Практическая работа сравнительная характеристика альтернативной энергетики мира. Энергия электромагнитного солнечного излучения. Угольная промышленность мира

Альтернативные источники энергии — это ветер, солнце, приливы и отливы, биомасса, геотермальная энергия Земли.

Ветряные мельницы давно используются человеком в качестве источника энергии. Однако они эффективны и пригодны только для мелкого пользователя. К сожалению, ветер пока еще не в состоянии давать электроэнергию в достаточных количествах. Солнечная и ветровая энергетика имеет серьезный недостаток — временную нестабильность именно в тот момент, когда она особенно нужна. В связи с этим необходимы системы хранения энергии, чтобы потребление ее могло быть возможно в любое время, но экономически зрелой технологии создания таких систем пока нет.

Первые ветряные электрогенераторы были разработаны еще в 90-х гг. XIX в. в Дании, а уже к 1910 г. в этой стране было построено несколько сот мелких установок. Еще через несколько лет датская промышленность получала от ветряных генераторов четверть необходимой ей электроэнергии. Их общая мощность составила 150-200 МВт.

В 1982 г. на китайском рынке было продано 1280 ветряных турбин, а в 1986 г. — 11 000, что позволило обеспечить электричеством те районы Китая, в которых раньше его никогда не было.

В начале XX в. в России насчитывалось 250 тыс. крестьянских ветряных мельниц мощностью до 1 млн кВт. Они перемалывали 2,5 млрд пудов зерна на месте, без дальних перевозок. К сожалению, в результате бездумного отношения к природным ресурсам в 40-х гг. прошлого века на территории бывшего СССР была разрушена основная часть ветряных и водяных двигателей, а к 50-м гг. они почти совсем исчезли как «отсталая техника».

В настоящее время солнечную энергию используют в некоторых странах в основном для отопления, а для производства энергии — в очень незначительных масштабах. Между тем мощность солнечного излучения, достигающего Земли, составляет 2 х 10 17 Вт, что более чем в 30 тыс. раз превышает сегодняшний уровень энергопотребления человечества.

Различают два основных варианта использования энергии Солнца: физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. При биологическом варианте используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Этот вариант годится для стран с относительно большими запасами леса. Например, Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до трети необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота этого дерева около 4 м, диаметр стволика — более 6 см).

Проблема использования нетрадиционных источников энергии в последнее время особенно актуальна. Это, несомненно, выгодно, хотя подобные технологии требуют значительных затрат. В феврале 1983 г. американская фирма «Арка Солар» начала эксплуатировать первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 МВт. Возведение таких электростанций — дорогое удовольствие. Сооружение солнечной электростанции, способной обеспечить электроэнергией около 10 тыс. бытовых потребителей (мощность — около 10 мМВт), обойдется в 190 млн дол. Это в четыре раза больше, нежели расходы на сооружение ТЭС, работающей на твердом топливе, и соответственно в три раза больше, чем строительство гидроэлектростанции и АЭС. Тем не менее специалисты по изучению солнечной энергии уверены, что с развитием технологии использования энергии Солнца цены на нее значительно снизятся.

Вероятно, будущее энергетики — за ветряной и солнечной энергией. В 1995 г. в Индии приступили к реализации программы по выработке энергии с помощью ветра. В США мощность ветряных электростанций составляет 1654 МВт, в Европейском союзе — 2534 МВт, из них 1000 МВт вырабатывается в Германии. В настоящее время наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Англии, Голландии, Дании, США (только в Калифорнии 15 тыс. ветряков). Энергия, получаемая с помощью ветра, может постоянно возобновляться. Ветряные станции не загрязняют окружающую среду. С помощью ветряной энергии можно электрифицировать самые отдаленные уголки земного шара. К примеру, 1600 жителей острова Дезират в Гваделупе пользуются электричеством, которое вырабатывают 20 ветряных генераторов.

Из чего еще можно получать энергию, не загрязняя окружающую среду?

Для использования энергии приливов и отливов обычно строят приливные электростанции в устьях рек либо непосредственно на морском берегу. В обычном портовом волноломе оставляют отверстия, куда свободно поступает вода. Каждая волна повышает уровень воды, а следовательно, и давление остающегося в отверстиях воздуха. «Выдавливаемый» наружу через верхнее отверстие воздух приводит в движение турбину. С уходом волны возникает обратное движение воздуха, который стремится заполнить вакуум, и турбина получает новый импульс к вращению. Согласно оценкам специалистов, такие электростанции могут использовать до 45 % энергии приливов.

Волновая энергия представляется довольно многообещающей формой из новых энергоисточников. Например, на каждый метр волнового фронта, окружающего Британию со стороны Северной Атлантики, в среднем приходится 80 кВт энергии в год, или 120 000 ГВт. Существенные потери при переработке и передаче этой энергии неизбежны, и, по-видимому, лишь третья ее часть может поступать в сеть. Тем не менее оставшегося объема достаточно для того, чтобы обеспечить всю Британию электричеством на уровне существующей нормы потребления.

Привлекает ученых и использование биогаза, который представляет собой смесь горючего газа — метана (60-70 %) и негорючего углекислого газа. В нем обычно присутствуют примеси — сероводород, водород, кислород, азот. Образуется биогаз в результате анаэробного (бескислородного) разложения органики. Этот процесс в природе можно наблюдать на низинных болотах. Воздушные пузырьки, поднимающиеся со дна заболоченных участков, это и есть биогаз — метан и его производные.

Процесс получения биогаза можно разделить на два этапа. Вначале с помощью анаэробных бактерий из углеводов, белков и жиров образуется набор органических и неорганических веществ: кислоты (масляная, пропионовая, уксусная), водород, углекислота. На втором этапе (щелочном или метановом) подключаются метановые бактерии, которые разрушают органические кислоты с выделением метана, углекислого газа и небольшого количества водорода.

