Вы здесь

Экологически чистая энергетика

Опубликовано вт, 12/14/2021 - 15:56 пользователем Игнатов Сергей

Электроэнергия используется во всех производственных процессах, поэтому электроэнергетика играет ключевую роль в развитии мировой экономики. С каждым годом численность населения на земле продолжает быстро увеличиваться. Это приводит к наращиванию производства товаров, что неизбежно увеличивает потребность в электричестве.

По оценкам экспертов, с начала ХХI века мировое потребление электроэнергии выросло в 1,5 раза. С одной стороны, такой рост играет роль индикатора, свидетельствующего об экономическом развитии. С другой – выступает фактором роста нагрузки на окружающую среду и создает риски исчерпания ископаемых ресурсов.

         Несмотря на то, что в последние десятилетия в мире бурно развиваются отрасли альтернативной энергетики, 62,9% производимой электроэнергии по-прежнему приходится на долю энергии, получаемой на тепловых электростанциях. 

Тепловая энергетика основана, в первую очередь, на сжигании ископаемого топлива – угля, нефти, газа, торфа и сланцев. Недостатком ТЭС является то, что они работают на невосполнимых видах энергоносителей. По оценкам экспертов, запасы углеводородов неуклонно истощаются, природных ресурсов хватит лишь на несколько десятилетий.

При этом процесс генерации электричества из полезных ископаемых оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Начиная от добычи, переработки и транспортировки энергоресурсов и заканчивая их сжиганием для получения тепла и электроэнергии – всё это пагубно отражается на экологии.

Самыми «грязными» источниками энергии считаются электростанции, работающие на каменном угле. Особенно на высокозольном. Зольность измеряется в процентах от общей массы угля. Чем она выше, тем ниже теплота сгорания и, соответственно, качество угля. 

Самыми экологически чистыми среди тепловых электростанций оказались те, что используют в технологическом процессе природный газ.

Эксперты подсчитали, что ежегодно ТЭС всего мира выбрасывают в атмосферу около 250 млн тонн золы, более 60 млн тонн сернистого ангидрида и сотни миллионов тонн углекислого газа, вызывающего так называемый парниковый эффект и приводящего к долгосрочным глобальным климатическим изменениям.

Парниковые газы – это присутствующие в атмосфере газы, способные улавливать и отдавать тепло. К их числу относится углекислый газ, метан, водяной пар, закись азота и озон. Из-за того, что они поглощают тепловую энергию и изучают ее обратно в сторону Земли, средняя температура на планете возрастает.

Группа ученых из Университета Колорадо изучила данные за 2018 год более 29 тыс. самых «грязных» электростанций из 221 страны мира. Результаты исследования опубликованы в журнале Environmental Research Letters.

Исследователи пришли к выводу, что по сравнению с 2009 годом объем вредных выбросов вырос на 5,4% – с 287,6 млн тонн до 303,6 млн тонн. Десятку «лидеров» антирейтинга объединяют общие характеристики: все станции работают на угле, отличаются низким КПД и расположены в Северном полушарии.

Самой экологически «грязной» авторы исследования назвали Белхатувскую ТЭС – крупнейшую электростанцию Евросоюза. Энергообъект установленной мощностью 5 420 МВт находится на территории Польши. В качестве топлива использует бурый уголь.

 Белхатувская ТЭС производит около 27-28 млрд кВт*ч в год, что составляет более 20 % от всей годовой генерации электроэнергии в стране. В 2018 году станция выпустила в атмосферу 38 млн тонн углекислого газа. Несмотря на то, что энергия Белхатувской ТЭС самая дешевая в Польше, к 2036 году ее генераторы все же будут выведены из эксплуатации. Решение было принято под настойчивым давлением ЕС.

Второе место по выбросам CО₂ досталось Виндхьячал – тепловой электростанции из Индии.  Ее «вклад» в развитие парникового эффекта на планете эксперты оценили в 33,8 млн тонн. Места с третьего по шестое разделили между собой ТЭС Южной Кореи, Тайваня и Китая.

