среды практически неизменны, а, следовательно, и неисчерпаемы.

Но для культурно-бытовых, хозяйственных и промышленных нужд требуются воздух и вода определенного качества, которые ухудшаются в результате деятельности человека. Для поддержания качества воды используются сложные технологии водоочистки и водоподготовки. Для сохранения чистоты воздуха используется техника пыле-газоочистки, а также комплекс санитарно-гигиенических и архитектурно-планировочных мероприятий. Таким образом, сделать неисчерпаемыми эти ресурсы в силах человека.

Исчерпаемые ресурсы делятся на:

возобновимые, способные к самовоспроизводству: растительный и животный мир, мир микроорганизмов;

невозобновимые, образовавшиеся в недрах Земли в весьма отдаленные от нас периоды в течение многих миллионов лет: рудные и нерудные полезные ископаемые;

Неисчерпаемые Рис. 2.1. Классификация природных ресурсов с точки зрения их исчерпаемости относительно возобновимые, способные к воспроизводству в темпах, отстающих от темпов потребления. Например, процесс образования плодородного слоя почвы толщиной 1 см длится столетия, а разрушается почва в течение нескольких десятилетий или даже лет. Для возобновления запасов древесины также требуется не одно десятилетие.

Интерес для производственной деятельности представляет экономическая классификация природных ресурсов, основанная на возможности их применения в том или ином секторе экономики. Согласно экономической классификации выделяют:

ресурсы материального производства: промышленные, сельскохозяйственные, строительные, топливные, энергетические, металлические руды, лесосырьевые земельные стройматериалы, вода, древесина и т. д.;

ресурсы сферы услуг:

прямого потребления – воды для орошения, минеральная и питьевая вода, дикорастущие растения, промысловые животные;

косвенного использования – климатические, ресурсы для отдыха и лечения, водоемы и леса для рекреационных и спортивных целей, эстетические ресурсы ландшафтов и т. д.

Для получения энергии, создания необходимой продукции человек находит, добывает и перемещает к местам переработки необходимые природные ресурсы, вовлекая их в ресурсный цикл.

Ресурсный цикл – это совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ, происходящих на всех этапах использования его человеком. В природопользовании можно выделить несколько ресурсных циклов, которые, несмотря на относительную самостоятельность, тесно связаны друг с другом.

К таким ресурсным циклам относятся: цикл почвенно-климатических ресурсов и сельскохозяйственного сырья, цикл сырьевых ресурсов, цикл энергетических ресурсов, цикл ресурсов живой природы.

Цикл сырьевых ресурсов тесно связан с производством энергии, т. е. с циклом энергетических ресурсов.

Слово цикл подразумевает замкнутость процесса. В природе все вещества находятся в замкнутых биохимических циклах. Наличие таких циклов не позволяет веществам переходить в иное состояние, исключающее их дальнейшие превращения.

Незамкнутость ресурсного цикла Ресурсный цикл, иногда называемый антропогенным круговоротом вещества, фактически не замкнут, что видно из рис. 2.2.

На каждом его этапе неизбежны потери, являющиеся следствием особенностей технологий либо каких-нибудь объективных или субъективных причин.

Считается, что на всех этапах ресурсного цикла в окружающей среде рассеивается около 98 % минерального сырья.

Предметы массового употребления в результате износа, коррозии или утраты в них надобности так или иначе оказываются в окружающей среде, загрязняя ее. Многие отходы преобразуются в воде, почве и атмосфере, превращаясь в еще более опасные для здоровья человека вещества, которые представляют собой вторичные загрязнения.

Особый случай представляют собой культурные экосистемы, т. е.

обрабатываемые сельскохозяйственные земли, не способные к самовосстановлению из-за истощения почвы вследствие сбора урожая, в котором сконцентрировано органическое и минеральное вещество. В результате организмы-деструкторы, или почвообразователи, не получают материала для разложения и минерализации и обеспечения собственных потребностей в веществе и энергии. Поэтому человек вынужден полностью брать на себя восстановление плодородия, затрачивая для этого специально произведенные им вещества, например, удобрения и энергию.

Так, в процессе сбора урожая сельскохозяйственных культур из почвы ежегодно выносится 5–7 млн т азота, 3–5 млн т фосфора, до 10 млн т калия. Вынесенные элементы возмещаются со значительным дефицитом за счет внесения сотен миллионов тонн навоза, тысяч тонн минеральных удобрений, а также биологической фиксацией азота клубеньковыми бактериями бобовых растений.

Транспортируемые к месВзятые дополнительно за счет совершентам использования и перествования технологий добычи Перерабатываемые в коСохраненные за счет совершенствования нечную продукцию или Изделия или продукция Утилизируемые отходы, вторичные Таким образом, человек замыкает значительную долю естественного круговорота, в рамках которого осуществляется ресурсный цикл. Количества вещества, вовлекаемого в антропогенный круговорот, уже соизмеримы с количествами вещества в естественных биохимических циклах.

По мере прохождения через ресурсный цикл вещества, ранее сконцентрированные в том или ином месте локализации, рассеиваются. Рассеиваются не исходные, а трансформированные или утраченные в процессе ресурсного цикла вещества, которые загрязняют природную среду.

Таким образом, главной объективной причиной загрязнения среды является незамкнутость ресурсного цикла.

К загрязняющим веществам окружающей среды относятся не только токсичные и вредные отходы производств, но и практически безвредные вещества, образующиеся в качестве попутных продуктов, таких как:

массы навоза в сельском хозяйстве, углекислый газ, утонувшая древесина. Борьба с подобными загрязнениями является также актуальной.

2.2. Экологические проблемы использования ископаемых Как уже было рассмотрено ранее, ископаемое топливо относится к категории исчерпаемых и невозобновляемых природных ресурсов.

В настоящее время оно используется наиболее активно и в значительных масштабах. К основным, или традиционным, видам ископаемого топлива относятся уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы. Исчерпаемость, или конечность, запасов традиционных источников энергии – это только одна проблема, вторая – это негативное масштабное воздействие на окружающую среду, связанное с их добычей, переработкой и использованием. Решение этих проблем взаимосвязано и составляет одну из важнейших задач современной экологии.

Уголь был первым промышленно используемым традиционным источником энергии. Особенно активно он использовался в Англии, где и началась промышленная революция. Таким образом, именно уголь был решающим фактором в развитии европейской цивилизации.

В качестве энергоисточника в основном используется природный и древесный уголь. Природный уголь представляет собой продукт разложения болотных растений (их возраст – до 300 млн лет). Растения отмирали, погружались в болото и были погребены под слоями песка. Постепенно образовывались толстые слои таких отложений. Эти отложения под действием давления, температуры и микроорганизмов превращались сначала в торф, а затем в уголь.

В настоящее время уголь – самое распространенное ископаемое топливо с запасами, оцениваемыми почти в 1000 млрд т. Таким образом, ресурсная база угля намного больше, чем у нефти и газа. К тому же, угольные запасы более равномерно распределены по всему миру.

В 1774–1784 гг. Дж. Уатт разработал и построил универсальный паровой двигатель, который в основных чертах не изменился до настоящего времени. Паровой двигатель превращал тепловую энергию, образующуюся при сгорании угля, в механическую энергию. Примитивные паровые машины использовались уже с начала XVIII в., но только универсальная машина Уатта могла быть приспособлена к различным промышленным процессам. Уголь, таким образом, становился универсальным энергоносителем. Паровые суда и поезда облегчили передвижение, и уголь можно было перевозить по всей Англии и, в конце концов, по всему миру. Новые города росли вокруг заводов, работающих на энергии угля и ориентированных на мировой рынок. Можно сказать, что уголь и пар обеспечили победу капитализма над феодализмом и положили начало эпохе промышленного капитализма в Европе и Америке.