В зависимости от химического состава сырья при сбраживании выделяется от 5 до 15 кубометров газа на кубометр перерабатываемой органики.

Биогаз можно сжигать для отопления домов, сушки зерна, использовать в качестве горючего для автомобилей и тракторов. По своему составу биогаз мало отличается от природного газа. Кроме того, в процессе получения биогаза остаток брожения составляет примерно половину органических веществ. Его можно брикетировать и получать твердое топливо. Однако в хозяйственном отношении это не слишком рационально. Остаток брожения лучше использовать в качестве удобрения.

1 м 3 биогаза соответствует 1 л жидкого газа или 0,5 л высококачественного бензина. Получение биогаза даст технологическую выгоду — уничтожение отходов и энергетическую выгоду — дешевое горючее.

В Индии для получения биогаза используется около 1 млн дешевых и простых установок, а в Китае их свыше 7 млн. С точки зрения экологии биогаз имеет огромные преимущества, так как он может заменить дрова, а следовательно, сохранить лес и предотвратить опустынивание. В Европе ряд установок по очистке городских сточных вод удовлетворяет свои энергетические потребности за счет производимого ими биогаза.

Еще одним альтернативным источником энергии является сельскохозяйственное сырье: сахарный тростник, сахарная свекла, картофель, топинамбур и др. Из него методом ферментации в некоторых странах производят жидкое топливо, в частности этанол. Так, в Бразилии растительную массу преобразуют в этиловый спирт в таких количествах, что эта страна удовлетворяет большую часть своих потребностей в автомобильном топливе. Сырье, необходимое для организации массового производства этанола, — это в основном сахарный тростник. Сахарный тростник активно участвует в процессе фотосинтеза и производит на каждый гектар обрабатываемой площади больше энергии, чем другие культуры. В настоящее время его производство в Бразилии составляет 8,4 млн т, что соответствует 5,6 млн т бензина самого высокого качества. В США производится биохол — горючее для автомобилей, содержащее 10 % этанола, полученного из кукурузы.

Тепловую или электрическую энергию можно добывать за счет тепла земных глубин. Геотермальная энергетика экономически эффективна там, где горячие воды приближены к поверхности земной коры, — в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курильские острова, острова Японского архипелага). В отличие от других первичных источников энергии, носители геотермальной энергии невозможно транспортировать на расстояние, превышающее несколько километров. Поэтому земное тепло — типично локальный источник энергии, и работы, связанные с его эксплуатацией (разведка, подготовка буровых площадок, бурение, испытание скважин, забор жидкости, получение и передача энергии, подпитка, создание инфраструктур и т.д.), ведутся, как правило, на относительно небольшом участке с учетом местных условий.

Геотермальная энергия используется в широких масштабах в США, Мексике и на Филиппинах. Доля геотермальной энергии в энергетике Филиппин — 19 %, Мексики — 4 %, США (с учетом использования для отопления «напрямую», т.е. без переработки в электрическую энергию) — около 1 %. Суммарная мощность всех геоТЭС США превышает 2 млн кВт. Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии — Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробурены 32 скважины на глубине от 440 до 2400 м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130 °С. Девять из этих скважин действуют по сей день. В России, на Камчатке, действует геоТЭС мощностью 11 МВт и строится еще одна мощностью 200 МВт.

Альтернативная энергетика - это нетрадиционные способы получения, передачи и использования энергии. Известна также как «зелёная» энергия». Под альтернативными источниками понимаются возобновляемые ресурсы (такие как вода, солнечный свет, ветер, энергия волн, геотермальные источники, нетрадиционное сжигание возобновляемого топлива).

Базируется на трёх принципах:

1. Возобновляемость.
2. Экологичность.
3. Экономичность.

Альтернативная энергетика должна решить несколько остро стоящих в мире проблем: трата полезных ископаемых и выделение в атмосферу углекислого газа (это происходит при стандартных способах добычи энергии через газ, нефть и т.д.), что влечёт за собой глобальное потепление, необратимое изменение экологии и парниковый эффект.

Развитие альтернативной энергетики

Направление считается новым, хотя попытки использовать энергию ветра, воды и солнца предпринимались ещё в 18 веке. В 1774 году издан первый научный труд по гидротехническому строительству - «Гидравлическая архитектура». Автор работы - французский инженер Бернар Форест де Белидор. После издания труда почти на 50 лет развитие зелёного направления застыло.

• 1846 - первая ветроустановка, проектировщик - Пол ла Кур.
• 1861 - патент на изобретение солнечной электростанции.
• 1881 - постройка гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде.
• 1913 - сооружение первой геотермальной станции, инженер - итальянец Пьеро Джинори Конти.
• 1931 - постройка первой промышленной ветряной станции в Крыму.
• 1957 - установка в Нидерландах мощной ветротурбины (200 кВт), подключённой к государственной сети.
• 1966 - строительство первой станции, вырабатывающей энергию на основе волн (Франция).

Новый толчок в развитии альтернативная энергетика получила в период жёсткого кризиса 1970 годов. С 90-ых годов по начало 21 века в мире зафиксировано критическое количество аварий на электростанциях, что стало дополнительным стимулом разработки зелёной энергии.

Альтернативная энергетика в России

Доля альтернативной энергетики в нашей стране занимает примерно 1% (по данным Минэнерго). К 2020 году планируется увеличить этот показатель до 4,5%. Развитие зелёной энергии будет проводиться не только средствами Правительства. РФ привлекает частных предпринимателей, обещая небольшой возврат средств (2,5 копеек за 1 кВт в час) тем бизнесменам, которые вплотную займутся альтернативными разработками.

