1 Современные и перспективные источники электроэнергии

1.1 Энергоресурсы

Реки были первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, в которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Свыше 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками (рис. 1.1). Почти полторы тысячи лет после распада Римской империи водяные колеса служили основным источником энергии для всевозможных производственных процессов в Европе, заменяя физический труд человека.

Турбина – энергетически очень выгодная машина, потому что вода легко и просто меняет поступательное движение на вращательное. Тот же принцип часто используют и в машинах, которые внешне совсем не похожи на водяное колесо (если на лопатки воздействует пар, то речь идет о паровой турбине).

Преимущества гидроэлектростанций очевидны: постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды.

Уголь. Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 12000 млрд т, из которых 6000 млрд т относятся к достоверным. Наглядное представление о мировых запасах угля и перспективах их использования дает рис. 1.2. Наибольшими достоверными запасами располагают Россия и США. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная техника и технология позволяют экономически оправданно добывать лишь 50 % от всех достоверных запасов угля.

Рисунок 1.1 - Схема простого водяного колеса с вертикальным валом

Рисунок 1.2 - Оценки мировых запасов угля:

а– на различных континентах;б– перспектива использования

Запасы угля мирового масштаба находятся в Восточной и Западной Сибири. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей в России более 90 % составляют энергетические угли и менее 10 % дефицитные коксующиеся угли, необходимые для металлургии. Энергетические угли большой массы (202 млрд т) имеются на площадях, пригодных для открытой разработки. Это, например, Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сибири, где имеются запасы бурых углей в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхности, и многие другие.

Атомная энергия.При исследовании распада атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Это объясняется тем, что при объединении протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 грамм эквивалентна количеству тепловойэнергии, получаемой при сжигании300вагонов каменного угля.

Нейтрон – электрически нейтральная частица, поэтому легко может проникнуть в атомное ядро. Под действием одного нейтрона наступает деление (расщепление) ядра. Например ядро урана-235 распадается на два приблизительно одинаковых осколка, например на ядра криптона и бария. Эти осколки с огромными скоростями разлетаются в разных направлениях. Но главное в этом процессе, что при распаде одного ядра урана возникают два-три новых свободных нейтрона. Каждый из новых нейтронов может сделать то же, что сделал первый, когда расщепил одно ядро. Так происходит цепная реакция, и, если ею не управлять, она приобретает лавинный характер и заканчивается мощнейшим взрывом.

Энергия, выделяющаяся при термоядерной реакции на единицу топлива, превосходит энергию, получаемую при расщеплении (делении) тяжелых ядер урана или плутония. Количество энергии, выделяемой газообразным дейтерием массой 1 кг в результате реакции синтеза, соответствует энергии, выделяемой при сжигании 10 тыс. т угля.

Одним из перспективных источников получения электричества является освоение термоядерной энергии, т. е. энергии трития и дейтерия, содержащейся в неисчерпаемых количествах в воде океанов.

Ветровая энергия.По оценкам различных исследований, общий ветроэнергетический потенциал Землиприблизительно равен 175219 тыс. ТВтч в год. Однако с пользой может быть использовано только 5 %.

Возможности применения этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2(скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

Геотермальная энергия.Энергетика земли – геотермальная энергетика, базируется на использовании природной теплоты Земли. Под геотермальной энергией понимают физическое тепло флюидов (сухих горячих паров и воды) и сухих горных парод, расположенных на различных глубинах и имеющих температуры, превышающие температуру воздуха на поверхности.

Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20–30°С в расчете на 1 км глубины. По данным Уайта (1965 г.), количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6·10²⁶Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·10¹⁶т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6·10⁹Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех мировых ресурсов угля, которые можно извлечь с техническо-экономической точки зрения.

Наибольший интерес представляют гидротермальные источники, при которых подземное тепло выносится на поверхность через скважину потоком горячей термальной воды. Вода, поступающая на поверхность, находится под давлением и в большинстве случаев перегрета. При сбросе давления эта вода вскипает и превращается в пар, который может быть использован в паровой турбине.

В настоящее время термальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран. Так, столица Исландии Рейкьявик почти полностью обогревается теплотой подземных источников. Вбольших масштабах термальные воды для теплоснабжения используют в Австралии, Новой Зеландии, Италии.

Эксплуатация первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904 г. Интерес к таким станциям возрос в последние годы в связи с резким увеличением цен на ископаемое топливо на мировом рынке.

Энергия мирового океана.Запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн км²) занимают моря и океаны. АкваторияТихого океана составляет 180 млн км², Атлантического– 93 млн км², Индийского – 75 млн км². Тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину в 10²⁶Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной в 10¹⁸Дж.

Тепловая энергия океана. Последнее десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – ОсеаnТhеrmalEnergyConversion, т.e. преобразование тепловой энергии). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность.

При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная – 53 кВт; из которых 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки, в число которых входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и генераторе электрической энергии.

Энергия приливов и отливов. Прилив – ритмичное движение морских вод, которое вызывают силы притяжения Луны и Солнца.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. В течение лунных суток, т. е. за 24 ч 50 мин, дважды наблюдается повышение и понижение уровня воды в морях и океанах. Амплитуда колебаний уровня воды в различных точках земного шара зависит от широты и характера берега континента. Ее величина может быть значительной. Так, около Магелланова пролива зарегистрирована амплитуда колебаний уровня воды 18 м, а около берегов Америки 21 м. 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. Максимального уровня приливная волна достигает в тех случаях, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Положения Солнца, Луны и Земли, влияющие на приливы

С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВтч. Советскийинженер Н.А. 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. По проекту Бернштейна в 1968 году была построена ПЭС в Кислой Губе около Мурманска.

Энергия морских течений. Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км². Активную энергию, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно рассчитать по формуле (Вт):

гдеm– масса воды (кг),р– плотность воды (кг/м³),А– сечение (м²),– скорость (м/с).

Энергия морского течения Гольфстрим составляет 50000 МВт.

Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт. Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10 % энергии течения.

Энергия волн. В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, и во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превысило бы мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.

Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах так, чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.

Энергия солнца.Почти все источники энергии, о которых мы говорили, так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу массой 1,210¹⁴т.

Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Энергия биомассы.Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз).

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 5080 % из метана и на 2050 % из углекислоты. Его теплотворная способность 56 тыс. ккал/м³ .

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 1012 м³метана.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Предполагается, что топливо на энергетических плантациях будет производиться по ценам примерно 25 долл/т, что ниже современных мировых цен на нефть.

Для получения тепловой мощности, равной 100 МВт, потребуется примерно 50 м²площади энергетических плантаций.

Химическая энергия водорода.Химическая энергия водорода приобретает в последнее время большое значение. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты, так как он имеется везде и может быть использован повторно неограниченное число раз. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды.

Нефть и газ. Оценка мировых запасов нефти в настоящее время представляет особый интерес. Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что во многих странах (Японии, Швеции и др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь (в последнее время этот процесс приостановился). На транспорте за счет нефти в настоящее время удовлетворяется свыше 90 % мирового потребления энергии.

Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140170 трлн м³.

Нефть и газ нужны не столько как энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышленности. В настоящее время известно более 5000 синтетических полезных продуктов, получаемых из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только 35 % от добытых запасов перерабатывается как химическое сырье.