В дальнейшем были предприняты попытки снижения стоимости добычи угля и использования технологий обогащения угля для того, чтобы снизить воздействие на окружающую среду.

Еще в 1965 г. уголь был самым важным энергоисточником в мире.

В 1985 г. уголь давал 31 % производимой человечеством энергии. Сегодня прогнозируется рост потребности в угле на уровне, немного превышающем скорость развития энергетики. Большая часть этого роста будет приходиться на производство электроэнергии в странах, не входящих в Организацию экономического сотрудничества и развития (OECD), преимущественно на Азию. Уголь удобен для производства электричества и других промышленных процессов. Он дает дешевую энергию в странах, где этот энергоисточник доступен.

Согласно прогнозам, в XXI в. доля угля в мировом потреблении первичной энергии немного снизится, с 24 % в 2001 г. до 23 в 2025. Но его роль будет весьма значима в электроэнергетике, и он будет доминировать на энергетических рынках развивающейся Азии, особенно в Китае и Индии. Потребление угля будет расти во всех регионах мира, кроме Западной и Восточной Европы и стран бывшего СССР. Но и здесь есть исключения: Россия, где уголь может частично заместить природный газ, и Франция, где велика роль атомной энергии в производстве электроэнергии.

При современном уровне производства запасов угля хватит более чем на 220 лет.

С экологической точки зрения уголь является наиболее опасным ископаемым топливом. При сжигании угля образуются ядовитые газы, такие, как угарный газ (окись углерода), сернистый газ (двуокись серы) и газы, влияющие на климат, например, углекислый газ. Выбросы этих газов сильно увеличились со времен промышленной революции. Никакой другой тип невозобновляемого топлива не выбрасывает так много углекислого газа, как уголь. Загрязнение производят также угольная пыль и сажа.

Именно уголь был причиной происхождения такого загрязнения атмосферы, как смог. В результате этого в Англии в прошлом веке погибли тысячи людей.

В недрах Беларуси более распространены бурые угли. На настоящий момент известно 3 месторождения бурых углей: Житковичское, Бриневское и Тонежское с общими запасами 151,6 млн т.

Разведаны детально и подготовлены для промышленного освоения две залежи Житковичского месторождения: Северная (23,5 млн т) и Найдинская (23,1 млн т), две другие (Южная – 13,8 млн т и Кольменская – 8,6 млн т) разведаны предварительно.

На базе Житковичского месторождения с учетом предварительно разведанных запасов возможно строительство буроугольного карьера годовой мощностью 2 млн т (0,37 млн т у. т.). Бурые угли являются низкокалорийными: низшая теплота сгорания рабочего топлива составляет 1500–1700 ккал/кг, влажность – 56–60 %, средняя зольность – 17–23 %.

Они наиболее пригодны для использования как коммунально-бытовое топливо после брикетирования совместно с торфом.

Разработка угольных месторождений возможна закрытым (шахтным) и открытым способом. При закрытой добыче происходит нарушение земельных ресурсов, просаждение земных пород, усиление сейсмической активности, загрязнение грунтовых вод.

Открытая добыча также не безопасна с экологической точки зрения, поскольку в результате вынужденного резкого снижения грунтовых вод возможный экологический ущерб из-за гибели лесных угодий, рыбных прудов, снижения урожайности сельхозугодий, запыленности территорий значительно превысит получаемые выгоды.

Рис. 2.4. Добыча каменного угля шахтным способом Нефть и нефтепродукты Нефть – это сложная смесь углеводородов, представляющая собой продукт разложения одноклеточных растений и организмов, живших сотни миллионов лет назад. Погибая, они формировали отложения на глубинах от 30 м до 8 км. Активное использование нефти человечеством началось только в ХХ в. Это связано с определенной технической сложностью при ее добыче, переработке и транспортировке.

Прежде чем добывать нефть, надо провести геологическую разведку, т. е. найти залежи ископаемого. После этого бурят скважины с помощью буровых установок, чтобы добывать нефть из земных глубин.

Затем сырая нефть поступает на нефтеперерабатывающие заводы, где из нее получают бензин, керосин, дизельное топливо, парафин, битум и другие нефтепродукты. Нефть также может поступать на тепловые электростанции для сжигания.

Нефть является не только источником энергии. Она служит также сырьем для нефтехимической промышленности, производства пластмасс и даже лекарств. Приблизительно 90 % всей добываемой нефти используют в качестве топлива, остальная часть используется для получения нефтехимических продуктов.

Количество разведанных запасов нефти постоянно растет на протяжении последних 20 лет, в большей части за счет того, что нефтяные компании увеличивают оценки запасов в уже открытых месторождениях. Это связано с более совершенным изучением месторождений, ростом производительности и передовых технологий. Появление новых технологий стало причиной более тщательной оценки запасов с помощью современных методов разведки и усовершенствования технологий бурения (таких как горизонтальное и морское бурение), а также роста коэффициента нефтеотдачи – доля нефти, которая может быть добыта, – с 30 до 40–50 %.

Самые большие запасы нефти – около 25 % всех мировых запасов – находятся на территории Саудовской Аравии. Доказанные запасы нефти в данной стране составляют более 35 млрд т. Ирак является второй по величине нефтяных запасов страной в мире. Объем его доказанных запасов составляет около 16 млрд т нефти (11 % общемировых), прогнозных – по разным оценкам от 30 до 40 млрд т. Основными месторождениями страны являются Меджнун с доказанными запасами около 3 млрд т нефти, Западная Курна (2,4 млрд т), Восточный Багдад (1,5 млрд т) и Киркук (1,4 млрд т).

Доказанные запасы нефти в России составляют примерно 5,5 % мирового – около 8 млрд т, в США – около 4 млрд т (2,2 % общемировых).

Мировым лидером по добыче нефти является Саудовская Аравия – более 1,2 млн тонн/день, что составляет около 12 % от всей добычи. Мировым лидером по потреблению нефти являются США – более 2,6 млн тонн/день. Чуть меньше потребляют страны Европейского союза – примерно 1,9 млн тонн/день. Мировое потребление нефти по прогнозам будет увеличиваться на 1,9 % в год: с 12 млн тонн/день в 2001 г.

до 19 в 2025. Основной прирост потребления нефти, около 60 % от мирового, придется на Китай и другие развивающиеся страны Азии, а также на США. При сохранении существующих темпов добычи нефти хватит на 25–30 лет.

Доля нефти в структуре мирового потребления первичной энергии будет примерно постоянна, около 39 %. Однако надо отметить ожидаемое вытеснение нефти из электроэнергетики, а также то, что, хотя нефтепродукты будут преобладать в транспортном секторе всех стран, начнется внедрение новых технологий, и в их числе водородные.

Разница в объемах потребления нефти в индустриальных и развивающихся странах будет снижаться. Если в 2001 г. на развитые страны пришлось почти 2/3 мирового потребления нефти, то в 2025 г. разница в объемах потребления может сократиться до 5–7 %. В индустриальных странах рост потребления нефти будет идти исключительно за счет транспорта, а в развивающихся – во всех секторах экономики, и, в первую очередь, через вытеснение широко используемой в настоящее время древесины.

Разведанные месторождения нефти на территории Беларуси сосредоточены в южной части страны, в нефтегазоносной области – Припятской впадине, площадь которой составляет около 30 тыс. км2. Начальные извлекаемые ресурсы нефти были оценены в 355,56 млн т. В промышленные категории переведено 46 % указанных ресурсов. В период с по 2002 гг. были открыты 185 месторождений с залежами нефти, 64 из которых имеют суммарные запасы 168 млн т. Соответственно неразведанные ресурсы нефти оцениваются на уровне 187,56 млн т. С начала разработки добыто 108 млн т нефти и 11,3 млрд м3 попутного газа, остаточные запасы нефти промышленных категорий составляют 58 млн т, попутного газа – 34,3 млн м3 [6].

