Энергетическая программа СССР наряду с ростом мощности источников энергии предусматривает и решение задач по охране окружающей среды. На это направлены, в частности, работы по использованию нетрадиционных источников энергии (рис. 10.10).
Излучение Солнца — один из нетрадиционных источников энергии. Его преимущества сегодня хорошо известны: доступность, практическая неисчерпаемость, отсутствие побочных, загрязняющих окружающую среду влияний. К недостаткам следует отнести низкую плотность и прерывистость поступления излучения на поверхность Земли, зависимость его от метеорологических условий. Основной задачей гелиоэнергетики является преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. Нагревание воды в коллекторах непосредственно используется для отопления зданий без преобразования в другие виды энергии.
Еще в 1770 г. швейцарский ученый О. Соссюр впервые вскипятил воду в парнике, использовав конструкцию, которая позже получила название «горячего ящика». В дальнейшем гелиотехнические устройства усложнялись и принимали различное конструктивное оформление, составив к настоящему времени обширную отрасль всевозможных технических схем и проектов. Поворотным этапом в гелиоэнергетике стало создание в 30-е годы Б. Т. Коломийцем и Ю. П. Маслоковцем в Ленинградском физико-техническом институте серноталлиевых фотоэлементов с рекордным для того времени к.п.д., равным 1%. Одна из современных гелиоэнергетических программ — японская программа «Солнечный свет» — предусматривает достижение к 2000 г. уровня обеспеченности потребителей энергией за счет солнца, равного 70%.
Для уменьшения зависимости работы гелиоэнергетических устройств от метеоусловий применяют новейшие методы анализа и прогноза состояния облачности. Съемки с геостационарных спутников территории Европы и Северной Америки используются для индикации наличия облаков и оценки их прозрачности на основе данных об отражательной солнечной радиации, синхронно со спутниковыми съемками ведутся наземные исследования. Отклонения среднемесячных сумм, восстановленных по спутниковым данным и полученных путем синхронных наземных измерений, составили всего лишь 0,25—0,28 кВт·ч/м2 для территории 25X25 км2. Для теоретического анализа отражательных функций слоистых и кучевых облаков был применен метод Монте-Карло; полученные результаты показали связь отражательной функции с характером облачности.
В будущем предполагается еще более ограничить контакт гелиоэнергетических установок с биосферой Земли и вынести их в околоземный космос. По данным перспективных разработок Комитета по космосу ООН к 1990 г. намечено решить технические и экологические проблемы, связанные с созданием спутниковых солнечных электростанций. В 1990 г. предполагается построить опытный образец, а с 2005 г. начать строительство промышленных образцов, число которых для Европы к 2030 г. может достигнуть 40, причем они смогут обеспечивать около 20% потребности в электроэнергии. По современным оценкам, стоимость строительства одной наземной станции приема энергии со спутниковой солнечной электростанции составит около 5,5 млрд. дол. Следует отметить, что строительство спутниковых электростанций, использующих солнечную энергию, может причинить ущерб окружающей среде в процессе передачи энергии на Землю,
Другим нетрадиционным источником энергии является теплота земных недр. В 1894 г. итальянец Фердинандо Райян применил паровую машину для преобразования энергии фонтанирующего источника геотермальной воды. А в 1914 г. в Лардерелло (к юго-западу от Флоренции) для выработки электроэнергии был использован гейзер. Длительное время к проблеме использования геотермальных вод обращались лишь одиночные специалисты и энтузиасты. Только в 60-е годы появились первые комплексные разработки в этой области.
Известно, что температура Земли повышается в среднем на один градус через каждые 30 м. Однако существуют районы, где горячая природная вода располагается ближе к поверхности, чем в среднем на Земле. К таким районам относятся Северный Кавказ, Ставрополье, Прикумская низменность, Западная Сибирь, Средняя Азия, Литва. Выявление таких районов, правильная оценка геотермальных гидроресурсов — важная задача геологических и геофизических изысканий.
В других районах на поверхности Земли уже существуют естественные источники подземных горячих вод. Так, на Камчатке использование одного из таких источников позволяет уже сегодня получать на Паужетской геотермальной станции электрический ток. Проектируется строительство геотермальных электростанций в Ставрополье, Закарпатье, Дагестане и других районах страны. По данным Института земной коры СО АН СССР, на участке БАМа от Байкальского хребта до р. Бурей природными водами выносится на поверхность теплота, равная по теплоте сгорания 150 тыс. т высококачественного угля. Перспективными для отопления геотермальными водами являются города Нижнеангарск, Кичера, Уоян, Янчукан, Северомуйск, Чара, Зейск, Бомнак. Температура природных вод Окусиканского месторождения Бурятского участка БАМа составляет 80—100° С. Они отапливают теплицу и используются на объектах рекреационной зоны.