Потенциал развития зелёной энергии в РФ огромен:

• океанские и морские побережья, Сахалин, Камчатка, Чукотка и др. территории ввиду малой заселённости и застроенности могут использоваться в качестве источников ветровой энергии;
• источники солнечной энергии в совокупности превышают то количество ресурсов, которые производятся путём переработки нефти и газа, - наиболее благоприятны в этом отношении Краснодарский и Ставропольский края, Дальний Восток, Северный Кавказ и др.

(Крупнейшая солнечная электростанция на Алтае, Россия )

В последние годы финансирование этой отрасли сократилось: планка в 333 млрд рублей опустилась до 700 млн. Это объясняется мировым экономическим кризисом и наличие неотложных проблем. На данный момент альтернативная энергетика не является приоритетным направлением в промышленности России.

Альтернативная энергетика стран мира

(Ветряные генераторы в Дании )

Наиболее динамично развивается гидроэнергетика (ввиду доступности водных ресурсов). Ветровая и солнечная энергия значительно отстают, хотя некоторые страны предпочитают двигаться именнов этих направлениях.

Так, с помощью ветряных установок добывается энергии (от общего числа):

• 28% в Дании;
• 19% в Португалии;
• 16% в Испании;
• 15% в Ирландии.

Спрос на солнечную энергию ниже, чем предложение: устанавливается половина источников от того числа, которое могут обеспечить производители.

(Солнечная электростанция в Германии )

ТОП-5 лидеров по производству зелёной энергии (данные портала вести.ру):

1. США (24,7%) - (все типы ресурсов, более всего задействован солнечный свет).
2. Германия - 11,7% (все виды альтернативных ресурсов).
3. Испания - 7,8% (ветряные источники).
4. Китай - 7,6% (все типы источников, половина из них - ветряная энергетика).
5. Бразилия - 5% (биотопливо, солнечные и ветряные источники).

(Крупнейшая солнечная электростанция в Испании )

Одна из наиболее труднорешаемых проблем - финансы. Зачастую пользоваться традиционными источниками энергии дешевле, чем устанавливать новое оборудование. Одним из потенциально позитивных решений этой задачи является резкое поднятие цен на свет, газ и т.д., чтобы вынудить людей экономить и со временем полностью перейти на альтернативные источники.

Прогнозы развития сильно варьируются. Так, Wind Energy Association обещает,ч то к 2020 году доля зелёной энергии вырастет до 12%, а EREC предполагает, что в 2030 году уже 35% энергопотребления в мире будет обеспечиваться из возобновляемых источников.

Традиционные источники энергии К традиционным источникам энергии относятся нефть, газ и уголь. К их преимуществам по сравнению с нетрадиционными источниками энергии можно отнести налаженную технологию добычи и сбыта, а к недостаткам - загрязнение окружающей среды, сложность извлечения и ограниченность запасов. В настоящее время нефть является основным энергоресурсом в мировой энергетической системе, ее доля в суммарном энергопотреблении составляет около 39%, а в некоторых странах этот показатель превышает 60%. Нефть и нефтепродукты традиционно используются как сырье для производства электро- и теплоэнергии, в качестве моторного топлива, а также как полуфабрикат для химической промышленности. Мировые запасы нефти составляют около 140 млрд. тонн. Основные ресурсы сосредоточены на Ближнем и Среднем Востоке (64%). Второе место по объему разведанных запасов занимает Америка (15%), за ней следуют Центральная и Восточная Европа (8%) и Африка (7%). Доля газа в мировом энергопотреблении составляет на данный момент около 23%. Газ используется в топливно-энергетической, металлургической, химической, пищевой и целлюлозной промышленности. При этом природный газ является более экологически чистым видом топлива, чем нефть или уголь. Для получения одинакового количества энергии объем образующейся двуокиси углерода при сжигании газа на 50% меньше, чем при сжигании угля, и на 30% меньше, чем при сжигании мазута. На начало 2004 года мировые доказанные запасы природного газа составляли около 164 трлн. куб. м. Основные месторождения сосредоточены в двух регионах - в России (34,6%) и на Среднем Востоке (35,7%). По оценкам экспертов, доля угля в структуре мирового топливно-энергетического баланса на 1 января 2004 года составляла около 24%. Основными отраслями, потребляющими уголь, являются металлургия и электроэнергетика. При этом на долю "энергетических углей" приходится около 75% от общего объема добываемых запасов, на долю "металлургических" - 25%. Несмотря на значительные объемы разведанных запасов, уголь значительно уступает природному газу и нефти по затратным и экологическим показателям его использования, в результате чего спрос на этот вид сырья неуклонно падает. В настоящее время доказанные мировые запасы угля составляют около 600 млрд. тонн. Большая часть угольных запасов сосредоточена в Северной Америке (24,2%), Азиатско-Тихоокеанском регионе (30,9%) и странах СНГ (30,6%). На долю атомной энергии приходится около 7% от общемирового производства энергии, причем в некоторых странах, например во Франции, почти вся энергия вырабатывается на АЭС. Довольно долгое время считалось, что уран сможет со временем заменить органическое топливо, т. к. себестоимость атомной энергии значительно ниже, чем энергии, полученной при сжигании нефти, газа или угля. Однако после серии аварий на АЭС, самые крупные из которых случились в мае 1979 года в Три-Майл-Айленде (США) и в апреле 1986 года в Чернобыле (СССР), во всем мире начались движения "зеленых" против строительства атомных электростанций. В настоящее время экологи имеют очень сильное влияние в некоторых промышленно развитых странах и не дадут развиваться этой отрасли энергетики. Гидроэнергетика дает около 7% энергии, используемой во всем мире. В некоторых странах, например в Норвегии, почти вся электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях. Вода является одним из самых экологически чистых и дешевых энергоресурсов.