Прогнозируемые объемы годовой добычи нефти в стране в млн т составят:

Экологические проблемы использования нефти связаны с ее добычей, транспортировкой, переработкой и использованием. Добыча нефти наземным способом приводит к выводу значительного количества земель из сельскохозяйственного оборота, их загрязнению, к деградации почвы вследствие нарушения ее верхнего плодородного слоя.

Особую опасность представляет собой добыча нефти со дна морей и океанов, строительство и эксплуатация нефтяных платформ.

20 апреля 2010 г. произошел взрыв на нефтяной платформе Deepwater Horizon в Мексиканском заливе, принадлежащей компании British Petroleum на правах аренды. В результате взрыва на плавучей буровой платформе началось фонтанирование смеси газа и нефти. При аварии погибли 11 нефтяников, платформа затонула. Только к середине июля 2010 г. специалистам компании удалось приостановить утечку, установив на ее место защитный купол.

Начиная с момента аварии на плавучей буровой платформе, в воды Мексиканского залива, по разным данным, ежемесячно попадало от до 410 тыс. т нефти. Суммарные расходы на ликвидацию катастрофы в Мексиканском заливе, по оценкам экспертов экологических организаций, могут составить около 60 млрд долларов.

Нефтяное пятно дошло до атлантического побережья Флориды и продолжило движение дальше в сторону Северной Каролины. Это нанесло непоправимый ущерб целой цепи островов, заливов, растениям, животным и, конечно, жителям этого популярного среди туристов региона. Авария стала крупнейшей экологической катастрофой в истории США, сопоставимой по своим последствиям с аварией на ЧАЭС.

Рис. 2.6. Разлив нефти в Мексиканском заливе Серьезные проблемы связаны с транспортировкой нефти и нефтепродуктов по трубопроводам и морским транспортом.

Республика Беларусь не имеет морского транспорта, аварии при использовании которого приводят к тяжелым экологическим последствиям в глобальном масштабе. Железнодорожный и автомобильный транспорт также потенциально достаточно опасны, но за последние годы аварий с серьезными экологическими последствиями здесь не наблюдалось. Для нашей страны наибольшую опасность имеют аварии на нефтепроводах, которые проходят через всю территорию Республики Беларусь.

Через территорию Витебской области проходят три трубопровода:

один продуктопровод «Юго-Запад-Транснефтепродукт» и два нефтепродуктопровода – «Унеча-Полоцк-Вентспилс» и «Сургут-Полоцк», которые транспортируют нефтепродукты (нефть, дизельное топливо).

В настоящее время одной из проблем являются частые аварии на трубопроводах, приводящие к попаданию нефтепродуктов в водные и почвенные экосистемы.

Только за последние несколько лет на территории области произошел ряд аварий, связанных с разрывами на нефтепроводах.

На месте разлива нефтепродуктов наблюдалось просачивание загрязнителя в почву, что неизбежно негативно сказалось на жизнедеятельности почвенной микрофлоры и фауны. Концентрация нефтепродуктов в почвах при уровне ПДК 50 мг/кг в некоторых пробах превышала установленный норматив в сотни раз.

Осаждение нефтепродуктов приводило к загрязнению дна водотоков, что может обусловить отдаленные отрицательные последствия.

В ближайших к месту происшествия деревнях ландшафты реки были загрязнены осадками нефтепродуктов, специфическая нефтяная пленка частично покрывала поверхность воды. Как результат, имели место единичные случаи гибели рыб, а также водных млекопитающих (бобров и ондатр), шкурки которых были загрязнены нефтепродуктами. Таким образом, можно говорить, что объективная оценка экологических последствий аварии может быть сделана только с течением времени.

По статистике ООН, ежегодно в воды мирового океана в результате деятельности нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, аварий при транспортировке и т. д. выливается в среднем около 10– 15 млн т нефти. В нашей стране в составе сточных вод ежегодно сбрасывается в водные объекты около 250 т нефти.

Переработка нефти (рис. 2.7) на химических предприятиях также приводит к масштабному загрязнению атмосферного воздуха. Города Новополоцк и Мозырь, где расположены крупнейшие нефтеперерабатывающие заводы, относятся к категории наиболее экологически небезопасных населенных пунктов в Беларуси.

Природный газ Из природного газа сегодня в мире вырабатывается более 25 % энергии. По добыче газа (рис. 2.8) первое место в мире занимает Россия.

Залежи природного газа обычно находятся вместе с нефтью, хотя существуют чисто газовые месторождения. Природный газ, как нефть и уголь, образовался в земле из останков растений и мелких животных. Содержание энергии в природном газе почти такое же высокое, как в нефти. Природный газ используется как топливо на электростанциях, Он является самой чистой формой невозобновляемой энергии: в нем очень низкое содержание ядовитых веществ, и он может сгорать очень быстро, поэтому прост в использовании. Тем не менее, проблемы выбросов углекислого газа при использовании природного газа остаются. Газ можно транспортировать к месту потребления по трубам. Можно снизить температуру, чтобы газ перешел в жидкое состояние, тогда его можно перевозить в нефтяных танкерах.

Запасы природного газа оценены в 267 гигатонн в нефтяном эквиваленте. Прогнозируется ежегодный рост потребления природного газа на 2,6 %, большей частью за счет роста производства энергии в странах, не входящих в Организацию экономического сотрудничества и развития (OECD).

Потребление природного газа будет идти с наибольшими темпами и к 2025 г. прирост составит 67 %. Роль природного газа в электроэнергетике будет наиболее заметна в индустриальных странах, Восточной Европе и странах бывшего СССР. У этих стран доля газа увеличится почти в 1,5 раза и к 2025 г. достигнет 30 %. Развивающиеся страны в 2025 г.

выйдут на 17 %, т. е. по использованию природного газа в электроэнергетике они только приблизятся к уровню 2001 г. первой группы стран.

В Беларуси нет собственных промышленных месторождений природного газа. Тем не менее, доля его использования неуклонно возрастает. В настоящее время в Республике Беларусь в структуре топлива на природный газ приходится около 80 % по сравнению с 42,2 % в 1990 г.

Такая динамика способствует снижению опасных выбросов в атмосферу и оздоровлению окружающей среды.

Природный газ является более экологичным видом топлива по сравнению с углем и нефтью. Основным источником загрязнения при его использовании являются выбросы в атмосферу соединений азота.

В свою очередь это приводит к таким последствиям, как кислотные дожди и фотохимический смог. Более подробно это будет изложено в следующих главах.

Местные традиционные источники энергии в Беларуси В нашей стране, как уже было сказано выше, используются все традиционные источники энергии, в том числе, такие как нефть, уголь, газ (табл. 2.1). Но в Беларуси можно и нужно использовать местные энергоносители, характерные для нашей страны. Это позволит нам быть менее зависимыми от других стран, которые сегодня продают нам ископаемое топливо. Уже к 2015 г. страна планирует увеличить долю местных энергоресурсов до 28–30 % в балансе котельно-печного топлива от общего потребления.

Структура топливно-энергетического баланса Республики Беларусь Местные виды топливно-энергетических 5,0 14,6 5,23 15,2 6,49 17,6 7,62 19, ресурсов Импорт топливно-энергетических ресурсов Итого потребление ческих ресурсов Торф – это переходная форма ископаемого топлива. Торф также относится к категории невозобновляемых источников энергии. Запасы торфа в стране образовались в результате заболачивания территории из остатков ископаемых растений и животных.

