Как известно, под альтернативной энергетикой понимается возобновляемая энергетика, использующая возобновляемые потоки и источники энергии, ресурсы которых восполняются естественным образом, прежде всего, за счет поступающего на поверхность Земли потока энергии, приносимого солнечным излучением [1]. Основное условие, предъявляемое к альтернативной энергетике, это восстановление ее ресурсов со скоростью не меньшей, чем скорость их потребления и исключение, в процессе применения, нанесения ущерба окружающей среде и вреда здоровью человека [2].
Основные направления альтернативной энергетики
В альтернативной энергетике выделяют несколько основных направлений [3]:
- гелиоэнергетику - направление энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде, например, электричества посредством фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов), объединенных в солнечный модуль (батарею); однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения, измеряемого в Вт/м2, как минимум в 3 раза меньше из-за смены дня и ночи, а зимой в умеренных широтах это значение становится ниже в 2 раза;
- ветроэнергетику, специализирующуюся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в различные формы энергии, например, электричества с помощью ветрогенератора, который начинает производить ток уже при скорости ветра 3 м/c; наиболее перспективным является развитие ветроэнергетики на территориях, прилегающих к морям, что позволит приблизиться по рентабельности к традиционным источникам энергии (тепловой, гидро- и атомной энергетике);
- приливную гидроэнергетику, как способ получения, например, электричества путем использования энергии морских приливов (достигающих повышения уровня воды не менее 5 м); соответствующие приливные электростанции строят на берегах морей, где дважды в сутки меняется уровень воды под действием гравитационных сил Луны и Солнца; одним из недостатков приливных электростанций является изменяющаяся в течение суток мощность энергии;
- геотермальную энергетику, специализирующуюся на выработке в вулканических районах, например, электричества из тепловой энергии подземных источников (гейзеров); основной проблемой при использовании подземных термальных вод является необходимость обратной закачки в водоносный горизонт отработанной воды, характеризующейся высокой степенью минерализации и наличием токсичных соединений;
- водородную энергетику, основанную на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии; однако для широкого использования водорода в энергетике необходимо решить технические проблемы эффективного получения данного вещества в промышленных масштабах, а также создания надежных систем его хранения транспортировки и использования [4].
- биотопливную энергетику, как способа производства энергии из биотоплива (биометанола, биоэтанола, биодизеля, биоводорода, биогаза и др.), получаемого из растительной массы; однако при росте спроса на биотопливо возникает проблема сокращения посевных площадей под продовольственные культуры, путем их перераспределения в пользу топливных.
Расчеты показывают, что энергетический потенциал большинства из вышеперечисленных возобновляемых источников энергии в масштабах планеты и отдельных стран в десятки раз превышает современный уровень производства энергии и энергопотребления [3]. Поэтому они могут рассматриваться как важные потенциальные источники энергоснабжения, если не в глобальном, то, по крайней мере, в региональном плане. Кроме того они являются экологически чистыми и повсеместно доступными источниками энергии. В отличие от ископаемых топлив ресурсы возобновляемых источников энергии более-менее равномерно распределены по территории земного шара, и не находятся в монопольном владении ограниченного числа стран и поэтому рассматриваются как источники энергии, использование которых способствует повышению энергетической безопасности и снижению зависимости от импорта энергетических ресурсов.
Перспективы развития альтернативной энергетики
По [5] за альтернативной энергетикой будущее, но оно наступит не скоро. Даже через 30 лет, по разным направлениям альтернативной энергетики можно будет вырабатывать не более 15-20% всей необходимой человечеству энергии. Так, согласно прогнозам Международного энергетического агентства [6] доля альтернативной энергетики к 2035 г. в общем мировом энергетическом балансе составит 16%, в то время как доля энергии, получаемой при использовании традиционных видов топлива (нефти, газа и угля) - 74%. Остальные 7 и 3% придутся соответственно на атомную энергетику и гидроэнергетику. Это связано с определенными недостатками большинства возобновляемых источников энергии, сдерживающими их широкое практическое применение, а именно, невысокой плотностью энергетических потоков, их непостоянством во времени и, как следствие этого, необходимостью значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии. Так, например, плотность потока солнечного излучения на поверхности Земли в полдень ясного дня составляет около 1 кВт/м2, а ее среднегодовое значение с учетом сезонных и погодных колебаний для самых солнечных районов земного шара не превышает 250 Вт/м2. Средняя удельная плотность энергии ветрового потока также не превышает нескольких сотен Вт/м2. Так, при скорости ветра 10 м/с удельная плотность потока энергии равна 500 Вт/м2, а плотность энергии водного потока, имеющего скорость 1 м/с составляет около 500 Вт/м2. Для сравнения укажем, что плотность теплового потока на стенки топки парового котла достигает нескольких сотен кВт/м2.
