Володимир Сиволапов, Михайло Гузь, ст. викладачі, Андрій Новицький, канд. техн. наук, доцент, НУБіП, Віктор Марченко, канд. техн. наук, Agroexpert (Україна)
На сьогодні частка відновлюваних джерел у виробництві енергії в Україні поки що є незначною, але їхній потенціал в рази перевищує рівень вітчизняного споживання паливно-енергетичних ресурсів.
В Україні наразі мало помітно, щоб альтернативна енергетика суттєво потіснила традиційну. Наша держава надто залежить від імпортних джерел енергії, перш за все від газу, нафти та ядерного палива. Для зміцнення енергетичної безпеки країни важливо зробити вибір: продовжувати фінансувати імпортовані енергоносії чи розвивати використання власних відновлюваних джерел енергії.
Україна має значний потенціал основних видів відновлюваних джерел енергії, але на даний час вони становлять досить незначну частку в загальному енергобалансі держави.
Враховуючи, що альтернативна енергетика щороку дешевшає завдяки вдосконаленню технологій її отримання та застосування, можна говорити про суттєве зростання вкладу відновлюваної енергетики в енергетичну незалежність України.
Відновлюваними джерелами енергії є сонячна, фотоелектрична та геотермальна енергії, тверда біомаса, біогаз, рідке біопаливо, гідроелектростанції, а також енергії припливів, хвиль океану, вітру тощо. Тож детальніше охарактеризуємо основні альтернативні джерела енергії, вельми перспективні для України.
Біопаливо
Серед різних видів альтернативних джерел енергії в Україні біопаливо перебуває на провідних ролях. Сьогодні біомасу як паливо використовують в обсязі лише близько 1 млн т умовного палива, тому значну кількість біомаси, придатної для виробництва енергії, знищують або вивозять на звалища. Україна належить до країн із високим біоенергетичним потенціалом та темпами зростання біоенергетики. Згідно з офіційними даними, сектор біоенергетики у нашій країні щороку стабільно зростає. Свідченням тому є заміщення біопаливом близько 3 млрд м3 природного газу у 2014 році. Сумарні ресурси основних видів біомаси, придатної для енергетичного використання, за сучасних обсягів господарської діяльності в Україні становлять близько 20 млн т умовного палива на рік.
Загальна кількість встановлених котлів, які працюють на біомасі у муніципальному секторі України (централізоване теплопостачання і бюджетна сфера), зросла з 561 у 2012 р. до 1787 у 2016 р., а встановлена потужність із 285 до 1134 МВт відповідно. Середньорічний темп зростання ринку котлів на біомасі у муніципальному секторі України становить близько 50%.
Біомаса – це не лише рослинна органічна речовина (зернові культури, кукурудза, соняшник, відходи деревини), але й гній, газ звалищ. При цьому установки анаеробної переробки біомаси з отримання біогазу, тобто біогазові, виконують також роль очисних споруд, бо переробляють органічні відходи у нейтральні мінеральні продукти. Якщо установки для використання вітрової чи сонячної енергії є пасивно чистими, то біогазові – активно чистими, оскільки зменшують екологічну небезпеку тих продуктів, які використовують у якості джерела енергії. Наприклад, технологія метанового зброджування гною дає змогу отримувати біогаз і запобігає бактеріальному, хімічному забрудненню ґрунту, води, повітря, до якого призводять процеси, що відбуваються у накопичувачах гною. Водночас виробляють високоякісні добрива, білково-вітамінні кормові добавки, тож ця технологія практично є безвідходною.
Пріоритетами розвитку біоенергетики є створення котелень для спалювання відходів деревини та соломоспалювальних, електростанцій із використанням біогазу звалищ, дооснащення існуючих теплових електричних станцій для спалювання побутових та промислових органічних відходів.
Перевагою на користь біопалива є можливість використання відходів виробництв та побічної продукції рослинництва. Недоліків використання біопалива фактично – немає.
