Альтернативные источники электроэнергии
1. Введение.
2. Энергия воды.
а) Приливные электростанции.
б) Энергия волн.
в) Энергия течений.
3. Энергия ветра.
4. Геотермальные электростанции.
5. Солнечная энергия.
6. Водородная экономика.
7. Энергия из космоса.
8. Термоядерная энергия.
9. Заключение.
Введение
Не зря говорят: «Энергетика - хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие - «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря - о богатстве любого государства.
В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.
За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.
К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня - гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.
Потом люди придумали мельницы - технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и - уже в середине ХХ столетия - атомные реакторы.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.
Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.
Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют природе гидроэлектростанции! Выбросов в воздух от ГЭС нет никаких, но зато вред водной среде наносит довольно большой. В первую очередь страдают рыбы, которые не могут преодолеть плотины ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько – так называемые каскады ГЭС, - резко меняется количество воды до и после плотин. На равнинных реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все находящиеся ниже плотины ГЭС. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.
Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и трудно добываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые – малые, или «нетрадиционные», - виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.
Энергия воды
С середины нашего века началось изучение энергетических ресурсов, относящихся к «возобновляемым источникам энергии».
Океан – гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энергии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия приливов – результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца.
Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проектировании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.
Приливные электростанции
Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Древние греки объясняли колебание уровня воды волей повелителя морей Посейдона. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м.
Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.
В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС. По оценкам специалистов, ПЭС на реке Ранс экономически оправдана, годовые издержки эксплуатации ниже, чем на гидроэлектростанциях, и составляют 4% капитальных вложений. Электростанция входит в энергосистему Франции и эффективно используется.
В 1968 г. на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строительства – Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ в области использования энергии приливов.
Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м.
Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м
С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной трубы Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.
Энергия волн
Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.
В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит из него, то входит. Но движение воздуха возможно только лишь через верхнее отверстие (такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. Другой тип установки – что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.
В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.
Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.
В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.
Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской свет") – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.
В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт. ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.
Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт.·ч электроэнергии.
А в Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры. В них находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.
Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.
В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт.
Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков. В 1978 г. была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.
Энергия течений
Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с).
Для океанской энергетики представляют интерес течения в проливах Гибралтарском, Ла-Манш, Курильских. Однако создание океанских электростанций на энергии течений связано пока с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих угрозу судоходству.
Программа "Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству.
После того как большая часть Южного Пассатного течения проникает в Карибское море и Мексиканский залив, вода возвращается оттуда в Атлантику через Флоридский залив. Ширина течения становится минимальной – 80 км. При этом оно убыстряет свое движение до 2 м/с. Когда же Флоридское течение усиливается Антильским, расход воды достигает максимума. Развивается сила, вполне достаточная, чтобы привести в движение турбину с размашистыми лопастями, вал которой соединен с электрогенератором. Дальше – передача тока по подводному кабелю на берег.
Материал турбины- алюминий. Срок службы – 80 лет. Ее постоянное место – под водой. Подъем на поверхность воды только для профилактического ремонта. Ее работа практически не зависит от глубины погружения и температуры воды. Лопасти вращаются медленно, и небольшие рыбы могут свободно проплывать через турбину. А вот крупным вход закрыт предохранительной сеткой.
Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше.
Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%.
Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.
Энергия ветра
Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.
Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.
Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.
Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.
Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.
Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.
Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.
Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.
Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.
Геотермальные электростанции
Около 4% всех запасом воды на нашей планете сосредоточено под землей – в толщах горных пород. Воды, температура которых превышает 20? С, называют термальными (от греч. «терме» - «тепло», «жар»). Нагреваются подземные озера и реки в результате радиоактивных процессов и химических реакций, протекающих в недрах Земли. В районах вулканической деятельности на глубине 500-1000 м встречаются бассейны с температурой 150-250 ?С; вода в них находится под большим давлением и, поэтому не кипит. В горных областях термальные воды нередко выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90 ?С.