Однако проводимые в настоящее время в альтернативной энергетике интенсивные исследования, разработка и реализация крупных демонстрационных проектов позволили обеспечить для некоторых ее направлений существенное (на целый порядок) снижение стоимости энергии, повышение их конкурентной способности и заметный рост их реального вклада в энергетические балансы стран и регионов.
Перспективы развития газовой промышленности
По сценарию Международного энергетического агентства [6] потребление природного газа к 2035 г. увеличится настолько, что позволит ему выйти на второе место после нефти. Ожидаемый в перспективе интенсивный рост потребления природного газа связан с очевидными преимуществами перед углем и нефтью. Так затраты труда на добычу газа в 37 раз ниже, чем на добычу такого же количества угля в пересчете на условное топливо; газ отличается высокой теплотворной способностью; с помощью системы газопроводов газ можно подвести к любому потребителю; при горении газа не образуется зола и т.д. Свыше 90% всего объема добычи газа расходуется как топливо на тепловых электростанциях, промышленных предприятиях и в быту. Расчеты показывают, что себестоимость электроэнергии, вырабатываемой при использовании газа, меньше по сравнению с себестоимостью электроэнергии, вырабатываемой угольными, атомными и другими электростанциями [7].
Следует также отметить, что во многих странах мира отдается приоритет частичной замене традиционных видов моторного топлива природным газом как в компримированном (сжатом), так и сжиженном виде [8]. Это связано с тем, что, во-первых, по физико-химическим характеристикам природный газ во многом превосходит даже самый высококачественный бензин, причем для его использования не требуется значительного изменения конструкции двигателя. Во-вторых, цена эквивалентного количества газа на 30-50% ниже, чем бензина или дизельного топлива [9]. В-третьих, характерной особенностью применения в двигателях природного газа, как топлива, является значительное снижение износа основных деталей, уменьшение расхода смазочного масла и понижение требований к его качеству. Снижение износа основных деталей (цилиндрово-поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма) объясняется тем, что при работе двигателя на газе отсутствуют неиспарившиеся жидкие фракции, которые, проникая в рабочие цилиндры бензинового двигателя, вызывают смывание смазки и коррозию стенок цилиндра, а проникая в картер, разжижают масло. При работе двигателя на газе в продуктах сгорания топлива также отсутствуют частицы твердого углерода, вызывающие износ деталей. И, наконец, в-четвертых, при сжигании газа, в сравнении с топливом нефтяного происхождения, снижение выбросов оксидов углерода и азота, а также углеводородов может достигать соответственно 80, 70 и 45%. Известно, что автомобильный транспорт потребляет более 60% нефти и является основным источником загрязнения воздушных бассейнов промышленных центров.
Точки соприкосновения газовой промышленности и альтернативной энергетики
Одним из важных точек соприкосновения газовой промышленности является такое направление альтернативной энергетики, как водородная энергетика, основанная на использовании в так называемых топливных элементах в качестве топлива водорода - продукта паровой каталитической конверсии метана, содержание которого в природном газе может составлять 70-99% [10]. Как известно, топливный элемент представляет собой устройство, где вещество (топливо) для электрохимической реакции подается в него извне для превращения химической энергии топлива в электричество.
Интерес газовой промышленности к водородной энергетике обусловлен целым рядом причин. Во-первых, природный газ долгое время будет оставаться основным источником водорода [4]. Во-вторых, наличие развитой инфраструктуры снабжения природным газом позволит создать инфраструктуру производства и снабжения водородом на начальном этапе. В-третьих, существующая газотранспортная система может стать в будущем основой системы транспорта водорода, как отдельно, так и в смеси с природным газом с выделением водорода в пункте назначения.
Между тем, газовая промышленность заинтересована в обеспечении своих подразделений надежными, экологичными, удобными в эксплуатации стационарными энергоустановками, основанными на топливных элементах (в блочном исполнении и полной заводской готовности), и в их размещении на объектах при условии минимального объема строительно-монтажных работ. Это связано с тем, что топливные элементы отнесены к числу преобразователей энергии, которые позволяют создать энергоустановки промышленных мощностей. Такие энергоустановки автономного энергоснабжения необходимы для питания технологического оборудования, станций катодной защиты, систем телемеханики и связи магистральных газопроводов, электро- и теплоснабжения вахтовых поселков [11]. Развитие собственных систем электроснабжения становится особенно актуальным при освоении газовых месторождений удаленных районов Крайнего Севера и шельфа арктических морей.
