Геофизическая энергия (возобновляемая энергия)

Для того чтобы узнать, какие источники энергии относятся к аль­тернативным, следует вначале тщательно проанализировать схему энергетического баланса Земли. Рассмотрим сначала геотермальную, гравитационную и солнечную энергии; эти источники энергии назо­вем геофизическими. По сравнению с органическим топливом коли­чество энергии, которое можно получить от этих трех источников, относительно легко оценить. Проанализируем методы, с помощью которых геофизическая энергия может быть преобразована в полез­ную работу, оценим конечные ресурсы каждого вида энергии.

Гидроэнергия.

Преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в водоемах, в механическую энергию вращения с целью приведения в действие мельниц и других механизмов применялось со времен Римс­кой империи. Преобразование гидроэнергии в электрическую энер­гию стало возможным в конце XIX в. благодаря открытиям физики и техническому прогрессу. Крупные гидроэлектростанции начали по­являться на рубеже XIX и XX вв.

Физические принципы процесса преобразования энергии падаю­щей воды в электроэнергию в действительности просты, однако тех­нические детали достаточно сложные. Вода под напором, создавае­мым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор ге­нератора, вращающийся в магнитном поле статора. Выработка элек­троэнергии зависит от потенциальной энергии воды, запасенной в водоеме, и КПД ее преобразования в электроэнергию.

Мощность гидроэлектростанций (ГЭС) зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегата; этот перепад называется на­пором. Вода, поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, и поэтому на высоконапорной электростанции требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше необходимые габариты турбины, что удешевляет стоимость всего сооружения. Но высокий напор не всегда удается создать; мощность ГЭС и количество вырабатываемой ею электроэнергии в основном зависят от топографических условий в районе размещения водохра­нилища и ГЭС.

Водохранилища, образованные плотинами, могут оказывать вред­ное воздействие на окружающую среду. Они могут приводить к унич­тожению уникальной флоры и фауны, сокращению стока реки, пре­кращению сезонных паводков (Асуанский гидроузел), нанесению ущерба ландшафту района расположения водохранилища. Кроме того, все водотоки несут с собой наносы, которые, оседая в водохра­нилищах, снижают их полезную емкость. Поэтому полезное исполь­зование водохранилищ продолжается всего от 50 до 200 лет. Многие гидроэлектростанции были построены в засушливых районах. Созда­ние в таких районах крупных водных поверхностей в долгосрочной перспективе должно вызывать климатические изменения, иногда же­лательные. И наконец, образование крупного водохранилища созда­ет очень большое давление на малый участок поверхности земли. Об­разующиеся в результате этого напряжения в породах, слагающих дно водохранилища, если их не снимать, могут создать потенциаль­ную угрозу землетрясения.

Поэтому целесообразно развитие ГЭС малой мощности, в основ­ном на уже существующих водохранилищах.

Вместе с тем существуют и другие возможности использования водной энергии — приливные гидростанции (ПЭС). В некоторых районах мирового океана наблюдается очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижней отметками прилива достигает 10 м. Если открыть шлюз в дамбе в то время, ког­да приливная волна набирает высоту, дать возможность заполнить­ся водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турби­ны и таким образом выработать электроэнергию. Еще лучше, если турбины могут быть сконструированы реверсивными; в этом случае они будут работать как при заполнении водохранилища, так и при его опорожнении. Совершенно очевидно, однако, что выработка элек­троэнергии на ПЭС возможна лишь в определенное время суток, и это затрудняет использование приливной энергии в крупной энерго­системе.

Значение суммарного энергетического потенциала приливов ми­рового океана по оценке составляет 13 ГВт, что очень немного по сравнению с гидроэнергетическим потенциалом речного стока. Ко­нечно, данная оценка может иметь серьезные погрешности, но мало­вероятно, чтобы их устранение внесло принципиальные изменения в вывод о том, что приливная энергия не может внести существенного вклада в покрытие энергетических потребностей человечества в бу­дущем. Вместе с тем следует отметить, что использование энергии приливов в целях выработки электроэнергии для местных нужд име­ет явные преимущества.