Люди научились использовать глубинное тепло Земли в хозяйственных целях. В странах, где термальные воды подходят близко к поверхности, сооружают геотермальные электростанции (геоТЭС). Они преобразуют тепловую энергию подземных источников в электрическую. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетка, в районе вулканов Кошелева и Кабального. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (в Калифорнии, в Долине Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии (в районе Уайракеи), Мексике и Японии.
Геотермальные станции устроены относительно просто: здесь нет котельной, оборудования для подачи топлива, золоулавливателей и многих других приспособлений, необходимых для обычных тепловых электростанций. Постольку топливо у геоТЭС бесплатное, то и себестоимость вырабатываемой электроэнергии в несколько раз ниже.
Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешенная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшейся в результате конденсации, удаляют не растворившееся в ней газы.
Именно по смешанной схеме работает Паужетская электростанция. Пароводяная смесь, содержащая тепло в количестве 840 кДж/кг, выводится через буровую скважину глубиной 350 м на поверхность и направляется в сепарационное устройство. Здесь пар при давлении 225 кПа ( свыше 2 атм) отделяется от воды и по трубам поступают в турбины; те вращаются и приводят в действие электрогенераторы.
Отработавший в турбинах пар попадает в смешивающий конденсатор, где охлаждается и превращается в воду. Выделившиеся при этом газы (азот и кислород) удаляют насосом. Горячую воду (120 ?С) используют для теплоснабжения населенных пунктов. Вода для охлаждения пара подается самотеком по трубопроводу длиной 600 м из реки Паужетки.
В России, Болгарии, Венгрии, Грузии, Исландии, США, Японии и других странах термальными водами обогревают здания, теплицы, парники, плавательные бассейны. А столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.
Солнечная энергия
Солнце изливает на Землю океан энергии. Человек буквально купается в этом океане, энергия везде. А человек, словно не замечая этого, вгрызается в землю за углем и нефтью, чтобы добыть энергию для заводов и фабрик, для освещения и отопления. И ведь добывает-то он всю ту же энергию Солнца, которую «впитали» растения былых времен, ставшие потом углем. Растения способны уловить меньше одного процента падающей на листья солнечной энергии, а после сжигания угля ее выделяется и того меньше. Солнечная энергия доступна всем и каждому. Ее практически сколько угодно. Она экологична – ничего не загрязняет, ничего не нарушает, она дает жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая, но при всех своих достоинствах и самая дорогая. Именно поэтому солнечные электростанции не так распространены, как электростанции других видов.
На острове Сицилия недалеко от известного своим неспокойным характером вулкана Этна еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанции мощностью 1 МВт. Принцип ее работы – башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на высоте 50 м. Та м вырабатывается пар с температурой более 500? С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровым аккумулятором. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу.
Несколько иного типа электростанция в Альмерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот (как в атомных реакторах на быстрых нейтронах), а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает на только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках подобного типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.
Такой принцип работы заложен еще в одном варианте солнечной электростанции, разработанном в Германии. Ее мощность тоже невелика – 20 МВт. Подвижные зеркала по 40 м2 каждое, управляемые микропроцессором, располагаются вокруг 200-метровой башни. Они фокусируют солнечный свет на нагреватель, где помещается сжатый воздух. Он нагревается до 800?C и приводит в действие две газовые турбины. Затем теплом этого же отработавшего воздуха нагревается вода, и в действие вступает уже паровая турбина. Получаются как бы две ступени выработки электричества. В результате КПД станции поднят до 18%, что существенно больше, чем у других гелиоустановок.
А в бывшем СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5МВт. Вокруг башни концентрическими зеркалами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 м2 каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотностью потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250?С, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду. Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще 3-4 часа после захода Солнца, а на половинной мощности – около полусуток.
Солнечная энергия используется также в небольших автомобилях на солнечных батареях, на космических станциях и спутниках.
Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам получения гелиоэнергии. Но может создаться такое положение в мире, когда относительная дороговизна солнечной энергии будет не самым большим ее недостатком. Речь идет о «тепловом загрязнении» планеты вследствие гигантского масштаба потреблении энергии. Необратимые последствия, утверждают ученые, наступят, если потребление энергии превысит сегодняшний уровень в сто раз. Упускать этого из виду никак нельзя. Вывод же ученых таков: на определенном этапе развития цивилизации крупномасштабное использование экологически чистой солнечной энергии становится полностью необходимым. Но это не значит, что у гелиоэнергетики нет противников. Вот их резоны: из-за низкой плотности солнечного излучения установка аппаратуры для его улавливания приведет к изъятию из землепользования огромных полезных площадей, не считая крайней дороговизны оборудования и материалов.