Енергія сонячного випромінювання
За висновками науковців, найголовнішим джерелом енергії є Сонце. Приблизно 30% сонячної енергії, досягаючи Землі, відбивається назад у космос, 47% – витрачається на нагрівання земної поверхні, 22% – на кругообіг води у природі, 0,1% – на утворення вітру, хвиль, океанічних течій і лише 0,03% поглинається під час фотосинтезу. Щорічно земна поверхня одержує від Сонця енергію у кількості 31 024 Дж. Якщо порівняти цю величину з оцінками енергії, що міститься у розвіданих запасах енергоємних корисних копалин, то стане зрозуміло, що за один тиждень Земля отримує від Сонця таку кількість енергії, яка більше ніж удвічі перевищує всі відомі запаси енергії на Землі.
Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію існує два способи: використання сонячної енергії як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами (наприклад за допомогою турбогенераторів), або ж безпосередньо перетворювати її в електричний струм за допомогою сонячних елементів. Сонячну енергію використовують також після її концентрації за допомогою дзеркал – для плавлення речовин, дистиляції води, нагрівання, опалювання тощо.
Потенціал використання сонячної енергії в Україні є достатньо високим для широкого впровадження як теплоенергетичного, так і фотоенергетичного обладнання. Середньорічна кількість сумарної сонячної енергії, що надходить на 1 км2 території України, становить майже 1070 кВт·год у північній частині країни та 1400 кВт·год і вище у південних областях. Задля подальшого розвитку та масового виробництва сонячних фотоелементів розроблені модулі батарей на основі напівпровідникового кремнію.
Сонячна енергетика в Україні поки не набула широкого господарського використання, проте передумови для цього є. Вона здатна забезпечити економію за рік до 6 млн т умовного палива, потенціал її розвитку забезпечують власна наукова і промислова бази, конструкторські бюро, що проектують сонячні колектори, виробництво моно- та полікремнію, нанотехнології, наяність необхідної металопродукції тощо. Проекти фотоенергетики активно впроваджуються в Україні з 2010 року.
Сонячна енергетика використовує поновлюване джерело енергії, і у перспективі може стати екологічно чистою, тобто такою, що не має шкідливих відходів.
Сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними джерелами електричного струму у ракетах, супутниках і автоматичних міжпланетних станціях, а в побуті їх використовують насамперед для живлення мереж у неелектрифікованих районах для малоємних споживачів струму.
Перевагами сонячної енергетики є загальнодоступність і невичерпність джерела енергії; теоретично – повна безпека для навколишнього середовища (проте наразі у виробництві фотоелементів і в них самих використовують шкідливі речовини).
До недоліків сонячної енергетики слід віднести:
– залежність потужності сонячної електростанції від часу доби, пори року і погодних умов;
– потік сонячної енергії на поверхні землі сильно залежить від широти й клімату. У різних місцевостях середня кількість сонячних днів у році може дуже сильно різнитися;
– через відносно невелику величину постійної сонячної енергії для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції, але фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюють на висоті 1,8 – 2,5 м, що дає змогу використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад для випасання худоби;
– відносно висока ціна сонячних фотоелементів;
– попри екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад свинець, кадмій, галій, миш’як тощо, а їхнє виробництво споживає масу інших небезпечних речовин.
Гідроенергетика
Гідроенергетика є технологічно освоєним способом виробництва електроенергії, що має досить гарантований поновлюваний енергоресурс та найменшу собівартість виробництва електроенергії серед традиційних паливних і більшості нетрадиційних технологій її виробництва.
В Україні потужність гідроелектростанцій становить лише 8,8% генеруючих енергоджерел, і може бути підвищена у 2 – 3 рази. Для України реальним є забезпечення розвитку гідроенергетики шляхом спорудження гідроелектростанцій потужністю 20 – 50 МВт та малих гідроелектростанцій на існуючих водоймищах, магістральних каналах, об’єктах водозабезпечення та водовідведення, а також відновлення та реконструкція об’єктів малої гідроенергетики, що виконують функцію із захисту прилеглих територій від повеней.
Освоєння потенціалу малих річок із використанням малих та мікрогідроелектростанцій допомагає вирішити проблему енергозабезпечення споживачів. Найефективніші малі гідроелектростанції, що будують на існуючих гідротехнічних спорудах.