Кроме того, к настоящему времени установлено, что радиационный фон вокруг тепловых станций, работающих на угле, в среднем в мире в 100 раз выше, чем вблизи АЭС той же мощности. Это связано с выбросом различных радиоактивных элементов, содержащихся в угле в виде микропримесей (радий, торий, полоний и др.).

Одним из наиболее эффективных способов снижения влияния человека на экосистему эксперты называют технологию получения экологически чистой энергии без выбросов вредных веществ в атмосферу.

«Зеленым» технологиям – зеленую улицу

 Одним из наиболее часто предлагаемых решений для сокращения объемов использования ископаемых видов топлива является переход к более устойчивым возобновляемым источникам энергии. К ним относятся энергии Солнца, ветра, воды (гидроэнергетика малой мощности, приливная, геотермальная), биотоплива и др.

По данным IRENA – Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, общий объём генерирующих мощностей на ВИЭ в мире на конец 2020 года составил 2 799 ГВт, что на 261 ГВт (на 10,3%) больше, чем годом ранее.

Энергия Солнца

10 лет назад на долю солнечной энергии приходилось менее 1% мощностей в мировой электрогенерации, в конце 2019 года – уже 9% (по оценкам Международного энергетического агентства (МЭА). По его прогнозам, к 2040 году этот показатель возрастет до 24%.

В 2020 году суммарная установленная мощность всех работающих фотоэлектрических панелей на земле составила 760 ГВт, что на 125 ГВт больше, чем годом ранее. По данным Ember – аналитического центра в области энергетики, в июне-июле 2021 г. доля солнечной генерации в общем объеме электроэнергии, выработанной в странах ЕС, достигла исторического максимума – 10%.

         Несмотря на то, что даже в разгар лета батареи из фотоэлементов по-прежнему вырабатывают меньше электричества, чем тепловые электростанции, эксперты утверждают, что ежегодный прирост солнечной генерации будет увеличиваться. Это позволит достичь целей ЕС по сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу к 2030 году.

         Еще совсем недавно использование ВИЭ могли себе позволить не все. Стоимость электричества, вырабатываемого СЭС, была намного выше стоимости 1 кВт*ч, полученного при сжигании ископаемого топлива. Как правило, «зеленые» проекты развивались только благодаря поддержке правительства. Экономическая нецелесообразность отступала на второй план перед экологичностью генерации.

         Сегодня ситуация в корне изменилась. Курс, взятый на декарбонизацию, привел к тому, что за последние 10 лет стоимость энергии на безе ВИЭ сократилась в несколько раз и практически сравнялась с тепловой энергетикой.

         Например, в 2009 году 1 МВт*ч солнечной электроэнергии стоил 359 долл. Сегодня его стоимость сократилась на 89%. В 2019 году на долю ВИЭ (в основном, энергии солнца и ветра) приходилось 73% новых генерирующих мощностей, в 2020 году – 82%.

         По данным агентства IRENA, строительству рекордных объемов «зеленых» мощностей во многом способствовали инвестиции США и Китая.

         Россия остается крупнейшей экономикой мира, которая крайне мало использует солнечную энергетику. По состоянию на 01.01.2021 г., в структуре установленной мощности электростанций Единой энергосистемы России на долю СЭС приходилось 0,7% (1 726,72 МВт). Самые крупные солнечные станции РФ:

  • Старомарьевская СЭС (установленная мощность 100 МВт). Состоит из 349 000 солнечных модулей, расположена в Ставропольском крае;
  • Фунтовская СЭС (установленная мощность 75 МВт). Состоит из 214 644 солнечных модулей, расположена в Астраханской области;
  • Самарская СЭС (установленная мощность 75 МВт). Состоит из 265 690 солнечных модулей, расположена в Самарской области.

В марте текущего года в РФ вступил в силу Федеральный закон о развитии микрогенерации. Это не только позволило владельцам солнечных киловатт стать полноценными участниками рынка, но и дало право зарабатывать на излишках электроэнергии.