Пока же предстоит еще долгий путь, прежде чем удастся вырабатывать из солнечных лучей электроэнергию, сравнимую по стоимости с производимой за счет сжигания традиционного ископаемого топлива. Разумеется, нереально в таких условиях рассчитывать хотя бы в обозримом будущем перевести всю энергетику на гелиотехнику. Пока ее удел – набирать мощности и снижать стоимость своего киловатт-часа. При этом не стоит забывать, что с точки зрения экологии солнечная энергия действительно идеальна, поскольку не нарушает равновесия в природе.
Водородная экономика
Один из самых необычных и, пожалуй, самых привлекательных сценариев энергетического будущего человечества открывает проект «Водородная экономика». Его суть заключается в замене ископаемого топлива водородом. Физический и химический смысл проекта ясен: основная энергия в нефти, газе, каменном угле и дереве запасена в виде углеводородов – соединений углерода с водородом. И не углерод, а именно водород дает при сжигании наибольшее количество тепловой энергии, превращаемой затем в механическую.
Водорода на земле огромное количество, причем огромные его запасы сосредоточены не в углеводородах, а в воде. Но если для получения энергии из нефти, газа, каменного угля и дерева их достаточно сжечь, то с водой так поступить нельзя: слишком прочно связаны в ней водород и кислород. Современной науке известны два основных способа разложения воды на составляющие ее химические элементы: пиролиз (от греч «пир» – «огонь» и «лизис» - «разложение»), когда воду нагревают до очень высокой температуры, и электролиз, когда через воду пропускают электрический ток.
Однако оба этих способа очень энергоемки, а потому непригодны для получения больших количеств водорода. Но представьте себе, сто удастся найти метод легкого разрушения молекул воды. Тогда в технике произойдет настоящий переворот. В реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, турбинах, топках котельных установок перестанут сжигать сотни миллионов тонн нефти, угля и их производных. Превратится выброс в атмосферу вредных для жизни продуктов внутреннего сгорания топлива: ведь выхлоп двигателя, работающих на водороде, - чистая вода. Полезные ископаемые можно добывать гораздо в меньших количествах и использовать только как сырье для химической промышленности, производящей пластмассы, лекарства и другие необходимые людям вещи. Как тут не вспомнить великого русского химика Д.И. Менделеева, который еще в XIX в. говорил о том, что сжигать нефть в топках – все равно, что топить печи ассигнациями.
В наши дни проблему промышленного получения дешевого водорода пытаются решить разные специалисты. Химики ищут катализатор, при помощи которого вода станет разлагаться при меньших затратах энергии. Физики разрабатывают способы получения дешевого электричества, что сделает экономически выгодным электролиз воды. Не остались в стороне и биологи. Они пытаются вывести бактерии, способные разлагать воду на кислород и водород с помощью солнечного света. Ученым давно известны микроорганизмы, выделяющие водород, но в таком малом количестве, что о промышленном их применении говорить не приходится. Если же производительность бактерий удастся повысить, то у человечества появится шанс пережить еще одну энергетическую революцию и получить новый, практически неисчерпаемый, к тому же экологически чистый источник энергии.
Энергия из космоса
Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить солнечные энергостанции в космосе, на около земной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.
Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции (СКЭС), сегодня точно сказать нельзя. А к проектированию СКЭС конструкторы приступили еще в конце 60-х гг. ХХ в.
Путь энергии от приемника электромагнитного излучение Солнца к розетке в квартире или блоку питания станка может быть различным. В самых первых проектах предлагался такой: солнечные батареи, вырабатывающие электричество – сверхвысокочастотный (СВЧ) передатчик на СКЭС – приемник на Земле – распределительные электрические подстанции. На практике это выглядело бы следующим образом: многокилометровые плоскости солнечных батарей на прочном каркасе; решетчатые антенны передатчиков; похожие на них (и тоже многокилометровые) приемники энергии на поверхности Земли… Вариант, как быстро выяснилось, далеко не идеальный.
