1 стр. из 1

В соответствии с необходимостью наращивания объемов производства энергии при истощении в перспективе мировых запасов целого ряда ископаемых энергоносителей, Правительство США отдает приоритетное значение развитию технологий по использованию альтернативных - возобновляемых видов энергии. Эту проблему курирует и финансирует подразделение Департамента Энергии США (DOE) - Офис энергоэффективности и возобновляемых энергий (EERI).

Из одиннадцати программ, курируемых Офисом, пять посвящены разработке и совершенствованию технологий производства нетрадиционных видов энергии:
1. Программа водородных технологий, топливных элементов и их инфраструктуры;
2. Программа Биомасса;
3. Программа геотермальных технологий;
4. Программа технологий солнечной энергии;
5. Программа технологий энергии ветра и воды.

Программа водородных технологий, топливных элементов и инфраструктуры

Приоритетом государственной политики США является перевод национальной экономики на новый энергоноситель - водород. Это было озвучено и в недавнем обращении Дж.Буша к Конгрессу в конце января 2004 г. В этом обращении Президент объявил о выделении $1,2 млрд. из федерального бюджета на развитие и внедрение технологий "водородной" экономики и топливных элементов.

К преимуществам водорода относится то, что он является абсолютно "чистым" топливом - при его сжигании образуется вода. Кроме этого, большинство перспективных технологий предусматривают получение водорода опять-таки из воды, т.е. источник сырья повсеместно доступен. Тем не менее в настоящее время в США наиболее распространена технология получения водорода из метана (природный газ) в присутствии пара и никелевого катализатора. В результате образуется водород и СО. В перспективе рассматривается использование следующих технологий производства водорода на основе разложения воды:
- электролиз - электрическое разложение воды на водород и кислород;
- паровой электролиз - разновидность первой технологии, но поскольку разложению подвергается пар, она менее энергозатратна;
- термохимическое разложение - разложение химическими реагентами с нагревом;
- фотоэлектрохимический способ - с использованием полупроводников (фотоэлементы). При этом затрачивается только энергия света;
- фотобиологический и биологический - использование микроорганизмов в присутствии света или без него для деградации биомассы;
- термический способ - разложение воды под действием очень высоких температур (около 1000°C).

Главной проблемой, препятствующей широкому использованию водорода в качестве топлива является сегодня его высокая стоимость и отсутствие развитой инфраструктуры - хранилищ, систем доставки. Именно на решение этих проблем направлены основные усилия Офиса EERI и его деятельность посвящена поиску, финансированию и внедрению высоких технологий, позволяющих снизить стоимость производства водорода и создать эффективную инфраструктуру.

Прототип компании General Motors, построенный с применением водородных технологий

Другим ключевым направлением технологического развития национальной энергетики, непосредственно связанным с так называемой "водородной" экономикой, в США считаются технологии топливных элементов, представляющих собой электрические батареи и производящих энергию в результате электрохимического процесса с использованием водорода (или водородсодержащих топлив) и кислорода. В большинстве создаваемых топливных элементов используется чистый водород и в этом случае кроме электричества выделяется тепло и вода. Эта технология уже зарекомендовала себя в космонавтике, а в настоящее время системы топливных элементов разрабатываются для энергоснабжения автомобилей, предприятий, жилищ, а также и для небольших приборов (например, компьютеры-ноутбуки).

В качестве преимущества топливных элементов считается их абсолютная экологическая безопасность при использовании водорода, а также то, что водород может быть получен из различных источников, включая ископаемые энергоносители, возобновляемые источники (биологические), ядерную энергию. Принципиально важно, по мнению специалистов EERI то, что все эти источники имеют местное происхождение, а значит топливные элементы являются важным фактором повышения национальной энергетической безопасности, снижая зависимость страны от зарубежных энергоносителей (нефть).