Благодаря закону, у предприятий всех форм собственности и частных лиц появилась возможность продавать «зеленую» энергию во внешнюю сеть. При этом выдача генерирующей мощности ограничивается 15 кВт. В свою очередь, гарантирующие поставщики обязаны такие излишки покупать по средневзвешенной цене оптового рынка. Ожидается, что в ближайшее время спрос на сетевые микро-СЭС может существенно вырасти.

Но даже без такого мотивирующего инструмента темпы роста количества СЭС в России начинают набирать обороты. Этот тренд особенно популярен среди владельцев промышленных и коммерческих объектов. Во многих регионах РФ стоимость солнечной энергии уже ниже стоимости электричества из сети. При этом сроки возврата инвестиций сократились до пяти лет.

Несмотря на долгий старт и чрезвычайно малые объемы российского рынка солнечной энергетики, Россия обладает колоссальным потенциалом для развития этой отрасли, который может стать одним из источников экономического роста. По оценкам экспертов, перспективными регионами для развития солнечной энергетики могут стать:

  • Амурская область;
  • Еврейская автономная область;
  • Забайкальский край;
  • Приморский край;
  • Республика Алтай;
  • Республика Бурятия;
  • Республика Дагестан;
  • Республика Тыва.

На территории этих субъектов РФ солнечная генерация может обойтись менее чем в 4 руб. за 1 кВт*ч. Интересно, что солнечных дней в некоторых городах Дальнего Востока, например, в Хабаровске, больше, чем в Сочи.

Для развития солнечной энергетики наиболее перспективными являются регионы с высоким уровнем инсоляции. Однако максимального экономического эффекта и практического смысла можно достичь, развивая эту отрасль ВИЭ:

  1. В регионах с низкой доступностью электроэнергии, где у потребителей не всегда есть возможность подключиться к сети (например, на Алтае, в Калмыкии и Адыгее);
  2. В энергодефицитных регионах, где сложно подключиться к сети в краткие сроки и по приемлемому тарифу (например, в Краснодарском крае). В таких случаях строительство мини-СЭС может стать оптимальным выходом из сложившейся ситуации;
  3. В регионах с высокой стоимостью электроэнергии для населения и малого бизнеса (например, на Камчатке, Чукотке и в Магаданской области);
  4. В регионах с высоким инновационным потенциалом, где существует спрос на экологическую составляющую.

Энергия ветра

В последние годы по всему миру весьма стремительно осваивается энергия ветра. Однако рекордным для ветроэнергетики стал 2020 год: в мире было построено более 93 ГВт новых мощностей, в России – введены в эксплуатацию ветропарки общей мощностью 908 МВт.

По данным Системного оператора, на 01.01.2021 г. суммарная мощность ветряных электростанций РФ достигла 1 027,51 МВт, а их доля в структуре установленной мощности ЕЭС России выросла с почти 0 до 0,42%.

В России действует программа поддержки ВИЭ, в рамках которой до 2024 года выделены квоты на строительство 5,4 ГВт возобновляемой энергетики. Из этого объема 3,3 ГВт приходится на ветропарки.

На сегодняшний день самыми крупными из российских ветряных станций являются:

  • Кочубеевская ВЭС (установленная мощность 210 МВт). Состоит из 84 ветрогенераторов мощностью по 2,5 МВт каждый, расположена в Ставропольском крае;
  • Адыгейская ВЭС (установленная мощность 150 МВт). Состоит из 60 ВЭУ мощностью 2,5 МВт каждая, расположена в Республике Адыгея;
  • Бондаревская ВЭС (установленная мощность 120 МВт).  Состоит из 48 ВЭУ мощностью 2,5 МВт каждая. Расположена на территории Ипатовского городского округа Ставропольского края. Станция начала поставлять энергию и мощность в ЕЭС России с 1 сентября 2021 года;
  • Марченковская ВЭС (установленная мощность 120 МВт).  составе ВЭС работают 48 ветроустановок мощностью по 2,5 МВт. Расположена на территории Зимовниковского района Ростовской области. Выработка ветропарка начала поступать на ОРЭМ с 1 июля 2021 года.