Энергия приливов не образует вредных отходов и не растрачива­ет невосполнимых минеральных ресурсов, наносимый ущерб эколо­гии и эстетике местности невелик. Представляется логичным осваи­вать энергию приливов там, где сочетание топографического и энергетического факторов делает это экономически целесообразным и технически возможным.

Ветровая энергия.

Ветровая энергия продолжительное время использовалась в мо­реплавании, а также для приведения в движение мельничных колес. В последнее время она начала использоваться для выработки электро­энергии. Большинство ветроэнергетических установок имеет мощ­ность несколько киловатт, и используются они в отдаленных местах, например на морских маяках.

Со времени энергетического кризиса 1973-1974 гг. в развитие вет­ровой энергетики были вложены значительные средства. Было пост­роено несколько экспериментальных установок разной конструкции. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, все еще высока по сравнению с электроэнергией, полу­чаемой на базе органического топлива. Кроме того, выявились неко­торые проблемы, связанные с электрическими помехами. Тем не менее ветровую энергию следует рассматривать как энергетический ресурс.

Ветроэнергетическая установка предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в энергию вращении рото­ра генератора, который и вырабатывает электроэнергию. Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрово­го ротора и скорости ветра (в кубе). Поэтому ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость вет­ра в среднем не бывает очень большой.

Одной из самых сложных проблем, препятствующих широкому распространению ветроэнергетических установок, является постоян­но меняющаяся скорость ветра. Даже высоко в горах нельзя рассчи­тывать на стабильную скорость ветра. Кроме того, электроэнергия начинает вырабатываться этими установками тогда, когда дует ве­тер, а не тогда, когда она необходима. К сожалению, удобного, эф­фективного и экономичного способа запасать электроэнергию в боль­шом количестве еще нет.

Отношение к ветроэнергетическим установкам до сих пор неодноз­начно. Считается, что широкое развитие ветровой энергии может привести к заметным климатическим изменениям.

Геотермальная энергия.

Этот вид энергии некоторые причисляют к неисчерпаемому, эко­логически чистому источнику энергии будущего. Чтобы понять, на­сколько это соответствует действительности, необходимо вниматель­но проанализировать принципы использования геотермальной энергии. Принцип вы­работки электроэнергии на современной геотермальной электростанции (ГеоТЭС) тот же, что и на ТЭС, работающей на орга­ническом топливе: теплота, получаемая в данном случае из недр Зем­ли, используется для выработки пара, который вращает турбоагрегат. КПД ГеоТЭС из-за низкой температуры пара меньше, чем ТЭС на органическом топливе. Кроме того, пар, поступающий из недр Зем­ли, загрязнен, иногда значительно, растворенными в нем солями.

Для удаления нежелательных химических примесей в схеме ГеоТЭС предусмотрен сепаратор пара. В последующем эти химические веще­ства могут быть использованы в качестве промышленного сырья. Из конденсатора поступает чистая вода, которая может использоваться в хозяйственных целях. Для конденсации отработавшего пара исполь­зуется внешнее охлаждение — возможно охлаждение с помощью гра­дирен, а получаемая вода может вновь закачиваться через скважины в недра Земли для ее дальнейшего включения в процесс теплообмена. В более простых схемах отдельные компоненты могут отсутствовать.

Если бы земная кора, мантия и ядро были однородными, тепло­вой поток повсюду был бы равномерным, тепловое излучение земно­го ядра было бы непригодно для использования. Однако земная кора неоднородна, и вулканическая деятельность и наличие горячих ис­точников во многих районах служат доказательством того, что маг­ма в этих местах относительно близко подступает к поверхности зем­ли. В отдельных районах, где магма близко подходит к водонесущим породам, которые к тому же сверху перекрыты непроницаемой скаль­ной породой, создаются благоприятные условия для образования пара. Путем бурения скважин этот пар, часто имеющий температуру от 100 до 300°С, можно извлекать из недр земли для использования. Иногда такой пар через естественные трещины или расщелины вы­ходит на поверхность в форме гейзеров. Эта гипотеза образования пара не доказана, поскольку еще не проводились соответствующие исследования процесса теплообмена между источником теплоты и водоносными пластами.

