Экологический эффект от применения возобновляемых источников энергии. Экологическая оценка использования виэ. Ущерб для экосистемы

Россия имеет огромный потенциал и обширную базу для развития возобновляемой энергетики

В современном индустриальном обществе (и в условиях безудержного роста потребления товаров, имеющих намеренно укороченный срок использования) энергетика является масштабным загрязнителем природы.

На текущем этапе развития науки и техники каждый сегмент мирового энергетического хозяйства оказывает деструктивное влияние на окружающий мир. В полной мере это касается и сферы возобновляемых источников энергии (ВИЭ), поскольку абсолютно «чистых» энергоносителей и ВИЭ-устройств пока не существует, хотя бы по той причине, что объекты возобновляемой энергетики в любом случае изменяют естественный ход энерго- и массообмена биосферы.

При этом экологические ВИЭ-факторы, прямые и косвенные, отличаются широким разнообразием и силой воздействия. Они возникают как на этапах строительства, производства, эксплуатации и утилизации ВИЭ-оборудования, так и в технологической цепочке применения «зеленых» энергоносителей, причем иногда скрытно и с непредсказуемыми последствиями в длительной перспективе.

Например, строительство плотин ГЭС может приводить к снижению уровня жизни населения, деградации экосистем и рыбных ресурсов, причем в долгосрочной перспективе .

Ветровая энергетика может являться источником негативного воздействия для птиц, летучих мышей, водных обитателей и человека, создавать радиочастотные помехи. Геотермальная энергетика потенциально опасна с точки зрения возникновения оползней и провалов почвы, а также землетрясений.

Применение силовых ВИЭ-устройств неразрывно сопряжено с использованием накопителей энергии (химических, тепловых, электрических, механических, вырабатывающих промежуточные типы энергоносителей, например водород и т.д.), которые также загрязняют окружающую природу.

В сегменте биомассы экологическая нагрузка возникает уже на этапе получения сырья (в ходе сельскохозяйственных работ, в результате использования ГМ-растений, вырубки лесов с целью расширения посевных площадей и т.д.), при производстве соответствующего промышленного оборудования, функционировании и утилизации ВИЭ-установок (выбросы и отходы различных видов), в процессе выпуска биотоплива, а также эксплуатации транспортных средств, применяющих био- или смешанное топливо (увеличивается вероятность сокращения технического ресурса двигателя, возникает необходимость применения специального автомобильного оборудования, внедрения новых видов смазочных материалов и т.д.). Однако следует отметить, что при выращивании биомассы происходит активное поглощение СО 2 из атмосферы в результате реакции фотосинтеза, поэтому с точки зрения баланса (разницы между суммарным поглощением и суммарными выбросами СО 2) эмиссии «парниковых» газов в течение всего жизненного цикла данный сектор ВИЭ является нетто-абсорбентом двуокиси углерода .

В мире экологический аспект использования ВИЭ начали активно изучать несколько десятилетий назад, в том числе СССР. В настоящее время обширная база данных накоплена в США; в ЕС соответствующей обобщенной статистической информации за длительный период наблюдения отсутствует ввиду относительной «новизны» вопроса .

Как возобновляемая энергетика начала завоевывать современный мир?

Запрос на расширение использования ВИЭ сформировался еще во второй половине XX века, когда трансформация нефтяного рынка, создание нефтяного картеля ОПЕК и последующие нефтяной и экономический кризисы 1970‑х годов вскрыли уязвимость экономики западных государств — импортеров углеводородов от внешних поставок сырья. Перед соответствующими национальными правительствами остро обозначились задачи не только по поиску путей снижения энергопотребления и оптимизации импорта ископаемого топлива, но и возможностей применения альтернативных видов энергоносителей .

В конце 70‑х годов ученые СССР констатировали: «Серьезность стремлений ведущих капиталистических стран к широкому поиску самых разнообразных вариантов удовлетворения энергетических потребностей в будущем подтверждается масштабами проводимых работ, быстрым накоплением новых результатов исследований и разработкой все более отдаленных по ожидаемым датам освоения проектов» .

В 2000‑х годах страны ОЭСР, уже обладая достаточным объемом знаний и капитала, взяли курс на новый технологический уклад и обозначили инновационную цель — создание низкоуглеродной экономики на базе новейших достижений науки и техники. В итоге возобновляемая энергетика, сферы энергоэффективности, энергосбережения, а также сектор сбора СО 2 получили статус экономических «моторов», новых «точек» роста и масштабную государственную поддержку.

В то же время надо понимать, что к решениям и технологиям, предлагающим пути снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду (и теорию «парникового» эффекта в качестве аргумента), традиционно примешиваются политика и интерес капитала, предполагающий максимальное извлечение прибыли. Это вносит свои коррективы в качественное и количественное наполнение корзины сопутствующих экологических ВИЭ-рисков, причем абсолютно полными и объективными соответствующими данными общество пока не располагает.

До дальнейшего рассмотрения данной проблематики целесообразно обозначить масштаб вовлечения возобновляемых ресурсов в деловой оборот и основные области использования ВИЭ.

Итак, в начале второго десятилетия наступившего века ВИЭ-установки укоренились на всех «этажах» мирового хозяйства (от микро- до макроуровня) и в ряде экономик, потеснив углеводородные энергоносители (а в ФРГ и атомную энергию), получили широкое применение в производстве электрической и тепловой энергии, а также на транспорте, флоте и в авиации.

В 2001 году в структуре глобального энергопотребления доля ВИЭ (без учета крупных ГЭС) оценивалась в 0,5%, а к началу второго десятилетия данный показатель приблизился к 1,6% (с учетом крупных ГЭС — 8,1%). Это в абсолютном выражении составило весьма ощутимую величину - 195 миллионов т.н.э. (986,3 миллиона т.н.э.). Для сравнения, в 2011 году суммарное потребление первичной энергии (всех видов энергоносителей) в Великобритании находилось на уровне 198 миллионов, Италии — 168 миллионов, Испании — 146 миллионов т.н.э .

В глобальном масштабе проявились страны, в которых без использования ВИЭ экономическая деятельность стала затруднительной и даже невозможной. Например, Норвегия зависит от ВИЭ на 65%, Бразилия — на 39%, Канада — на 27%, Дания, Испания и Германия — на 18, 13 и 9% соответственно .

В докризисный 2007 год в мировом производстве электроэнергии на долю ВИЭ приходилось около 18%, при этом основным источником являлась энергия воды (ГЭС) — 86,8% .

Необходимо подчеркнуть, что приведенные данные базируются на официальных статистических данных, полученных по методикам, предполагающим наличие определенной погрешности; в мире реальный объем использования ВИЭ (например, с учетом сжигания дров) не поддается точному учету.

Вернемся к экологическому аспекту ВИЭ

Для обобщенной оценки прямого и косвенного влияния на окружающую среду и в качестве грубого инструмента сравнения недостатков и достоинств объектов возобновляемой энергетики могут быть использованы различные критерии оценки, например такие, как:

Влияние на земельные ресурсы;

Воздействие на животный и растительный мир;

Влияние на человека;

Влияние на водные ресурсы.

В связи с доктриной «чистого» развития общепринятыми являются также показатели, оценивающие эмиссию «парниковых» газов в СО2-эквиваленте, образующихся во время всего жизненного цикла ВИЭ-оборудования .

Рассмотрим основные параметры, характеризующие степень влияния различных видов ВИЭ на окружающую среду и по возможности сопоставим их с показателями для углеводородных энергоносителей.

Энергия ветра широко используется в производстве электрической энергии. В глобальном масштабе она обладает значительным техническим ресурсом, высокой степенью доступности и постоянства, а также относительной дешевизной. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) могут располагаться как на суше, так и в прибрежных водах на морском шельфе. Перечисленные достоинства позволяют энергии ветра конкурировать с ископаемым топливом; в 2011 году в структуре производства электроэнергии ЕС на долю данного энергоносителя приходилось более 6% .

При наземном расположении оборудования напрямую задействуется небольшой участок суши в виде круга площадью 5—10 диаметров ветрового колеса ВЭУ, а кабельное хозяйство прокладывается под землей. Согласно исследованию National Renewable Energy Laboratory (США), общий размер земельного участка находится в пределах от 12—57 га из расчета на 1 МВт проектной мощности установки, при этом постоянно занятой является лишь его небольшая часть — не менее 0,4 га/МВт, а 1,5 га/МВт — временно (в основном — при строительстве) .

Таким образом, основная территория вокруг башни ВЭУ может быть задействована для других нужд, например строительства нежилых и инфраструктурных объектов, выпаса домашнего скота и т. д. Кроме того, ВЭУ могут размещаться на землях, непригодных для земледелия или иных хозяйственных нужд, а также в промышленных зонах, что существенно повышает привлекательность данного вида ВИЭ с точки зрения использования земельного ресурса.

ВЭУ, размещенные на поверхности моря, занимают более обширную площадь, чем наземные установки, поскольку имеют значительные габариты и кабельное хозяйство, проложенное по морскому дну. Они могут создавать трудности для судоходства, рыболовства, туризма, добычи песка, гравия, нефти и газа.

ВЭУ оказывают влияние на живую природу, в первую очередь на птиц, которые гибнут как при непосредственном столкновении с ветротурбинами, так и вследствие разрушения среды обитания из-за искусственного изменения природных потоков воздушных масс (конец лопасти ветроколеса может перемещаться с линейной скоростью около 300 км/ч).

В США влияние ветроустановок на среду обитания птиц и летучих мышей непрерывно изучается. По данным National Wind Coordinating Committee (NWCC), в год погибает 11,7 особей птиц и 43,2 летучих мышей из расчета на 1 МВт установленной мощности ВЭУ, при этом специалисты полагают, что это не представляет опасности для видовых популяций .

Сокращению смертности пернатых и летучих мышей способствуют оптимальный выбор места размещения оборудования, технические решения (например, полная остановка ВЭУ при скорости ветра ниже определенного уровня, отключение ВЭУ в период миграции птиц и т. д.), а также учет иных локальных условий, выявленных в процессе эксплуатации подобного оборудования.

ВЭУ морского базирования также приводят к гибели птиц, однако в меньшей степени по сравнению с наземными комплексами. К основному негативному влиянию ВЭУ данного типа относят возможное снижение популяции морских обитателей и создание искусственных препятствий (рифов).

На человека ВЭУ может оказывать вредное воздействие как источник высокочастотного и низкочастотного излучения, путем визуального влияния (эффект мерцания, нарушение красоты природного ландшафта — появление новых «достопримечательностей» и т. д.), в случае падения фермы или механического разрушения ВЭУ. Кроме того, несчастные случаи могут происходить в процессе технического обслуживания и ремонта оборудования, при столкновении с ВЭУ летательных аппаратов. Степень влияния перечисленных факторов во многом зависит от конструкции ветроустановки, места ее расположения, производственной дисциплины и полноты выполнения надлежащих организационных мероприятий. Считается, что при соблюдении всех требований, негативное воздействие ВЭУ на человека минимально .

Влияние ВЭУ на водные ресурсы незначительно. Вода используется лишь в процессе производства комплектующих установки и при строительстве цементного основания ветротурбины.

Объем вредных выбросов в СО 2 -эквива-ленте, связанный с жизненным циклом ВЭУ, гораздо ниже, чем аналогичный показатель для тепловых электростанций и находится, как правило, в пределах 10‑20 г/кВт -ч (для газовых станций — 270—900, угольных — 630—1600 г/кВт- ч) .

Энергия Солнца обладает огромным ресурсом и может применяться в производстве тепловой энергии (солнечные коллекторы и т. д.) и электрической энергии (фотогальванические установки, солнечные концентраторы, геомембранные станции и т. д.); степень влияния на окружающую среду в значительной мере зависит от конструкции и мощности солнечного оборудования.