Мировая электроэнергетика

Руководитель: Гаврикова Ольга Николаевна

Нижний Новгород

Рецензия

Введение. 3

Общие положения. 4

Типы и виды электростанций. 6

Факторы, влияющие на размещение электрических станций. 10

Проблемы развития ядерной энергетики. 11

Альтернативные источники энергии. 13

Солнечная энергия. 14

Энергия ветра. 15

Морская энергия. 16

Энергия рек. 16

Энергия мирового океана. 17

Энергия земли. 20

Энергия из отходов. 20

Энергия навоза. 20

Водородная энергетика. 21

Заключение. 24

Современное общество к концу ХХ века столкнулось с энергетическими проблемами, которые приводили известной степени даже к кризисам. Человечество старается найти новые источники энергии, которые были бы выгодны во всех отношениях: простота добычи, дешевизна транспортировки, экологическая чистота, восполняемость. Уголь и газ отходят на второй план: их применяют только там, где невозможно использовать что-либо другое. Всё большее место в нашей жизни занимает атомная энергия: её можно использовать как в ядерных реакторах космических челноков, так и в легковом автомобиле.

Все традиционные источники энергии обязательно закончатся, особенно при постоянно возрастающих потребностях людей. Поэтому на рубеже XXI века человек стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Есть и другие причины, в связи с которыми человечество обратилось к альтернативным источникам энергии. Во-первых, непрерывный рост промышленности, как основного потребителя всех видов энергии (при нынешней ситуации запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти на – 35 – 40 лет, газа – на 50 лет). Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в третьих, экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов. Не менее важной причиной необходимости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО 2), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый парниковый эффект.

Электроэнергетика - отрасль промышленности, занимающаяся производством электроэнергии на электростанциях и передачей ее потребителям, является также одной из базовых отраслей тяжёлой промышленности.

Энергетика является основой развития производственных сил в любом государстве. Энергетика обеспечивает бесперебойную работу промышленности, сельского хозяйства, транспорта, коммунальных хозяйств. Стабильное развитие экономики невозможно без постоянно развивающейся энергетики.

Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики, электрификации. Для повышения производительности труда первостепенное значение имеет механизация и автоматизация производственных процессов, замена человеческого труда (особенно тяжелого или монотонного) машинным. Но подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации (оборудование, приборы, ЭВМ) имеет электрическую основу. Особенно широкое применение электрическая энергия получила для привода в действие электрических моторов. Мощность электрических машин (в зависимости от их назначения) различна: от долей ватта (микродвигатели, применяемые во многих отраслях техники и в бытовых изделиях) до огромных величин, превышающих миллион киловатт (генераторы электростанций).

Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Поэтому важно на сегодняшний день найти выгодные источники электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции, долговечности станций.

Энергетическая промышленность является частью топливно-энергетической промышленности и неразрывно связана с другой составляющей этого гигантского хозяйственного комплекса - топливной промышленностью.

Электроэнергетика наряду с другими отраслями народного хозяйства рассматривается как часть единой народно-хозяйственной экономической системы. В настоящее время без электрической энергии наша жизнь немыслима. Электроэнергетика вторглась во все сферы деятельности человека: промышленность и сельское хозяйство, науку и космос. Представить без электроэнергии наш быт также невозможно. Столь широкое распространение объясняется ее специфическими свойствами:

o возможности превращаться практически во все другие виды энергии (тепловую, механическую, звуковую, световую и другие);

o способности относительно просто передаваться на значительные расстояния в больших количествах;

o огромным скоростям протекания электромагнитных процессов;

o способности к дроблению энергии и образование ее параметров (изменение напряжения, частоты).

Основным потребителем электроэнергии остается промышленность, хотя ее удельный вес в общем полезном потреблении электроэнергии во всём мире значительно снижается. Электрическая энергия в промышленности применяется для приведения в действие различных механизмов и непосредственно в технологических процессах. В настоящее время коэффициент электрификации силового привода в промышленности составляет 80%. При этом около 1/3 электроэнергии расходуется непосредственно на технологические нужды.

В сельском хозяйстве электроэнергия применяется для обогрева теплиц и помещений для скота, освещения, автоматизации ручного труда на фермах.

Огромную роль электроэнергия играет в транспортном комплексе. Большое количество электроэнергии потребляет электрифицированный железнодорожный транспорт, что позволяет повышать пропускную способность дорог за счет увеличения скорости движения поездов, снижать себестоимость перевозок, повышать экономию топлива. Электрифицированный номинал железных дорог в России, составлял по протяженности 38% всех железных дорог страны и около 3% железных дорог мира, обеспечивает 63% грузооборота железных дорог России и 1/4 мирового грузооборота железнодорожного транспорта. В Америке и, особенно в странах Европы, эти показатели несколько выше.

Электроэнергия в быту является основной частью обеспечения комфортабельной жизни людей. Многие бытовые приборы (холодильники, телевизоры, стиральные машины, утюги и другие) были созданы благодаря развитию электротехнической промышленности.

Сегодня по потреблению электроэнергии на душу населения Россия уступает 17 странам мира, среди которых США, Франция, Германия, от многих из этих стран отстает и по уровню электровооруженности труда в промышленности и сельском хозяйстве. Потребление электроэнергии в быту и сфере услуг в России 2-5 раз ниже, чем в других развитых странах. При этом эффективность и результативность использования электроэнергии в России заметно меньше, чем в ряде других стран.

Электроэнергетика - важнейшая часть жизнедеятельности человека. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества и возможности научно-технического прогресса.

Теплоэнергетика

Первые ТЭС появились в конце XIX века (в 1882 - в Нью-Йорке, 1883 - в Петербурге, 1884 - в Берлине) и получили преимущественное распространение. В середине 70-х годов ХХ века ТЭС - основной вид электрических станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в России и США 80% (1975), в мире около 76% (1973).