Проблемы, препятствующие широкому внедрению топливных элементов, аналогичны проблемам "водородной" экономики - высокая стоимость, вопросы, связанные с хранением и доставкой топлива, а также необходимость повышения прочности систем и их общественное признание.

Программа "Биомасса"

Эта программа включает три основных направления-подпрограммы: создание и совершенствование технологий по извлечению энергии из биомассы; создание различных видов биотоплива, как например этиловый спирт и возобновимое дизельное топливо; создание пластиков и других веществ из возобновляемых материалов биологического происхождения.

Подпрограмма "Энергия биомасс" была запущена в 1991 г. и с самого начала ориентировалась на поддержку научных исследований химических и термодинамических реакций для совершенствования технологий биомассы.

Технологии биоэнергии, признанные в США, дают производство электричества общей мощностью 10 гигаватт. Все производство основывается на технологии сжигания биомассы.

Непосредственное сжигание биомассы с доступом воздуха позволяет получать горячие газы для производства пара и тепла в обменных секциях бойлеров. Пар используется для получения электричества в паротурбинных генераторах.

Разрабатываются перспективные технологии: газификация, пиролиз и анаэробное разложение. Газификация предусматривает получение газа из биомассы при повышенных температурах в присутствии кислорода. Этот газ будет использоваться в качестве топлива для получения электричества.

Пиролиз предусматривает разложение биомассы в отсутствии воздуха при высоких температурах. В результате образуется смесь энергоносителей: твердая фракция (уголь), жидкая фракция (окисленные масла), газовая фракция (метан, CO, CO2). Анаэробное разложение предусматривает получение газа из биомассы в результате деятельности бактерий в отсутствии воздуха. Содержание метана в этом газе составляет 50-60%.

Источники биомассы: сельскохозяйственные, лесные и морские растения и отходы при их производстве и переработке; отходы животноводства, городские отходы.

Подпрограмма "Биотопливо" посвящена разработке и совершенствованию технологий по производству топлива из биологических материалов. К таким видам топлива относятся: этиловый спирт, биодизельное топливо - производится из масел и жиров биологического происхождения (растительных и животных), которые в присутствии катализатора образуют в соединении с метиловым или этиловым спиртом - этиловый или метиловый эфир.

Программа геотермальных технологий

Целями этой программы является увеличение производства геотермального тепла и электричества, получаемого геотермальными станциями, а также снижение стоимости производимого геотермального электричества до $0.03-0.05 за киловатт-час. В современном производстве геотермального тепла и электричества используются три основные технологии:

Геотермические тепловые колодцы - технология основана на использовании того, что практически повсеместно на глубине свыше 3 м под землей температура в течение года стабильная - 10-16°С. Тепловые колодцы и теплообменники, размещенные на данной глубине под зданиями, соединяются с ними и зимой отдают подповерхностное тепло помещениям, а летом охлаждают их. Накопленное летом тепло может быть использовано для нагрева воды.
Горячая вода и пар геотермальных источников - используются для отопления теплиц (оранжерей) и растапливания снега на тротуарах.

Геотермальные электростанции - предусматривают бурение глубоких колодцев (до мили) к подземным резервуарам горячей воды или пара и используют три технологии получения энергии: сухой пар, добываемый непосредственно из подземных резервуаров и используемый для вращения турбин; мокрый пар, получаемый при закачке в емкости низкого давления горячей воды высокого давления, также используемый для вращения турбин; двойной цикл - добываемая из естественных источников горячая вода требует совсем мало дополнительных энергозатрат для доведения до точки кипения и получения пара для вращения турбин.

Современные, уже внедренные, технологии позволяют эксплуатировать лишь ничтожную часть тепла Земли - энергию магмы, распределенную повсеместно в подкорковом слое. Разрабатываемая в настоящее время перспективная технология предусматривает бурение глубинных колодцев (до нескольких миль длиной) до нагретых слоев скальной породы, закачка и нагрев там воды и ее извлечение из другого колодца.

