Неисчерпаемые источники энергии
Глава 5.
ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Ресурс - наличие каких-либо возможностей, которые при необходимости могут быть использованы.
Не входят в ресурсы объекты: а) непригодные и ненужные для полезного использования; б) нужные, но абсолютно недоступные (пока!).
Главное отличие природных ресурсов - они первозданны (совокупность объектов мироздания, составляющих среду жизнеобитания человека).
Основные закономерности, по которым происходит использование ресурсов в природе, можно охарактеризовать следующим образом:
· природные системы конкурируют между собой за ресурсы с условием выживания тех из них, которые захватят больше ресурсов и рациональнее используют их;
· для захвата и рационального использования системы затрачивают часть ресурсов для получения еще большего количества, создают накопители ресурсов, обмениваются имя друг с другом;
· длительность функционирования системы (продолжительность жизни) зависит от того, какие ресурсы по количеств) и качеству ей доступны;
· развитие системы может происходить только за Щ изъятия ресурсов из внешней среды (в т.ч. и из других систем);
· развитие системы ведет к увеличению потреблений ресурсов;
5.1. Классификация природных ресурсов
Природные ресурсы можно классифицировать:
1. По видам ресурсов.
• Водные:
- 1370млн.м2 - океаны и моря;
- 200 млн. м2 - подземные воды;
- 27 млн. м2 - ледники и снега;
- 0,75 млн. м2 - озера;
- 0,014 млн. м2 - в газообразном состоянии;
- 0,003 млн. м2 - водохранилища;
- 0,0012 млн. м2 - реки.
• Земельные: с/х земли и территориальные, для строительства необходимых людям объектов. В России сельхоз. угодья - это 222 млн. га (13% общем"! площади), а леса и кустарники 787 млн. га или 46% общей площади.
• Атмосферного воздуха.
• Минерально-сырьевые.
• Биологические: растительный и животный мир, человек.
• Природные пустоты земных недр.
2. По степени воспроизводимости природой (истощаемости)
• неисчерпаемые источники энергии;
• воспроизводимые с той или иной скоростью воспроизводства - водные, атмосферные, биологические;
• практически не воспроизводимые - для их воспроизводства нужны целые геологические эпохи (ресурсы минерального сырья).
3. По степени изученности (и настоящее время):
• достоверно изученные и поэтому надежные;
• малоизученные и ненадежные;
• гипотетические, но еще не подтвержденные.
4. По степени практической доступности ресурсы подразделяются на группы;
• доступные для выемки (извлечения) и использования (при существующем уровне технико-технических средств);
• предположительно доступные - по данным науки с помощью технологий предвидимого будущего;
• практически недоступные в течение прогнозируемого будущего.
Вопрос о степени реальной ограниченности природных ресурсов весьма условен, так как значительная часть природных ресурсов скрыта в глубине земных недр и океана, и достоверных сведении о них нет.
Неисчерпаемые источники энергии
При современных темпах удорожания топливных ресурсов Земли проблема использования возобновляемых источников энергии становится все более актуальной. Такие энергоисточники играют немалую роль в обеспечении экономической независимости государства.
Солнечная энергия. По мнению ученых, в настоящее время человек потребляет в виде ископаемого топлива лишь одну десятую часть солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Для использования энергии солнца необходимо создание установок для накопления энергии солнца и преобразования ее в электрическую:
• солнечные батареи (станция «Мир», бытовые). Идея академика РАН Л.Ф. Иоффе о размещении солнечных бытовых батарей на крышах (1938) в России не прижилась, а в Европе и других странах нашла свое воплощение: в Германии 100 тыс. крыш; в Японии 200 тыс. крыш; в США — 1 млн. крыш. Солнечное электричество сегодня это всего 2 ГВт (гигаватт) в год. а к 2030 г. увеличится до 150 ГВт.;
• Коллекторы (солнечное тепло + вода, как накопитель) пли (солнечное тепло + воздух через щебень, гальку как накопитель);
• «энергетические башни» - на емкость с жидким натрием фокусируется 2000 зеркал (S ¦ 3,5 кв. км), нагрев, преобразование;
• пассивное использование (теплицы, «стена Торма»), Между 40-выми градусами северной и южной широты живет 80% населения Земли (т.е. в странах с большим числом солнечных дней в году).