Сейчас около 50% всей электроэнергии мира производится на тепловых электростанциях. Большинство городов России снабжаются именно ТЭС. Часто в городах используются ТЭЦ - теплоэлектроцентрали, производящие не только электроэнергию, но и тепло в виде горячей воды. Такая система является довольно-таки непрактичной т.к. в отличие от электрокабеля надежность теплотрасс чрезвычайно низка на больших расстояниях, эффективность централизованного теплоснабжения сильно при передаче также понижается (КПД достигает 60 – 70%). Подсчитано, что при протяженности теплотрасс более 20 км (типичная ситуация для большинства городов) установка электрического бойлера в отдельно стоящем доме становится экономически выгодна. На размещение тепловых электростанций оказывает основное влияние топливный и потребительский факторы. Наиболее мощные ТЭС расположены в местах добычи топлива. Тепловые электростанции, использующие местные виды органические топлив (торф, сланцы, низкокалорийные и многозольные угли, мазут, газ), ориентируются на потребителя и одновременно находятся у источников топливных ресурсов.

Принцип работы тепловых станций основан на последовательном преобразовании химической энергии топлива в тепловую и электрическую энергию. Основным оборудованием ТЭС является котел, турбина, генератор. В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине водяной пар превращается в механическую энергию вращения. Генератор превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо котла.

Тепловые электростанции имеют как свои преимущества, так и недостатки. Положительным по сравнению с другими типами электростанций является относительно свободное размещение, связанное с широким распространением и разнообразием топливных ресурсов; способность вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний. К отрицательным относятся следующие факторы: ТЭС обладает низким коэффициентом полезного действия, если последовательно оценить различные этапы преобразования энергии, то увидим, что не более 32% энергии топлива превращается в электрическую. Топливные ресурсы нашей планеты ограничены, поэтому нужны электростанции, которые не будут использовать органическое топливо. Кроме того, ТЭС оказывает крайне неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Тепловые электростанции всего мира, в том числе и России выбрасывает в атмосферу ежегодно 200-250 млн. тонн золы и около 60 млн. тонн сернистого ангидрида, они поглощают огромное количество кислорода.

Гидроэнергетика

По количеству вырабатываемой энергии на втором месте находятся гидравлические электростанции (ГЭС). Они производят наиболее дешевую электроэнергию, но имеют довольно большую себестоимость постройки. Именно ГЭС позволили советскому правительству в первые десятилетия советской власти совершить большой прорыв в промышленности.

Современные ГЭС позволяют производить до 7 млн. кВт энергии, что вдвое превышает показатели действующих в настоящее время ТЭС и, пока, АЭС, однако размещение ГЭС в Европе затруднено по причине дороговизны земли и невозможности затопления больших территорий в данных регионах. Важным недостатком ГЭС является сезонность их работы, столь неудобная для промышленности.

ГЭС можно разделить на две основные группы: ГЭС на крупных равнинных реках и ГЭС на горных реках. В нашей стране большая часть ГЭС сооружалась на равнинных реках. Равнинные водохранилища обычно велики по площади и изменяют природные условия на значительных территориях. Ухудшается санитарное состояние водоемов: нечистоты, которые раньше выносились реками, накапливаются в водохранилищах, приходится применять специальные меры для промывки русел рек и водохранилищ. Сооружение ГЭС на равнинных реках менее рентабельно, чем на горных, но иногда это необходимо, например, для создания нормального судоходства и орошения. Во всех странах мира стараются отказаться от использования ГЭС на равнинных реках, переходя на быстрые горные реки или АЭС.

Гидравлические электростанции используют для выработки электроэнергии гидроэнергетические ресурсы, то есть силу падающей воды. Существует три основных вида ГЭС:

1. Гидроэлектрические станции.

Технологическая схема их работы довольна проста. Естественные водные ресурсы реки преобразуются в гидроэнергетические ресурсы с помощью строительства гидротехнических сооружений. Гидроэнергетические ресурсы используются в турбине и превращаются в механическую энергию, механическая энергия используется в генераторе и превращается в электрическую энергию.

2. Приливные станции.

Природа сама создает условия для получения напора, под которым может быть использована вода морей. В результате приливов и отливов уровень морей меняется на северных морях - Охотском, Беринговом, волна достигает 13 метров. Между уровнем бассейна и моря создается разница и таким образом создается напор. Так как приливная волна периодически изменяется, то в соответствии с ней меняется напор и мощность станций. Пока еще использование приливной энергии ведется в скромных масштабах. Главным недостатком таких станций является вынужденный режим. Приливные станции (ПЭС) дают свою мощность не тогда, когда этого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов воды. Велика также стоимость сооружений таких станций.

3. Гидроаккумулирующие электростанции.

Их действие основано на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами: верхним и нижним. В ночные часы, когда потребность электроэнергии мала, вода перекачивается из нижнего водохранилища в верхний бассейн, потребляя при этом излишки энергии, производимой электростанциями ночью. Днем, когда резко возрастает потребление электричества, вода сбрасывается из верхнего бассейна вниз через турбины, вырабатывая при этом энергию. Это выгодно, так как остановки ТЭС в ночное время невозможны. Таким образом ГАЭС позволяет решать проблемы пиковых нагрузок. В России, особенно в европейской части, остро стоит проблема создания маневренных электростанций, в том числе ГАЭС.

