Нетрадиционные источники энергии

12

1. Введение

Почему же именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? Вот что заинтересовала меня при выборе темы реферата. Энергический кризис 1973-1974г. в мире предусматривал, что этого трудно достичь. Основываясь лишь на традиционных источниках. Например: из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия - энергетическая - играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало - потребности в ней растут еще быстрее. Уровень материальной, а в конечном счете и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека вез время растут, да и людей становится все больше.

Так за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Новые факторы - возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды- потребовали нового подхода к энергетике. В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые нашей страны, специалисты различных министерств и ведомств. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса страны. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики страны на грядущие десятилетия. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах.

Энергетическая программа страны - основа нашей техники и экономики в канун 21 века.

Но ученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, установленных Энергетической программой. На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда - а это рано или поздно случится, -когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило задуматься о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались тогда те страны, где нет собственных запасов нефти и газа и которым приходится их покупать. А пока в мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников, которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут на разных путях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии-энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

2. Нетрадиционные источники энергии

2.1. Солнечная энергия

Солнце - основа жизни на Земле, источник энергии для всех экзогенных процессов, происходящих на ее поверхности Зачастую энергию Солнца называют свободной. Существуют различные естественные аккумуляторы «свободной энергии»: хлорофилл вода, ветер и пр. В результате геохимических процессов, проходящих так же и под воздействием солнечных лучей, происходит аккумулирование «свободной энергии» в виде органического топлива. Солнечная энергия - источник круговорота воды в природе. Она возвращает, насушу воду, стекающую в океан, что делает возможным ее использование на гидроэнергетических и гидравлических установках. Таким образом, практически все известные на Земле энергоносители имеют «солнечное» происхождение. Но, говоря о солнечной энергии как об альтернативном источнике энергии, мы обычно имеем в виду прямое солнечное излучение, которое так или иначе использует человек.

Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый но и пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии. По расчетам, только за полгода Солнце поставляет на Землю энергию эквивалентную всем запасам минерального топлива на нашей планете. Но используют этот колоссальный энергетический потенциал пока еще очень мало.

Существуют два пути использования энергии Солнца: непосредственное преобразование солнечной энергии в электрическую (при помощи фотоэлектрасских элементов) или тепловую (с последующим использованием и качестве технологического тепла или для получения электроэнергии).

Преимущество первого пути - быстрое преобразование прямой и рассеянной солнечной радиации в электроэнергию, не требующее сложнейшей системы механизмов слежения зеркал за Солнцем. Второй путь позволяет использовать солнечную энергию не только для получения электроэнергии, но и для других целей (отопление домов, теплиц и т. п.). Однако у обоих путей есть общий существенный недостаток: Солнце светит не всегда (кстати, при втором пути разогретый теплоноситель в «солнечном котле» способен отдавать энергию еще в течение 3 - 4 ч после захода Солнца). Поэтому важнейшая проблема развития гелиоэнергетики -- аккумулирование энергии. По мнению специалистов, наиболее эффективным носителем энергии может стать водород (получаемый на гелиоустановках путем электролиза воды), который в дальнейшем может быть преобразован к электроэнергию. Очень ценно, что этот технологический процесс абсолютно экологически чист.

В середине 80-х гг. в мире уже действовали гелиоустановки фотоэлектрического и теплового действия общей мощностью более 21 тыс. кВт. В частности, в РФ к началу 1987 г. действовало более 50 экспериментальных солнечных установок. Они расположены в различных районах страны: на Кавказе, в Подмосковье, Сибири, а также на юге Украины и в Средней Азии.

В гелиоустановках мира наиболее широко используют фотоэлектрические элементы. Их применяют и в космической технике, и в быту (часы, микрокалькуляторы и т. п.), и т. д. Проходят практическую проверку разнообразнейшие варианты их использования: «солнечные» крыши на домах для энерго- и теплоснабжения, «солнечные» крыши на автомобилях для подзарядки аккумуляторов, «солнечные» фермы в сельских районах, использование солнечных элементов в садово-огородном хозяйстве, солнечные установки электролиза воды и др.

По имеющимся оценкам, к 2010 г. мощность гелиоустановок мира может составить 130 млн. кВт (в 600 раз больше современного I уровня), причем наибольший рост придется на первое десятилетие 21 / века. Ожидают, что 4с этому времени в гелиоэнергетике будут преобладать фотоэлектрические генераторы.

Развитию солнечной энергетики препятствует потребность к большой площади для размещения фотоэлементов или зеркал. Это затрудняет ее развитие в странах с высокой плотностью населения и промышленной застройки. Частичное решение проблемы заключается в сооружении крупных гелиоустановок в пустынных районах. Интересен в этом отношении западногерманский проект сооружения мощной гелиоЭС в пустынях Северной Африки. Получаемую на этих станциях электроэнергию предполагают использовать для выработки водорода; который планируют передавать в промышленные районы Европы по трубопроводам.

Это все на Земле, а вот на Солнце, царит совсем другая атмосфера.

Оказывается, примерно через 5 млрд. лет содержание водорода в ядре настолько уменьшится, что его горение начнётся в слое вокруг ядра. Это приведёт к «раздуванию» солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и повышению её в ядре. Постепенно Солнце превратится в красный гигант - сравнительно холодную звезду огромного диаметра с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на этом не закончится, и оно будет претерпевать ещё много изменений, пока в конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не происходит никаких термоядерных реакций.