Экологически чистая электростанция, использующая энергию Солнца, построена на юге Испании немецкой фирмой. Аналогичная угольная станция в год выбрасывала бы в атмосферу 30 тыс. тонн двуокиси углерода. По достижении проектной мощности она будет производить 30 млн. кВт/ч. электроэнергии в год, что достаточно для снабжения 12 тыс. домашних хозяйств. Кроме того, снабжение новых жилых домов горячей водой на 30-70% должно обеспечиваться за счет солнечной энергии.
Установка из 100 тыс. фотогальванических панелей сине-зеленого цвета занимает площадь в 500 тыс. кв. м, что соответствует площади 71 футбольного ноля.
Долина Бенейксама является идеальным местом для этого энергообъекта не только потому, что здесь более 300 солнечных дней в году. Летом панели сильно нагреваются, из-за чего снижается их эффективность, поэтому еще одно преимущество Долины состоит в наличии естественной вентиляции: здесь часто дует ветер, немного охлаждающий панели.
11спанпя только начинает развивать альтернативную энергетику, используя свой главный природный ресурс – солнечную энергию. В соседней Португалии также введена в строй электростанция, работающая на энергии Солнца, которую местные специалисты называют крупнейшей в мире. Ряды вырабатывающих электроэнергию солнечных панелей занимают площадь около 60 га в самой солнечной европейской долине на юге страны.
Ввод в эксплуатацию установки должен помочь Португалии снизить зависимость от импорта топлива и сократить выбросы в атмосферу парниковых газов, которые способствуют глобальному потеплению.
11-мегаваттная станция состоит из 52 тысяч фотогальванических модулей, которые будут суммарно производить до 20 ГВт/ч. электроэнергии в год.
Лунное тяготение вызывает приливы и отливы вод Мирового океана. Средняя высота прилива - 0,5 м. Но когда масса воды переметается в узких пределах - в 10-20 раз выше. При колебании уровня воды более 2 м - современные технологии могут использовать этот источник энергии, в частности, для строительства электростанций, работающих на приливах и отливах океана.
Интерес к технологии преобразования энергии прилива в электрическую энергию проявился в середине XX века. Наша страна приняла активное участие в этих исследованиях. В 1968 г. на берегу Баренцева моря была построена экспериментальная Кислогубская ПЭС ( мощность 0,4 МВт).
В отличие от ГЭС приливные станции не зависят от времени года п не требуют строительства объемных накопительных бассейнов - водохранилищ, турбины ПЭС работают в двух направлениях.
В мире существует уже 10 приливных станции, самая крупная «Ля Ране» - 240 МВт (Франция).
Река Раис подвергается воздействию высоких приливов -до 13,5 м. Это относительно узкая река, и прилив идет вверх вдоль ее берегов с большой скоростью. Плотина для задержки вод высокого прилива длинной 0,8 км расположена в 4,8 км выше устья реки (защита от прямого воздействия открытого моря). Электрическая энергия вырабатывается при приливе и отливе, 24 турбины вырабатывают 320 МВт электроэнергии. При этом используется подкачка воды, как элемент продления рабочего периода.
Пока это только Эксперименты - широкого применения эта технология не получила. Причина? - Экономика! Пока проект «Ла Рапс» в 2,5 раза дороже речной гидростанции, но перспектива бесспорна, так как места, где приливы могли бы быть использованы для выработки электроэнергии, есть во всем мире. Вот некоторые из них.
| Ср.величина разницы между уровнем прилива и отлива,м | Ср. возможность выработки элек- троэнергии, МВт | |
| Северная Англия | 9.8 | |
| Мои Сен-Мишель, Франция | 8,4 | |
| Белое море, Россия | 5,7 | 14.100 |
| Залив Фанди:близ Бостона, США | 5,5 | |
| Майпакс-Кобеквист, Канада | 195Q0 |
Источник: Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. М.: Мир, 1995.