В республике разведано более 9000 торфяных месторождений общей площадью в границах промышленной глубины залежи 2,54 млн га и с первоначальными запасами торфа 5,65 млрд т. К настоящему времени оставшиеся геологические запасы оцениваются в 4 млрд т, что составляет 70 % от первоначальных. Торф встречается практически на всей территории Беларуси (см. рис. 2.9).

В разряд промышленных запасов топливного торфа переведено 250 млн. тонн, что составляет 5,5 процента оставшихся запасов. Извлекаемые при разработке месторождений запасы оцениваются в 100– млн. тонн.

В 2009 году потребление торфяного топлива в республике составило 592 тыс. т.у.т. Дальнейшее увеличение объемов использования торфа в качестве топлива возможно за счет переоборудования действующих либо создания новых котельных и мини-ТЭЦ, предназначенных для работы на этом виде топлива.

К 2020 году прогнозируется увеличение добычи торфа топливной группы до 1,5 млн. т у. т. [2] Основные запасы залегают в месторождениях, используемых сельским хозяйством (1,7 млрд т, или 39 % оставшихся запасов) или отнесенных к природоохранным объектам (1,6 млрд т, или 37 %). Ресурсы торфа, отнесенные в разрабатываемый фонд, оцениваются в 250 млн т, что составляет 5,5 % оставшихся запасов. Извлекаемые при разработке месторождений запасы оцениваются в 100–130 млн т.

Основным потребителем торфяных брикетов является население.

Учитывая имеющиеся ресурсы торфа и то, что брикеты являются относительно дешевым видом топлива, можно говорить о целесообразности поддержания их производства на достигнутом уровне. Однако в связи с выработкой запасов на ряде действующих брикетных заводов в ближайшей перспективе ожидается снижение объемов выпуска топливных брикетов. Частичная компенсация этого возможна за счет добычи кускового торфа, а также строительства мобильных заводов мощностью 5– 10 тыс. т (табл. 2.2).

Прогнозируемые годовые объемы добычи торфа для производства *Фактическая добыча.

Увеличение объемов добычи торфа топливной группы требует подготовки 8000 га новых площадей торфяных месторождений и закупки дополнительного технологического оборудования. Для повышения коэффициента использования залежей торфа и таким образом увеличения извлекаемых его запасов необходимо широкое внедрение новых направлений использования выработанных торфяных месторождений – выработка запасов торфа с оставлением 0,2–0,3 м защитного слоя, повторное заболачивание выработанных месторождений.

По состоянию на 2010 г. разведанные запасы бурых углей в Беларуси составляют около 150 млн т, детально разведанные – 98,2 млн т.

Глубина залегания бурых углей – от 20 до 700 и более м. Средняя мощность пластов – 3–4 м, максимальная – 19,9 м. Бурые угли характеризуются следующими усредненными качественными показателями:

низшая теплота сгорания – 1500–2000 ккал/кг, зольность – 8–42 %, выход летучих веществ – 55–64 %, влажность – 38–68 %.

Наиболее перспективными для промышленного освоения по горнотехническим условиям, степени разведанности и запасам являются месторождения, расположенные в западной части Гомельской области, – Житковичское, Бриневское и Тонежское [2].

Горючие сланцы Горючие сланцы представляют собой переходную форму ископаемого топлива от угля к нефти.

Реальные промышленные запасы горючих сланцев сосредоточены на двух месторождениях – Любанском и Туровском. Предварительно разведаны 30 % этих месторождений. Глубина залегания пластов колеблется от 50 до 600 м и более, мощность пластов составляет 0,1–3,7 м.

Прогнозные ресурсы Любанского месторождения оценены в 1 223,1 млн т, из них в предварительно разведанные запасы переведено 901 млн т. Прогнозные ресурсы Туровского месторождения составляют 2 683,9 млн т, разведанные – 696 млн т [2].

Сланцы низкого качества: низшая теплота сгорания – 1000– 1500 ккал/кг, зольность – 78–80 %, выход первичной смолы – 7,8–9,5 %, выход летучих соединений – 15–25 процентов; содержание серы – 2–3 %.

Они непригодны для прямого сжигания и требуют предварительной химической переработки. При проведении геологоразведочных работ на месторождениях свободного сланцевого газа не уста Разработка горючих сланцев с учетом глубин залегания и мощности пластов возможна только подземным (шахтным) способом.

Вовлечение ресурсов горючих сланцев в топливный баланс республики возможно путем их термической переработки с твердым теплоносителем.

По качественным показателям белорусские горючие сланцы не являются эффективным топливом из-за их высокой зольности и низкой теплоты сгорания. Они не пригодны для прямого сжигания, а требуют предварительной термической переработки с выходом жидкого и газообразного топлива. Стоимость получаемых продуктов (коксовый газ и сланцевое масло) на 30 % выше мировых цен на нефть с учетом ее доставки на территорию республики. Помимо указанного выше следует отметить, что получаемая после термической переработки черная зола не пригодна для дальнейшего использования в сельском хозяйстве и строительстве, а из-за неполного извлечения органической массы в золе прослеживается содержание канцерогенных веществ. Тем не менее, горючие сланцы эффективно используются, например в Эстонии. Поэтому при условии разработки новых технологий добычи и сжигания горючие сланцы являются перспективными для энергетики страны.

Экологические проблемы, возникающие при использовании традиционных видов топлива Использование всех традиционных видов топлива для энергетических целей (нефть, уголь, газ), как уже отмечено выше, оказывает серьезное негативное экологическое воздействие. В комплексе энергетика, основанная на использовании традиционных источников топлива, обуславливает основную долю выбросов в окружающую среду, прежде всего в атмосферу (рис. 2.10).

Среди передвижных источников загрязнения атмосферного воздуха наиболее агрессивным является автомобильный транспорт. В качестве автомобильного топлива, как правило, используется бензин и дизельное топливо, являющиеся продуктами переработки нефти, и автогаз. Согласно статистическим данным, среднегодовое производство автомобилей на планете составляет около 25 млн штук, а численность мирового автопарка равна 500 млн, из которых 400 млн машин – легковые. На сегодняшний день во многих странах, в том числе в Республике Беларусь, автотранспорт как загрязнитель атмосферного воздуха значительно превосходит промышленность, включая теплоэнергетику. Так, доля загрязнений, вносимых в атмосферу планеты автомобильным транспортом, уже превысила 50 %.

В среднем один эксплуатируемый автомобиль в сутки выбрасывает 4 кг углекислого газа, оксиды азота, свинец, бензопирен, сажу и т. д. Всего состав отработавших газов двигателей включает до 200 компонентов.

Среди отраслей промышленности энергетический сектор, на долю которого приходится 30–35 % от всего объема выбросов, обуславливает наиболее значительный вклад в загрязнение атмосферы (рис. 2.11).

Количество образующихся загрязняющих веществ изменяется в зависимости от процесса получения энергии, вида используемого топлива, его химического состава и других характеристик. Наиболее опасными загрязнителями атмосферы, которые выбрасываются в самых больших количествах, являются оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и другие соединения.

Отдельные загрязнители оказывают вредное воздействие на окружающую среду как непосредственно, так и в комплексе, приводя к глобальным экологическим проблемам. Такие проблемы получили свое название, т. к. они актуальны для всех стран независимо от уровня развития, расположения, плотности населения и других факторов.

Последствия глобальных экологических проблем могут привести к крупномасштабным катастрофам, ставящим под угрозу существование жизни на земле. Соответственно и борьба с глобальными экологическими проблемами проводится с участием всех стран мирового сообщества.

Рис. 2.10. Основные источники выбросов парниковых газов в атмосферу земли Рис. 2.11. Выбросы основных загрязнителей в атмосферу Одной из таких проблем является проблема изменения климата.

