ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Энергия — мировые источники

Данная книга посвящена рассмотрению фундаментальных основ преобразования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии. В книге также приводится краткая информация о состоянии развития этих энергетических технологий на момент ее подготовки (2004-2005 гг.), хотя ясно, что в связи с бурным прогрессом в рассматриваемой энергетической отрасли приводимые в книге фак­тические данные достаточно быстро устаревают. В то же время излагаемые в книге физические принципы преобразования энергии являются неизменными и лежат в основе в том числе будущего развития технологий.

Книга не ориентирована на подготовку специалистов-практиков, занимаю­щихся непосредственно разработкой и проектированием конкретных устройств и систем. Однако она позволяет овладеть необходимыми фундаментальными знани­ями в рассматриваемой области для того, чтобы при необходимости можно было грамотно разобраться в технических вопросах с помощью специализированных изданий и руководств.

Тематика книги охватывает широкий спектр энергетических технологий, отбор ко­торых не всегда осуществлялся по принципу их наибольшей практической значимости. Важным критерием являлась возможность демонстрации применения фундаментальных физических принципов для создания энергетических устройств независимо от того, насколько они актуальны сегодня для конкретных практических применений.

В случаях, когда это было необходимо, автор при изложении материала вы­нужден был жертвовать строгостью, отдавая приоритет ясности изложения. При подготовке книги предполагалось, что читатель обладает необходимыми началь­ными знаниями в области физики, химии и математики, автор старался в боль­шинстве случаев начинать изложение с исходных принципов и описания базовых механизмов рассматриваемых процессов. Автор стремился анализировать толь­ко нетрадиционные процессы; физические процессы, лежащие в основе тради­ционных методов преобразования энергии, как правило, не рассматривались. С другой стороны, в рамках данной книги, безусловно, охватить весь спектр не­традиционных энергетических процессов было невозможно. Их выбор определялся в основном предпочтениями автора.

Важной особенностью книги является то, что в большинстве глав книги приво­дится набор задач и примеров, самостоятельное решение которых может позволить читателю лучше понять и освоить излагаемый материал.

Около 80 % суммарного мирового потребления энергии сегодня пока еще обеспечивается за счет ископаемых органических ресурсов: нефти, угля и природного газа. В производстве наиболее ценного вида энергии — электриче­ской — уголь, газ и нефть также являются превалирующими первичными источ­никами энергии (более 65 %), хотя значительный вклад в этот сектор энергетики вносят традиционные гидро - и атомные электростанции (в сумме более 30 %).

Известные сценарии развития человечества предсказывают существенное изменение топливно-энергетического баланса планеты уже в ближайшие деся­тилетия с неизбежным сокращением долей потребления нефти, газа и угля как по причине постепенного истощения их ограниченных дешевых запасов, так и по экологическим причинам (эмиссия С02 и другие вредные воздействия тра­диционной энергетики на окружающую среду). Все эти сценарии указывают на необходимость широкого освоения экологически чистых возобновляемых ис­точников энергии (ВИЭ) уже в ближайшее время.

Ресурсы ВИЭ во много раз превосходят сегодняшний и прогнозируемый на обозримый период времени уровень энергопотребления. Использование ВИЭ, как правило, не оказывает серьезного негативного воздействия на окружающую среду, в большинстве своем они являются экологически чистыми и повсемест­но доступными источниками энергии. В отличие от ископаемых (в том числе ядерных) топлив ресурсы ВИЭ более-менее равномерно распределены по тер­ритории земного шара, не находятся в монопольном владении ограниченного числа стран и поэтому рассматриваются как источники энергии, использование которых способствует повышению энергетической безопасности многих стран, снижению зависимости от импорта энергетических ресурсов и соответственно укреплению политической стабильности в мире.