К началу 80-х годов в СССР геотермальная вода, получаемая из 170 скважин, обогревала 4500 квартир, 50 га теплиц, производила 16 млн. кВт· ч электроэнергии. Комплексное использование геотермальных ресурсов осуществляет научно-производственное объединение «Союзбургеотермия». В тепличном комбинате г. Грозного действует первая в стране термоциркуляционная система. После использования в теплицах вода подается в накопитель, куда сходятся сбросовые коллекторы. Затем вода нагнетается на глубину 1000 м под давлением 15 ат (1,5 МПа), где она опять нагревается.
Из зарубежных работ заслуживает внимания опыт Исландии, являющейся пока единственным государством, в больших масштабах использующим геотермальные воды для отопления и горячего водоснабжения, в результате чего страна полностью отказалась от ввоза нефти и угля. Интересный проект реализован в Милане: теплая вода из подземного озера с температурой около 70° С идет на обогрев почти 2000 квартир. Здесь также действует термоциркуляционная система: горячая вода поднимается под собственным давлением, а остывшая после использования энергии заканчивается обратно по другой скважине, чтобы не изменялся уровень воды в скважине. В Венгрии, Исландии, Англии построено много открытых плавательных бассейнов, где используется геотермальная вода.
Опыт эксплуатации геотермальных источников показал, что отрицательные для природной среды последствия связаны с содержащимся в паре сероводородом, который во время энергетического цикла частично превращается в чистую серу и сульфит, а большая его часть выбрасывается в атмосферу из градирен и газовых эжекторов. Сероводород обладает неприятным запахом и может вызвать коррозию оборудования. Конденсирующийся в градирне пар сбрасывается в виде раствора, содержащего соединения бора, аммиак, бикарбонаты, сульфаты и тонко измельченную серу. Успешно применяется закачка сбросных вод в бассейн через непродуктивные скважины. Путем выпаривания удается получить некоторые полезные вещества.
Освоение Сибири и Дальнего Востока связано с прокладкой теплосетей в зоне вечной мерзлоты. При использовании в этих районах гелиосистем и геотермальной энергии затраты на строительство и поддержание эксплуатационного состояния инженерных систем значительно ниже по сравнению с традиционными способами энергоснабжения зданий.
Таблица 10.3 Биоэнергетические направления работ в народном хозяйстве
Погода и климат на Земле во многом определяются количеством приходящей к атмосфере и поверхности Земли солнечной энергии. Одной из наиболее важных характеристик погоды и климата является ветер. Неравномерность нагрева отдельных участков земной поверхности приводит к появлению районов с относительно большим и меньшим давлением, между ними происходит движение воздушных масс. Перемещение и перемешивание воздуха, перенос примесей в воздушном бассейне, обмен теплотой, влагой и энергией между подстилающей поверхностью и атмосферой, перенос воздушных масс в системе общей циркуляции атмосферы происходят благодаря ветру. Для процессов в биосфере характерны также стихийные явления, порожденные ветром, нередко приносящие народному хозяйству значительные убытки: эрозия почвы, пыльные бури, волнения на водоемах, ураганы и бури. Поэтому характеристика ветровых условий представляет интерес не только для энергетики, но и для сельского хозяйства, транспорта, коммунального хозяйства и других отраслей народного хозяйства.
В ветроэлектрическом агрегате основным рабочим органом является ротор, приводящий во вращение через механическую передачу генератор трехфазного переменного тока. В СССР разработаны и прошли испытания серии агрегатов типа «Циклон», различающиеся числом и диаметром лопастей, вырабатываемой мощностью и областями использования. Ветроэнергетические опреснительные установки, созданные в начале 70-х годов в Истринском отделении Научно-исследовательского института электромеханики, установлены в хозяйствах побережья Каспия, Молдавии и других районах, дают положительный экономический эффект и не загрязняют окружающую среду.
Энергию приливов пытались использовать еще древние греки: в узком проливе Эврипос, возле острова Эвбея, были построены водяные мельницы. В 60-е годы появились первые приливные электростанции вблизи французского города Сен-Мало и на побережье Баренцева моря — в Кислой губе. Сейчас разработано множество проектов создания приливных электростанций, использования океанических течений, накоплен опыт эксплуатации немногочисленных созданных для этих целей станций в СССР, США, Франции.