К числу других точек соприкосновения газовой промышленности можно отнести гелиоэнергетику и ветроэнергетику. Так, для повышения эффективности функционирования газоиспользующих электроустановок успешное применение находят солнечные модули [7]. При этом обеспечивается дополнительная выработка электричества без расходования природного газа на эти цели. Что касается комбинации ветрогенераторов и газоиспользующих электроустановок, то она становится экономически выгодной при автономной газификации удаленных труднодоступных потребителей на основе сжиженного природного газа или сжиженных углеводородных газов.
Недавно были проведены расчеты по эффективности применения ветрогенераторов для электроснабжения компрессорных станций в районах Крайнего Севера, попадающих в зону активности среднегодовой скорости ветра более 5 м/с [11]. Как оказалось, эта инновация приводит к высвобождению природного газа, используемого в газопоршневых агрегатах для выработки электричества, и получения определенной прибыли в результате его реализации.
Другим примером инновации является, описанная в работе [12] технология проведения стандартных газодинамических исследований скважин и их мониторинга с использованием устройств телеметрии и телемеханики, позволивших исключить сжигание газа на эти цели. Эти устройства работают от ветрогенератора и солнечного модуля, которые устанавливаются на специальной монтажной мачте, и электрогенератора, располагаемого на шлейфе (выкидном трубопроводе от газовой скважины) и использующего тепло добываемого газа, достигающего в некоторых случаях температуры более 500°К. При этом электрогенератор, использующий тепло добываемого газа, компенсирует недостачу энергии в зимний период и в штилевую погоду. В данном случае можно говорить о зарождении нового направления альтернативной энергетики - газотермальной энергетики, связанной с получением электричества от тепла добываемого природного газа.
Таким образом, несмотря на прогнозируемое отдаленное наступление будущего альтернативной энергетики, уже сегодня можно найти некоторые точки соприкосновения отдельных ее направлений с газовой промышленностью. Это открывает перспективы для устойчивого развития, не только газовой промышленности, поставляющей на рынки такой источник энергии как природный газ, но и альтернативной энергетики.
1. Попель О.С. Возобновляемые источники энергии для России // Экологический вестник России. 2010. № 8. С. 50-54.
2. Пармухина Е.Л. Рынок возобновляемой энергетики // Экологический вестник России. 2010. № 7. С. 52-54.
3. Markelov V.A., Andreev O.P., Kobylkin D.N., Arabsky A.K., Arno O.B., Tsybulsky P.G., Bashkin V.N., Kazak A.S., Galiulin R.V. Gas Industry Sustainable Development. Moscow: LLC «Publishing House Nedra», 2013. 211 p.
4. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. 520 с.
5. Стуруа М., Чайка Ф., Лесков С. Жизнь после нефти // Экологический вестник России. 2008. № 2. С. 20-22.
6. World Energy Outlook. Are we entering a golden age of gas? Special Report. International Energy Agency. 2011. 131 p.
7. Аверьянов В.К., Толмачев В.Н., Журавский М.А., Сибгатуллин А.Р. Особенности и перспективы использования природного газа в комбинации с возобновляемыми источниками энергии // Наука и техника в газовой промышленности. 2013. № 2 (54). С.9-15.
8. Стативко В.Л., Строганов А.В. Формирование российского рынка альтернативных видов моторных топлив // Газовая промышленность. 2007. № 4. С. 17-19.
9. Кириллов Н.Г. Зарубежный опыт применения сжиженного природного газа в качестве моторного топлива // Газовая промышленность. 2009. № 11. С. 17-19.
10. Русакова В.В., Казак А.С., Башкин В.Н., Бухгалтер Э.Б., Галиулин Р.В., Акопова Г.С. Управление экологическими рисками в газовой промышленности. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. 200 с.
11. Горюнов О.А. «Чистая энергия» для удаленных и труднодоступных объектов Единой системы газоснабжения // Наука и техника в газовой промышленности. 2013. № 2 (54). С.16-22.
12. Арно О.Б., Арабский А.К., Завьялов С.В., Гункин С.И., Вить Г.Е., Талыбов Э.Г.-о. Возобновляемая энергетика в условиях Крайнего Севера и новые возможности АСУ ТП // Наука и техника в газовой промышленности. 2013. № 2 (54). С.23-31.
Автор: В.Н. Башкин Доктор биологических наук, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Московская область, г. Пущино Р.В. Галиулин Доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН, Московская область,