На Кислогубской ПЭС после почти двадцатилетнего перерыва работы возобновлены - была разработана и изготовлена так называемая ортогональная конструкция турбины диаметром 2.5 м. Суть в том, что во время прилива и отлива направление ее вращения не меняется. Это позволило радикально Упростить конструкцию турбины, повысив ее КПД с 10 до 70% п снизить себестоимость па 30-40% (разработчик НИИ энергетических сооружений, изготовитель завод «Севмаш»). По расчетам специалистов «ГидроОГК» в России на приливных электростанциях можно получать почти 270 млрд. кВт/ч., т.е. более 20% текущего энергопотребления.
Сегодня в России существуют еще два варианта проектной проработки крупных приливных электростанций: Мезенская ПЭС (Баренцево море) и Тугурская ПЭС (Охотское море) -там приливы достигают наибольшей высоты.
Геотермальная энергия (в районах вулканической деятельности). Тепло, излучаемое раскаленной массой ядра земли, достигающее поверхности земного шара. Часть тепла, переносимая магмой, рассеивается вулканами в атмосферу и на поверхность земли. Другая часть идет на разогрев пород: на нагрев жидкости, содержащейся в порах земной коры: гейзеры и горячие ключи или замкнутые подземные циклы переноса тепла. Последние могут быть использованы через скважины (бурение до 10 км) как отопление домов (Исландия - Рейкьявик, 1943 г. - 32 скважины глубиной от 441 м до 2404 м - температура 93-135 градусов). Мировые запасы геотермальной энергии оцениваются в объеме (2-3,5) • 10м кВт/ч. Их используют Исландия, Россия (Камчатка), США, Япония и Италия.
В России в начале 2007 г. завершилось строительство Океанской геотермальной станции на острове Итуруп (один из крупнейших Курильских островов, Сахалинская область), которая вышла на стартовую мощность 2,5 МВт.
Расширить мощности Океанской геотермальной станции планируется в три этана. На первом этапе предполагается обеспечить выработку 3,6 МВт, на двух других предполагается увеличить до 12,0 МВт - такими возможностями обладает Океанское парогидротермальное месторождение. Это позволит удовлетворить потребности промышленных предприятий, будущего аэропорта «Итуруп» и решить в районе проблему теплоснабжения, отказавшись от привозного топлива.
Гидроэнергетика. Утилизация энергии водных потоков. Гидроэлектростанции, в горах их каскады. Мельницы па малых реках.
В России основной гидроэнергетический потенциал (около 80%) сегодня сосредоточен в Сибири и па Дальнем Востоке и весьма ограничен в центральной части страны. Поэтому новая стратегия, с точки зрения регионального распределения, несколько отличается от прежних планов: в Центре и на Северо-западе предусмотрено строительство гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). они нужны для обеспечения эффективности работы энергосистемы в целом.
Строится Загорская ГАЭС-2 в Подмосковье, закончен тендер по доработке проекта Ленинградской ГАЭС. планируется еще ряд гидроаккумулирующих станций - Волоколамская, Центральная, Курская.
На Кавказе существует дефицит электроэнергии, переток обеспечивает центр страны, но этого не хватает. Там есть свои проблемы: горные реки со скалистыми берегами представляют сложность для нового строительства. Тем не менее, сейчас на этих территориях довольно активно ведется повое строительство.
В Сибири и па Дальнем Востоке принята иная схема развития: по существу, там необходимо вводить мощности, если есть потребитель. Поэтому потребитель должен либо появиться сам по себе, что маловероятно, либо нужно способствовать его появлению. Речь идет и об экспорте в Китай, ибо гораздо эффективнее экспортировать электроэнергию, нежели нефть и газ. Но при этом нельзя забывать, что выработка электроэнергии надушу населения сегодня находится на уровне 10-12 тыс. кВт/ч., в России - 6 тыс. кВт/ч., н Китае -1 тыс. кВт/ч., в Индии - 600-700 кВт/ч.
Энергия ветра. Из возобновляемых источников энергии наиболее эффективной является энергия ветра, которая может использоваться в хозяйственных целях значительно шире, чем сегодня. Потенциальные возможности применения энергии ветра практически не ограничены в большинстве природных зон,
В настоящее время в мире функционирует более 40000 ветроэлектрических агрегатов, суммарная мощность которых превышает 73900 МВт (но данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации WWEA за 2006 г). Мировыми лидерами являются компании Vestas (Дания), General Electric (США), Nordex (Германия).