Кроме перечисленных достоинств и недостатков гидравлические электростанции имеют следующие: ГЭС являются весьма эффективными источниками энергии, поскольку используют возобновимые ресурсы, они просты в управлении и имеют высокий КПД - более 80%. В результате производимая энергия на ГЭС самая дешевая. Огромное достоинство ГЭС – возможность практически мгновенного автоматического запуска и отключение любого требуемого количества агрегатов. Но строительство ГЭС требует длительных сроков и больших удельных капиталовложений, это связано с потерей земель на равнинах, наносит ущерб рыбному хозяйству. Доля участия ГЭС в выработке электроэнергии значительно меньше их доли в установленной мощности, что объясняется тем, что их полная мощность реализуется лишь в короткий период времени, причем только в многоводные годы. Поэтому, несмотря на обеспеченность многих стран мира гидроэнергетическими ресурсами, они не могут служить основной выработки электроэнергии.

Атомная энергетика.

Первая в мире АЭС - Обнинская была пущена в 1954 году в России. Персонал 9 российских АЭС составляет 40,6 тыс. человек или 4% от общего числа населения занятого в энергетике. 11,8% или 119,6 млрд. кВт всей электроэнергии, произведенной в России выработано на АЭС. Только на АЭС рост производства электроэнергии сохраняется высоким.

Планировалось, что удельный вес АЭС в производстве электроэнергии достигнет в СССР в 1990 г. 20%, фактически было достигнуто только 12,3%. Чернобыльская катастрофа вызвала сокращение программы атомного строительства, с 1986 г. в эксплуатацию были введены только 4 энергоблока. АЭС, являющиеся наиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования они обсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде, новые энергоблоки имеют мощность практичеки равную мощности средней ГЭС, однако коэффициэнт использования установленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.

Значительных недостатков АЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют. Однако нельзя не заметить опасность АЭС при возможных форс-мажорных обстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. - здесь старые модели энергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражения территорий из-за неконтролируемого перегрева реактора. Однако повседневная работа АЭС сопровождается рядом негативных последствий:

1. Существующие трудности в использовании атомной энергии – захоронение радиоактивных отходов. Для вывоза со станций сооружаются контейнеры с мощной защитой и системой охлаждения. Захоронение производится в земле, на больших глубинах в теологически стабильных пластах.

2. Катастрофические последствия аварий на некоторых устаревших АЭС – следствие несовершенной защиты системы.

3. Тепловое загрязнение используемых АЭС водоёмов.

Функционирование АЭС, как объектов повышенной опасности, требует участия государственных органов власти и управления в формировании направлений развития, выделения необходимых средств.

На размещение различных видов электростанций влияют различные факторы. На размещение тепловых электростанций оказывает основное влияние топливный и потребительский факторы. Наиболее мощные ТЭС расположены, как правило, в местах добычи топлива, чем крупнее электростанция, тем дальше она может передавать электроэнергию. Потребительскую ориентацию имеют электростанции, использующие высококалорийное топливо, которое экономически выгодно транспортировать. Электростанции, работающие на мазуте, располагаются преимущественно в центрах нефтеперерабатывающей промышленности.

Так как гидравлические электростанции используют для выработки электроэнергии силу падающей воды, то, соответственно, ориентированы на гидроэнергетические ресурсы. Огромные гидроэнергетические ресурсы мира расположены неравномерно. Для гидростроительства в нашей стране было характерно сооружение на реках каскадов гидроэлектростанциях. Каскад-группа ТЭС, расположенных ступенями по течению водного потока для последовательного использования его энергии. При этом помимо получения электроэнергии, решаются проблемы снабжения населения и производства водой, устранение паводков, улучшения транспортных условий. К сожалению, создание каскадов в стране привело к крайне негативным последствиям: потере ценных сельскохозяйственных земель, нарушению экологического равновесия.

Равнинные водохранилища обычно велики по площади изменяют природные условия на значительных территориях. Ухудшается санитарное состояние водоемов: нечистоты, которые раньше выносились реками, накапливаются в водохранилищах, приходится применять специальные меры для промывки русел рек и водохранилищ. Сооружение ГЭС на равнинных реках менее рентабельно, чем на горных, но иногда это необходимо, например, для создания нормального судоходства и орошения.

Атомные электростанции можно строить в любом районе, независимо от его энергетических ресурсов: атомное топливо отличается большим содержанием энергии (в 1 кг основного ядерного топлива – урана - содержится энергии столько же, сколько в 2500 т. угля). В условиях безаварийной работы АЭС не дают выбросов в атмосферу, поэтому безвредны для потребителя. В последнее время создаются АТЭЦ и АСТ. На АТЭЦ, как и на обычной ТЭЦ, производится и электрическая и тепловая энергия, а на АСТ только тепловая.

После катастрофы на Чернобыльской АЭС под влиянием общественности в России были существенно приторможены темпы развития атомной энергетики. Существовавшая ранее программа ускоренного достижения суммарной мощности АЭС в 100 млн. кВт (США уже достигли этого показателя) была фактически законсервирована. Огромные прямые убытки повлекло закрытие всех строившихся в России АЭС, станции, признанные зарубежными экспертами как вполне надежные, были заморожены даже в стадии монтажа оборудования. Однако, последнее время положение начинает меняться: в июне 93 го года пущен 4 ый энергоблок Балаковской АЭС, в ближайшие несколько лет планируется пуск еще нескольких атомных станций и дополнительных энергоблоков принципиально новой конструкции. Известно, что себестоимость атомной энергии значительно превышает себестоимость электроэнергии, полученной на тепловых или гидравлических станциях, однако использование энергии АЭС во многих конкретных случаях не только незаменимо, но и является экономически выгодным - в США АЭС за период с 58 года по настоящий момент принесли 60 млрд. долларов чистой прибыли. Большое преимущество для развития атомной энергетики в России создают российско-американские соглашения о СНВ-1 и СНВ-2, по которым будут высвобождаться огромные количества оружейного плутония, невоенное использование которого возможно лишь на АЭС. Именно благодаря разоружению традиционно считавшаяся дорогой электроэнергия, получаемая от АЭС, может стать примерно в два раза дешевле электроэнергии ТЭС.