Площадь земной поверхности, используемая системами, работающими на базе солнечной энергии, определяется типом установки. Станции малой мощности могут минимизировать эту нагрузку и располагаться на крышах зданий или интегрироваться в различные элементы строений (стены, окна и т. д.), а промышленные установки могут задействовать обширную территорию. Данный показатель для фотогальванических установок (ФГУ) лежит в пределах 1,5—4 га/МВт, солнечных концентраторов — 1,5—6 га/МВт.

Существуют проекты солнечных концентраторов, занимающих значительную площадь земной поверхности (сопоставимой с аналогичным показателем для ТЭЦ и АЭС). Однако элементы могут размещаться на территориях, непригодных для выращивания сельскохозяйственных культур, вдоль инфраструктурных объектов, на полигонах захоронения бытовых отходов или иных площадях с целью снижения воздействия на флору, фауну и человека .

В процессе эксплуатации воздействие на водные ресурсы со стороны ФГУ минимально; вода используется лишь в процессе производства компонентов солнечной батареи. Однако конструкция солнечных коллекторов предполагает использование воды в качестве теплоносителя, а в некоторых типах солнечных концентраторов расход воды (для охлаждения системы) может достигать 2,5 тысяч л/МВт- ч.

Негативное влияние на человека определяется в основном процессом изготовлений кремниевых элементов ФГУ, при котором возможен контакт с вредными и токсичными веществами (соляная, серная и азотная кислоты, ацетон, фтористый водород, арсенид галлия, теллурид кадмия, медно-индиевый или медно-галлиевый диселенид и др.). В производстве тонкопленочных модулей используется меньший объем вредных веществ, тем не менее оно также требует строгого соблюдения мер безопасности.

Объем выбросов СО 2 для ФГУ составляет 36—80 г/кВт-ч, солнечных концентраторов — 36—90 г/кВт-ч.

Геотермальная энергия, извлекаемая из глубин земли (от 200 метров до 10 километров), может использоваться для производства электрической и/или тепловой энергии, а также холода и пара как путем преобразования (с использованием паровых турбин), так и напрямую (закачиванием скважинной жидкости в системы зданий). По состоянию на начало 2010 года в мире суммарная мощность геотермальных станций, вырабатывающих электроэнергию, составила примерно 11 ГВт, тепловую энергию — около 51 ГВт .

Станции этого типа создаются как в регионах, мало пригодных для земледелия, так и в природоохранных зонах. Они могут занимать достаточно обширную территорию, например крупнейший в мире геотермальный комплекс The Geysers (США) располагается на площади более чем 112 квадратных километров, что соотносится с удельным показателем площади на единицу мощности в 15 га/МВт (эл.) .

В горных районах планеты бурение скважин и использование технологий, сходных с гидроразрывом пласта, могут провоцировать землетрясения, а забор теплоносителя из природных подземных резервуаров — вызывать оползни и провалы грунта (поэтому, как правило, он закачивается обратно в пласт). В целом влияние геотермальной установки на животный, растительный мир и человека находится в прямой зависимости от конструкции системы, типа энергоносителя, принятых мер безопасности и других факторов и, несмотря на указанные недостатки, находится на достаточно низком уровне.

В водяном контуре охлаждения подобного оборудования расход чистой воды может варьироваться в пределах 6—19 тысяч л/МВт-ч, при этом некоторые типы станций могут обходиться без забора воды из внешнего источника путем использования скважинной жидкости .

Геотермальные станции являются источником загрязнения атмосферы, выбрасывая двуокись серы, а также сероводород, оксиды углерода, аммиак, метан, бор и другие вещества, что может провоцировать легочные заболевания и болезни сердца у человека. Тем не менее, считается, что в данном секторе генерации эмиссия SO 2 в десятки раз меньше по сравнению с угольными тепловыми электростанциями.

В целом при данной технологии объем загрязнения оценивается в 90 г/кВт-ч в СО 2 -эквиваленте, однако для систем с замкнутым рабочим контуром данный показатель ограничивается выбросами, произведенными при изготовлении оборудования.

Биомасса имеет широкое применение в производстве тепловой и электрической энергии, жидкого и газообразного моторного топлива, причем не только для автомобильного транспорта, но и летательных аппаратов, а также судов.

Влияние данного сегмента ВИЭ на земельный ресурс, растительный, животный мир и человека может быть достаточно значительным. Так, например, для расширения посевных площадей технических культур может истребляться лесной фонд, что приводит к сокращению ареала многих видов животных; увеличение площади соответствующих посевов на землях сельскохозяйственного назначения обостряет конфликт с продовольственным сектором.

В то же время в мире образуется значительное число биологических отходов, переработка которых способствует очищению окружающей среды.

Традиционно биомасса (древесные отходы и уголь, солома, некоторые виды отходов сельского хозяйства и животноводства, твердые бытовые отходы и т. д.) используется путем сжигания. В этом случае по степени воздействия на окружающую среду она сходна с углеводородными энергоносителями, однако при этом ее преимуществом является возобновляемость.

Развитие современных технологий идет в направлении создания методов производства биотоплива второго и последующих поколений (метанола, этанола, биодизельного и синтетического топлива, реактивного топлива, биометана, водорода и т. д.) путем пиролиза, газификации, биологической и химической переработки, гидрирования и т. д., позволяющих эффективно перерабатывать все виды биологического сырья, в первую очередь — лигноцеллюлозу. Внедрение соответствующих промышленных решений (в ЕС это намечено на период после 2015 года) позволит вывести отрасль на качественно новый уровень и смягчить ее влияние на сельское хозяйство и продовольственный сектор. В долгосрочной перспективе предполагается неуклонное наращивание выпуска биоэтанола и биотоплива, причем их стоимость также будет расти (ожидается, что к 2021 году на глобальном рынке цена биодизельного топлива в номинальном выражении стабилизируется вблизи отметки 1,4 доллара за 1 литр, биоэтанола — 0,7 доллара за 1 литр) .

Воздействие сектора биомассы на водные ресурсы может быть весьма значительным (в зависимости от региона), поскольку для повышения урожайности технических культур требуется определенное количество влаги .

Кроме того, загрязнение поверхностных вод региона может происходить вследствие применения удобрений и пестицидов.

В секторах производства тепловой и электрической энергии при использовании биотоплива потребление воды чаще всего находится в пределах 1 тысячи — 1,7 тысячи л/МВт-ч, однако для технических нужд в системе охлаждения может быть задействовано гораздо большее количество — до 185 тысяч л/МВт-ч .

При использовании биомассы как путем непосредственного сжигания, так и с применением методов ее различных преобразований в промежуточные источники энергии образуются вредные вещества (оксиды углерода, азота, серы т. д.). При этом сравнительный анализ выбросов СО2 относительно углеводородов (газа, угля, нефтепродуктов) показывает, что данный показатель в значительной мере зависит от типов технологии и топлива (в среднем — 18—90 г/кВт-ч) и в некоторых случаях для биомассы он выше, чем для остальных видов энергоносителей.

Энергия воды используется ГЭС различной мощности — от микро ГЭС (несколько кВт) до крупных ГЭС (более 25 МВт), входящих в национальные энергосистемы. Влияние данного вида ВИЭ на земельный ресурс в первую очередь зависит от типа и мощности оборудования, а также рельефа местности и может достигать нескольких сотен гектаров из расчета на 1 MW установленной мощности.

Гидроэлектростанции, особенно крупные, оказывают значительное воздействие на природу и человека; оно достаточно подробно описано во многочисленных научных материалах различных организаций, например WWF .

В гидроэнергетике эмиссия «парниковых» газов для малых станций оценивается в 4,5—13,5 г/кВт-ч, для крупных ГЭС — 13—20 г/кВт-ч.

В ряде случаев ГЭС большой мощности могут являться причиной повышенного уровня выбросов двуокиси углерода и метана в результате гниения биомассы, затопленной при создании плотины.

Бездумное преследование цели по расширению доли ВИЭ в расходной части энергобаланса исходя лишь из экономических и политических соображений может обернуться гораздо более тяжелыми последствиями для экологии, а далее по цепочке — экономики в целом, чем использование ископаемого топлива. С другой стороны, нужно понимать, что полновесный учет экологических требований неизбежно приведет к сдерживанию развития энергетики и, как следствие, к новым кризисным явлениям в народном хозяйстве. Поэтому, на наш взгляд, необходимо разумно использовать возможности природы для обеспечения потребностей общества, проводить тщательную оценку и всестороннее исследование воздействия ВИЭ-объектов на окружающую среду и искать пути его ограничения и предотвращения.

В настоящее время страны ОЭСР завершают сорокалетний этап формирования современного облика возобновляемой энергетики. Они накопили соответствующий опыт, выявили перспективные направления развития отрасли и пути ее интеграции в различные секторы (электрическую и тепловую генерацию, систему снабжения жидкими видами топлив и т. д.), а также скорректировали стратегию дальнейшего продвижения ВИЭ на региональных и мировом рынках, в том числе с целью придания нового импульса развитию собственных экономик.

В период после 2015 года, по нашему мнению, в странах ОЭСР ожидается масштабное внедрение ВИЭ-технологий следующих поколений, которые в сочетании с другими достижениями НТП (созданием новых материалов, развитием информационно-коммуникационных технологий, расширением интеллектуальных энергетических сетей, широким внедрением гибридного и электрического привода на транспорте и т. д.) поднимут технологический уровень энергетики на следующую ступень.

В странах объединенной Европы возобновляемая энергетика находится на переднем рубеже процесса трансформации и интеграции энергетического рынка. Реализация масштабных ВИЭ-проектов и создание пан-европейской интеллектуальной энергетической системы призваны не только повысить уровень энергетической безопасности, но и содействовать укреплению единства государств в рамках ЕС.

Россия имеет огромный потенциал и обширную базу для развития возобновляемой энергетики с целью повышения энергоэффективности и снижения энергозатрат во всех сферах экономики, разумной диверсификации энергоснабжения многих категорий потребителей, оздоровления ситуации в секторе ЖКХ, а также усиления деловой активности предприятий малого и среднего бизнеса. Возобновляемая энергетика может стать одним из слагаемых процесса преодоления технологической отсталости России, поскольку позитивно влияет на развитие фундаментальной и отраслевой науки, высокотехнологичного производственного сектора.

Уже в среднесрочной перспективе, на наш взгляд, на отечественном рынке возможна активизация спроса на экономичное энергетическое оборудование различных типов мощности и интеллектуальные системы, позволяющие повысить автономность потребителей и оптимизировать процессы выработки энергии как на базе ВИЭ, так и в сочетании с традиционными энергоносителями.

Иностранный (и в первую очередь западноевропейский) капитал заинтересован в развитии сектора ВИЭ в ряде стран бывшего СССР в силу экономических, экологических и иных причин (ограниченности земельных и водных ресурсов ЕС, особенности регулирования оборота ГМ-культур, необходимости в дополнительных поставках «чистой» энергии, протестов жителей ряда регионов и др.). Для России это расширяет окно возможностей по привлечению активных игроков ВИЭ-рынка.

Приток соответствующих инвестиций и реализацию ВИЭ-проектов на территории РФ необходимо строго увязывать с тщательной проработкой экологической составляющей проектов (на базе опыта и знаний отечественных специалистов), импортом наиболее передовых технологий и оборудования, а также последующей максимальной локализацией производства. Абсорбция ноу-хау, негативно влияющих на окружающую среду и человека, как и пассивная роль «сырьевого придатка» в этом сегменте энергетики являются, по меньшей мере, деструктивными.

Литература

1. WWF. Плотины и развитие. Новая методическая основа для принятия решений: Отчет Всемирной комиссии по плотинам / М., 2009. — С. 65—107.

2. IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. — 2011. — Р. 732.

3. NABU-Bundesverband. Windenergie und Naturschutz. Ein unlosbarer Konflikt? — Berlin, 2012. — S. 5—7.

4. Hans R. Kramer. Die Europaeische Gemeinschaft und die Oelkrise. — Nomos. — Baden-Baden, 1974. - S. 91.

5. Е.М. Примаков, Л.М. Громов, Л.Л. Любимов и др. Новые явления в энергетике капиталистического мира / ИМЭМО РАН СССР, 1979. — С. 204.

