Энергетика мира

установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная

–53 кВт; 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 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 энергии. 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.

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 от Земли в 400 раз дальше,

гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды 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.

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

[pic]

где р – плотность воды, g – ускорение свободного падения, S –

площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее

подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы

имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить

большие замкнутые «бассейны».

Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20

МВт. Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была

построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную

электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива

Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы

пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и

мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку

крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую

приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило

дорогостоящий проект.

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. 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.

Энергия морских течений. Неисчерпаемые запасы кинетической энергии

морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в

механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду

(подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

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. Энергию Р, которую несет такой поток воды со

скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в ваттах):

[pic]

где т–масса воды (кг), р–плотность воды (кг/м3), А–сечение (м2), v–

скорость (м/с). Подставив цифры, получим 50000МВт. 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.

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, 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 превышает 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 земли

Тепло от горячих горных пород в земной коре тоже может генерировать

электричество. Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается

холодная вода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который

вращает турбину. Такой вид энергии называется геотермальной энергией. Она

используется, например, в Новой Зеландии и Исландии.

Энергия из отходов

Одним из наиболее необычных видов использования отходов человеческой

деятельности является получение электроэнергии из мусора. Проблема

городских свалок стала одной из наиболее актуальных проблем современных

мегаполисов. Но, оказывается, их можно еще использовать для производства

электроэнергии. Во всяком случае именно так поступили в США, в штате

Пенсильвания. Когда построенная для сжигания мусора и одновременной

выработки электроэнергии для 15000 домов печь стала получать недостаточно

топлива, было решено восполнить его мусором с уже закрытых свалок.

Вырабатываемая из мусора энергия приносит округу около $ 4000 прибыли

еженедельно. Но главное – объем закрытых свалок сократился на 78%.

Разлагаясь на свалках, мусор выделяет газ, 50-55 % которого

приходится на метан, а 45-50% - на углекислый газ и около одного процента -

на другие соединения. Если раньше выделяемый газ просто отравлял воздух, то

теперь в США его начинают использовать в качестве горючего в двигателях

внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии. Только в мае 1993

года 114 электростанций, работающих на газе от свалок, произвели 344 МДж

электроэнергии. Самая крупная из них, в городе Уиттиер, производит за год

50 МДж. Станция мощностью 12 МВт способна удовлетворить потребность в

электроэнергии жителей 20 тысяч домов. По подсчетам специалистов, газа на

свалках США хватит для работы небольших станций на 30-50 лет. Не стоит ли и

нам задуматься над проблемой вторичного использования мусора? При наличии

эффективной технологии мы могли бы сократить количество мусорных

“курганов”, а заодно значительно пополнить и восполнить запасы энергии,

благо “дефицита сырья” для ее производства не предвидится.

Энергия навоза

Казалось бы, что может быть неприятнее навоза? Много проблем связано

с загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств. Большие

количества органического вещества, попадающие в водоемы, способствуют их

загрязнению.

Известно, что теплоцентрали - активные загрязнители окружающей

среды, свинофермы и коровники - тоже. Однако из этих двух зол можно

составить нечто хорошее. Именно это произошло в английском городе

Пиделхинтоне, где разработана технология переработки навоза свиней в

электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в

специальном реакторе подвергаются биологической переработке. Образующийся

газ используется для получения электроэнергии, а переработанные бактериями

отходы - для удобрения. Перерабатывая 70 тонн навоза ежедневно, можно

получить 40 КВт/ч.

Водородная энергетика

Многие специалисты высказывают опасение по поводу все возрастающей

тенденции к сплошной электрификации экономики и хозяйства: на тепловых

электростанциях сжигается все больше химического топлива, а сотни новых

атомных электростанций, как и зарождающиеся солнечные, ветряные и

геотермальные станции, будут во все более широком масштабе работать для

производства электрической энергии. Поэтому ученые заняты поиском

принципиально новых энергетических систем.

КПД тепловых электростанций относительно низок. При этом большая

доля энергии теряется с отходящим теплом (например, вместе со сбрасываемой

из систем охлаждения теплой водой), что приводит к так называемому

тепловому загрязнению окружающей среды. Отсюда следует, что тепловые

электростанции нужно строить в тех местах, где имеется а достаточном

количестве охлаждающая вода, или же в открытых ветрам местностях, где

воздушное охлаждение не будет оказывать отрицательного влияния на

микроклимат. К этому добавляются вопросы безопасности и гигиены. Вот почему

будущие крупные АЭС должны располагаться как можно дальше от

густонаселенных районов. Но тем самым источники электроэнергии удаляются от

ее потребителей, что значительно усложняет проблему электропередачи.

Передача электроэнергии по проводам обходится очень дорого: она

составляет около трети себестоимости энергии для потребителя. Чтобы снизить

расходы, строят линии электропередачи все более высокого напряжения – оно

скоро достигнет 1500 кВ. Но воздушные высоковольтные линии требуют

отчуждения большой земельной площади, к тому же они уязвимы для очень

сильных ветров и иных метеорологических факторов. А подземные кабельные

линии обходятся в 10 – 20 раз дороже, и их прокладывают лишь в

исключительных случаях (например, когда это вызвано соображениями

архитектуры или надежности).