Инженеры попытались вообще отказаться от использования солнечных батарей. Например, предлагалось с помощью различных преобразователей (скажем, зеркал) на станции превращать солнечный свет в тепло, кипятить рабочую жидкость и ее паром вращать турбины с электрогенераторами. Но и в таком варианте процесс получения энергии остается очень долгим: солнечный свет через тепло и механическое движение превращается в электричество, потом снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем опять в электричество. Каждый этап ведет к потерям энергии; приемные антенны на Земле должны занимать огромные площади. Но хуже всего то, что СВЧ-луч негативно влияет на ионосферу Земли, пагубно сказывается на десятках живых организмах. Поэтому пространство над антеннами необходимо закрыть для полетов авиации. А как уберечь от гибели птиц?
Те же проблемы возникают и при передаче энергии по лазерному лучу, который к тому же сложнее преобразовать снова в электрический ток. Полученную в космосе энергии более целесообразно использовать в космосе же, не отправляя ее на Землю. На производство тратится около 90 % вырабатываемой на планете энергии. Основные ее потребители – металлургия, машиностроение, химическая промышленность. Они же, кстати, и главные загрязнители окружающей среды. Обойтись без таких производств человечество пока что не в состоянии. Но ведь можно убрать их с Земли. Почему бы ни использовать сырье, добываемое на Луне или астероидах, создав на спутниках и астероидах соответствующие базы? Задача, безусловно, сложнейшая, и сооружение солнечных космических электростанций – только первый шаг к ее решению. С производством же электроэнергии для бытовых нужд справятся ветряки, бесплотинные ГЭС и другие экологически чистые энергоустановки.
Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение и причем не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на отдаленную от Земли орбиту. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно сделать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.
Но Солнце не единственный космический источник энергии, которым могут воспользоваться земляне. Не исключено, что на других небесных телах есть энергоносители, по своей мощности во много раз превосходящие имеющиеся на нашей планете. В поверхностных слоях лунного грунта, например, найдены запасы гелия-3, который на Земле отсутствует. Предполагается, что получить термоядерную энергию из этого изотопа проще, чем из других. Между тем считанные килограммы гелия-3 удовлетворят годовую потребность в энергии всего человечества.
Термоядерная энергия
Одним из перспективных источников получения электричества является освоение термоядерной энергии, т.е. энергии трития и дейтерия, содержащихся в неисчерпаемых количествах в воде океанов.
Во время химической реакции изменяются электронные оболочки атомов. В результате ядерной реакции иным становится строение атомного ядра – гораздо более прочного, чем атом. Поэтому при распаде тяжелых ядер (в реакции деления) или, наоборот, при слиянии легких (в реакциях синтеза), когда образуются ядра элементов средней массы, выделяется огромное количество энергии.
Например, при делении одного атома урана – реакции, используемой для получения энергии в современных атомных станциях, - выделяется около 1 МэВ энергии на каждый нуклон. (Нуклонами называют протоны и нейтроны, являющиеся составными частями ядер атомов.) В ходе реакции дейтерия D (тяжелого водорода, атом которого содержит в ядре нейтрон n) с протоном p синтезируется изотоп гелий-3, излучается ?-частица и выделяется примерно 5 МэВ энергии на один нуклон, т.е. в 5 раз больше:
1D2 + p ? 2He3 + ?.
В природной воде один атом дейтерия приходится на 7 тыс. атомов водорода, но дейтерия, содержащегося в стакане воды достаточно, чтобы произвести столько же энергии, сколько можно получить при сгорании бочки бензина. В Мировом океане 4·1013 т дейтерия; его хватит всем жителям Земли на 4 тыс. лет.