Средняя температура воздуха у поверхности Земли составляет 14,6 °С. Однако многолетние наблюдения метеорологов показывают, что в настоящее время климат изменяется в сторону потепления. Этот процесс связан с увеличением в атмосфере концентрации парниковых газов.

К парниковым газам относят углекислый газ, метан, пары воды, оксиды азота, фреоны.

Основным газом, вызывающим парниковый эффект, является углекислый. Он подобно стеклу парника пропускает лучистую энергию Солнца к поверхности Земли, но задерживает исходящие от Земли инфракрасные (тепловые) лучи и, в результате, создает тепличный (парниковый) эффект (рис. 2.12).

Повышение средней температуры планеты на 5 °С может вызвать таяние ледников и зон вечной мерзлоты, которое приведет к росту уровня Мирового океана, затоплению территорий островных и прибрежных государств, а также районов вечной мерзлоты.

Основным техногенным источником поступления углекислого газа в атмосферу является процесс сжигания органического топлива. В настоящее время только от тепловой энергетики в атмосферу поступает примерно 1 т углерода на человека в год, или около 6 млрд т/год на земном шаре. Прогнозируется, что в первой половине XXI в. выброс возрастет до 10 млрд т/год. Климатологи крайне опасным считают выброс порядка 15–20 млрд т/год.

Характеристики основных парниковых газов представлены в табл. 2.3.

В Республике Беларусь основным источником парниковых газов являются выбросы CO2 от сжигания ископаемых топлив.

Так, согласно данным Национального доклада о Кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом за 1990–2009 гг., в целом по стране отмечается существенное снижение выбросов парниковых газов в 2009 г. по сравнению с 1990 в СО2-эквиваленте на 36,9 %.

В эмиссиях парниковых газов без учета сектора «Землепользование, изменения в землепользовании и лесное хозяйство» выбросы СО2 составляют 64,7 % (основной источник – энергетика), выбросы СН4 – 17,0 (основные источники – сельское хозяйство и отходы) и N2O – 18,3 %.

Характеристики основных парниковых газов Двуокись Производство энергии, 50–200 лет Атмосфера; океан; увелиуглерода сведение лесов, сжига- чение площади лесов ние другой биомассы в Сев. полушарии (происходит неск. лет). Поглощение почвой и океанскими глубинами (столетний цикл) Метан Производство природно- 12,5 лет Выводятся в основном Галокарбоны Исключительно антро- от несколько лет Атмосфера; в основном основные: поген. происхождения; до несколько удаляются при взаимодейCFC-11, CFC- используются в про- тысячелетий ствии с солнечным светом Оксид азота В основном от исполь- 120 лет В основном удаляются Примечание: СFC – хлорофторуглероды.

В 2009 г. 60,4 % суммарных выбросов всех парниковых газов в стране были вызваны сжиганием ископаемых топлив на транспорте, в энергетической промышленности и производстве, а также в коммерческом, сельскохозяйственном и жилом секторах [7].

На рис. 2.13 представлена динамика для эмиссий от сектора «Энергетика» (сюда включаются все выбросы парниковых газов от сжигания топлива) в 1990–2009 гг. в Республике Беларусь. За этот период отмечается снижение выбросов на 46,4 % по сравнению с 1990 г., что обусловлено такими факторами, как увеличение доли менее энергоемких отраслей в ВВП, таких как услуги и торговля, активным внедрением энергосберегающих технологий, переходом от угля и мазута к природному газу в качестве топлива; более интенсивным использованием биомассы в коммунально-бытовой и производственной сферах.

Рис. 2.13. Выбросы парниковых газов в CO2-эквиваленте с 1990 по 2009 гг.

Количество выбросов парниковых газов представлено в табл. 2.4.

Выброс парниковых газов при сжигании различных видов топлива Как видно из таблицы, при использовании биомассы парниковые газы также выбрасываются в атмосферу. Однако следует принять во внимание, что в этом случае такое же количество газов будет изыматься из атмосферы и закрепляться в процессе фотосинтеза. Таким образом, общий баланс не изменится и количество СО2 в атмосфере останется стабильным.

Проблема кислотных дождей В процессе производственной деятельности промышленных предприятий, ТЭС и ТЭЦ, работы двигателей внутреннего сгорания в атмосферу выбрасываются диоксиды серы и азота. Соединяясь в тропосфере с парами воды, они превращают выпадающие дожди в слабые растворы кислот (pH 3–4). Самый кислый дождь с pH 2,4 (приблизительно соответствует столовому уксусу) был зарегистрирован в Шотландии (г. Питлхорн).

Выпадение кислотных дождей приводит к засыханию лесов, закислению почв, водоемов, гибели рыбы, активному разрушению архитектурных сооружений и металлических конструкций.

Проблему кислотных дождей часто относят к региональным, а не глобальным проблемам, т. е. характерным для отдельных регионов (несколько соседних стран), но не для всей планеты. Например, в Республике Беларусь средний уровень кислотности дождей равен 5,5–6,0, хотя есть случаи, когда выпадали и более кислые осадки. Дело в том, что основные производственные мощности в нашей стране в качестве топлива используют природный газ, который дает малое количество кислотных выбросов. Однако резкое увеличение численности автомобилей, а значит и их выбросов, увеличивает опасность появления кислотных дождей на территории нашей страны.

В европейском регионе проблема кислотных дождей стоит очень серьезно в Германии, Польше и отчасти в Украине, где имеются большие месторождения угля, которые используются в качестве дешевого энергетического источника. Дело в том, что уголь, а особенно бурый уголь, большие месторождения которого и находятся в Польше и Германии, при сжигании дает большое количество оксидов серы и азота. Поэтому большое количество случаев выпадения кислотных дождей наблюдается именно в этих странах. Кроме того, в Северной Европе ветер имеет преимущественно северо-восточное направление, поэтому основная часть кислотных осадков, образующихся над Польшей и Германией, выпадает в странах Прибалтики, над Балтийским морем и в Южной Швеции. Именно эти регионы и страдают больше всего от кислотных осадков. Частично кислотные дожди заносятся из Польши и на территорию нашей страны.

Локальные проблемы загрязнения атмосферы К локальному загрязнению атмосферы относят те выбросы, которые оказывают воздействие только недалеко от места их образования. Отдельные загрязнителя вызывают экологические проблемы различного свойства. Ниже представлены характеристики и воздействие на окружающую среду для ряда соединений.

Фотохимический смог Загрязнители, попадающие в атмосферу с выхлопными газами, оказывают разнообразное негативное воздействие на состояние окружающей среды. Так, следует особо отметить факт фотохимического окисления углеводородов под действием ультрафиолетового облучения в присутствии NOx. Продукты этих окислительных реакций способствуют образованию так называемого фотохимического смога, обладающего раздражающим и слезоточивым действием для человеческого организма.

Проявлению фотохимического смога также способствует наличие приземного озона, образующегося при неполном сгорании топлива автомобилей и загрязняющих выбросов предприятий. Поскольку озон (О3) почти в два раза тяжелее воздуха, он скапливается в придорожных полосах и низинах.

Отличительной особенностью фотохимического смога является то, что он проявляется на ярком солнечном свету, в отличие от смога Лондонского типа, который возникает в условиях туманной погоды. Фотохимический смог может вызвать поражение дыхательных путей, рвоту, раздражение слизистой оболочки глаз и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.

Двуокись углерода (CO2) CO2, источником которого служит содержащийся в топливе углерод, является основным продуктом сгорания всех видов топливной биомассы.