Российские и зарубежные ученые-ядерщики в один голос говорят, что для радиофобии, возникшей после чернобыльской аварии, серьезных оснований научно-технического характера не существует. Как сообщила правительственная комиссия по проверке причин аварии на Чернобыльской АЭС, «авария произошла вследствие грубейших нарушений порядка управления атомным реактором РБМК-1000 оператором и его помощниками, имевшими крайне низкую квалификацию». Большую роль в аварии сыграла и состоявшаяся незадолго до нее передача станции из Минсредмаша, накопившего к тому времени огромный опыт управления ядерными объектами в МинЭнерго, где такого опыта совсем не было. К настоящему времени система безопасности реактора РБМК существенно улучшена: усовершенствована защита активной зоны от пережога, ускорена система срабатывания аварийных сенсоров. Журнал Scientific American признал эти усовершенствования решающими для безопасности реактора. В проектах нового поколения атомных реакторов основное внимание уделяется надежному охлаждению активной зоны реактора. Последние несколько лет сбои в работе на АЭС в разных странах происходят редко и классифицируются как крайне незначительные.

Развитие атомной энергетики в мире неотвратимо и это сейчас понимает большинство населения планеты, да и сам отказ от ядерной энергетики потребовал бы колоссальных затрат. Так, если выключить сегодня все АЭС, потребуется дополнительно около 100 млрд. тонн условного топлива, которое просто неоткуда взять.

Принципиально новое направление в развитии энергетики и возможной замене АЭС представляют исследования по бестопливным электрохимическим генераторам. Потребляя натрий, содержащийся в морской воде в избытке этот генератор имеет КПД около 75%. Продуктом реакции здесь является хлор и кальцинированная сода, причем возможно последующее использование этих веществ в промышленности.

Средний коэффициент использованной мощности АЭС по странам мира составил 70%, однако в некоторых регионах он был выше 80%.

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда, – а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило задуматься о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались тогда те страны, где нет собственных запасов нефти и газа, и которым приходится их покупать.

Поэтому в общую типологию электростанций включаются электростанции, работающие на так называемых нетрадиционных или альтернативных источниках энергии. К ним относят:

o энергию приливов и отливов;

o энергию малых рек;

o энергию ветра;

o энергию Солнца;

o геотермальную энергию;

o энергию горючих отходов и выбросов;

o энергию вторичных или сбросовых источников тепла и другие.

Несмотря на то, что нетрадиционные виды электростанций занимают всего несколько процентов в производстве электроэнергии, в мире развитие этого направления имеет большое значение, особенно учитывая разнообразие территорий стран. В России единственным представителем этого типа ЭС является Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11МВт. Станция эксплуатируется с 1964 года и уже устарела как морально, так и физически. Уровень технологических разработок России в этой области сильно отстает от мирового. В удаленных или труднодоступных районах России, где нет необходимости строить большую электростанцию, да и обслуживать ее зачастую некому, “нетрадиционные” источники электроэнергии - наилучшее решение.

Возрастанию числа электростанций на альтернативных источниках энергии будут способствовать следующие принципы:

o более низкая стоимость электроэнергии и тепла, получаемая от нетрадиционных источников энергии, чем от всех других источников;

o возможность практически во всех странах иметь локальные электростанции, делающие их независимыми от общей энергосистемы;

o доступность и технически реализуемая плотность, мощность для полезного использования;

o возобновляемость нетрадиционных источников энергии;

o экономия или замена традиционных энергоресурсов и энергоносителей;

o замена эксплуатируемых энергоносителей для перехода к экологически более чистым видам энергии;

o повышение надежности существующих энергосистем.

Практически каждая страна располагает каким-либо видом этой энергии и в ближайшей перспективе может внести существенный вклад в топливно-энергетический баланс мира.

Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Например, Тибет - самая близкая к Солнцу часть нашей планеты - по праву считает солнечную энергию своим богатством. На сегодня в Тибетском автономном районе Китая построено уже более пятидесяти тысяч гелиопечей. Солнечной энергией отапливаются жилые помещения площадью 150 тысяч квадратных метров, созданы гелиотеплицы общей площадью миллион квадратных метров.

Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не всегда достаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее. Новый рекорд в этом отношении принадлежит Центру прогрессивных технологий компании “Боинг”. Созданный там солнечный элемент преобразует в электроэнергию 37 % попавшего на него солнечного света.

В Японии ученые работают над совершенствованием фотогальванических элементов на кремниевой основе. Если толщину солнечного элемента существующего стандарта уменьшить в 100 раз, то такие тонкопленочные элементы потребуют гораздо меньше сырья, что обеспечит их высокую эффективность и экономичность. Кроме того, их малый вес и исключительная прозрачность позволят легко устанавливать их на фасадах зданий и даже на окнах, для обеспечения электроэнергией жилых домов. Однако поскольку интенсивность солнечного света не всегда и не везде одинакова, то даже при установке множества солнечных батарей, зданию потребуется дополнительный источник электричества. Одним из возможных решений этого вопроса является использование солнечных элементов в комплексе с двухсторонним топливным элементом. В дневное время, когда работают солнечные элементы, избыточную электроэнергию можно пропускать через водородный топливный элемент и таким образом получать водород из воды. Ночью же топливный элемент сможет использовать этот водород для производства электроэнергии.

Компактная передвижная электростанция сконструирована германским инженером Хербертом Бойерманом. При собственном весе 500 кг она имеет мощность 4 кВт, иначе говоря, способна полностью обеспечить электротоком достаточной мощности загородное жилье. Это довольно хитроумный агрегат, где энергию вырабатывают сразу два устройства - ветрогенератор нового типа и комплект солнечных панелей. Первый оснащен тремя полусферами, которые (в отличие от обычного ветрового колеса) вращаются при малейшем движении воздуха, второй - автоматикой, аккуратно ориентирующей солярные элементы на светило. Добытая энергия накапливается в аккумуляторном блоке, а тот стабильно снабжает током потребителей.