Диапазон мощностей современных ветроэлектрических станций составляет от сотен ватт до нескольких мегаватт. Крупнейшая в Европе ветроэлектрическая станция мощностью ПО МВт построена в Швеции в 2007 году.
Суммарное число ветроэлектростанций в мире ежегодно увеличивается на 20-30%. По данным Евростата объем выработки электроэнергии с помощью ветра с 2000 по 2007 гг. вырос в 1,5 раза, а мощность Европейских ветряков составила 33,6 ГВт.
При этом ВЭС не нарушают природного баланса энергии на планете. Это безотходное, экологически чистое производство электроэнергии для различных целей: зарядки аккумуляторов и накопления электроэнергии, энергоснабжения различных объектов и удаленных муниципальных образовании (освещение улиц, отопление зданий, домов, ферм, электрификация полевых станов и зернохранилищ и др.), а также подача электроэнергии в сети централизованного и локального электроснабжения.
В настоящее время доля ветроэнергетики в энергобалансе Европы составляет примерно 5,5%, а к 2010 г. должна достичь 12"о. По оценкам промышленных экспертов, многие страны, включая СЛИЛ, Канаду, Великобританию. Германию, Австрию и Данию, легко могли бы обеспечивать 20-40% своих потребностей электроэнергии за счет ветряных турбин. В этих странах развитию ветроэнергетики уделяется особое внимание, причем на государственном уровне: с инвестициями, позитивной банковской и налоговой политикой, поощряющей это важное направление энергопроизводства. Безусловным лидером является Германия, где доля ветроэнергетики на начало 2008 г.
достигла 13,3%.
Энергия ветра улавливается даже малыми установками, но нужны преобразователи. В Голландии ветряки (их сейчас 5000) работают более 500 лет. В США сегодня получили распространение многолопастные ветряки.
Ядерная энергетика. Колоссальная ресурсная база в виду широкого распространения радиоактивных веществ. Обыкновенные граниты содержат уран - 4 г/т. Всего в верхнем километровом слое земной коры содержится количество урана, достаточное для производства в реакторах 4,2x10-' Дж энергии. Для океана аналогичная величина составляет 1,263х10-'Дж.
По подсчетам специалистов, если мы сможем извлечь энергию лишь 1% дейтерия, находящегося в океане, это обеспечит мировые потребности в энергии па уровне 2000 г. в течение 100 млн. лет - т.е. неограниченного срока.
Между тем на Земле есть и другие виды так называемой альтернативной энергии, но мнению ученых их много. Например, биотопливо, тепловая энергия океана, энергия морских воли, которые носят в основном разрушительный характер, размывая береговую линию. Уже сейчас в этих направлениях ведутся научные исследования. Известен целый ряд разработок волновых преобразователей, в частности поплавковая ГЭУ, плот Коккереля, качающаяся «утка» Солтера, осциллирующий и пульсирующий водяной столб, реактивные и пневматические Преобразователи волн. Конструкция последнего представляет собой гигантский вертикальный многоцилиндровый газовый компрессор, поршнями которого является вода.
Япония и США испытывают уникальные установки, в которых парниковые газы, опасные для окружающей среды, нейтрализуют с помощью зеленых водорослей, при этом попутно производятся электроэнергия и биотопливо.
В ближайшее время в Японии начнут работу первые промышленные электростанции, работающие на топливе из морских водорослей.
В природе существуют зеленые водоросли, способные к быстрому размножению под действием СО2, Токуо Gas и NEDO создали систему брожения биомассы таких водорослей с применением микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых выделяется метан. Топливо направляется в газовый двигатель, вращающий электрический генератор. На опытной станции TOKYO Gas такая установка перерабатывает тонну водорослей в день, создавая около 20 тыс. литров метана. Для повышения мощности генератора к газу, полученному от водорослей, примешивают природный газ. В результате мощность выработки составляет 10 кВт, что достаточно для снабжения 10 домов. При этом, поскольку при споем росте такие водоросли полностью поглощают углекислый газ. сжигание метана здесь не приводит к вредным выбросам.