В целом, выброс CO2 в атмосферу является нежелательным, поскольку CO2 считается основной причиной, вызывающей парниковый эффект. Однако при сжигании древесной щепы количество выделяемого CO2 не превышает количества CO2, которое было связано древесиной во время роста дерева. Также при сжигании щепы выделяется такое же количество CO2, что и при разложении древесины, которое является основной альтернативой использованию древесины для производства энергии. Таким образом, древесное топливо считается нейтральным материалом по CO2.

Оксиды азота (NOх) Выбросы N2O образуются при полном окислении содержащегося в топливе азота. Хотя уровни выбросов N2O по данным замеров на установках, осуществляющих сжигание биомассы, являются очень низкими, эти выбросы в некоторой степени способствуют образованию парникового эффекта из-за высокого коэффициента глобального потепления N2O и разрушению озона в атмосфере. Опасным симптомом является фотохимическое окисление углеводородов под действием ультрафиолетового облучения в присутствии NOx. Продукты этих окислительных реакций способствуют образованию так называемого фотохимического смога, обладающего раздражающим и слезоточивым действием для человеческого организма.

Диоксид серы (SO2) Бесцветный газ, основные источники поступления которого – сжигание угля и нефти, процессы горения на ТЭЦ, мусоросжигательных заводах, в бытовых печах, лесные пожары. Значительная часть поступает с выбросами двигателей внутреннего сгорания.

Диоксид серы легко вступает в реакции с другими загрязняющими веществами с образованием SO3, серной кислоты и сульфатов.

Высокие концентрации SO2 вызывают серьезные повреждения растительности. Происходит нарушение синтеза зеленого вещества листьев – хлорофилла. В результате на листьях появляются пятна и полосы, они приобретают бурую или желтую окраску. Как результат снижается продуктивность растений, замедляются темпы роста.

Одним из последствий выбросов SO2 в атмосферу является глобальная проблема – кислотные дожди, пагубно влияющие на все живые организмы. Диоксид серы, как и продукты его превращения, в атмосфере активизирует процессы коррозии металлов. Под его воздействием разрушаются здания, текстильные изделия, металлы, кожа и т. д.

Повышенный уровень содержания SO2 в воздухе вызывает рост заболевания органов дыхания.

Хроническое воздействие умеренных доз SO2 также отрицательно влияет на здоровье. Снижается сопротивляемость респираторным заболеваниям, особенно у детей, осложняется течение сердечных и легочных заболеваний, падает иммунитет организма, усиливается общая утомляемость, учащаются приступы астматических заболеваний и т. д.

Несгоревшие углеводороды (CxHy) Метан (CH4), являющийся газом прямого парникового действия, обычно рассматривается отдельно от других углеводородов. При сжигании биомассы он является важным посредником в преобразовании содержащегося в топливе углерода в CO2 и содержащегося в топливе водорода в H2O. Ряд углеводородов образуется в процессе переработки нефти и представляет собой серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья населения. В частности к ним относятся циклические углеводороды, твердые вещества (сажа) и летучие органические соединения (ЛОС) и другие вещества. В составе ЛОС содержатся многие опасные соединения, включая бензол, 1,3-бутадиен, формальдегид и др.

ТЕМА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

3.1. Современное состояние развития возобновляемой энергетики Возобновляемая энергетика в настоящее время является одним из наиболее быстро развивающихся секторов экономики. Технологии возобновляемых источников энергии (ВИЭ) отвечают всем требованиям и ограничениям современных технологий генерации и потребления энергии и дополняют существующие системы производства энергии, а также могут внести большой вклад в дальнейшую модернизацию энергетического сектора.

Более того, ВИЭ могут способствовать выполнению общей стратегии устойчивого развития. Они помогают снизить зависимость от импорта энергии, тем самым, обеспечивая безопасность энергоснабжения.

ВИЭ также могут улучшить условия конкуренции на рынке и имеют положительное влияние на региональное развитие и занятость населения.

В мировом масштабе начиная с 2010 г. прогнозируется интенсивное снижение потребления углеводородных источников энергии, которое будет компенсироваться за счет ВИЭ, доля которых в общем энергобалансе достигнет к 2050 г. величины 50 % (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Прогнозный сценарий энергообеспечения в мире до 2080 г. [8] В 2008 г. доля возобновляемой энергетики составила 19 % в общем потреблении конечной энергии в мире. Из этой величины 13 % приходились на традиционную биомассу, 3,2 – на гидроэнергетику, 2,6 % – на остальные виды возобновляемых источников (рис. 3.2) [9].

Рис. 3.2. Доля ВИЭ в глобальном потреблении конечной энергии, 2008 [2] За период с конца 2004 по 2009 гг. мощность различных видов ВИЭ в мире увеличивалась на 10–60 % ежегодно, а для таких технологий, как ветроэнергетика, прирост только за 2009 г. превысил соответствующий показатель предыдущих четырех лет (рис. 3.3) [9].

Рис. 3.3. Ежегодные средние темпы роста мощностей ВИЭ в мире Помимо ветроэнергетики, быстрый рост мощностей в этот период наблюдался в таких отраслях, как фотоэлектричество (с подключением к сети, рост в среднем на 60 % в год), производство биоэтанола (20 %) и биодизеля (51 %).

За последние годы значительно расширилась география возобновляемой энергетики. Так, если в 1990-х гг. ветровая энергетика существовала лишь в нескольких странах, то сейчас ветроэнергетику развивают уже более 82 государств. К 2009 г. у более чем 85 стран мира были установлены цели в области ВИЭ (в 2005 г. – 45 стран).

Производство оборудования возобновляемой энергетики постепенно смещается из Европы в Азию (Китай, Индия, Южная Корея). Так, в 2009 г. Китай произвел 40 % от общей мощности фотоэлектрических модулей, 30 % производимых в мире ветровых турбин (в 2007 г. – 10 %) и 77 % производимых в мире солнечных тепловых коллекторов.

Одним из факторов, способствующих развитию ВИЭ в мире, является значительный потенциал для создания новых рабочих мест. Так, на конец 2009 г. общая численность непосредственно занятых в отрасли оценивалась в 3 млн человек, из которых около половины – в индустрии биотоплива.

По итогам 2009 г., в США и Европе было введено в эксплуатацию больше новых мощностей на ВИЭ, чем на традиционных видах топлива.

Так, в Европе 60 % новых мощностей пришлись на ВИЭ, доля ВИЭ составила около 20 % от всей произведенной электроэнергии.

Только за 2009 г. Китай ввел в эксплуатацию 37 ГВт установленной мощности ВИЭ – больше, чем любая другая страна мира, достигнув посказателя 226 ГВт установленной мощности ВИЭ. Во всем мире за 2009 г. было введено в эксплуатацию около 80 ГВт ВИЭ, в том числе 31 ГВт – гидроэнергетических мощностей и 48 ГВт – других [9].

Суммарные инвестиции в возведение новых мощностей в мире составили в 2009 г. 150 млрд долларов США (в 2007 г. – 104), суммарная мощность достигла 305 ГВт (с учетом только малой гидроэнергетики) и 1230 ГВт (с учетом крупных гидроэлектростанций).

На фоне успехов Китая не сдают позиции и европейские страны. По результатам 2009 г., европейская индустрия возобновляемой энергетики достигла оборота в 120 млрд евро, а занятость в ней составила 912 тыс.

человек.

Такое развитие возобновляемой энергетики в ЕС было в значительной мере стимулировано проактивной и дружественной законодательной политикой, которая создала правильные условия для роста возобновляемой энергетики.

Европейская комиссия (ЕК) определяет энергетическую стратегию и План Действий ЕС, а также те виды энергии, которые получат широкое распространение в будущем. Определены три ключевые цели энергетической политики – повышение конкурентоспособности, надежность снабжения и защита окружающей среды. Содействие возобновляемой энергетике определяется как важный фактор достижения этих целей.