Гидроэнергия

Гидроэнергия относится к категории экологически чистых видов генерации при условии, что строительство станции не требует затопления прилегающих территорий, а ее работа не приводит к изменению микроклимата окружающей среды. Все это в равной степени относится к малым ГЭС, поэтому использование энергии небольших водотоков считается одним из наиболее эффективных направлений развития альтернативной энергетики.

Преимущества МГЭС:

  • Сохранение природного ландшафта и окружающей среды как в процессе строительства, так и на этапе эксплуатации;
  • Работа станции не оказывает влияния на природные свойства воды, поэтому ее можно использовать для водоснабжения близлежащих населенных пунктов;
  • Объем генерации практически не зависит от погодных условий;
  • Обеспечивается выработка дешевой электроэнергии в любое время года;
  • Требуют меньших инвестиций, чем строительство крупных ГЭС.

Малая гидроэнергетика эффективно используется в 148 странах мира. По данным Международного центра малой гидроэнергетики (МЦМГ), совокупная мощность этой отрасли уже превысила 75 ГВт, что составляет около 43% ее потенциала. При этом степень развития зависит не только от природных условий, но и от уровня распространения ВИЭ в частности, и развитости экономики в целом.

В настоящее время малая гидроэнергетика остается самым скромно развитым сегментом ВИЭ в России. В нашей стране потенциал малых рек используется на 4,5%. Это в три-пять раз меньше, чем в странах Европы.

Но уже в скором времени ситуация может кардинально измениться: до конца 2024 года в РФ, в рамках первой программы ДМП ВИЭ, запланирован ввод в эксплуатацию малых гидроэлектростанций общей установленной мощностью 210 МВт.

Программа поддержки развития Возобновляемой энергетики на период 2025-2035 гг. (так называемая ДПМ ВИЭ 2.0) предусматривает строительство новых малых ГЭС мощностью 200 МВт. Однако эксперты уверены, что интерес инвесторов к этому сектору в рамках розничного рынка очень высок, поэтому реальные показатели ввода мощностей могут быть гораздо больше.

Энергия биотоплива

Биотопливо – это энергоноситель растительного происхождения. По оценкам специалистов, он может заменить топливо из исчерпаемых ресурсов на то, которое производится из возобновляемого сырья. Может быть в трех агрегатных состояниях:

  • твердое (дрова или пеллеты, получаемые из отходов органического происхождения);
  • жидкое (биоэтанол из крахмала или сахара, биодизель из масличных растений или масляных продуктов, биобутанол, диметиловый эфир из биомассы или природного газа).

В настоящее время ведутся разработки жидкого биотоплива нового поколения, получаемого из водорослей. По своим энергетическим характеристикам споровые растения значительно превосходят другие источники энергии. Их выращивают в больших бассейнах или на фермах.

Водоросли превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла, которое извлекается методом механической прессовки биомассы или с использованием химических веществ, растворяющих стенки клеток. В ходе дальнейшей переработки и очистки получают биотопливо, подходящее для использования в качестве экологически чистого энергоносителя.

Водоросли не требуют ни чистой земли, ни воды. При этом они активно поглощают углекислый газ. Следовательно, их использование действительно полезно для уменьшения парникового эффекта.

Основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли чувствительны к изменению температуры. Поэтому ее необходимо поддерживать на определенном уровне (резкие суточные колебания недопустимы);

  • газообразное (биогаз из отходов органического происхождения, биоводород – аналог обычного водорода, получаемый из биомассы).

Преимущества биотоплива:

  • Энергоноситель производится из растительных веществ, поэтому, в отличие от иссякаемых источников энергии, относится к категории возобновляемых;
  • При сжигании биотоплива количество углекислого газа снижается до 65%, что вносит весомый вклад в борьбу с изменением климата. Помимо этого, некоторые виды энергоносителя (например, биодизель и биоэтанол) содержат меньшее количество хлора и серы. Следовательно, при их сжигании в атмосферу выделяется меньше загрязнителей;
  • Производство биотоплива можно организовать в том же регионе, где оно будет потребляться. Это позволяет создать новые рабочие места и сократить расходы на логистику.