Программа технологий солнечной энергии

Усилия EERI по Программе технологий солнечной энергии сосредоточены на совершенствовании способов использования энергии Солнца как в масштабах страны, так и в масштабах всего мира. Программа включает три основных технологических направления: фотоэлементы, концентрирование солнечной энергии, низкотемпературные солнечные коллекторы.

Фотоэлементы уже давно и прочно вошли в бытовую жизнь человека как источник энергии. Простейшие из них питают калькуляторы и наручные часы, а более сложные используются в гидронасосных станциях, питании коммуникационного оборудования, освещения домов и т.д. Фотоэлементы являются самым дешевым источником энергии.

Станции концентрирования солнечной энергии производят электричество, преобразуя солнечную энергию в тепловую с использованием зеркал и преобразуя тепловую в электрическую через стандартные паротурбинные генераторы.

Мощность станций зависит от области применения и может варьировать от 10 кВт в сельской местности до сетевых станций в 100 МВт.

Основной проблемой всех технологий солнечной энергии является их зависимость от наличия прямого солнечного света. Для ее решения в солнечных электростанциях используются тепловые накопители, позволяющие собранную днем солнечную энергию расходовать и в темное время суток, и при облачной погоде. Кроме того, широко распространены так называемые "гибридные" солнечные электростанции, использующие кроме солнечного света и ископаемые топлива (природный газ) для работы паротурбинных генераторов.

Развитие технологий направленно, как и в других случаях для удешевления производства и если в настоящее время стоимость солнечного электричества составляет в Америке $0,09-0,12 за кВт/час, то внедрение новых технологий предполагает снижение до $0,07-0,08 за кВт/час в ближайшие годы и до $0,04-0,05 за кВт/час в ближайшие десятилетия. По данным Департамента энергии к 2005 г. общая мировая мощность солнечных электростанций составит порядка 500 МВт.

Помимо производства электричества солнечная энергия уже широко используется для нагрева воды и в дальнейшем планируется значительное расширение этой области применения дарового тепла. По оценкам Департамента в США ежегодно затрачивается порядка $20 млрд. для нагрева воды. Существующие в настоящее время технологии солнечного нагрева обеспечивают ничтожную часть нужд, хотя позволяют удовлетворить порядка 40-80% потребностей в горячей воде для жилищной сферы, в зависимости от местного климата, размера и типа систем.

Использование энергии ветра

На сегодняшний день использование энергии ветра является самым быстрорастущим типом производства энергии в США и мире. К концу 2002 г. общемировая мощность ветровых электростанций достигла 31 ГВт, из них на долю США приходилось 4,7 ГВт. На сегодняшний день общая мощность производства данного типа энергии в США составляет более 5,3 ГВт и среднегодовой рост производства за последние пять лет составил 24%. Благодаря такому росту и внедрению новых технологий стоимость энергии снизилась в 20 раз (с $0,80 за кВт/час в 1980 г. до $0,04 в 2002 г.). Ветровые электростанции находятся в 27 штатах.

К перспективным технологиям, развиваемым и внедряемым в рамках Программы технологий энергии ветра и воды в настоящее время, относятся:
- технология низкоскоростного ветра;
- технологии распространения, предусматривающие использование минитурбин для локальных нужд, в частности в сельской местности;
- технологии прибрежных ветровых турбин, предусматривающие использование энергии прибрежного ветра.

Сравнивая ситуацию по развитию производства возобновляемых видов энергии в США и России, следует отметить, что в нашей стране доступны все вышеуказанные технологии. Более того, в ряде случаев отечественные технологии превосходят зарубежные аналоги.

Можно также привести ряд частных случаев использования альтернативных видов энергии, например геотермальных источников для обогрева теплиц или использования солнечной и ветровой энергии. Принципиальным отличием России от США является отсутствие у нас единой государственной структуры, финансирующей развитие и внедрение технологий для использования альтернативных энергий.

В статье использованы материалы сайта:  www.doe.gov

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!