6. BP Statistical Review of World Energy. — June 2012. — P. 40.

8. IEA. Energy Technology Perspectives 2010. — P. 126.

9. Life-Cycle Global Warming Emissions

10. EWEA. Green Growth. The impact of wind energy on jobs and the economy. — March, 2012. — P. 11.

11. Union of Concerned Scientists. http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/environmental-impacts-wind-power.html

12. National Wind Coordinating Committee (NWCC). Wind turbine interactions with birds, bats, and their habitats: A summary of research results and priority questions. — 2010. — P. 4—5.

13. The potential Heals Impact of Wind Turbines. — Chief Medical Officer of Heals, Report, May 2010.

14. The potential Heals Impact of Wind Turbines / Chief Medical Officer of Heals, Report, May, 2010.

15. US Environmental Protection Agency. Best practices for Sitting Solar Photovoltaics on Municipal Solid Waste Landfills. — February, 2013. — P. 20—22.

16. IPCC. Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, 2011. — Р. 416.

17. The Geysers. — http://www.geysers.com/geothermal.aspx

18. Macknick, et al. 2011. A Review of Operational Water Consumption and Withdrawal Factors for Electricity Generating Technologies. — Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. — Р. 12.

19. OECD-FAO. Agricultural Outlook 2011—2020. — P. 79.

20. J. C. Clifton-Brown, I. Lewandowski. Water Use Efficiency and Biomass Partitioning of Three Different Miscanthus Genotypes with Limited and Unlimited Water Supply. — April 12, 2000.

21. Macknick, et al. A Review of Operational Water Consumption and Withdrawal Factors for Electricity Generating Technologies / National Renewable Energy Laboratory. — March, 2011. — P. 14.

22. WWF. Плотины и развитие. Новая методическая основа для принятия решений: Отчет Всемирной комиссии по плотинам. — М., 2009.

Игорь Матвеев, заведующий сектором топливно-энергетических ресурсов

Всероссийского научно-исследовательского конъюнктурного института, www.eprussia.ru

Эта статья является продолжением темы развития энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Речь идёт о вкладе энергетики на возобновляемых источниках в эмиссию парниковых газов и, в целом, побочных экологических эффектах развития энергетики на основе ВИЭ. В ряде случаев отрицательные последствия возобновляемой энергетики для среды и общества могут быть велики - вопреки заявленным целям об улучшении экологических показателей, и каждый проект требует отдельного тщательного анализа. В целом, положительные и отрицательные экологические эффекты энергетики на ВИЭ - вопрос, ещё требующий дополнительных комплексных исследований.

Климатический аспект развития возобновляемой энергетики связан с «нулевой эмиссией CO 2 » при работе солнечных, ветряных, гидравлических и других энергетических станций на возобновляемых ресурсах. Действительно, в данных случаях выработка энергии идёт без сжигания углеводородного сырья и, как следствие, без выделения парниковых газов и других загрязнителей в атмосферу.

Однако ситуация сложнее, если рассматривать весь жизненный цикл производства, начиная с подготовительных стадий и включая побочные эффекты в процессе выработки энергии.

Для получения энергии необходимы изготовление и установка энергетического оборудования, создание инфраструктуры и обеспечение условий для его работы, подготовка сырья, утилизация отработанного материала и оборудования по истечении срока службы. Это требует работы металлургических, машиностроительных, сельскохозяйственных и других предприятий, использования энергии из ископаемых источников, и означает уже ненулевую эмиссию.

Учёт воздействий на окружающую среду на всех стадиях показывает, что переход к возобновляемой энергетике не всегда ведёт к снижению загрязнения среды, в том числе к снижению эмиссии CO 2 и других парниковых газов.

Исследования побочных эффектов (в том числе экологических) возобновляемой энергетики в комплексе имеют сравнительно недавнюю историю, а в последнее время об этом заговорили активнее. Одна из недавних заметных работ — труд норвежского исследователя, научного сотрудника и руководителя проектов Западно-норвежского исследовательского института (Western Norway Research Institute, WNRI) Отто Андерсена (Otto Andersen) «Непреднамеренные последствия возобновляемой энергетики. Проблемы, требующие решения» . Работа Андерсена использует ранее собранную разными исследователями информацию по отдельным видам энергии и регионам, на основе которых выстраивается обобщённая картина экологических рисков возобновляемой энергетики.

Ключевые понятия и подходы связаны с анализом жизненного цикла (Life Cycle Analysis, LCA) и оценкой так называемых «встречных эффектов», «эффектов отскока» или «обратных эффектов» — rebound effects, что в отечественной литературе переводят как «восстановительные эффекты» или, без перевода, «ребаунд-эффекты».

Основное внимание с позиций анализа жизненного цикла и встречных эффектов уделено биоэнергетике (выращиванию энергетических культур для производства биотоплива), солнечной фотовольтаической энергетике, некоторым аспектам водородной энергетики и использованию электромобилей.

Ряд вопросов остаётся открытым, исследования побочных эффектов в возобновляемой энергетике пока нельзя назвать достаточно хорошо изученной темой, хотя в предыдущие годы по данной тематике был проведён ряд локальных исследований и экспериментов.

Возобновляемая энергетика и эмиссия парниковых газов

Если говорить об эмиссии парниковых газов, то разные виды возобновляемой энергетики, по выражению Андерсена, вовсе не являются «равнозелёными» (equally green), если рассматривать их с позиций полного жизненного цикла. Основной показатель, с точки зрения эмиссии парниковых газов, связанной с производством энергии, используемый в том числе Андерсоном, — это количество грамм-эквивалента СО 2 на единицу произведённой энергии, в частности, для электроэнергетики принимается 1 кВт·ч, то есть гСО 2 экв/кВт·ч.

В данном случае важна методика расчёта и исходные допущения — прежде всего, для какого интервала времени идёт расчёт, а также загрузка производственных мощностей (коэффициент использования установленной мощности, то есть КИУМ) и, соответственно, ожидаемая выработка энергии за определённый промежуток времени. Картина здесь та же, что и с расчётом выровненных затрат (Levelized Costs, LC) на производство единицы энергии, о котором мы говорили в статье . Чаще всего используется 20-летний интервал.

Анализ жизненного цикла даёт следующие показатели эмиссии для разных типов производства электрической энергии [гСО 2 экв/кВт·ч]: ветряная — 12; приливная — 15; гидравлическая — 20; океаническая волновая — 22; геотермальная — 35; солнечные (фотовольтаические) батареи — 40; солнечные концентраторы — 10; биоэнергетика — 230.

Это, однако, в любом случае на порядок меньше величин, приводимых для энергетики, работающей на ископаемом сырье : угольная — 820; газовая — 490. В то же время, самой «экологически безопасной», в данном смысле, является атомная энергетика, где показатель эмиссии гСО 2 экв/кВт·ч составляет всего 12, то есть этот параметр равен самым низким показателям энергетики на возобновляемых источниках. Очевидно, что распределение эмиссии парниковых газов по стадиям жизненного цикла производства для разных типов энергетики кардинально различается (рис. 1, табл. 1).

В случае с ветряной, солнечной, геотермальной и гидроэнергетикой основная экологическая нагрузка приходится на стадию производства материалов, оборудования и строительства станций. Сходная структура и у атомной энергетики. У энергетики, работающей на ископаемом топливе, основная часть эмиссии приходится на период работы станции, для которой необходимо сжигание топлива. То же верно и для биоэнергетики. Таким образом, здесь мы тоже можем провести аналогию со структурой затрат — в первом случае «экологические затраты» относятся, скорее, к категории постоянных, во втором — к категории переменных. В первом случае преимущества сильнее проявляются на более длительных интервалах времени. Во втором случае сократить разрыв в «углеродно-эмиссионной ёмкости производства» можно за счёт технологий, позволяющих сокращать расход топлива и систем улавливания парниковых газов. В данном случае, при сравнении «эмиссионной ёмкости» ветряных и угольных электростанций допускается временной интервал 20 лет и КИУМ ветростанций составляет 30-40 %.

Основное внимание с позиций анализа жизненного цикла и встречных эффектов уделено биоэнергетике (выращиванию энергокультур для производства биотоплива), солнечной фотовольтаической энергетике, некоторым аспектам водородной энергетики и использованию электромобилей

Следует учитывать, что выше приведены грубые усреднённые (медианные) значения, здесь не может быть большой точности. Очень много зависит от технологии и конкретных условий производства. Данные различных исследований и разных источников могут кардинально расходиться. В частности, для ветроэнергетики разброс может составлять от 2 до 80 гСО 2 экв/кВт·ч (onlinelibrary.wiley.com).

Для ГЭС показатель гСО 2 экв/кВт·ч может достигать 180. А «нижние» значения для электростанций на ископаемом топливе — 200-300 гСО 2 экв/кВт·ч.

Причины, по которым эмиссия парниковых газов может достигать высоких значений для жизненных циклов гидроэлектростанций, солнечных, биоэнергетических и геотермальных станций, различны. В случае с ГЭС это, прежде всего, формирование водохранилища при плотине, в котором может формироваться застойный режим с микро био логическим разложением органического материала в приплотинной зоне, что вызывает рост эмиссии СО 2 и СН 4 (метана). Сходные процессы возможны и в зонах приливных электростанций. В солнечной фотовольтаической энергетике основные проблемы связаны с процессом производства солнечных батарей, ведь среди прочих рисков для среды и здоровья он приводит к эмиссии ряда соединений фтора — гексафторэтана C 2 F 6 , трёхфтористого азота NF 3 , гексафторида серы SF 6 , являющихся мощными парниковыми газами. В случае с геотермальной энергетикой многое зависит от состава энергоносителя — термальной воды, отличающейся высокой температурой и минерализацией со сложным химическим составом. В процессе её использования и утилизации возможно как непосредственное тепловое загрязнение среды, так и выделение в почву, воду и атмосферу ряда химических соединений, включая парниковые газы.

Эмиссия парниковых газов при использовании биоэнергии происходит на всех стадиях. Прежде всего, она происходит на стадии выращивания энергетических культур, в частности, рапса и масличной пальмы. Интенсивная культивация рапса требует большого количества азотных удобрений, что ведёт к росту эмиссии мощного парникового газа — двуокиси азота N 2 0, являющейся, кроме того, разрушителем озонового слоя.

В среднем, как видно, несмотря на ребаунд-эффект, эмиссия парниковых газов в жизненном цикле возобновляемых источников энергии остаётся существенно ниже по сравнению с невозобновляемыми энергетическими ресурсами (за исключением атомной энергетики)

Большие плантации масличной пальмы были созданы в Юго-Восточной Азии (Индонезии, Малайзии, Таиланде) на торфяно-болотных землях, являющихся естественными «ловушками» и «кладовыми» углерода, и на месте тропических и экваториальных дождевых лесов, выполняющих роль «лёгких планеты». Это вызвало быстрое разрушение почвенного покрова, нарушение естественного режима поглощения углерода и, соответственно, рост поступления парниковых газов (СО 2 и СН 4) в атмосферу. При худших сценариях масштабный переход от ископаемого к биотопливу может не уменьшить, а даже увеличить эмиссию парниковых газов на величину до 15 %.

Другой, пока практически неизученный аспект — возможное снижение общего альбедо (отражающей способности) Земли при масштабном распространении энергетических культур, что теоретически может стать фактором потепления климата.

На стадии эксплуатации — сжигания биотоплива (на транспорте и энергетических станциях), обычно производимого в смеси с ископаемым топливом, также образуются, как выясняется, новые химические соединения, несущие как токсическую, так и парниковую опасность. Рост эмиссии парниковых газов как следствие действий по её сокращению — один из примеров ребаунд-эффекта.

В среднем, как видно, несмотря на этот эффект, эмиссия парниковых газов в жизненном цикле возобновляемых источников энергии остаётся существенно ниже по сравнению с невозобновляемыми энергетическими ресурсами (за исключением атомной энергетики).