Американские специалисты пошли еще дальше. В опытной промышленной установке, работающей на одной из ТЭЦ в штате Аризона, выброс тепловой станции превращается в биодизельное горючее. Через колбы пропускают дымовой газ, полученный состав проходит через сушилку, которая отделяет воду и направляет ее обратно в биореактор. Далее из биомассы получают дизельное топливо. Можно смонтировать любое оборудование и получать метан для производства электроэнергии, как в Японии, а также спирт и водород.
В отличие от других объектов собственности, природные ресурсы обладают следующими свойствами:
• они не созданы трудом людей, поэтому не могут быть полностью восстановлены при их исчерпании;
• источники природных ресурсов без внешнего воздействия на них могут сохраняться достаточно долгое время;
• они индивидуальны по своим свойствам,
• по мере исчерпания ценность природных ресурсов возрастает.
В соответствии с установившимся международным правом (традицией) ресурсы принадлежат населению, проживающему па территории, где они расположены, хотя... изначально они являются «собственностью» природной системы.
Особое место среди природных ресурсов занимают минерально-сырьевые ресурсы.
5.3. Минерально-сырьевые ресурсы земных недр
Минерально-сырьевые ресурсы земных недр разделяют по основным видам потребительной ценности на горючее или ископаемое топливо, металлические и неметаллические ресурсы.
Сегодня, исходя из технических возможностей извлечения и соображений экономического характера, минеральные ресурсы (MР) подразделяются на
- ограниченные;
- практически не воспроизводимые, а потому исчерпасмыс природные ресурсы.
Сегодня большинство металлов добывается из руд, представляющих собой концентрированные скопления полезных элементов.
Различают кондиционные и некондиционные геологические запасы. Значимые на практике, т.е. кондиционные запасы, в десятки тысяч раз меньше фактически рассеянных в недрах земной коры.
| Запасы | Имеется в земной коре | Значимые на практике (кондиционные) |
| Алюминий | 2 квадротриллиона т | 25 млрд т |
| Железа | 1,4 квадротриллиона т | 730 млрд. т |
| Меди | 1.5 квадротриллиона т | 1,4 млрд. т |
| Титана | 154 триллиона т | 3,6 млрд. т |
К тому же лишь меньшая часть этих ресурсов достаточно надежно разведана и еще меньшая часть может быть извлечена с приемлемым экономическим эффектом. Так, из 10 трлн. т мировых запасов угля можно извлечь достаточно эффективно примерно 3,8 трлн. т, и только 0.64 трлн. т сравнительно надежно подтверждены геологической разведкой.
«Соображения экономического порядка»: невыгодно разрабатывать из-за
- большой удаленности от потребителя и необжитости региона;
- сурового климата;
- глубокого залегания и сложных горно-геологических условий.
Условное топливо «У.Т.» - теплота сгорания 1 кг твердого или 1 м2 газообразного вещества, равная 7000 ккал или 29,3мдж.
Неравномерное распределение по территории земного шара MP. 50% мировых ресурсов нефти - на Ближнем Востоке. 95% мировых ресурсов угля - в России. США, Китае.
По характеру использования MP делятся на материальные и энергетические. Но это деление условно. Металлы - да (в сфере материального производства). А нефть, газ, уголь - не только источники энергии, но и сырье для производства разнообразных материалов, сырье для нефтехимической промышленности.
Нефть Теплота сгорания 10400-11000 ккал/кг (43,7-46,2 мдж/кт).
Бензин, реактивное топливо, осветительный керосин, дизельное топливо, мазут
Пропилеи - важное сырье химического производства
Синтетические полимеры, красители, лекарства
Газ Синтетические полимеры, красители, лекарства.
В химической промышленности - формальдегиды (основа...) Ацетилен, сероуглерод, хлороформ, синильная кислота
Сланец Теплота сгорания - 14,6-16,7 мдж/кг (2,0-3,5 ккал/ кг) (запасы 460 млрд. т - 1974 г.) - более 1000 компонентов производства - белые масла, клей эпоксидный
Уголь Бурые - 2000-3000 ккал/кг
Каменный - до 8000-9000
Адсорбенты (противогазы, фильтры...)
Жидкие продукты
Метан на действующих шахтных полях - 831,9 млрд. куб.м
Всего 17551 млрд. куб. м (30% от запасов природного газа)