Геотермальная энергия

Основным источником геотермальной энергии служит постоянный поток тепла из раскаленных недр, направленный к поверхности Земли. Это один из немногих ВИЭ, способных круглосуточно обеспечивать устойчивое энергоснабжение.

 Потенциал геотермальной энергии огромен. По оценкам аналитиков, ее запасы составляют 200 ГВт. В некоторых странах тепло земных недр используется для выработки тепловой и электрической энергии. Например, в Исландии за счет геотермальной энергии обеспечивается 26,5% выработки электричества. А столица страны – город Рейкьявик – обогревается теплом.

В Соединенных Штатах на территории долины гейзеров построены 19 ГеоТЭС. Их общая мощность составляет 1 300 МВт.

По состоянию на 2020 год в России действуют четыре геотермальные станции:

  • Мутновская ГеоТЭС (установленная мощность 50 МВт). Расположена в Камчатском крае, ежегодно электростанция вырабатывает около 350 млн. кВт*ч. Обеспечивает 30% энергопотребления Центрального энергоузла Камчатки.

Ученые рассматривают возможность увеличения мощности энергообъекта за счет строительства новых очередей (энергетический потенциал геотермального месторождения составляет 300 МВт) или установки бинарного энергоблока мощностью 13 МВт, позволяющего более эффективно использовать тепло Земли.

  • Паужетская ГеоТЭС (установленная мощность 12 МВт). Реальная мощность ограничивается количеством поставляемого пара и составляет около 6 МВт. В течение года станция вырабатывает 42 млн кВт*ч.

Паужетская ГеоТЭС – первая геотермальная электростанция России. Была введена в работу в 1966 году. Поставляет электрическую энергию для обеспечения нужд изолированного Озерновского энергоузла Камчатского края.

  • Верхне-Мутновская ГеоТЭС (установленная мощность 12 МВт). Станция эксплуатируется в едином комплексе с Мутновской ГеоТЭС. Среднегодовая выработка электроэнергии составляет 65 млн кВт*ч.
  • Менделеевская ГеоТЭС (установленная мощность 7,4 МВт). Расположена на острове Кунашир в Сахалинской области.

Геотермальную энергию, впрочем, как и все альтернативные источники энергоресурсов, можно использовать локально, исходя из ландшафтных условий местности и перспектив развития инфраструктуры.

Несмотря на большой потенциал геотермальной энергии, широкомасштабному использованию этих природных ресурсов препятствуют высокие затраты на проведение геологоразведочных работ и риск неудачи на этапе разведки. Смягчение этих рисков будет способствовать притоку инвестиций в отрасль.

Энергия из мусора

Во многих странах мира энергетическая утилизация отходов является важным элементом системы управления отходами. По данным Конфедерации европейских заводов по производству энергии из отходов (CEWEP), в 2018 году доля мусора, сжигаемого с целью получения энергии, в Евросоюзе составила 28%. В число лидеров вошли страны, известные своей высокой экологической ответственностью: Финляндия (57%), Швеция (53%) и Дания (51%).

         До недавнего времени в России основным способом обращения с отходами оставалось их захоронение. Около 94% твердых коммунальных отходов ежедневно вывозилось на мусорные полигоны, что негативно отражалось на экологической ситуации в регионе.

         В скором будущем систему управления отходами ожидает серьезное реформирование. Одним из методов переработки мусора может стать энергетическая утилизация бытового мусора.

         В 2021 году в Подмосковье завершено строительство биогазового комплекса по переработке твердых коммунальных отходов (КПО). Биогазовая станция «Тимохово» стала первой в регионе, работающей на биогазе.

         Одноименный полигон – это одна из самых больших свалок мусора в Европе. Его площадь составляет 114 Га. На его территории скопилось почти 20 млн тонн отходов. Это в 2,5 раза больше, чем все население Москвы и Московской области производит за год.