В то же время, это далеко не во всех случаях так, и каждый конкретный проект или программа развития энергетики на возобновляемых источниках требует тщательного анализа, в том числе с экологических позиций — всегда заведомо «более зелёными» по сравнению с другими вариантами их считать нельзя.

Другие побочные эффекты

Помимо эмиссии парниковых газов в качестве встречного эффекта, энергетика на ВИЭ имеет и другие побочные экологические последствия. ГЭС и приливные электростанции меняют режимы течений и температур рек и морских заливов, становятся барьерами на путях миграции рыб и других потоков вещества и энергии. Кроме того, один из существенных побочных эффектов ГЭС — затопление территорий, пригодных для расселения, сельскохозяйственной и другой деятельности.

При этом на берегах водохранилищ при ГЭС могут развиваться оползневые процессы, возможны изменения местных климатических условий и развитие сейсмических явлений. Застойный водный режим в водохранилищах способен провоцировать не только рост эмиссии парниковых газов, но и накопление вредных веществ, представляющих угрозу в том числе для здоровья человека.

Отдельную опасность могут представлять прорывы и обрушения плотин ГЭС — особенно в горных и сейсмоопасных районах. Одна из крупнейших катастроф такого рода произошла в 1963-м году на реке Вайонт (Vajont) в итальянских Альпах, где в водохранилище при плотине ГЭС сошёл гигантский оползень, вызвавший перелив волны через плотину и образование «цунами» высотой до 90 м. Огромной волной было снесено несколько населённых пунктов, погибло более 2000 человек.

Геотермальная энергетика несёт риски химического загрязнения воды и почвы — термальные флюиды, помимо углекислого газа, содержат сульфид серы H 2 S, аммиак NH 3 , метан CH 4 , поваренную соль NaCl, бор B, мышьяк As, ртуть Hg. Возникает проблема утилизации опасных отходов. Кроме того, возможны коррозионные разрушения конструкций самих термальных станций, а выкачивание термальной воды может вызывать деформации слоёв горных пород и локальные сейсмические явления, сходные с теми, что возникают при любом горнодобывающем производстве или заборе межпластовых грунтовых вод.

Биоэнергетика связана с отчуждением сельскохозяйственных земель (и других ресурсов) для выращивания энергетических культур, что при масштабном переходе к использованию биоэнергии может обострить продовольственную проблему в мире.

Самый грубый расчёт показывает, что выращивание рапса или подсолнечника в качестве сырья для биотоплива может дать в итоге около тонны биотоплива с 1 га обрабатываемой земли. Общий объём потребления энергии в мире достигает 20 млрд тонн в год в нефтяном эквиваленте. Замещение этого объёма биотопливом всего на 10 %, или на 2 млрд тонн, потребовал бы отчуждения порядка 2 млрд га земли, то есть около 40 % всех сельскохозяйственных угодий мира или 15 % всей площади земной суши, исключая Антарктиду. Масштабное распространение энергетических монокультур снижает биоразнообразие, как прямо, так и косвенно, через ухудшение условий обитания многих видов флоры и фауны.

На стадии сжигания биологического топлива, в частности, на транспорте, при его смешивании с ископаемым топливом (обычным дизелем или бензином) и использовании добавок, позволяющих лучше работать в зимних условиях, идёт образование новых химических соединений, токсичных и канцерогенных по своим свойствам. Это показали, в частности, наблюдения и эксперименты в рамках исследования «Влияние биокомпонентного состава топлива на эмиссию дизельных двигателей и ухудшение дизельного масла» (Influence of biocomponents content in fuel on emissions from diesel engines and engine oil deterioration).

В этой связи сравнительно предпочтительной выглядит водорослевая энергетика — получение энергетического сырья из водорослей. Среди известных культур — такие как Botryococcus bran-nil и Arthrospira (Spirulina) platensis. Водоросли, по сравнению с «сухопутными» энергокультурами, отличаются более высокой (в определённых условиях — на порядок выше) продуктивностью на единицу площади в единицу времени и более высоким содержанием жиров (липидов) — исходного сырья для производства биотоплива. Кроме того, выращивание водорослей не связано с отчуждением продуктивных сельскохозяйственных земель, созданием сложных конструкций и оборудования, использованием большого объёма удобрений. При этом водоросли — один из мощных поглотителей углекислого газа и продуцентов кислорода. В связи с этим, это направление возобновляемой энергетики, пока недостаточно разработанное, можно считать весьма перспективным и с производственных, и с экологических позиций.

Ветроэнергетика — наименее опасная с точки зрения эмиссии парниковых газов и загрязняющих веществ, вызывает в то же время ряд претензий экологов по другим позициям. Они включают шумовое загрязнение местности, «эстетическое загрязнение», риск воздействия вращающихся лопастей на психику. Другая группа претензий связана с воздействием на фауну — в частности, ветряки могут отпугивать птиц и вызывать их гибель при столкновении с лопастями.

Проблема, также нарастающая со временем, особенно по мере строительства офшорных (морских) ветростанций — проблемы с доступностью для сервисных и аварийных служб, затруднения в обслуживании, устранении поломок и аварийных ситуаций, в частности, при возгорании ветрогенераторов

Накопленный опыт эксплуатации ветрогенераторов, насчитывающий в Западной Европе уже около 20 лет, показывает, что эти претензии носят скорее умозрительный характер — во всяком случае, при данной плотности ветрогенераторов и соблюдении определённых мер безопасности, в частности, размещение ветрогенераторов на расстоянии не менее нескольких сотен метров от жилых кварталов. Более реальными выглядят другие проблемы. Одна из них очевидна — ветроэлектростанции требуют больших площадей, и существуют некие пределы их установки на территориях с высокой плотностью населения и инфраструктуры. Другая проблема, становящаяся со временем всё более насущной — утилизация отработавших свой ресурс лопастей ветротурбин, построенных из композитных материалов и несущих высокий потенциал загрязнения среды.

Следующая проблема, также нарастающая со временем, особенно по мере строительства офшорных (морских) ветростанций — проблемы с доступностью для сервисных и аварийных служб, затруднения в обслуживании, устранении поломок и аварийных ситуаций, в частности, при возгорании ветрогенераторов.

Все перечисленные выше проблемы могут усилиться, создавая мультипликативный эффект, при более широком распространении ветроэнергетики. В настоящее время на неё приходится около 9 % общего объёма производства электроэнергии в Германии, около 5 % в Италии, 18 % — в Испании. В других крупных странах-производителях электроэнергии это существенно меньшая доля, в среднем же в мире она составляет около 2,5 %. К каким эффектам может привести наращивание ветроэнергетических мощностей в два-три раза и более — отдельный вопрос для изучения.

В солнечной энергетике основные экологические риски связаны с использованием большого количества токсичных и взрывных компонентов при изготовлении солнечных батарей. В частности, солнечные батареи содержат теллурид кадмия CdTe, сульфид кадмия CdS, арсенид галлия GaAs, а в процессе производства используется фтор, создающий ряд токсичных соединений. Это создаёт проблемы сначала на стадии производства, а затем на стадии утилизации батарей, отработавших свой ресурс. Эта проблема также неизбежно будет нарастать со временем. Другая проблема производства солнечных батарей — большие объёмы потребления воды. По американским данным, потребление воды высокой степени очистки для производства 1 МВт мощностей — около 10 л/мин.

Интегральный показатель, применяемый для оценки вреда того или иного вида деятельности для общества и среды, — это внешние, или экстернальные издержки (external costs), не включённые в цену продукта издержки, которые несёт общество в целом, то есть причинённый социально-экономический и социально-природный ущерб. Внешние издержки включают в себя вред для здоровья людей, коррозию и другие повреждения, наносимые материалам и конструкциям, снижение урожаев и др.

В оценке внешних издержек многое зависит от исходных допущений, они могут резко различаться по странам. В частности, для стран ЕС диапазон внешних издержек производства электроэнергии (евроцентов за кВт·ч) для различных источников энергии составляют (по данным ec.europa.eu): уголь — 2-15; нефть — 3-11; газ — 1-4; атомная энергия — 0,2-0,7; биомасса — 0-5; гидроэнергия — 0-1; солнечная (фотовольтаическая) энергия — 0,6; ветер — 0-0,25.

Для Германии (крупнейшего производителя электроэнергии в Европе с широким развитием энергетики на основе возобновляемых источников энергии) внешние маржинальные (переменные) издержки производства электроэнергии различными источниками оцениваются в следующие величины (евроцентов за кВт·ч): уголь — 0,75; газ — 0,35; атомная энергия — 0,17; солнечная — 0,46; ветряная — 0,08; гидроэнергия — 0,05.

Здесь мы также видим, что энергетика на ВИЭ несёт в среднем заметно меньшие издержки для общества, чем получение энергии из ископаемого сырья.

В то же время, атомная энергетика обнаруживает не менее высокую экологическую конкурентоспособность, несмотря на то, что в связи с известными катастрофами на АЭС в Чернобыле и Фукусиме её репутация в глазах общества заметно подорвана.

Развитие энергетики на ВИЭ требует дополнительного использования невозобновляемых ресурсов: сырья для удобрений в случае с биоэнергетикой, металла для оборудования и строительных конструкций, ископаемого природного газа для производства водородного топлива, энергии из ископаемых источников для работы данных производств

Дополнительные сложности и проблемы связаны с тем, что стадии жизненного цикла могут быть распределены по разным странам. В частности, начальные стадии, на которые приходится основная часть внешних издержек, такие, как выращивание энергетических культур или производство солнечных батарей, чаще проходят за пределами Европы и Северной Америке. Так, на данный момент почти 60 % всех солнечных батарей в мире производится в Китае.

Операционная стадия, на которую в случае с ВИЭ приходится минимальная доля издержек, связана с западными странами — потребителями «зелёной» энергии, а издержки завершающей стадии — утилизации, также могут выноситься в другие регионы.

Иными словами, в случае с энергетикой на основе ВИЭ также возможны ситуации, когда основные выгоды получают одни группы, а издержки ложатся на других. Распределение выгод и издержек — также важный вопрос, имеющий уже социальное измерение.

Фундаментальная же проблема состоит в том, что развитие энергетики на ВИЭ требует дополнительного использования невозобновляемых ресурсов: сырья для удобрений в случае с биоэнергетикой, металла для оборудования и строительных конструкций, ископаемого природного газа для производства водородного топлива, энергии из ископаемых источников для работы данных производств. Соответственно, наращивание производства энергии за счёт ВИЭ будет требовать и роста потребления невозобновляемых ресурсов. Положение вещей, при котором можно будет говорить о безусловном успехе и состоятельности возобновляемой энергетики — создание полных производственных циклов, где производство возобновляемой энергии обеспечивается из возобновляемых же источников.

1. Andersen O., Unintended Consequences of Renewable Energy. Problems to be solved. Springer-Verlag. London. 2013.
2. Дегтярев К.С. Возобновляемые источники энергии - от энтузиазма к прагматизму // Журнал С.О.К., №4/2015.
3. Schlomer S., Bruckner T., Fulton L., Hertwich E., McKinnon A., Perczyk D., Roy J., Schaeffer R., Sims R., Smith P. and Wiser R. Annex III: Technology-specific cost and performance parameters. In: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change . Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, USA.

Лекиця 4

Альтернативная энергетика.

Проф.И.Хузмиев

Общие положения.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)- это солнечное излучение, энергия ветра, энергия малых рек и водотоков, приливов, волн, энергия биомассы (дрова, бытовые и сельскохозяйственные отходы, отходы животноводства, птицеводства, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, лесозаготовок), геотермальная энергия, малых рек и водотоков, приливов, волн, геотермальная энергия, а также рассеянная тепловая энергия (тепло воздуха, воды океанов, морей и водоёмов) (Рис.2.1.)