Оценить ресурсы геотермальной энергии — задача трудная; лю­бая количественная оценка на сегодняшний день, вероятно, неточна, однако не настолько, чтобы серьезно изменить сделанные выводы. Использованный метод оценки состоял в обследовании всех извест­ных в мире районов геотермальной активности и определении коли­чества теплоты, содержащейся в этих районах на глубине до 19 км. При этом методе геотермальные ресурсы были оценены в 4∙10²² Дж. Допустим, что из этого количества энергии 1% может быть преобра­зован в электроэнергию при КПД = 25%. В этом случае общее произ­водство электроэнергии составит 10²⁰ Дж. Для выработки такого ко­личества электроэнергии, скажем за 50 лет, понадобилось бы построить геотермальные электростанции общей установленной мощ­ностью 60 ГВт. Однако эта мощность одного порядка с мощностью, которую можно получить при освоении всего потенциала прилив­ной энергии.

Чтобы приступить к освоению этого относительно небольшого источника энергии, необходимо сначала решить несколько техноло­гических и экологических проблем. Широкое освоение геотермаль­ной энергии будет возможно, когда она станет конкурентоспособ­ной по сравнению с другими энергоресурсами. Большая часть затрат на ее освоение связана в настоящее время с бурением скважин, необ­ходимых для извлечения из недр пара или горячей воды. Эти скважи­ны не столь глубокие, как нефтяные, однако их диаметр больше (до­стигает 60 см). Высокое содержание солей в геотермальной воде приводит к тому, что через несколько лет работы происходит заку­порка скважин. В результате их необходимо прочищать или требует­ся пробуривать новые скважины в другом месте, что связано с допол­нительными расходами. По большинству скважин поступает не пар, а горячая вода; в этом случае КПД процесса выработки электроэнер­гии меньше. Отбор теплоты из геотермального источника происхо­дит обычно быстрее, чем ее возмещение за счет естественного про­цесса. В результате со временем температура пара или горячей воды начинает снижаться, уменьшается также их поступление на поверх­ность. Это означает, что наступает исчерпание источника геотермаль­ной энергии. Чтобы предотвратить этот процесс, под землю под вы­соким давлением должна закачиваться вода, что связано с определенным риском. Такая закачка вызывала сдвиги земной коры вдоль линий разрывов.

На пути к широкомасштабному использованию геотермальной энергии стоит много нерешенных проблем, которые необходимо пре­одолеть до того, как будут сделаны крупные капитальные вложения в освоение этого источника энергии. Руководствуясь историческими фактами, можно прийти к выводу, что если крупные капиталовложе­ния будут сделаны, то эксплуатация геотермального источника бу­дет осуществляться вне зависимости от того, какими будут послед­ствия для окружающей среды.

Солнечная энергия.

Рассмотренные выше геофизические источники энергии могут обеспечить в последующие десятилетия лишь незначительную часть потребностей в энергии и оказаться неприемлемыми для освоения в крупных масштабах. Органическое топливо, рассмотренное ранее, является невозобновляемым ресурсом, и его использование связано с нанесением значительного ущерба окружающей среде.

Необходимо располагать неисчерпаемым дешевым и возобновля­емым источником энергии, не загрязняющим окружающую среду. Таким источником является Солнце. Поток солнечного излучения со­ставляет около 3,8∙10²⁶ Вт и представлен всем спектром электромаг­нитных волн. Однако основная его масса приходится на ультрафио­летовую, видимую и инфракрасную части спектра. Энергетическая освещенность земной атмосферы составляет примерно 1,4 кВт/м², а поверхности Земли — около 1 Вт/м². Пока не существует экономич­ного способа преобразования этой энергии в электрическую. Прохо­дят испытания нескольких установок для отработки такой техноло­гии преобразования.

Наиболее подходящим направлением преобразования солнечной энергии в полезную работу является ее использование для замещения органического топлива при получении теплоты в парогенераторе. Од­нако, как и при применении органического топлива, КПД преобра­зования ограничивается диапазоном температуры рабочего тела, в данном случае — пара. Поскольку создание и эксплуатация очень крупных коллекторных систем для концентрации солнечных лучей является делом сложным, в настоящее время в таких системах удает­ся получить пар, как правило, с относительно небольшой температу­рой. Как следствие, КПД преобразования солнечной энергии в элек­троэнергию в таких установках может составлять около 10%. Чтобы получить 1 ГВт электрической мощности, потребовалось бы 10 ГВт мощности солнечного излучения.