Важная роль отводится достижению энергетической безопасности, которая не может быть достигнута без использования ВИЭ.

Текущие тенденции показывают, что в течение последних лет был достигнут значительный технологический прогресс в области ВИЭ. Стоимость технологий ВИЭ значительно снизилась, многие технологии возобновляемой энергетики достигли, при определенных условиях, или приближаются к экономической жизнеспособности. Кроме того, появляются первые признаки крупномасштабного применения проектов на основе использования энергии ветра и Солнца. Некоторые технологии, в частности на основе биомассы, ветра и малых ГЭС, являются в настоящее время конкурентоспособными и экономически жизнеспособными в сравнении с другими децентрализованными способами энергоснабжения.

Фотоэлектричество, хотя оно и характеризуется быстро уменьшающейся стоимостью, остается наиболее зависимым от благоприятных экономических условий видом технологий ВИЭ. Солнечные водонагреватели в настоящее время конкурентоспособны во многих регионах ЕС.

Определение стратегии развития возобновляемой энергетики стало необходимым по ряду причин. Первая и наиглавнейшая причина заключается в том, что без последовательной и ясной программы действий и далеко идущей общей цели внедрения возобновляемой энергетики эти источники энергии не смогут сделать крупный вклад в энергетический баланс ЕС. Технологический прогресс не в состоянии самостоятельно сломать отдельные нетехнические барьеры, препятствующие проникновению технологий возобновляемой энергетики на энергетические рынки.

В подобной ситуации необходимы политические меры к смещению баланса в сторону фундаментальных обязательств, касающихся понятий окружающей среды и энергетической безопасности. Без ясной и всесторонней стратегии, сопровождаемой законодательными актами, развитие ВИЭ будет запаздывать. Кроме того, поскольку внутренний рынок развивается, стратегия развития возобновляемой энергетики требуется еще и для того, чтобы избежать несоответствий между государствами – членами ЕС или перекосов энергетических рынков.

Политика содействия возобновляемой энергетике требует всесторонних инициатив, затрагивающих широкий диапазон направлений:

энергия, окружающая среда, занятость населения, налогообложение, конкуренция, исследования, технологическое развитие, сельское хозяйство, региональные и внешние сношения.

Вступившей в силу в июне 2009 г. Директивой европейского парламента и совета по стимулированию использования энергии из возобновляемых источников предусматривается довести к 2020 г. долю энергии от возобновляемых источников до 20 % от общего количества потребляемой энергии.

В настоящее время на уровне ЕС имеются два инструмента для стимулирования развития возобновляемых источников энергии: Директива ЕС по стимулированию развития ВИЭ на рынке электроэнергии, а также Директива стимулирования рынка биотоплива. Центральным элементом вступившей в силу в 2001 г. Директивы ЕС по стимулированию развития ВИЭ на рынке электроэнергии является возрастание доли регенеративных источников в производстве электроэнергии от 14 % в 1997 г. до 21 в 2010 в 25 странах Евросоюза. Директива по стимулированию рынка биотоплива ставила цель довести долю биотоплива в общем потреблении топлива до 5,75 % к 2010 г. Эти две директивы послужат основой для принятия в 2011 г. нового закона, объединяющего сектора электроэнергии, биотоплива и теплообеспечения, в области использования ВИЭ (RL 2009 / 28 / еG). Этот новый закон будет являться составной частью европейского климатического и энергетического пакета, который предусматривает увеличение доли возобновляемых источников энергии в общем потреблении стран европейского союза с 8,5 % в 2005 г. до 20 в 2020. Эта цель должна быть достигнута всеми странами Евросоюза с учетом национальных особенностей. Что касается транспортного сектора, то в этих странах к 2020 г. должна быть достигнута доля биотоплива в размере 10 % в общем потреблении бензина и дизельного топлива.

В новой директиве предусматриваются дифференцированные национальные обязательства государств-участников по достижению доли возобновляемых источников энергии в конечном потреблении энергии, которые ориентируются на достигнутые результаты в 2005 г. и соответствующие национальные потенциалы. Национальные цели государствучастников ЕС на 2020 г. находятся между 10 % для Мальты и 49 % для Швеции. Для Германии предусмотрена национальная цель в размере 18 %. В приложении к постановлению ЕС от 09.03.2007 г. не предусматривается обязательной доли биотоплива, однако установлен минимальный размер 10 % энергий из возобновляемых источников в общем потреблении энергии в транспортной области. Поэтому в транспортном секторе существует возможность зачета не только биотоплива, но и других источников, например электрических и тепловых машин, которые используют энергию из возобновляемых источников. Для того чтобы достичь поставленных целей, директивы должны базироваться на национальных механизмах стимулирования.

По данным ежегодного отчета EurObserver (2009 г., оценка, рис. 3.4), в производстве первичной энергии в странах ЕС биомасса занимает первое место – 66,6 %, энергия гидростанций составляет 19,7, третье место – энергия ветра – 7,2 и геотермальная энергия – 4,8 %.

По производству электрической энергии лидирует энергия гидростанций – 55,8 %, энергия ветра – 22,4, третье место занимает энергия биомассы – 18,3 % [10].

Рис. 3.4. Доля различных ВИЭ в потреблении первичной возобновляемой энергии Около половины общего количества произведенной в странахчленах ЕС энергии используется в целях отопления. При этом вклад возобновляемых источников оценивается только в 10 %. Видно, что значение ВИЭ на рынке отопления меньше, чем на рынке электроэнергии.

На перспективу до 2020 г. доля ВИЭ в общем балансе энергопотребления должна возрасти с 8 до 20 %.

Учитывая настоящее положение развития рынка, а также сильную политическую поддержку, ожидается, что доля ВИЭ в общем энергопотреблении составит к 2020 г. 20 %.

Оценочные показатели для возобновляемой энергетики базируются на консервативном сценарии роста для различных технологий, представленном выше. Для того чтобы достичь этой цели, нужны строгие меры по энергоэффективности для стабилизации уровня потребления энергии в период с 2010 по 2020 гг. (табл. 3.1).

ЕС занимает лидирующие позиции в мире по многим направлениям использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), развитие которых происходит при сильном акценте на изучении возможности снижения зависимости стран региона от импорта энергии, особенно представленной ископаемыми видами топлива. Происходящие в Европе процессы могут быть полезны Беларуси как в плане частичного заимствования накопленного опыта по ВИЭ, так и для проведения неизбежной коррекции структуры белорусского экспорта в ЕС с целью сохранения роли европейского вектора белорусской внешней торговле.

Сценарий роста валового энергопотребления и развитие возобновляемой энергетики в период с 2000 по 2020 гг. в Европе (в млрд т н. э.) [3] Геотермальная энергетика Солнечное теплоснабжение Ветроэнергетика Ветроэнергетика в настоящее время является одной из наиболее динамично развивающихся технологий генерации электроэнергии. В отдельных местах с хорошими условиями ветра ветроэлектростанции (ВЭС) уже сейчас экономически выгодны и конкурентоспособны.

Несмотря на глобальный экономический кризис, мощность установленных в 2009 г. ветроустановок составила рекордное значение в 38 ГВт, таким образом, их суммарная мощность в мире составила 159 ГВт (рис. 3.5) [11].

Лидером рынка ветроустановок в 2009 г. стал Китай, который установил 13,8 ГВт новых мощностей, достиг 25,8 ГВт. США установили в 2009 г. около 10 ГВт, европейский лидер Германия установила 1,9 Гвт, достигнув суммарной мощности 25,8 ГВт. К другим европейским странам, активно развивающим ветроэнергетику, относятся Испания, Италия и Франция (рис. 3.6) [9].