Еще больше энергии выделяется в реакциях сверхтяжелого изотопа водорода – трития Т, в ядре которого два нейтрона:
1T3 + p ? 2He4+ ? + 19,7 МэВ
1T3+1D2 ? 2He4 + n + 17,6 МэВ
Трития в природе нет, но в достаточных количествах его можно получить в атомных реакторах, воздействуя потоком электронов на атомы лития:
N + 3Li7 ? 2He4 + T
Однако осуществить эту реакцию весьма непросто: она начнется лишь в том случае, если ядра атомов сблизятся настолько, что возникнут силы ядерного притяжения (так называемого сильного взаимодействия). Это расстояние на пять порядков меньше размеров атома, и, пока электроны остаются на своих орбитах, они не позволят ядрам атомов сблизиться. Да и сами ядра до начала сильного взаимодействия расталкиваются кулоновскими силами.
Заключение
Итак, спор о том, что опаснее, а что выгоднее в производстве электроэнергии пока что не завершен. Да и вряд ли буде окончательно завершен в ближайшее время. Человечество постоянно совершенствует способы получения так необходимой ему энергии, в том числе электрической. Но будет ли у этого и другого нового способа будущее, и насколько они окажутся безопасными для человека и природы? Эти вопросы необходимо решать намного раньше, не дожидаясь аварий и катастроф, которые становятся более опасными по мере проникновения человеческого разума в тайны природы.
Несмотря на внешнюю привлекательность «нетрадиционных» видов получения электроэнергии, иногда называемых «малой энергетикой», у них есть ряд недостатков. Само это второе название говорит, прежде всего, о том, что с их помощью пока, на современном уровне развития техники и экономики, невозможно получить так же много электроэнергии, как с помощью тепловой, гидро- или атомной энергетики. Но, возможно, этот недостаток преодолим в ближайшие десятилетия. А вот какие могут быть вредные последствия от развития такой нетрадиционной энергетики?
Например, существует в мире несколько электростанций, которые используют энергию приливов и отливов в океанах и морях. Казалось бы, что может быть лучше – практически безотходный способ получения энергии, почти вечный двигатель. Но, оказывается, если таких станций построить много, они могут существенно замедлить вращение Земли вокруг своей оси! Вред от такого вмешательства в природу может совершенно непредсказуемым и непоправимым. Солнечные электростанции так же, как и ветряные, и геотермальные пока могут быть построены далеко не везде.
А в Германии чрезмерное использование энергии ветра привело к ослаблению ветров, которые раньше выдували смог и вредные отходы, выделяемые в окружающую среду фабриками и заводами, с территории городов. Теперь экология этих населенных пунктов заметно ухудшилась.
А главный их недостаток на сегодня – это дороговизна, в большой потребности количества материалов и в очень обширной территории, которая тоже не везде может быть найдена. Строят солнечные станции на крышах домов и в космосе, на орбитальных станциях. При этом используют самые современные солнечные батареи. Но, к сожалению, заменить собой традиционные виды получения электроэнергии в нужном количестве они пока не могут.
В наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонны нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Не мудрено, что нефть и газ будет стоить все дороже. Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана, если сравнить их с запасами угля, вроде бы не столько уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергию в миллионы раз большую, чем уголь. А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю…
Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным. То была «воинствующая» линия энергетики. Часто она шла рука об руку с военными приложениями: атомная бомба, водородная. В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Но времена изменились. Сейчас, в конце ХХ века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, находящаяся в кварках, «черных дырах», вакууме, - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.
Список используемой литературы
«Энергия будущего» А.Н. Проценко, М., «Мол. Гвардия», 1980
«Ключ к Солнцу» Е.Б. Борисов, И.И. Пятнова, М., Мол. Гвардия, 1964
Энциклопедия для детей. Техника, М., «Аванта+», 1999
Энциклопедия для детей. География, М., «Аванта +», 1994
«Энергетика: проблемы и надежды», Л.С. Юдасин, М., «Просвещение», 1990
«Энергетика сегодня и завтра», А.Н. Проценко, М., «Мол. Гвардия», 1987
«Занимательно об энергетике», Ю.Г. Чирков, М., «Мол. Гвардия», 1981
«Человек и океан», Громов Ф.Н., Горшков С.Г., С.-П., ВМФ, 1996 г.