Серьезнейшую проблему составляет накопление и хранение

электроэнергии, поскольку электростанции наиболее экономично работают при

постоянной мощности и полной нагрузке. Между тем спрос на электроэнергию

меняется в течение суток, недели и года, так что мощность электростанций

приходится к нему приспосабливать. Единственную возможность сохранять впрок

большие количества электроэнергии в настоящее время дают

гидроаккумулирующие электростанции, но и они в свою очередь связаны с

множеством проблем.

Все эти проблемы, стоящие перед современной энергетикой, могло бы –

по мнению многих специалистов – разрешить использование водорода в качестве

топлива и создание так называемого водородного энергетического хозяйства.

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно

считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании

водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и

кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей

среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми

неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого

газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических

перекисей и т.п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью:

при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при

сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как

природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ

дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей,

что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади,

чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного

водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км

обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме

переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км

трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной

линии электропередачи постоянного тока с напряжением 40 кВ, а на расстоянии

свыше 900 км – дешевле воздушной линии электропередачи переменного тока с

напряжением 500 кВ.

Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти,

природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в

мире производят и потребляют около 20 млн. тонн водорода в год. Половина

этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а

остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для

гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород

остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

Современные и перспективные методы производства водорода. Сейчас

водород производят главным образом из нефти (около 80%). Но это

неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из

такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания

бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно возрастает по

мере повышения цен на нефть.

Небольшое количество водорода получают путем электролиза.

Производство водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем

выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атомной

энергетики станет дешевле. Вблизи атомных электростанций можно разместить

станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией,

пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена

электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато

расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что

окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с

ценой электроэнергии.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением

технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет

более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный

электролиз водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны

и т.п.

Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в

перспективе) заключается в разложении воды на водород и кислород при

температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили

в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной

энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на

температуру около 1000°С). Поэтому исследователи стремятся разработать

процессы, протекающие в несколько стадий, что позволило бы вырабатывать

водород в температурных интервалах ниже 1000°С.

В 1969 году в итальянском отделении «Евратома» была пущена в

эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая

с КПД 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций,

воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а

остальные реагенты циркулируют в повторных циклах. Другие –

сконструированные установки работали – при температурах 700–800°С. Как

полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять КПД таких процессов

до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить

водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют

тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной перспективе

энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного

газа, а возможно, и в форме электрического тока.

Использование водорода. Когда водород станет столь же доступным

топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заменить. Водород

можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных

печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться

от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.

При сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов

сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для

отопительных устройств, работающих на водороде. Более того, образующийся

при горении водяной пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет

воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением

воздух слишком сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии

строительных расходов, но и повышает КПД отопления на 30%.

Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях

промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в

металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки

электроэнергии на местных тепловых электростанциях.

Заключение

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии

цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область

человеческой деятельности, которая не требовала бы прямо или косвенно

больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. В те

времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на

животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения

огнем эта величина возросла до 16 МДж, в примитивном сельскохозяйственном

обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

Традиционные источники энергии по-прежнему занимают ведущее

положение в мировой электроэнергетике. Однако за каждым новым кубометром

газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться

все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить

всё дороже. Кроме того, природные ресурсы ограничены, и, в конце концов,

человечество будет вынуждено перейти сначала на повсеместное использование

атомной энергии, а потом полностью на энергию ветра, Солнца и Земли.

Альтернативную энергию повсеместно можно будет использовать только

тогда, когда традиционного топлива станет настолько мало, что его цена

станет баснословно высокой; или когда экологический кризис поставит

человечество на грань самоуничтожения. Уже сейчас можно существенно

преуменьшить вероятность парникового эффекта и ликвидировать все

экологически неблагоприятные районы за счёт использования чистой

альтернативной энергии. Однако этого до сих пор не произошло из-за низкой

рентабельности такого строительства. Никто не хочет вкладывать свои деньги

в то, что сможет окупиться только через несколько столетий. Ведь

подготовительные работы для использования любого альтернативного источника

энергии стоят очень дорого, кроме того, они не всегда безопасны как для

людей, так и для окружающей среды. Поэтому моментального введения в

эксплуатацию «правильного» источника электричества ожидать в ближайшее

время не стоит.

Список литературы

1. Волков С.Г., Гидроэнергетика, СПб, 1997г.

2. Непорожний П.С., Попков В.И., Энергетические ресурсы мира, М.,

Энергоатомиздат, 1995г.

3. Источники энергии. Факты, проблемы, решения, М., Наука и техника,

1997г.

Страницы: 1, 2, 3