В создании системы таких масштабов и связанного с ней другого оборудования имеются определенные технические трудности. Кроме того, непомерно высока ее стоимость по сравнению с ТЭС на органи­ческом топливе и даже АЭС. Подсчитано, что стоимость электроэнер­гии, производимой опытной солнечной установкой башенного типа в Барстоу, почти в 10 раз превышает стоимость электроэнергии, про­изводимой ТЭС на органическом топливе.

Ядерная энергия.

Если предположить, что начнется более широкое использование угля, то органических топлив, возможно, хватит на четыре-пять де­сятилетий для обеспечения потребностей человечества в энергии. После этого периода основным энергоресурсом может стать или не стать солнечная энергия. Практически уже сейчас ощущается необ­ходимость иметь источник энергии на этот переходный период, при­чем этот источник должен быть практически неисчерпаемым, деше­вым, возобновляемым и не загрязняющим окружающую среду. И хотя ядерная энергия не отвечает полностью всем перечисленным требованиям, она продолжает развиваться. Вероятно, что именно она будет этим «переходным» источником энергии по той простой причи­не, что никакой другой вид энергии, который был бы столь же дос­тупным, пока не найден.

Освобождение и использование ядерной (у нас в стране сложилось название «атомной») энергии является одним из крупнейших дости­жений науки в XX в.

Это великое открытие, к сожалению, было прежде всего исполь­зовано в военных целях (вспомним о взрывах американских атомных бомб6 и 9 августа 1945 г. над японскими городами Хиросимой и На­гасаки) и только позднее в мирных.

Современная атомная энергетика зиждется на экспериментально установленном факте деления тяжелых ядер элементов (урана, плу­тония, тория) в результате попадания в ядро нейтрона, благодаря чему развивается цепная реакция с выделением огромного количества энер­гии (тепла).

Интересно отметить, что один из трех названных элементов — плутоний — практически на Земле не встречается. Это не помешало, однако, добытому в ядерных реакторах плутонию, ²³⁹Р и, стать наря­ду с ураном важнейшим ядерным топливом.

Важно заметить, что масса тяжелого ядра (урана, плутония или тория) до ядерной реакции несколько больше суммы масс продук­тов, получаемых в результате, т. е. мы имеем здесь дело с так называ­емым дефектом массы — явлением, связанным с огромным энерго­выделением.

Ядерные реакции с огромным энерговыделением могут происхо­дить и в результате синтеза ядер элементов, обладающих малым атом­ным весом, например изотопов водорода — дейтерия и трития. Но это уже термоядерная реакция,

Существенно отметить, что число нейтронов, являющихся истин­ными инициаторами реакции деления тяжелых ядер, в результате ре­акции увеличивается, во всяком случае, оно больше единицы. Это и создает возможность цепной реакции.

В настоящее время в качестве ядерного топлива в реакции деления ядер используются обогащенный природный уран и искусствен­но полученный плутоний. Что касается тория, то он пока не получил применения в ядерной энергетике, хотя его запасы, по-видимому, больше, чем урана, и многие специалисты рассматривают торий как перспективное ядерное топливо.

Производная энергия.

Как уже отмечалось, к производной энергии относятся энергоно­сители в виде пара, горячей воды (тепловой энергии), сжатого возду­ха, электроэнергии, кислорода и др., которые широко используются в самых различных технологических процессах, а также в быту. Для их производства применяются, как правило, первичная энергия (топ­ливо), а также соответствующие виды производной (преобразован­ной) энергии. Для производства преобразованной энергии служат различные энергоисточники:

• традиционные (тепловые электрические станции — ТЭС, атом­ные (ядерные) электрические станции — АЭС, котлы, компрессор­ные установки и т.д.);

• установки на вторичных ресурсах (котлы-утилизаторы, тепло­вые насосы, холодильники и т.п.);

• нетрадиционные (альтернативные) — ветроэнергоустановки, биореакторы, гелиоподогреватели и др.