Рис.2.1. Мощность возобновляемых источников энергии, поступающих на землю и направления их использования.(степень, означает 11 )

: http://user.ospu.odessa.ua/~shev/emd_m/nie/doklad.htm

Массовое использование возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (Таблица 2.1.) являетсяодним из способов решения энергетической, экологической и продовольственной проблем, которые сегодня стоят перед всем мировым сообществом (таблица 2.2.).Их использование необходимо рассматривать с позиций системного подхода, одно из важнейших требований которого заключается в рассмотрении технических систем во времени (жизненный цикл) и в пространстве (внешняя среда).

Способы использования возобновляемых источников энергии

Таблица 2.1.

Положительное влияние;

Отрицательное влияние;

0 отсутствие влияния.

Под жизненным циклом обычно понимается структура процесса разработки, производства, эксплуатации. Он включает следующие стадии:

Формирование требований к системе;

Проектирование;

Изготовление, испытание и доводку опытного образца;

Серийное производство;

Эксплуатация;

Модернизация;

Первые три стадии называют внешним проектированием или макропроектированием. Здесь определяются: цели системы, определяются граничные условия, исследуются свойства внешней среды, механизмы и параметры системы, ее количественные характеристики и связи и как результат формулируется техническое задание на разработку проекта. Например, рассмотрим проблему энергоснабжения удаленных и мобильных потребителей, которым необходимо энергоснабжение, но в силу различных причин (удаленность, трудности рельефа и т.д.) оно затруднено или невозможно. Проблемы энергоснабжения таких потребителей решаются несколькими путями с помощью:

Различных видов классического топлива;

Энергии, запасенной в химических процессах;

Возобновляемых, нетрадиционных источников энергии и их комбинацией;

Использование нетрадиционных решений для обеспечения энергией отдельных потребителей позволит повысить социально-культурный уровень жизни работников, снизить издержки производства, повысить надежность и качество энергоснабжения на базе местных ресурсов, снизить антропогенное воздействие на окружающую среду. Поэтому для указанных выше потребителей необходимо активизировать строительство малых и микро ГЭС, использование энергии ветра, солнца, геотермальных и биоэнергетических источников. Все они обладают своими преимуществами и недостатками (Таблица 2.3.).

Сравнение ВИЭ с централизованными источниками

Таблица 2.3..

Особый интерес возобновляемые источники энергии представляют для потребителей, расположенных в отдаленных местах, где население в основном занимается сельскохозяйственным производством (Таблица 2.4.). Классические системы энергоснабжения нуждаются в постоянной доставке к местам потребления дорогого жидкого топлива стоимостью с учетом доставки около 2$ за 1 литр, строительства линии электропередачи стоимостью более 20 тыс.$ за 1км и возведение электростанций при цене ориентировочно 1000$ за 1 кВт установленной мощности. Нетрадиционные решения же, основанные на первичных источниках энергии, имеющихся на месте потребления, хорошо вписываются в программы сбалансированного развития отдаленных регионов.

Потребители энергии в домашнем хозяйстве

Таблица 2.4..

Основной целью развития нетрадиционной энергетики должно быть рациональное использование природных ресурсов, в том числе и энергетических, с сохранением экологического равновесия и социальной стабильности. При этом должны решаться следующие задачи:

Повышение уровня жизни населения с помощью автономных систем энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии,

Снижение потребности в дровах, замедление процесса сведения растительного покрова, повышение эффективности землепользования,

Сокращения импорта нефтепродуктов и развитие собственной энергетической базы,

Стабилизация цен на энергоносители и обеспечение бесперебойного энергоснабжения,

Подготовка квалифицированного персонала в области производства и потребления энергоресурсов и их эффективного использования.

Возобновляемые источники энергии - практически неисчерпаемы и всегда доступны благодаря быстрому распространению современных технологий. Их использование соответствует стратегии использования различных энергетических источников. Возобновляемые ресурсы являются общепризнанным способом защиты экономики от ценовых колебаний и будущих расходов по защите окружающей среды. Технологии, основанные на использовании возобновляемых источников энергии, являются экологически чистыми из-за отсутствия выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Их применение не вызывает образование парникового эффекта и, соответственно, связанных с ним климатических изменений, и не приводит к образованию радиоактивных отходов.

Использование ВИЭ позволяет:

• Повысить энергетическую безопасность стран, зависящих от поставок углеводородного сырья. Использования ВИЭ является альтернативой энергоснабжению в условиях роста цен на нефть и природный газ.
• Улучшить снизить эмиссию парниковых газов, в соответствии с Киотским протоколом и улучшить экологическое состояние окружающей среды.
• Создать новые образцы высокоэффективного конкурентного в море энергетического оборудования
• Сохранить запасы имеющегося энергетического сырья
• Увеличить ресурсы углеводородов для технологического применения

Применение ВИЭ тормозится по следующим причинам:

· Отсутствие необходимых Законов и нормативных актов по развитию и поощрению потребителей и бизнесменов по применению ВИЭ. Отсутствие государственных органов управления по управлению процессами внедрения ВИЭ.

· Низкий платежеспособный спрос населения и организаций. Многие субъекты РФ - дотационные, нет экономических стимулов для вложения инвестиций (налоговые льготы, льготные кредиты), отсутствие утвержденной федеральной целевой программы, Отсутствие механизмов финансирования и возврата вложенных средств, недостаточный уровень экономических знаний организаций, принимающих решения.

· Отсутствие по некоторым видам ВИЭ готовых систем энергоснабжения, низкий уровень стандартизации и сертификации оборудования, неразвитость инфраструктуры, отсутствие обслуживающего персонала, недостаточный объём научно-технических и технологических разработок, недостаточный уровень технических знаний организаций, принимающих решения.

· В связи с тем, что Россия богата энергоресурсами, потребители относятся к ним как к нечто бесконечному и общедоступному. Этому также способствует их относительная дешевизна по сравнению с мировыми ценами.

· Неосведомленность населения, руководителей и общественности о возможностях ВИЭ. Отсутствие пропаганды в средствах массовой информации о свойствах ВИЭ и примеров их использования..

Наше будущее в значительной степени зависит от применения технологических инноваций. Возобновляемые источники энергии смогут в течение будущих десятилетий влиять на изменение общества в целом. Согласно прогнозам значение и доля возобновляемых источников энергии в общем процессе получения энергии будет возрастать. Эти технологии не только сокращают глобальную эмиссию СО 2 , но и придают необходимую гибкость процессу энергопроизводства, делая его менее зависимым от ограниченных запасов ископаемого топлива. По единому мнению экспертов в течение некоторого периода времени гидроэнергетика и биомасса будут доминировать над другими видами возобновляемых источников энергии. Однако, в ХХI веке первенство на энергорынке будет принадлежать ветроэнергетике и солнечной энергетике, которые сейчас активно развиваются. На современном этапе ветроэнергетика является самой быстрорастущей отраслью производства электроэнергии. В некоторых регионах уже сегодня ветроэнергетика конкурирует с традиционной энергетикой, основанной на использовании ископаемых видов топлива. В конце 2002 года установленная мощность ветростанций во всем мире превысила 30000 МВт. В то же время очевиден явный рост интереса во всем мире к солнечным электростанциям, хотя ее сегодняшняя себестоимость в два –три раза выше себестоимости традиционной энергетики. Фотоэлектричество особенно привлекательно для удаленных областей, не имеющих подключения к общей энергосистеме. Передовая тонкоплёночная технология, применяемая для производства фотоэлектрических батарей активно внедряется в крупномасштабное коммерческое производство.

Такие большие энергокомпании, как Энрон, Шелл и Бритиш Петролеум за последнее время много инвестировали в развитие фото и ветроэнергетики. Это является одним из самых убедительных фактов перспективного будущего возобновляемой энергетики. Большие инвестиции со стороны ведущих мировых энергокомпаний планируются также и в развитие других видов ВИЭ. Одним из наиболее перспективных рынков применения ВИЭ в ближайшие 20 лет во всем мире станут развивающиеся страны, испытывающие сегодня проблемы с нехваткой энергии. Для многих стран привлекательным является мобильный характер этих технологий. Установки, работающие на ВИЭ, можно разместить близко к пользователям. Кроме того, их монтаж быстрее и дешевле по сравнению со строительством больших тепловых электростанций, требующей протяженных линий электропередач. Возобновляемые источники энергии также пользуются спросом и в промышленно развитых странах. Опрос общественного мнения, проведенный в США, показывает, что большая часть энергопотребителей страны согласна платить больше за "зелёную" (экологически чистую) энергию, и многие энергетические компании могут им ее предложить. В Европе благодаря сильной общественной поддержке быстро растет рынок возобновляемых источников энергии.

Различные сценарии развития показывают, что доля использования возобновляемых источников энергии к 2010 году будет составлять от 9,9% до 12,5%. Поставленная цель, составляющая 12%, ("амбициозная, но реально выполнимая"), должна быть достигнута за счет установки 1 млн. "солнечных крыш", установленной мощности ветростанций, равной 15000 МВт и 1000 МВт установленной мощности в области биоэнергетики. Современная доля ВИЭ в энергопроизводстве, составляющая 6%, включает и большую гидроэнергетику, развитие которой в дальнейшем не планируется из-за негативного воздействия на окружающую среду. Увеличение доли ВИЭ должно быть обеспечено за счет развития энергетического использования биомассы, ветроэнергетики (установленная мощность ВЭС должна достигнуть 40 ГВт). Планируется установка 100 миллионов квадратных метров солнечных коллекторов. Ожидается увеличение установленной мощности ФЭБ до 3 ГВт э, геотермальных установок до 1 ГВт т, а тепловых насосов - до 2.5 ГВт т. Общая сумма капиталовложений достигнет 165 миллиардов евро (1997-2010 гг.), будет создано до 900000 новых рабочих мест, выбросы СО 2 уменьшатся на 402 млн.. тонн. Исходя из того, что ВИЭ сегодня обеспечивают менее 6% энергопотребления стран ЕС, необходимо объединить усилия для увеличения этой доли. Это, в свою очередь, создаст возможность для экспорта энергии и улучшения экологии. В настоящее время Европа импортирует более 50% энергоносителей, и если не принять срочных мер, то эта цифра может возрасти до 70% к 2020 году.

По оценкам Европейской Ассоциации Ветроэнергетики, установка ветростанций общей мощностью 40 ГВт, позволит создать дополнительно до 320 000 рабочих мест. По данным Ассоциации Фотоэлектрической Промышленности, установка 3 ГВт э создаст 100000 рабочих мест. Федерация Солнечной Энергетики считает возможным обеспечить 250000 рабочих мест, действуя только для нужд внутреннего рынка и еще 350000 рабочих мест могут быть созданы в случае работы на экспорт. White Paper предлагает ряд налоговых стимулов и других финансовых мер для поощрения инвестиций в область возобновляемых источников энергии, а также меры поощрения использования пассивной солнечной энергии. Согласно этому документу: "Поставленная цель удвоить текущую долю возобновляемых источников энергии до 12% к 2010 году - реально выполнима". Доля возобновляемых источников энергии в производстве электричества может вырасти от 14% до 23% и более к 2010 году, если принять соответствующие меры. Создание рабочих мест - один из наиболее важных аспектов, характеризующих развитие возобновляемой энергетики. Потенциал занятости населения в области возобновляемых источников энергии можно оценить по следующим данным:

Необходимо отметить, что при сравнении различных источников энергии цена является ключевым параметром. Возобновляемые источники энергии зачастую считаются более дорогостоящими по сравнению с ископаемым топливом. Такое заключение обычно основывается на неправильной оценке затрат. Когда мы оплачиваем счет за электроэнергию или заполняем бак своего автомобиля, мы обычно оплачиваем неполную цену за энергию. Цена не включает в себя всех затрат. Существует много скрытых затрат, связанных с использованием энергии. Скрытые социальные и экологические затраты, риск, связанный с использованием ископаемых видов топлива - основные барьеры к коммерциализации возобновляемых технологий. Общепризнано, что современные рынки игнорируют эти затраты. На самом деле, на мировом энергорынке предпочтение отдается загрязняющим источникам энергии, например, серосодержащим - углю и нефти, а не экологически чистым возобновляемым источникам. До тех пор, пока традиционные технологии способны перекладывать на общество существенную часть своих затрат, связанных с загрязнением окружающей среды и расходами на здравоохранение, возобновляемые источники, будут находиться в неравных условиях. И это несмотря на то, что ВИЭ практически не ухудшают состояние экологии и даже дают такие положительные эффекты, как создание рабочих мест, особенно в сельской местности. Поэтому для создания рынка, действующего по правилам "честной игры", необходим учет всех этих затрат.