Первый серьезный всплеск интереса к ВИЭ в мире возник как результат так называемого «мирового энергетического кризиса», разразившегося в середине 70-х годов прошлого столетия. Была начата разработка крупных национальных и меж­дународных программ исследований, разработок и практического освоения ВИЭ. Затем к концу 80-х годов интерес к ВИЭ несколько угас в связи со снижением цен на нефть на мировом рынке. Однако в 90-х годах и особенно в начале нового века в связи с новым резким ростом нефтяных цен и ростом озабоченности из­менением климата усилия большинства ведущих стран мира в области ВИЭ были многократно усилены. В результате активных исследований и разработок и реали­зации крупных демонстрационных проектов было обеспечено существенное сни­жение стоимости энергии, получаемой от альтернативных источников, повышение конкурентоспособности многих энергетических технологий использования ВИЭ и наметился заметный рост их вклада в энергобалансы стран и регионов.

Важно подчеркнуть, что доля объемов использования ВИЭ, приходящаяся на развивающиеся страны составляет менее 40 %, в то время как на развитые страны — более 60 %. Этот факт опровергает распространенное мнение, что использова­ние ВИЭ — удел развивающихся стран со слабо развитой энергетической ин­фраструктурой.

Основным мотивом ускоренного развития возобновляемой энергетики в Ев­ропе, США и многих других странах является забота об энергетической безо­пасности и экологическая озабоченность. Так, в Европейском союзе принята программа достижения вклада ВИЭ в энергетический баланс к 2020 г. до 20 %, а к 2040 г. — до 40 %. Серьезные обязательства по использованию экологически чистых ВИЭ взяли на себя большинство штатов Северной Америки, Япония, Китай, всего более 70 стран мира, в которых установлены индикативные пока­затели вклада ВИЭ в энергетические балансы к 2020 г. от 10 до 30 %.

Как справедливо отмечает автор книги в своем предисловии, данная «книга не ориентирована на подготовку специалистов-практиков, занимающихся непо­средственно разработкой и проектированием конкретных устройств и систем. Однако она позволяет овладеть необходимыми фундаментальными знаниями в рассматриваемой области для того, чтобы при необходимости можно было бы грамотно разобраться с техническими вопросами с помощью более специали­зированных изданий и руководств».

Важным достоинством книги является достаточно ясное и четкое описание фи­зических принципов, лежащих в основе преобразования энергии с помощью раз­личных типов устройств, объяснение термодинамических и других ограничений по достижению предельных значений эффективности энергетических установок. В этом плане данная книга крайне полезна и для объективной оценки растущего числа предложений разного рода «изобретателей» по созданию если не «перпетуум - мобиле», то инженерных творений с необоснованно завышенными коэффициента­ми полезного действия.

Еіаряду с описанием физических принципов преобразования энергии в книге содержатся весьма полезные оценки экономической эффективности энергетических устройств, рассматриваются вопросы и основные фазы продвижения новых видов продуктов на рынок, что крайне полезно для понимания общих закономерностей развития новых технологий в условиях рыночной экономики.

Книга охватывает широкий спектр энергетических технологий преобразования солнечной энергии, энергии ветра, биомассы, энергии волн и приливов, энергии океана. Значительная часть книги посвяшена технологиям «водородной энергетики», перспективы которой органично сочетаются с развитием возобновляемых источников энергии. Водород не является новым видом топлива или новым источником энер­гии в традиционном понимании значений этих слов. Водород представляет собой лишь весьма удобный и эффективный энергоноситель, для производства которого необходимо затратить тот или иной первичный источник энергии. Возобновляе­мые источники энергии наряду с атомными энергоустановками являются не только наиболее перспективными первичными источниками энергии для получения водо­рода, но и его «потребителями» как весьма эффективного долгосрочного аккуму­лятора энергии, способного сохранять ее в химической форме сколь угодно долго практически без потерь. Водородные накопители энергии, состоящие из электро­лизера воды, аккумуляторов водорода и кислорода и батареи водород-кислородных топливных элементов, рассматриваются как перспективный компонент автономных ветровых, солнечных и других энергоустановок, особенностью которых является су­точная, сезонная и погодная нестабильность и изменчивость первичных энергети­ческих потоков и несовпадение графиков возможного производства и потребления вырабатываемой энергии.

При переводе книги устаревшие данные об использовании возобновляемых источников энергии либо опускались, либо корректировались в соответствии с имеющейся свежей информацией. Сокращены также некоторые главы книги, касающиеся частных исторических вопросов разработки энергетических уста­новок в США, не представляющие, по мнению редакторов, принципиального интереса для российских читателей.