         Однако полигон больше не принимает мусор для прямого захоронения. После поступления все бытовые отходы тщательно сортируются: отделяются полезные фракции (картон, бумага, пластик и т. д.) и органика, которая возвращается во вторичный оборот и используется для производства биогаза.

         На КПО организована комплексная сортировка – это оптимальное соотношение автоматических технологических процессов и ручного контроля. Оптическое сканирование, барабанные, магнитные и баллистические сепараторы – это оборудование уже успешно применяется на всех подмосковных комплексах и позволяет отбирать до 25 компонентов вторичного сырья – это рекордный для России показатель.

         На полигоне смонтированы пять газопоршневых установок. Мощность каждой из них составляет 2 МВт. Кроме того, выполнено технологическое присоединение к электросетям. Линии электропередачи построены как со стороны АО «Полигон Тимохово», так и со стороны ПАО «Россети Московский регион».

         Мусор органического происхождения поступает в комплекс биокомпостирования отходов. По сути, это массивные резервуары высотой около 30 метров. Внутри этих емкостей происходит процесс брожения органики, в результате которого образуется биогаз.

         Мощность станции анаэробного сбраживания позволяет ежегодно перерабатывать около 200 тыс. тонн органических отходов. По оценкам аналитиков, объем полученного биогаза составит порядка 30 млн м³ в год. Объем выработки электрической энергии оценивается в 70 млн кВт*ч в год.

         Использование биогазовой установки на подмосковном полигоне «Тимохово» обеспечивает:

  • Снижение объема выбросов вредных веществ в атмосферу;
  • Улучшение основных показателей качества атмосферного воздуха в районе;
  • Выдачу около 10 МВт электрической электроэнергии, которая переправляется на питающий центр № 242, расположенный в километре от полигона, а затем поступает в Московскую энергосистему;
  • Создание в регионе новых высококвалифицированных рабочих мест;
  • Обкатку новой технологии с возможностью ее тиражирования на другие полигоны твердых бытовых отходов.

Еще один объект, предназначенный для превращения мусора в топливный ресурс, – система дегазации на полигоне «Торбеево» мощностью 1 МВт (рассматривается возможность увеличения мощности объекта до 2,106 МВт). Установка работает на свалочном газе, который образуется при распаде органических материалов на полигонах ТБО.

Свалочный газ также относится к возобновляемым источникам энергии. Он на 50-75% состоит из метана, на 25–50 % – из углекислого газа, примесей азота, сероводорода и органических веществ. 

Метан обладает сильным парниковым эффектом, поэтому сбор и переработка свалочного газа предотвращает загрязнение атмосферы.

Новая технология выработки газа из мусора на станции дегазации и получения из него электроэнергии отличается энергоэффективностью и экологичностью, которые в несколько раз превышают результативность других методов переработки отходов.

1 МВт*ч производства электроэнергии из свалочного газа сокращает выбросы СО₂ в окружающую среду примерно на 4 тонны. Подобного показателя нет ни в солнечной, ни в ветровой энергетике.

В 2020 году энергопроект в Торбеево был награжден в рамках международного конкурса «Малая энергетика – большие достижения».

По оценкам специалистов, ежегодно более 30 тыс. тонн свалочного газа будут перерабатываться в экологически чистую энергию. При постоянной работе газопоршневая электростанция может вырабатывать 7,96 млн кВт*ч в год. Электроэнергии, вырабатываемой в Торбеево, хватит более чем на 15 лет.

Помимо выработки электричества, станция также может генерировать тепловую энергию. Этого количества достаточно для обеспечения собственных нужд полигона – отопления административных и производственных помещений.

Тренды в сфере «зеленой» энергетики

Водородная энергетика. Во многих странах ЕС «зеленый» водород рассматривается как экологически приемлемая энергетическая технология. В рамках декарбонизации атмосферного воздуха на водород планируют перевести не только транспорт, но и основные отрасли промышленности.