Очень трудно оценить затраты, связанные с экологическим загрязнением, а некоторые из них даже трудно определить. Тем не менее, проведенные исследования доказывают их существенные размеры. Например, согласно исследованиям немецких ученых, затраты на производство электроэнергии ископаемых видов топлива, не включая затраты, связанные с решением проблемы глобального потепления, составляют 2,4-5,5 амер. цента/кВт*ч. В то же время стоимость электроэнергии, выработанной атомными электростанциями, - 6,1-3,1 амер. цента/кВт*ч. Согласно другому исследованию, выбросы SO 2 при сжигании угля на американских электростанциях ежегодно обходятся гражданам США в 82 миллиарда американских долларов - дополнительно для возмещения ущерба, нанесенного здоровью людей. Сокращение сельскохозяйственных урожаев, вызванное загрязнением воздуха, обходится американским фермерам в 7,5 млрд. американских долларов в год. Важным является тот факт, что граждане США фактически ежегодно оплачивают скрытые затраты, связанные с использованием энергии, в размере примерно 109-260 млрд. долларов. Подобные примеры могут быть приведены для других стран. Если бы дополнительные затраты включались в рыночные процессы, технологии по применению ВИЭ оказались бы в более выгодном положении, конкурируя с ископаемыми видами топлива. Тогда мы могли бы говорить о существенном проникновении ВИЭ на мировой энергетический рынок уже сегодня.

Источник : http://www.ecomuseum.kz/dieret/why/why.html

Экология потребления.Наука и техника:Эта статья является продолжением темы развития энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Речь идёт о вкладе энергетики на возобновляемых источниках в эмиссию парниковых газов и, в целом, побочных экологических эффектах развития энергетики на основе ВИЭ.

Эта статья является продолжением темы развития энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Речь идёт о вкладе энергетики на возобновляемых источниках в эмиссию парниковых газов и, в целом, побочных экологических эффектах развития энергетики на основе ВИЭ. В ряде случаев отрицательные последствия возобновляемой энергетики для среды и общества могут быть велики - вопреки заявленным целям об улучшении экологических показателей, и каждый проект требует отдельного тщательного анализа. В целом, положительные и отрицательные экологические эффекты энергетики на ВИЭ - вопрос, ещё требующий дополнительных комплексных исследований.

Климатический аспект развития возобновляемой энергетики связан с «нулевой эмиссией CO2» при работе солнечных, ветряных, гидравлических и других энергетических станций на возобновляемых ресурсах. Действительно, в данных случаях выработка энергии идёт без сжигания углеводородного сырья и, как следствие, без выделения парниковых газов и других загрязнителей в атмосферу.

Однако ситуация сложнее, если рассматривать весь жизненный цикл производства, начиная с подготовительных стадий и включая побочные эффекты в процессе выработки энергии.

Для получения энергии необходимы изготовление и установка энергетического оборудования, создание инфраструктуры и обеспечение условий для его работы, подготовка сырья, утилизация отработанного материала и оборудования по истечении срока службы. Это требует работы металлургических, машиностроительных, сельскохозяйственных и других предприятий, использования энергии из ископаемых источников, и означает уже ненулевую эмиссию.

Учёт воздействий на окружающую среду на всех стадиях показывает, что переход к возобновляемой энергетике не всегда ведёт к снижению загрязнения среды, в том числе к снижению эмиссии CO2 и других парниковых газов.

Исследования побочных эффектов (в том числе экологических) возобновляемой энергетики в комплексе имеют сравнительно недавнюю историю, а в последнее время об этом заговорили активнее. Одна из недавних заметных работ - труд норвежского исследователя, научного сотрудника и руководителя проектов Западно-норвежского исследовательского института (Western Norway Research Institute, WNRI) Отто Андерсена (Otto Andersen) «Непреднамеренные последствия возобновляемой энергетики. Проблемы, требующие решения». Работа Андерсена использует ранее собранную разными исследователями информацию по отдельным видам энергии и регионам, на основе которых выстраивается обобщённая картина экологических рисков возобновляемой энергетики.

Ключевые понятия и подходы связаны с анализом жизненного цикла (Life Cycle Analysis, LCA) и оценкой так называемых «встречных эффектов», «эффектов отскока» или «обратных эффектов» - rebound effects, что в отечественной литературе переводят как «восстановительные эффекты» или, без перевода, «ребаунд-эффекты».

Основное внимание с позиций анализа жизненного цикла и встречных эффектов уделено биоэнергетике (выращиванию энергетических культур для производства биотоплива), солнечной фотовольтаической энергетике, некоторым аспектам водородной энергетики и использованию электромобилей.

Ряд вопросов остаётся открытым, исследования побочных эффектов в возобновляемой энергетике пока нельзя назвать достаточно хорошо изученной темой, хотя в предыдущие годы по данной тематике был проведён ряд локальных исследований и экспериментов.

Возобновляемая энергетика и эмиссия парниковых газов

Если говорить об эмиссии парниковых газов, то разные виды возобновляемой энергетики, по выражению Андерсена, вовсе не являются «равнозелёными» (equally green), если рассматривать их с позиций полного жизненного цикла. Основной показатель, с точки зрения эмиссии парниковых газов, связанной с производством энергии, используемый в том числе Андерсоном, - это количество грамм-эквивалента СО2 на единицу произведённой энергии, в частности, для электроэнергетики принимается 1 кВт·ч, то есть гСО2экв/кВт·ч.

В данном случае важна методика расчёта и исходные допущения - прежде всего, для какого интервала времени идёт расчёт, а также загрузка производственных мощностей (коэффициент использования установленной мощности, то есть КИУМ) и, соответственно, ожидаемая выработка энергии за определённый промежуток времени. Картина здесь та же, что и с расчётом выровненных затрат (Levelized Costs, LC) на производство единицы энергии. Чаще всего используется 20-летний интервал.

Анализ жизненного цикла даёт следующие показатели эмиссии для разных типов производства электрической энергии [гСО2экв/кВт·ч]: ветряная - 12; приливная - 15; гидравлическая - 20; океаническая волновая - 22; геотермальная - 35; солнечные (фотовольтаические) батареи - 40; солнечные концентраторы - 10; биоэнергетика - 230.

Это, однако, в любом случае на порядок меньше величин, приводимых для энергетики, работающей на ископаемом сырье : угольная - 820; газовая - 490. В то же время, самой «экологически безопасной», в данном смысле, является атомная энергетика, где показатель эмиссии гСО2экв/кВт·ч составляет всего 12, то есть этот параметр равен самым низким показателям энергетики на возобновляемых источниках. Очевидно, что распределение эмиссии парниковых газов по стадиям жизненного цикла производства для разных типов энергетики кардинально различается (рис. 1, табл. 1).

В случае с ветряной, солнечной, геотермальной и гидроэнергетикой основная экологическая нагрузка приходится на стадию производства материалов, оборудования и строительства станций. Сходная структура и у атомной энергетики. У энергетики, работающей на ископаемом топливе, основная часть эмиссии приходится на период работы станции, для которой необходимо сжигание топлива. То же верно и для биоэнергетики. Таким образом, здесь мы тоже можем провести аналогию со структурой затрат - в первом случае «экологические затраты» относятся, скорее, к категории постоянных, во втором - к категории переменных. В первом случае преимущества сильнее проявляются на более длительных интервалах времени. Во втором случае сократить разрыв в «углеродно-эмиссионной ёмкости производства» можно за счёт технологий, позволяющих сокращать расход топлива и систем улавливания парниковых газов. В данном случае, при сравнении «эмиссионной ёмкости» ветряных и угольных электростанций допускается временной интервал 20 лет и КИУМ ветростанций составляет 30-40 %.

Основное внимание с позиций анализа жизненного цикла и встречных эффектов уделено биоэнергетике (выращиванию энергокультур для производства биотоплива), солнечной фотовольтаической энергетике, некоторым аспектам водородной энергетики и использованию электромобилей

Следует учитывать, что выше приведены грубые усреднённые (медианные) значения, здесь не может быть большой точности. Очень много зависит от технологии и конкретных условий производства. Данные различных исследований и разных источников могут кардинально расходиться. В частности, для ветроэнергетики разброс может составлять от 2 до 80 гСО2экв/кВт·ч (onlinelibrary.wiley.com).

Для ГЭС показатель гСО2экв/кВт·ч может достигать 180. А «нижние» значения для электростанций на ископаемом топливе - 200-300 гСО2экв/кВт·ч.

Причины, по которым эмиссия парниковых газов может достигать высоких значений для жизненных циклов гидроэлектростанций, солнечных, биоэнергетических и геотермальных станций, различны. В случае с ГЭС это, прежде всего, формирование водохранилища при плотине, в котором может формироваться застойный режим с микро био логическим разложением органического материала в приплотинной зоне, что вызывает рост эмиссии СО2 и СН4 (метана). Сходные процессы возможны и в зонах приливных электростанций. В солнечной фотовольтаической энергетике основные проблемы связаны с процессом производства солнечных батарей, ведь среди прочих рисков для среды и здоровья он приводит к эмиссии ряда соединений фтора - гексафторэтана C2F6, трёхфтористого азота NF3, гексафторида серы SF6, являющихся мощными парниковыми газами. В случае с геотермальной энергетикой многое зависит от состава энергоносителя - термальной воды, отличающейся высокой температурой и минерализацией со сложным химическим составом. В процессе её использования и утилизации возможно как непосредственное тепловое загрязнение среды, так и выделение в почву, воду и атмосферу ряда химических соединений, включая парниковые газы.

Эмиссия парниковых газов при использовании биоэнергии происходит на всех стадиях. Прежде всего, она происходит на стадии выращивания энергетических культур, в частности, рапса и масличной пальмы. Интенсивная культивация рапса требует большого количества азотных удобрений, что ведёт к росту эмиссии мощного парникового газа - двуокиси азота N20, являющейся, кроме того, разрушителем озонового слоя.

В среднем, как видно, несмотря на ребаунд-эффект, эмиссия парниковых газов в жизненном цикле возобновляемых источников энергии остаётся существенно ниже по сравнению с невозобновляемыми энергетическими ресурсами (за исключением атомной энергетики)

Большие плантации масличной пальмы были созданы в Юго-Восточной Азии (Индонезии, Малайзии, Таиланде) на торфяно-болотных землях, являющихся естественными «ловушками» и «кладовыми» углерода, и на месте тропических и экваториальных дождевых лесов, выполняющих роль «лёгких планеты». Это вызвало быстрое разрушение почвенного покрова, нарушение естественного режима поглощения углерода и, соответственно, рост поступления парниковых газов (СО2 и СН4) в атмосферу. При худших сценариях масштабный переход от ископаемого к биотопливу может не уменьшить, а даже увеличить эмиссию парниковых газов на величину до 15 %.

Другой, пока практически неизученный аспект - возможное снижение общего альбедо (отражающей способности) Земли при масштабном распространении энергетических культур, что теоретически может стать фактором потепления климата.

На стадии эксплуатации - сжигания биотоплива (на транспорте и энергетических станциях), обычно производимого в смеси с ископаемым топливом, также образуются, как выясняется, новые химические соединения, несущие как токсическую, так и парниковую опасность. Рост эмиссии парниковых газов как следствие действий по её сокращению - один из примеров ребаунд-эффекта.

В среднем, как видно, несмотря на этот эффект, эмиссия парниковых газов в жизненном цикле возобновляемых источников энергии остаётся существенно ниже по сравнению с невозобновляемыми энергетическими ресурсами (за исключением атомной энергетики).