2.2. Тепловая энергия океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны - акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2. Атлантического - 93 млн. км2. Индийского - 75 млн. км2. Так. тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так созданы установки мини - ОТЕС и ОТЕС -1 (ОТЕС - начальные буквы английских слов, т.е. преобразование тепловой энергии океана - речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини - ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с положенной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если но считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48.7 кВт. максимальная -53 кВт: 12 кВ г (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один - для подачи теплой виды из океана, второй - для подкачки холодной воды с глубины около 700 м. третий - для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

Установка мини - ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба - судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС. позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.

Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это - одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования анергии. Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25-50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для обслуживания системы и для связи с берегом.

2.3. Энергия приливов и отливов

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится о I Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные поды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна. Солнце и Земля находятся на одной прямой (так называемая сизигия). Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Карта прилива и отлива

70° N, 30° Н, 140°Е, 160°Е

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии. глубина воды, морские течения и ветер. Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив - отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением W=pgSR2

где р - плотность воды. g - ускорение силы тяжести. S - площадь приливного бассейна, R -разность уровней при приливе. Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС, построенной в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт в Мезенском заливе на Баренцевом море.

2.4. Энергия ветра

Использование энергии ветра имеет многовековую историю. Идея преобразования энергии ветра в электрическою возникла в конце Х1Хв.

В СССР первая ветровая электростанция (ВЭС) мощностью ' 00 кВт была построена в 1931 г. у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупнейшая ВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт. час. В 1942 г. станция была разрушена.

В период энергетического кризиса 70-\ гг. интерес к использованию энергии возрос. Началась разработка ВЭС как для прибрежной зоны, так и для открытого океана. Океанские ВЭС способны вырабатывать энергии больше, чем расположенные на суше. поскольку ветры над океаном более сильные и постоянные

В наши дни интерес к этому виду энергии пробудился с новой силой. При использовании энергии ветра не загрязняется атмосфера. Ветровая энергия доступна везде. Ее не надо добывать и транспортировать - ветер сам поступает к ветродвигателю, установленному на его пути (рис. 6). Да и мощность той же мельницы не так уж мала. Однако надо учитывать два его существенных недостатка. Первый - ветры дуют непостоянно, а это требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Второй - энергия ветра чрезвычайно рассеянна, и при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних потребуется в 5 раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Учитывая технологические особенности ветровых электростанций, можно сказать, что оптимально их использование для обеспечения нужд малых потребителей (сельскохозяйственной фермы, полевого стана и пр.). Мощные ветровые установки строят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах). Такие установки уже используют в РФ.

2.5. Энергия биомассы

В качестве топлива может использоваться биомасса, включающая растения, отходы сельского хозяйства, городские отходы. Содержание ее в биосфере - 800 млрд т, причем ежегодно возобновляются 200 млрд т (это соответствует 100 млрд т нефти).

В энергических целях энергию биомасса используют двояко: биологическая и термохимическая конверсия. К первой относятся процессы брожения. С их помощью можно получить биогаз, водород, этанол, бутанол, ацетон, органические кислоты. Термохимические процессы - это пиролиз, т.е. разложение сырья, главным образом древесины, без доступа воздуха при температуре 450-5500 С на древесный уголь, метанол, уксусную кислоту, горючий газ, а также газификация - сжигание твердой биомассы в присутствии воздуха при температуре 900-15000 С. В результате получаются те же продукты, что и при пиролизе.

На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудноразрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего, это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологий. Во-вторых, высокая материалоемкость (создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и т. д., для гелиоЭС необходимо большое количество новейших дорогостоящих материалов) В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживает также нехватка специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.

2.6. Геотермальная энергия

Говоря просто геотермальная энергия - это энергия внутренних областей Земли, Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты. Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра, где, как полагают учёные, металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии, до поверхности Земли. Геотермальные ресурсы огромны. Истоки их освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современною энергетику, но он не соответствует ни экономической и экологической эффективности, ни ресурсам. пригодным для освоения имеющимися техническими средствами.

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятий. Есть два пути использования внутреннего тепла Земли. Первый применяют в настоящее время: бурят скважину до пласта термальных вод, извлекают их на поверхность и используют для получения электроэнергии или как теплоноситель. Второй путь -пока слабо исследованная область геотермальной энергетики: это отвод тепла от раскаленных горных пород. Закачивая в эти горизонты воду, можно получать пар или перегретую воду под давлением и использовать их для получения электроэнергии. Первая подобная установка мощностью 7500 кВт действует в Каса Дьябло (США). Этот способ получения геотермальной энергии рассматривают как наиболее перспективный, поскольку горячие сухие породы, залегающие на небольшой глубине, встречаются гораздо чаще, чем месторождения термальных вод. Это позволит значительно расширить географию геоЭС. Большое достоинство геотермальной энергетики - ее практически полная безвредность для окружающей среды. Необходимо учитывать также и то, что срок действия одной скважины ограничен 15-20 годами. За это время она может дать до 5 млн. кВт/ч электроэнергии.