Вітчизняні машинобудівні підприємства виготовляють обладнання як для реконструкції та відновлення гідроелектростанцій, так і для спорудження нових. У планах – реконструювати з продовженням терміну експлуатації на 30–40 років понад 3,2 ГВт потужностей гідроелектростанцій та досягти приросту більше 1,5 ГВт потужностей шляхом реконструкції діючих та спорудження нових гідроелектростанцій.
Переваги гідроелектростанцій: постійно поновлюваний природою запас енергії, простота експлуатації, безпека щодо забруднення навколишнього середовища.
Головним недоліком гідроенергетики є руйнування природного ландшафту та затоплення великих площ родючих земель. Зокрема, на головній водній артерії України – Дніпрі – водосховищами затоплено величезні площі українських чорноземів, які вимірюються тисячами квадратних кілометрів.
Енергія вітру
Вітрова енергетика – це галузь відновлюваної енергетики, що спеціалізується на використанні кінетичної енергії вітру. Нині силу вітру застосовують для видобутку електроенергії. Хоча ціна 1 кВт год, видобутої з енергії вітру, порівняно невисока, але всі проекти з будівництва нових вітряків зазвичай дуже повільно окуповуються.
Джерело вітроенергетики – Сонце, бо саме воно сприяє утворенню вітру. Від загальної кількості енергії сонця 1–2% перетворюється на енергію вітру. Сучасні технології забезпечують використання лише горизонтальних вітрів, що панують близько до поверхні землі та мають швидкість повітряного потоку від 12 до 65 км/год.
Україна має значну перспективу розвитку вітроенергетики завдяки освоєнню вітрового потенціалу степових та гірських районів, зокрема Причорноморського та Приазовського. Для промислового використання енергії вітру економічно обґрунтованими є степові простори південних та південно-східних областей. У перспективі виробництво електроенергії шляхом створення та експлуатації вітроелектричних установок може становити 15 – 20% у загальному балансі електроенергії. Україна має достатній досвід проектування, будівництва, експлуатації та обслуговування вітрових електростанцій. Ефективність використання вітрових електростанцій становить 7 – 10%. Для прикладу, у країнах ЄС цей показник – 20 – 24%.
Максимально ефективне використання енергії вітру в Україні дасть змогу щорічно виробляти 5,71 млн МВт-год, тобто компенсувати 2,5% загального енергоспоживання країни.
Для того, щоб будівництво вітроелектростанції виявилося економічно виправданим, необхідно, щоб середньорічна швидкість вітру в цьому районі становила не менше 6 м/с. У нашій країні вітряки доцільно будувати на узбережжях Чорного й Азовського морів, у степових районах, а також у гірській місцевості.
Перевагами вітрової енергетика є екологічна чистота. Вона не забруднює атмосферу, не споживає палива і не спричинює теплового забруднення довкілля.
Недоліками вітрових електростанцій є те, що вони створюють шум високої частоти, тому потребують великих земельних площ для свого розміщення, а також створюють незручності мешканцям населеним пунктам, які розташовані поруч. Є ще один вид впливу вітрової енергетики: генератори великих вітродвигунів обертаються зі швидкістю близько 30 об./с і перешкоджають міграції комах.
Геотермальна енергетика
Геотермальна енергія (природне тепло Землі), акумульована в перших десятьох кілометрах земної кори, за оцінкою вчених, досягає 137 трлн т умовного палива, що вдесятеро перевищує геологічні ресурси всіх видів палива разом узятих. З усіх видів геотермальної енергії найефективнішими є гідрогеотермальні ресурси – термальні води та пароводяні суміші.
За прогнозами фахівців, в Україні річний теплоенергетичний потенціал становить понад 400 млн Гкал, а експлуатаційні ресурси термальних вод за запасами тепла еквівалентні використанню близько 10 – 12 млн т умовного палива щороку. Серед перспективних районів геотермальних ресурсів – Донецький басейн.
Перевагою геотермальної енергії є те, що температура теплоносія значно менша за температуру під час спалювання палива і найкращий спосіб використання геотермальної енергії – комбінований (видобуток електроенергії та обігрів).
До недоліків слід віднести низьку термодинамічну якість, використання тепла неподалік місця його видобування, а також те, що вартість розробки свердловин зростає зі збільшенням глибини.