Работоспособность (или, иначе говоря, энтальпию, т.е. теплосо­держание) любого из этих теплоносителей определяет сумма их внут­ренней энергии и потенциальной энергии источника.

Дадим краткую характеристику основных видов энергоносителей.

Пар водяной.Это вода в газообразном состоянии. Различают на­сыщенный пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью (водой), и перегретый пар, имеющий температуру Т_П боль­ше температуры насыщения Т_И для данного давления. Водяной пар — рабочее тепло паровых турбин и машин. Пар также широко исполь­зуется как высокотемпературный теплоноситель для сушилок, тер­мической обработки и др.

Для равновесной термодинамической системы существует функ­циональная связь между параметрами состояния, которая называет­ся уравнением состояния. Такие параметры простейших систем, ко­торыми являются газы, пары и жидкости, связаны термическим уравнением состояния вида:

f(p,u,T) = 0.

На основании теории, разработанной М.П. Вукаловичем и др., было получено численное уравнение состояния водяного пара, на основании которого составлены таблицы и диаграммы свойств во­дяного пара для различных температур и давлений. Эти диаграммы и таблицы нужны для практических расчетов всех теплоэнергетиче­ских процессов, в которых используется водяной пар.

Вода.Жидкость без запаха, вкуса, цвета, химическая формула Н₂О.Плотность 1000 кг/м³ при температуре 3,98°С. При 0°С пре­вращается в лед, при 100°С — в пар. Вода — обязательный компо­нент практически всех технологических процессов, как промышлен­ных, так и сельскохозяйственных. Особенно широко вода применяется в теплотехнике как энергоноситель для производства и переноса тепловой энергии.

В нашей стране с использованием го­рячей воды разработаны и реализованы многочисленные центра­лизованные системы теплоснабжения для отопления и горячего во­доснабжения жилых, социальных и производственных зданий и технологических потребителей. Распространенный источник тепло­снабжения теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и отопительные и про­изводственно-отопительные котельные.

Электрическая энергия (электричество).Определяют как совокуп­ность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Электрическая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами производной энергии — возможность получения практически любых количеств энергии как от элемента размером со спичечную головку, так и от турбогенераторов мощнос­тью более 1000 МВт, сравнительная простота ее передачи на рассто­яние и легкость преобразования в энергию других видов. Основная проблема — это ее хранение. Здесь возможности ограничены.

В настоящее время трудно представить себе жизнь без электроэнер­гии. Так, в США на долю электроэнергии приходится около 45% про­изводимой энергии. Электроэнергия находит применение и в электро­мобилях, и в производстве водородного топлива, в том числе и из воды.

Воздух.Это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот (78,08%), кислород (20,95%), инертные газы (0,94%), углекислый газ (0,03%). Плотность 1,293 кг/м³, растворимость в воде 29,18 см³/л. Благодаря кислороду, содержащемуся в воздухе, он используется как химический агент в различных процессах (сжигание топлива, вып­лавка металлов из руд, получение многих химических веществ). Воздух важнейшее промышленное сырье для получения кислорода, азота, инертных газов. Используется как теплоизоляционный и зву­коизоляционный материал.

Кроме этого сжатый воздух рабочее тепло для совершения ме­ханической работы (пневматические устройства, струйные и распы­лительные аппараты и др.).

Кислород. Химический элемент, в свободном виде встречается в двух модификациях — О₂ («обычный») и О₃(озон). О₂— газ без цвета и запаха, плотность — 1,42897 кг/м³. В химической практике самый активный неметалл. С большинством других элементов (водородом, многими металлами и др.) кислород как окислитель взаимодейству­ет непосредственно и с выделением энергии. Процесс окисления по мере повышения температуры и роста скорости реагирования пере­ходит в режим горения. Разновидностью последнего можно назвать взрыв (детонация). Кислород (или обогащенный им воздух) приме­няется в металлургии, химической промышленности, при космичес­ких полетах, подводном плавании, в медицине. Жидкий кислород — окислитель ракетного топлива.

Использование кислорода в качестве окислителя вместо воздуха многократно увеличивает скорость горения (окисления), снижает объем образующихся продуктов горения.