Управляемый термоядерный синтез
Введение
Альтернативная энергетика основана на использовании возобновляемых источников энергии. К ним относятся уже существующие источники энергии, использующие энергию Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, внутреннее тепло планеты. Рассмотрим теперь подробнее каждый из них и выясним, возможно ли их применение и насколько оно эффективно. Существует несколько причин, указывающих на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии.
Основные причины перехода к АИЭ:
1. Глобально-экологическая: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата.
2. Политическая: страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, сможет претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.
3. Экономическая: стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут.
4. Социальная: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.
5. Эволюционно-исторический: ограниченность топливных ресурсов на Земле, а также катастрофические изменения в атмосфере и биосфере планеты говорят о том, что для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.
Глава 1. Альтернативные источники энергии
Энергия Солнца
Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказывать от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.
Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Использование только 0,5% этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия.
Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Россия имеет наибольший теоретический потенциал: более 2000 млрд тонн условного топлива (т.у.т.) приходится на солнечную энергию.
Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн лет, что нецелесообразно как с точки зрения экологии, так и с точки зрения экономики. Для сравнения, энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60%. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект «2000 солнечных крыш» в Германии. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн домов.
При коэффициенте полезного действия солнечной электростанции (СЭС) 12% все современное потребление электроэнергии в России может быть получено от СЭС активной площадью около 4000 кв.м, что составляет 0,024% территории.
Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%. Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды, телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах.
Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.
Энергия ветра
Потенциал энергии ветра подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной метеорологической организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит картина и сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских сотнеметровых башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где постоянно дуют сильные ветры.
У энергии ветра есть несколько существенных недостатков, которые затрудняют ее использование, но отнюдь не умаляют ее главного преимущества - экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями.
Но в настоящее время разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.
Разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный «циклон», который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.
Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветряные фермы». Ветряки при этом стоят рядами на обширном пространстве, потому что их нельзя ставить слишком тесно - иначе они будут загораживать друг друга. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, но они занимают много места; в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше.
Положительный пример по использованию энергии ветра показали Нидерланды и Швеция, которая приняла решение на протяжении 90-х годов построить и разместить в наиболее удобных местах 54 тысячи высокоэффективных энергоустановок. В мире сейчас работает более 30 тысяч ветроустановок разной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии.
Водород
На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.
Управляемый термоядерный синтез
Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества.
В 1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу. Один из крупнейших экспериментальных токамаков, Т-15, построенный несколько лет назад в России, использует сверхпроводящие магниты для создания магнитных полей.
Также в настоящее время ведется проектирование такого первого экспериментального термоядерного реактора - ИТЭР. В проекте участвуют Европа, Россия, США и Япония. Существуют огромные запасы топлива для термоядерной энергетики. Дейтерий - это широко распространенный в природе изотоп, который может добываться из морской воды. Тритий будет производиться в самом реакторе из лития. Запасы дейтерия и лития достаточны для производства энергии в течение многих тысяч лет и это топливо, как и продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны. Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации материалов первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся конструкционные материалы для первой стенки и других компонентов реактора, которые за 30-50 лет теряют свою активность до полностью безопасного уровня. Можно представить, что реактор, проработавший 30 лет и выработавший свой ресурс, будет законсервирован на следующие 30-50 лет, а затем конструкционные материалы будут переработаны и вновь использованы в новом термоядерном реакторе. Несмотря на большие успехи, достигнутые в этом направлении, термоядерным реакторам предстоит еще пройти большой путь прежде, чем будет построен первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики требует больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная энергетика не будет готова раньше, чем к 2020-2040 г.
Гидроэнергия
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.
Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в год. Для сравнения: это примерно столько же энергии, сколько может дать использование в энергетических целях разведанных запасов каменного и бурого угля, вместе взятых.
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.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии.
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
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, морекультурных хозяйств. 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.
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.
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.
Геотермальная энергия
Геотермальная энергия - в дословном переводе значит: тепловая энергия земли. Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры , имеет очень высокую температуру.
Если учесть ещё и теплоемкость пород Земли, то станет ясно, что геотермальная теплота представляет собой, несомненно, самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы.
В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность. Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии. Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы (Исландия, Камчатка, Курилы).
Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено.
На Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых ( то есть, с температурой гораздо выше 100oС ) вод, вскипающих с образованием достаточного количества пара.
В России ресурсы геотермальной энергии только в верхнем слое коры глубиной 3 км составляют 180 трлн. т усл. топлива. Использование только около 0,2% этого потенциала могло бы покрыть потребности страны в энергии. Вопрос только в рациональном, рентабельном и экологически безопасном использовании этих ресурсов. Именно из-за того, что эти условия до сих пор не соблюдались при попытках создания в стране опытных установок по использованию геотермальной энергии, мы сегодня не можем индустриально освоить такие несметные запасы энергии.
Геотермальная энергия по времени использования — наиболее старый источник альтернативной энергии. В 1994 г. в мире работало 330 блоков таких станций и здесь доминировали США (168 блоков на «месторождениях» Гейзере в долине гейзеров, Империал Вэлли и др.). Второе место занимала Италия, но в последние годы ее обогнали КНР и Мексика. Самая большая доля используемой геотермальной энергии приходится на страны Латинской Америки, но и она составляет немного более 1%.
В России перспективными в этом смысле районами являются Камчатка и Курильские острова. С 60-х годов на Камчатке успешно работает полностью автоматизированная Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт, а также — станция на о. Кунашир.
Гидротермальная энергия
Кроме геотермальной энергии активно используется тепло воды. Вода - это всегда хотя бы несколько градусов тепла, а летом она нагревается до 25 С. Почему бы не использовать часть этого тепла? Для этого необходима установка, действующая по принципу «холодильник наоборот». Известно, что холодильник «выкачивает» из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110 С, а затем его можно пускать либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 С. На каждый киловатт-час затрачиваемой на это энергии природа дает 3 киловатт-часа! По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде.
Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур, как, например, в морях: на глубине вода очень холодна - около 4С, а на поверхности нагревается до 25 С, что составляет 20 градусов разницы! Все необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально (например, у атолла Каваратти в Лаккадивском архипелаге около юго-западного побережья Индии), осталось только претворить их в жизнь везде, где имеются подходящие природные условия.