В то же время, это далеко не во всех случаях так, и каждый конкретный проект или программа развития энергетики на возобновляемых источниках требует тщательного анализа, в том числе с экологических позиций - всегда заведомо «более зелёными» по сравнению с другими вариантами их считать нельзя.

Другие побочные эффекты

Помимо эмиссии парниковых газов в качестве встречного эффекта, энергетика на ВИЭ имеет и другие побочные экологические последствия. ГЭС и приливные электростанции меняют режимы течений и температур рек и морских заливов, становятся барьерами на путях миграции рыб и других потоков вещества и энергии. Кроме того, один из существенных побочных эффектов ГЭС - затопление территорий, пригодных для расселения, сельскохозяйственной и другой деятельности.

При этом на берегах водохранилищ при ГЭС могут развиваться оползневые процессы, возможны изменения местных климатических условий и развитие сейсмических явлений. Застойный водный режим в водохранилищах способен провоцировать не только рост эмиссии парниковых газов, но и накопление вредных веществ, представляющих угрозу в том числе для здоровья человека.

Отдельную опасность могут представлять прорывы и обрушения плотин ГЭС - особенно в горных и сейсмоопасных районах. Одна из крупнейших катастроф такого рода произошла в 1963-м году на реке Вайонт (Vajont) в итальянских Альпах, где в водохранилище при плотине ГЭС сошёл гигантский оползень, вызвавший перелив волны через плотину и образование «цунами» высотой до 90 м. Огромной волной было снесено несколько населённых пунктов, погибло более 2000 человек.

Геотермальная энергетика несёт риски химического загрязнения воды и почвы - термальные флюиды, помимо углекислого газа, содержат сульфид серы H2S, аммиак NH3, метан CH4, поваренную соль NaCl, бор B, мышьяк As, ртуть Hg. Возникает проблема утилизации опасных отходов. Кроме того, возможны коррозионные разрушения конструкций самих термальных станций, а выкачивание термальной воды может вызывать деформации слоёв горных пород и локальные сейсмические явления, сходные с теми, что возникают при любом горнодобывающем производстве или заборе межпластовых грунтовых вод.

Биоэнергетика связана с отчуждением сельскохозяйственных земель (и других ресурсов) для выращивания энергетических культур, что при масштабном переходе к использованию биоэнергии может обострить продовольственную проблему в мире.

Самый грубый расчёт показывает, что выращивание рапса или подсолнечника в качестве сырья для биотоплива может дать в итоге около тонны биотоплива с 1 га обрабатываемой земли. Общий объём потребления энергии в мире достигает 20 млрд тонн в год в нефтяном эквиваленте. Замещение этого объёма биотопливом всего на 10 %, или на 2 млрд тонн, потребовал бы отчуждения порядка 2 млрд га земли, то есть около 40 % всех сельскохозяйственных угодий мира или 15 % всей площади земной суши, исключая Антарктиду. Масштабное распространение энергетических монокультур снижает биоразнообразие, как прямо, так и косвенно, через ухудшение условий обитания многих видов флоры и фауны.

На стадии сжигания биологического топлива, в частности, на транспорте, при его смешивании с ископаемым топливом (обычным дизелем или бензином) и использовании добавок, позволяющих лучше работать в зимних условиях, идёт образование новых химических соединений, токсичных и канцерогенных по своим свойствам. Это показали, в частности, наблюдения и эксперименты в рамках исследования «Влияние биокомпонентного состава топлива на эмиссию дизельных двигателей и ухудшение дизельного масла» (Influence of biocomponents content in fuel on emissions from diesel engines and engine oil deterioration).

В этой связи сравнительно предпочтительной выглядит водорослевая энергетика - получение энергетического сырья из водорослей. Среди известных культур - такие как Botryococcus bran-nil и Arthrospira (Spirulina) platensis. Водоросли, по сравнению с «сухопутными» энергокультурами, отличаются более высокой (в определённых условиях - на порядок выше) продуктивностью на единицу площади в единицу времени и более высоким содержанием жиров (липидов) - исходного сырья для производства биотоплива. Кроме того, выращивание водорослей не связано с отчуждением продуктивных сельскохозяйственных земель, созданием сложных конструкций и оборудования, использованием большого объёма удобрений. При этом водоросли - один из мощных поглотителей углекислого газа и продуцентов кислорода. В связи с этим, это направление возобновляемой энергетики, пока недостаточно разработанное, можно считать весьма перспективным и с производственных, и с экологических позиций.

Ветроэнергетика - наименее опасная с точки зрения эмиссии парниковых газов и загрязняющих веществ, вызывает в то же время ряд претензий экологов по другим позициям. Они включают шумовое загрязнение местности, «эстетическое загрязнение», риск воздействия вращающихся лопастей на психику. Другая группа претензий связана с воздействием на фауну - в частности, ветряки могут отпугивать птиц и вызывать их гибель при столкновении с лопастями.

Проблема, также нарастающая со временем, особенно по мере строительства офшорных (морских) ветростанций - проблемы с доступностью для сервисных и аварийных служб, затруднения в обслуживании, устранении поломок и аварийных ситуаций, в частности, при возгорании ветрогенераторов

Накопленный опыт эксплуатации ветрогенераторов, насчитывающий в Западной Европе уже около 20 лет, показывает, что эти претензии носят скорее умозрительный характер - во всяком случае, при данной плотности ветрогенераторов и соблюдении определённых мер безопасности, в частности, размещение ветрогенераторов на расстоянии не менее нескольких сотен метров от жилых кварталов. Более реальными выглядят другие проблемы. Одна из них очевидна - ветроэлектростанции требуют больших площадей, и существуют некие пределы их установки на территориях с высокой плотностью населения и инфраструктуры. Другая проблема, становящаяся со временем всё более насущной - утилизация отработавших свой ресурс лопастей ветротурбин, построенных из композитных материалов и несущих высокий потенциал загрязнения среды.

Следующая проблема, также нарастающая со временем, особенно по мере строительства офшорных (морских) ветростанций - проблемы с доступностью для сервисных и аварийных служб, затруднения в обслуживании, устранении поломок и аварийных ситуаций, в частности, при возгорании ветрогенераторов.

Все перечисленные выше проблемы могут усилиться, создавая мультипликативный эффект, при более широком распространении ветроэнергетики. В настоящее время на неё приходится около 9 % общего объёма производства электроэнергии в Германии, около 5 % в Италии, 18 % - в Испании. В других крупных странах-производителях электроэнергии это существенно меньшая доля, в среднем же в мире она составляет около 2,5 %. К каким эффектам может привести наращивание ветроэнергетических мощностей в два-три раза и более - отдельный вопрос для изучения.

В солнечной энергетике основные экологические риски связаны с использованием большого количества токсичных и взрывных компонентов при изготовлении солнечных батарей. В частности, солнечные батареи содержат теллурид кадмия CdTe, сульфид кадмия CdS, арсенид галлия GaAs, а в процессе производства используется фтор, создающий ряд токсичных соединений. Это создаёт проблемы сначала на стадии производства, а затем на стадии утилизации батарей, отработавших свой ресурс. Эта проблема также неизбежно будет нарастать со временем. Другая проблема производства солнечных батарей - большие объёмы потребления воды. По американским данным, потребление воды высокой степени очистки для производства 1 МВт мощностей - около 10 л/мин.

Интегральный показатель, применяемый для оценки вреда того или иного вида деятельности для общества и среды, - это внешние, или экстернальные издержки (external costs), не включённые в цену продукта издержки, которые несёт общество в целом, то есть причинённый социально-экономический и социально-природный ущерб. Внешние издержки включают в себя вред для здоровья людей, коррозию и другие повреждения, наносимые материалам и конструкциям, снижение урожаев и др.

В оценке внешних издержек многое зависит от исходных допущений, они могут резко различаться по странам. В частности, для стран ЕС диапазон внешних издержек производства электроэнергии (евроцентов за кВт·ч) для различных источников энергии составляют (по данным ec.europa.eu): уголь - 2-15; нефть - 3-11; газ - 1-4; атомная энергия - 0,2-0,7; биомасса - 0-5; гидроэнергия - 0-1; солнечная (фотовольтаическая) энергия - 0,6; ветер - 0-0,25.

Для Германии (крупнейшего производителя электроэнергии в Европе с широким развитием энергетики на основе возобновляемых источников энергии) внешние маржинальные (переменные) издержки производства электроэнергии различными источниками оцениваются в следующие величины (евроцентов за кВт·ч): уголь - 0,75; газ - 0,35; атомная энергия - 0,17; солнечная - 0,46; ветряная - 0,08; гидроэнергия - 0,05.

Здесь мы также видим, что энергетика на ВИЭ несёт в среднем заметно меньшие издержки для общества, чем получение энергии из ископаемого сырья.

В то же время, атомная энергетика обнаруживает не менее высокую экологическую конкурентоспособность, несмотря на то, что в связи с известными катастрофами на АЭС в Чернобыле и Фукусиме её репутация в глазах общества заметно подорвана.

Развитие энергетики на ВИЭ требует дополнительного использования невозобновляемых ресурсов: сырья для удобрений в случае с биоэнергетикой, металла для оборудования и строительных конструкций, ископаемого природного газа для производства водородного топлива, энергии из ископаемых источников для работы данных производств

Дополнительные сложности и проблемы связаны с тем, что стадии жизненного цикла могут быть распределены по разным странам. В частности, начальные стадии, на которые приходится основная часть внешних издержек, такие, как выращивание энергетических культур или производство солнечных батарей, чаще проходят за пределами Европы и Северной Америке. Так, на данный момент почти 60 % всех солнечных батарей в мире производится в Китае.

Операционная стадия, на которую в случае с ВИЭ приходится минимальная доля издержек, связана с западными странами - потребителями «зелёной» энергии, а издержки завершающей стадии - утилизации, также могут выноситься в другие регионы.

Иными словами, в случае с энергетикой на основе ВИЭ также возможны ситуации, когда основные выгоды получают одни группы, а издержки ложатся на других. Распределение выгод и издержек - также важный вопрос, имеющий уже социальное измерение.

Фундаментальная же проблема состоит в том, что развитие энергетики на ВИЭ требует дополнительного использования невозобновляемых ресурсов: сырья для удобрений в случае с биоэнергетикой, металла для оборудования и строительных конструкций, ископаемого природного газа для производства водородного топлива, энергии из ископаемых источников для работы данных производств. Соответственно, наращивание производства энергии за счёт ВИЭ будет требовать и роста потребления невозобновляемых ресурсов. Положение вещей, при котором можно будет говорить о безусловном успехе и состоятельности возобновляемой энергетики - создание полных производственных циклов, где производство возобновляемой энергии обеспечивается из возобновляемых же источников. опубликовано

Массовое применение "ветряков" ущербно для фауны.
Фото Reuters

Потенциал альтернативных, возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в Российской Федерации чрезвычайно велик. Экономический потенциал использования ВИЭ равен 270 млн. тонн условного топлива в год, что соответствует более 25% от годового энергопотребления. Однако вклад в энергобаланс России альтернативных источников энергии – геотермальных вод, приливных течений, ветра, солнца и т.д. – очень мал, масштабы и темпы их освоения у нас в стране отстают от зарубежных и не отвечают потребностям экономики.

Осуществляемая в настоящее время программа экономического и социального развития России на ближайшие годы не может быть выполнена без мощной энергетической базы, без опережающего развития энергетики и внедрения энергосберегающих технологий, одним из направлений которых является перестройка структуры топливно-энергетического баланса страны в направлении уменьшения доли ископаемого топлива – нефти, газового конденсата, газа, угля и других видов топлива за счет возрастания доли АЭС, ГЭС и активного использования ВИЭ. Кроме экономии органического топлива развитие нетрадиционной энергетики позволяет снизить объемы его перевозок и затраты на транспортировку.