Годовые энергетические ресурсы Мирового океана оцениваются в 100 трлн. кВт· ч, включая энергию, которую можно получить за счет разницы температур на различных глубинах, разности солености в устьях больших рек, использования приливов, ветровых волн и течений.
Энергетическая программа предусматривает создание материально-технической базы для еще одного нетрадиционного способа получения энергии — энергии биомассы. Общее количество ежегодно образующейся биомассы на Земле в несколько раз превышает суммарную годовую добычу в мире угля, нефти и газа. Биомассу можно использовать в энергетических целях путем сжигания или с помощью переработки с получением спиртов и биогаза.
Биомасса — это совокупность всего объема веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности и органические отходы, образующиеся в процессе их переработки. Ее общее количество огромно, и даже на современном уровне технологии переработки она может обеспечивать энергией человечество в течение многих десятилетий. Современной науке известны два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или методом биотехнологической ее переработки. Особенностью этого энергетического направления является не только снижение уровня загрязнения окружающей среды за счет безвредной технологии трансформации биомассы в энергию, но и очищение окружающей среды, концентрация и переработка отходов промышленности и жизнедеятельности, обычно загрязняющих места расселения людей (табл. 10.3).
В СССР накапливается опыт строительства и эксплуатации предприятий биоэнергетического профиля в Латвии, Эстонии, Московской и Запорожской областях, Туркмении и других районах. В развитии этого научно-практического направления заинтересованы специалисты Минсельхоза СССР, Главмикробиопрома, Минмясомолпрома СССР, Минпищепрома СССР, Минлесбумпрома СССР и других ведомств.
Анализ основных параметров нетрадиционных источников энергии показывает, что по многим показателям нетрадиционные источники энергии экологически более выгодно применять для горячего водоснабжения и отопления, а в некоторых случаях и для охлаждения зданий. В то же время экономически не всегда выгодно исключать из энергосистемы традиционные источники. Очевидно, совершенствование конструкций систем энергоснабжения зданий позволит повысить экономическую эффективность использования нетрадиционных источников энергии.
Экологические показатели и критерии проектирования энергоактивных зданий
На основе анализа современного опыта строительства и эксплуатации энергоактивных зданий разработана система экологических показателей для выбора проектного решения и оценки его при проектировании энергоактивных зданий. Показатели имеют универсальный характер и не зависят ни от технических особенностей энергетической системы, ни от района строительства, ни от типа используемого источника энергии.
Условия площадки строительства.
Эти условия в большой степени влияют на экономические и экологические показатели функционирования энергетической системы. Прежде всего выбирают наиболее короткий путь теплоносителя, если предусмотрена передача его от стационарного источника (например, геотермальной скважины). Для других источников энергии имеет значение микроклимат участка, степень закрытости его формами рельефа и растительностью, а также инженерно-геологические условия. Размер выделенного участка влияет на выбор метода организации строительных работ.
Ориентация здания.
В общем случае ориентация здания влияет на его теплотехнические характеристики. Для систем с гелиоустановками ориентацию здания выбирают так, чтобы обеспечить размещение на здании в заданном месте приемника солнечного излучения, а для ветроэнергетических систем — башни с ветрогенератором.
Тип энергетической системы.
При выборе типа энергосистемы исходят из конкретных условий строительства здания, объема и режима энергопотребления, а также наличия в районе строительства источников энергии.
Конструктивное оформление энергосистемы.
Одна и та же энергосистема может быть решена по-разному в зависимости от планировки здания, климатических условий, географического окружения здания и других факторов. При проектировании, как правило, имеется возможность применять различные варианты энергосистемы.
Режим работы энергосистемы.
Основным условием рациональной работы энергосистемы является соответствие количества вырабатываемой энергии потребностям здания при наиболее экономичном решении энергосистемы. При наличии других источников энергии может возникнуть задача планирования работы энергосистемы с целью наиболее благоприятного обеспечения потребителей энергией. Такая ситуация может сложиться, например, при необходимости в определенное время суток стабилизировать параметры энергообеспечения для работы аппаратуры, что может быть достигнуто путем подключения потребителей к аккумулятору, показатели работы которого лучше по сравнению с ветрогенератором.
Воздействие на природную среду.
Несмотря на относительную экологическую безвредность многих источников нетрадиционных видов энергии, в ряде случаев приходится рассчитывать возможные последствия работы энергосистем. Это относится в первую очередь к системам, использующим геотермальную энергию.
Рассмотренный комплекс показателей учитывается при проектировании наряду с экономическими и эксплуатационными характеристиками применяемого решения.