Рис. 3.5. Динамика установленной мощности ветроустановок в мире, 1993–2010 [11] Рис. 3.6. Мощность ветроустановок в 10 ведущих странах-лидерах, 2009 [9] За 2009 г. 27 стран ЕС установили более 10 ГВт установленной мощности ветроустановок, достигнув 75 124,9 МВт, суммарная выработка электроэнергии составила около 131 ТВт·ч (в 2008 г. – 119,7 ТВт·ч).

Оценивая тенденцию развития ветроэнергетики в ЕС, европейские эксперты отмечают заметное превышение целей, определенных в «Белой книге», подготовленной Европейской Комиссией. Так, при установленном в данном документе показателе 40 ГВт фактический показатель ЕС в 2010 г. составил 84,34 ГВт (рис. 3.7) [11].

Рис. 3.7. Установленная электрическая мощность ветроустановок в странах Евросоюза по состоянию на конец 2010 г. [11] Ветрогенераторные установки выпускаются различных конструкций и типов. Они классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярна – вертикально-осевой (рис. 3.8).

Каждая из указанных систем характеризуется как своими преимуществами, так и недостатками.

Большинство мощных современных ветроустановок относятся к ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Ветрогенераторы современного типа имеют трехлопастное ветроколесо, направляемое на ветер с помощью специальных двигателей, управляемых компьютерами. Высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от до 100 м и выше. Ветроколесо совершает 10–20 поворотов в минуту.

В некоторых системах присутствует подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Рис. 3.8. Ветроустановки с горизонтальной (а) и вертикальной (б) осью вращения К преимуществам систем с горизонтальной осью вращения относятся следующие:

изменяемый шаг лопаток турбины, который позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона;

высокая мачта позволяет добираться до более сильных ветров.

Нужно иметь в виду, что в некоторых районах сила ветра увеличивается на 20 % и, соответственно, энергетическая выгода на 34 % при повышении на каждые 10 м;

высокая эффективность благодаря тому, что ветроколесо всегда направляется перпендикулярно ветру, используя весь поток воздуха.

В системах с вертикальной осью вращения и большинстве типов воздухоплавательных ветрогенераторов часть системы работает против набегающего потока воздуха, что, отчасти, ведет к снижению эффективности.

К основным недостаткам систем с горизонтальной осью вращения относятся:

необходимость высоких массивных мачт (свыше 100 м) и длинных лопастей, которые трудно транспортировать, в результате расходы на транспортировку могут достигать 20 % сооружения конструкции и стоимости всего оборудования;

для сооружения промышленных ветрогенераторов большой мощности требуется специализированное оборудование и высококвалифицированные сотрудники, в результате их производство осуществляется лишь в ограниченном количестве стран;

возмущения в радиосигналах и связи из-за их размеров;

необходимость установки системы направления оси на ветер.

Ось ротора генераторов ВЭУ с вертикальной осью вращения располагается вертикально, в результате необходимость направления оси на ветер отсутствует – установка использует поступающий с любого направления воздух. Особенно эффективными ветрогенераторы с вертикальной осью вращения показали себя в областях с переменным ветром.

Примерами реализации подобного рода систем являются турбины Дарье, Савониуса, «жиромельница» и др.

Достоинствами систем с вертикальной осью являются:

возможность применения конструкции меньших размеров;

отсутствие механизмов ориентации по ветру;

рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание;

невысокая минимальная рабочая скорость ветра (система начинает производить электричество при скорости ветра в 2–2,5 м/с);

позволяет строительство в местах, где невозможно возведение высоких сооружений;

во время работы производит меньше шума по сравнению с системами с горизонтальной осью.

К недостаткам систем с вертикальной осью относятся следующие:

из-за потерь на вращении против потока воздуха эффективность работы большинства ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти в два раза ниже, чем с горизонтальной;

поскольку некоторые элементы системы находятся внизу и, соответственно, под весом конструкции, то их ремонт или замена могут быть невозможны без демонтажа всей конструкции, если такое не предусмотрено конструкцией конкретного генератора.

Как отмечалось выше, подключаемые к сети современные установки мощностью свыше 1 МВт обычно реализуются на основе системы с горизонтальной осью, установки небольшой мощности могут иметь, в зависимости от инженерных решений, как горизонтальную, так и вертикальную ось.

К ведущим мировым производителям ветротурбин, как следует из отчета REN21 [9], относятся Vestas (Дания) (рыночная доля по итогам 2009 г. – 13 %), GE Wind (США) (12 %), Sinovel (Китай) и Enercon (Китай) – по 9 % (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Рыночные доли 10 ведущих производителей ветротурбин, 2009 [9] Согласно информации, размещенной на сайте The Wind Power [12], – базе данных о ветроустановках, мощностью свыше 200 МВт, производителях, разработчиках ветроэнергетического оборудования – по состоянию на начало мая 2011 г. наиболее мощной из коммерчески доступных ветроустановок являлась модель E126/7500, разработанная компанией Enercon. Модель мощностью 7,5 МВт имеет высоту 135 м и диаметр ротора 127 м. Зависимость вырабатываемой мощности и коэффициента использования ветра Cp (коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и зависящий от конструкции ветроколеса) от скорости ветра для данной ветроустановки представлена на рис. 3.10 [13].

На данном сайте также имеется информация о еще более мощной модели SeaTitan (10 МВт) от компании Windtec, предназначенной для оффшорного размещения, которая на момент подготовки издания находилась на стадии разработки [6].

Каждая ветроустановка характеризуется рядом параметров, характеризующих работу ветроустановки при различных скоростях ветра:

стартовая скорость ветра (3–4,5 м/с), при которой ветроустановка начинает вращаться;

Рис. 3.10. Зависимость вырабатываемой мощности (кривая 1) и коэффициента использования ветра Cp (кривая 2) от скорости ветра для установки E126/7500 производства Enercon [13] номинальная скорость ветра (10–13 м/с), при которой мощность ветроустановки достигает номинального значения;

максимальная скорость ветра, при которой ветроустановка отключается от сети и останавливается (20–25 м/с).

Так, исходя из графика зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра для ветроустановки E126/7500 стартовая скорость равна 3 м/с, номинальная – 16 м/с, максимальная – 25 м/с (рис. 3.10).

Если ветер очень слабый, его энергии недостаточно, чтобы запустить ветроустановку. При достижении стартовой скорости ветроустановка начинает производить электрический ток. При повышении скорости ветра увеличивается и мощность ветровой установки до номинальной величины. При дальнейшем повышении скорости ветра избыток мощности должен регулироваться. В современных системах используют 2 основных типа регулирования мощности:

pitch-регулирование – изменение угла атаки лопасти в соответствии со скоростью ветра;

stall-регулирование – угол атаки неизменен, но эффективность отдельных участков лопасти падает при возрастании скорости ветра.

В результате после достижения номинальной мощности ветроустановки при увеличении скорости ветра рост мощности не происходит либо изменяется незначительно [14].

При сильном штормовом ветре (свыше 25 м/с) установка автоматически отключается, иначе возникает угроза ее разрушения.

Среднегодовая скорость ветра на месте нахождения установки является решающим фактором с точки зрения экономической целесообразности установки ветроагрегата. Особое значение при этом имеет зависимость мощности ветроустановки от скорости ветра, которая оказывается пропорциональной третьей степени скорости ветра. Например, если принять мощность ветроустановки при скорости ветра 10 м/с за 100 %, то при скорости 11 м/с мощность увеличивается на 33 % (1,13 = 1,331).

Таким образом, 10 %-ное увеличение скорости ветра повышает мощность установки на треть. Это имеет практическое значение для поиска месторасположения ветроустановок.