Перестройке структуры энергетики в России в пользу ВИЭ способствует также наряду со многими другими причинами увеличение нефтепереработки до 75–80%, что в несколько раз снижает возможность использования мазутного топлива, в том числе для электростанций. Сложным становится и увеличение потребления газа электростанциями России, имея в виду, что газ – важный экспортный ресурс.

Перераспределение составляющих энергобалансов многих регионов и целых стран за счет роста использования ВИЭ является не только важнейшим направлением энергосберегающей политики, но играет значительную роль в стратегии предотвращения изменения климата, так как получение энергии и тепла с помощью ВИЭ сопровождается минимальными по сравнению с традиционными установками выбросами в атмосферу парниковых газов.

Наиболее остро вопрос о расширении использования ВИЭ стоит сейчас в России, потому что больше 70% ее территории с населением около 20 млн. человек находится в зоне децентрализованного электроснабжения (Крайний Север, Дальний Восток и др.). Не решаемая вовремя проблема завоза нефтепродуктов в северные и другие труднодоступные районы вызывает необходимость аварийной эвакуации населения из таких с трудом освоенных регионов. Но в этих регионах имеются большие ресурсы ВИЭ, в том числе энергия ветра, малых рек, солнца, тепла Земли. По разным оценкам, здесь может быть обеспечено с помощью ВИЭ от 25 до 50% энергопотребления. Это также способствует очистке северных территорий от скопления тары для топлива (бочек, контейнеров и т.д.).

Использование ВИЭ решает проблему снабжения электроэнергией большого числа мелких территориально разобщенных потребителей. Одновременно использование возобновляемых источников энергии позволяет учесть межотраслевые региональные интересы, включая экологию и конкретные планы экономического и социального развития отдельных территорий. Социальная роль ВИЭ заключается также в выравнивании обеспеченности энергией районов с разной плотностью населения, в том числе центральных сильно заселенных и труднодоступных малонаселенных территорий, что приводит к глубокой перестройке стиля энергопотребления и жизни.

В современных условиях, характеризующихся инвестиционным голодом, ВИЭ могут вводиться в эксплуатацию в виде небольших модулей, не требующих больших капиталовложений, а затем наращиваться по мере необходимости. Многие установки ВИЭ могут работать в автономном режиме и не требуют большого числа обслуживающего персонала.

Немаловажным обстоятельством, способствующим обращению к объектам ВИЭ, является отрицательное отношение в обществе к ГЭС, АЭС, ТЭС.

Наконец, чрезвычайно важное в современных условиях обстоятельство – ВИЭ обеспечивают децентрализованную от энергосистем форму электроснабжения. Поэтому наличие возобновляемых источников энергии способствует повышению безопасности снабжения населения электричеством и теплом в случае непредвиденного или преднамеренного отключения крупных энергосистем (теракты и т.д.).

Возможные экологические последствия

Анализ рядом исследователей эксплуатации ВИЭ в различных странах показал, что эти источники не всегда являются безупречными в экологическом отношении.

Еще в 1981 году в городе Найроби (Кения) состоялась Конференция ООН, на которой была принята «Мировая программа действий по использованию новых и возобновляемых источников энергии». Спустя 10 лет группа экспертов ООН проанализировала состояние дел в этой отрасли энергетики и, используя большое количество материалов по миру, дала оценку экологических последствий использования различных видов нетрадиционных источников энергии. Общее заключение экспертов свидетельствует о том, что существующее представление о ВИЭ как о полностью экологически чистых источниках ошибочно. Экспертиза показала необходимость анализа взаимодействий ВИЭ с окружающей средой еще на стадии проектирования. Это позволит не повторять ошибок, допущенных при проектировании и эксплуатации традиционных энергоустановок, когда сначала были разработаны и внедрены их технологии, а затем начались поиски путей снижения неблагоприятных воздействий на окружающую среду.

Эксперты ООН убедительно показали также необходимость исследования воздействия установок ВИЭ, связанного не только с выработкой энергии, но и с изготовлением оборудования, в том числе с добычей сырья для его создания. Именно на этом этапе во многих случаях могут проявиться наиболее существенные отрицательные экологические последствия ВИЭ.

Однако при оценке экологических преимуществ и недостатков ВИЭ необходимо учитывать мощность их установок, от которых зависит степень воздействия на окружающую среду. Максимальное неблагоприятное воздействие оказывают объекты большой мощности. Установки малой мощности практически безопасны в экологическом отношении, положительный эффект от их эксплуатации неизмеримо выше возможного экологического ущерба.

Покажем на примере наиболее используемых установок ВИЭ возникающие при их эксплуатации проблемы.

Ветроустановки

Использование энергии ветра (ВЭУ) недостаточно изучено в экологическом отношении. Давно установлено, что ВЭУ вызывают интенсивное акустическое излучение. Есть свидетельства о том, что ветроустановка мощностью 2 МВт в США (штат Северная Каролина) с лопастью пропеллера 60 м отключается ночью из-за сильного шума. Особую экологическую проблему представляют собой шумовые воздействия ветроустановок мощностью более 250 КВт, так как скорость на конце лопаток ветроколес большого диаметра у таких установок соизмерима со сверхзвуковой скоростью. При этом возникает инфразвук, отрицательно воздействующий на живые существа, в том числе и на человека. Замечено влияние работающих станций на прием теле- и радиопередач. Отмечаются помехи для воздушного сообщения, изменяются показания навигационных приборов. ВЭУ травмируют и отпугивают птиц, особенно на перелетных трассах, при создании комплекса ВЭУ ухудшаются условия существования мелких наземных животных, птиц, насекомых, а также морской фауны при размещении ветроэлектростанций (ВЭС) на акваториях.

При воздействии ВЭС, объединяющих большое количество ветроустановок, ослабевает сила воздушных потоков, что может привести к нарушению теплового баланса и сказаться на климате, а также отразиться на проветривании расположенных недалеко промышленных районов. И наконец, ветроустановки нуждаются в больших площадях и при этом могут оказать влияние на изменение свойств почвенного покрова.

Исследователи последствий создания ВЭУ не исключают также аварийных ситуаций – поломку агрегатов и отлет поврежденных деталей. У крупных ВЭУ лопасти могут быть отброшены на 400–800 м. В Дании на 2000 ВЭУ приходится 630 вынужденных остановок в квартал и 20 случаев разрушения отдельных элементов.

И наконец, нужно вспомнить о большом количестве металла для производства оборудования ВЭУ. Замена металлических конструкций стеклопластиковыми требует изучения экологических последствий химических технологий по производству стеклопластика.

Неравномерность выработки энергии ВЭУ можно компенсировать совмещением их с работой других энергообъектов, то есть сооружением ВЭУ в составе энергокомплексов. Так ВЭУ, работающие параллельно с гидростанциями и в комплексе с ними, могут снизить в определенное время выработку энергии от ГЭС и сработку уровней воды в водохранилище. Отрицательные последствия ВЭУ снижаются при расположении их на акваториях морей.

Солнечные электростанции (СЭС)

Наряду с большими преимуществами использования энергии солнца – ее бесплатностью, возобновимостью и огромными ресурсами – есть целый ряд технических, экологических и экономических факторов, затрудняющих ее широкое применение для выработки электроэнергии. Технические трудности – низкая плотность солнечной радиации у земной поверхности (в наиболее благоприятных районах 1 кВт/кв. м), нерегулируемый режим поступления к поверхности земли потока солнечного излучения в связи с вращением Земли и облачностью, очень низкий КПД преобразования солнечной энергии в тепловую и т.д. Все это требует, особенно для станций с термодинамическими системами, создания больших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориентирования аккумуляторов большой стоимости. Периодичность, зависимость от состояния атмосферы, неравномерность притока солнечной радиации в течение суток и года требует создания аккумулирующих или дублирующих систем. Большая стоимость панелей и всей оптической системы делает производство электроэнергии от солнечной радиации пока очень дорогим для крупных энергоустановок. Кроме того, СЭС занимают большие площади, они землеемки. Для получения с помощью СЭС энергии, равной энергии от ТЭС и ГЭС, принимающие устройства, особенно у крупных СЭС, должны покрыть значительные площади, что неизбежно приведет к снижению температуры поверхности почвы и воздуха, а при массовом строительстве СЭС может вызвать нарушение теплового баланса, изменить направление ветра, характер почв и растительности обширных регионов. Кроме того, изготовление гелиоэнергетического оборудования требует помимо кремния многие дорогостоящие материалы и электроэнергию, получение которых, в свою очередь, может быть связано с неблагоприятными воздействиями на окружающую среду.

Тепловой сброс в биосферу от СЭС в два раза превышает количество тепла от ТЭС на органическом топливе. В связи с этим рекомендуется новый тип СЭС, использующих эффект «соляных солнечных прудов» – эффект сильного нагрева нижних слоев воды в замкнутых водоемах, содержащих повышенные концентрации солей. Для этих целей может быть использовано множество естественных соляных озер на территории юга России.

Есть еще один экологический аспект – обратное влияние окружающей среды на гелиостаты – загрязнение их деталей пылью, химическими соединениями, осадками и т.д.

Однако в настоящее время целесообразно шире внедрять не только небольшие гелиоустановки в коммунальное хозяйство для получения тепла и энергии, но и усилить исследования в области большой гелиоэнергетики. Удорожание органического топлива наряду с удешевлением стоимости оптических устройств разрешение экологических проблем сделают сооружение СЭС в перспективе экономически оправданным. Есть, кроме того, разработки по сочетанию применения солнечной и других видов энергии, например, перспективность совместной работы СЭС и ГЭС, когда при работе солнечной установки гидростанция разгружается на соответствующую мощность и экономит воду в водохранилище. В итоге получается своеобразная солнечно-аккумулирующая электростанция (САЭС), похожая на гидроаккумулирующую станцию (ГАЭС).

Подведем итоги

1. Развитие ВИЭ способствует осуществлению стратегии устойчивого развития экономики и является важным условием обеспечения энергетической безопасности страны. Они повышают степень автономности систем жизнеобеспечения населения, что особенно важно для регионов, лишенных централизованного электроснабжения. Остро необходимы также исследования по использованию ВИЭ в экстремальных по климатическим условиям районах (для электроснабжения антарктических и северных полярных станций).

2. Изучение многих опубликованных и ведомственных материалов свидетельствует о том, что ВИЭ, без сомнения, имеют большие экологические преимущества перед выработкой электроэнергии на традиционных энергоустановках (ТЭС, АЭС, ГЭС). Однако имеющие место неблагоприятные экологические последствия их создания свидетельствуют о необходимости нахождения наиболее приемлемых технических решений и совершенствования прогнозов.

3. Осуществление крупной национальной программы развития нетрадиционной энергетики требует принятия федерального закона и сопутствующих ему нормативно-правовых подзаконных актов по ВИЭ, предусматривающих комплекс мер по финансированию этого направления энергетики и научно-техническому содействию со стороны государства.

4. Существующие законодательства в области экономики и энергетики поощряют развитие традиционных функционирующих в настоящее время систем и, по существу, не способствуют внедрению ВИЭ. Лоббирование в верхних эшелонах власти интересов монополий, разрабатывающих и использующих ископаемые и ядерные энергоносители, является серьезным препятствием внедрения ВИЭ. Сказываются также инертность ряда ведомств и привычка к устоявшимся способам добычи и использования энергии, в которые уже вложены громадные средства.

5. Нетрадиционные энергоустановки чрезвычайно науко-, материало- и капиталоемки. Большие затраты на сооружение и длительный инвестиционный цикл делают их, с одной стороны, непривлекательными для вложения капитала. В то же время ввиду модульного характера энергетических систем и возможности их поэтапного внедрения уменьшаются инвестиционные затраты и риски.

6. Наряду с общим законом о ВИЭ целесообразно принятие конкретного плана действий, основанного на изучении перспектив, возможностей и особенностей создания нетрадиционных энергоустановок в различных регионах России.

7. Совершенствованию государственной политики в области развития ВИЭ должны содействовать научно-исследовательские и проектные работы, создание высокотехнологичных проектов, обеспечивающих решение энергетических, экологических и социально-экономических задач.