Глядя вперед, в те времена, когда штат Калифорния будет нуждаться в удобных станциях для подзарядки электробатарей, “Южно-калифорнийская компания Эдисон” планирует начать испытание специальной автостанции для машин, работающих на солнечной энергии, которая в конечном счете должна стать обычной заправочной станцией со множеством парковочных мест и различными магазинами. Солнечные панели на крыше станции, расположенной в городе Даймонд-Баре, обеспечат энергию для зарядки электромобилей в течение всего рабочего дня даже зимой. А излишек, получаемый от этих панелей, будет использоваться для нужд самой автостанции. Уже в 1981 году через пролив Ла-Манш совершил перелёт первый в мире самолёт с двигателем, работающим от солнечных батарей. Чтобы совершить перелёт на расстояние 262 км, ему потребовалось 5,5 часа. А по прогнозам учёных конца прошлого века, ожидалось, что к 2000 году на дорогах Калифорнии появится около 200000 электромобилей. Возможно, и нам стоит подумать об использовании солнечной энергии в широких масштабах. В частности, в Крыму с его “солнцеобильностью”.

На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может “работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Существуют интересные разработки по созданию принципиально новых механизмов для преобразования энергии ветра в электрическую. Одна из таких установок порождает искусственный сверхураган внутри себя при скорости ветра в 5 м/с!

Ветровые двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И, тем не менее, всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Американский ученый Уильям Херонимус считает, что производить водород за счет энергии ветра лучше всего на море. С этой целью он предлагает установить у берега высокие мачты с ветродвигателями диаметром 60 м и генераторами. 13 тысяч таких установок могли бы разместиться вдоль побережья Новой Англии (северо-восток США) и «ловить» преобладающие восточные ветры. Некоторые агрегаты будут закреплены на дне мелкого моря, другие будут плавать на его поверхности. Постоянный ток от ветроэлектрических генераторов будет питать расположенные на дне электролизные установки, откуда водород будет по подводному трубопроводу подаваться на сушу.

В последнее время в некоторых странах снова обратили внимание на те проекты, которые были отвергнуты ранее как малоперспективные. Так, в частности, в 1982 году британское правительство отменило государственное финансирование тех электростанций, которые используют энергию моря: часть таких исследований прекратилась, часть продолжалась при явно недостаточных ассигнованиях от Европейской комиссии и некоторых промышленных фирм и компаний. Причиной отказа в государственной поддержке называлась недостаточная эффективность способов получения “морского” электричества по сравнению с другими его источниками, в частности - атомными.

В мае 1988 года в этой технической политике произошел переворот. Министерство торговли и промышленности Великобритании прислушалось к мнению своего главного советника по энергетике Т. Торпа, который сообщил, что три из шести имеющихся в стране экспериментальных установок усовершенствованы и ныне стоимость 1 кВт/ч на них составляет менее 6 пенсов, а это ниже минимального уровня конкурентоспособности на открытом рынке. Цена “морской” электроэнергии с 1987 года снизилась вдесятеро.

Волны. Наиболее совершенен проект “Кивающая утка”, предложенный конструктором С. Солтером. Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 кВт/ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это - 2,5 пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 кВт/ч).

Следует заметить, что использование источников альтернативных, возобновляемых видов энергии может достаточно эффективно снизить процент выбросов в атмосферу вредных веществ, то есть в какой-то степени решить одну из важных экологических проблем. Энергия моря может с полным основанием быть причисленной к таким источникам.

Примерно 1/5 часть энергии, потребляемой во всём мире, вырабатывают на ГЭС. Её получают, преобразуя энергию падающей воды в энергию вращения турбин, которая в свою очередь вращает генератор, вырабатывающий электричество. Гидростанции бывают очень мощными. Так, станция Итапу на реке Парана на границе между Бразилией и Парагваем развивает мощность до13 000 млн. кВт.

Энергия малых рек также в ряде случаев может стать источником электроэнергии. Возможно, для использования этого источника необходимы специфические условия (например, речки с сильным течением), но в ряде мест, где обычное электроснабжение невыгодно, установка мини-ГЭС могла бы решить множество локальных проблем. Бесплотинные ГЭС для речек и речушек уже существуют. В комплекте с аккумулятором они могут обеспечить энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую... Была бы поблизости речушка!

Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную “лыжу” и тросами закрепляется с двух берегов. Остальное - дело техники: мультипликатор вращает автомобильный генератор постоянного тока напряжением 14 вольт, и энергия аккумулируется.

Опытный образец бесплотинной мини-ГЭС успешно зарекомендовал себя на речках Горного Алтая.

Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его полученном, сообщения об истощении топливных ресурсов – все эти видимые признаки энергетического кризиса вызвали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

Тепловая энергия океана. Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км 2) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км 2 . Атлантического – 93 млн. км 2 , Индийского – 75 млн. км 2 . Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10 26 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10 18 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Ocean Thermal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана в электрическую). В августе 1979 года 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; 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 подоб ого типа.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Не зря говорят: «Энергетика – хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие – «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря – о богатстве любого государства.

В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.

За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.

К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня – гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.

Потом люди придумали мельницы – технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и – уже в середине ХХ столетия – атомные реакторы.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.

Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.

Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют природе гидроэлектростанции! Выбросов в воздух от ГЭС нет никаких, но зато вред водной среде наносит довольно большой. В первую очередь страдают рыбы, которые не могут преодолеть плотины ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько - так называемые каскады ГЭС, – резко меняется количество воды до и после плотин. На равнинных реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все находящиеся ниже плотины ГЭС. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.

Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда - дорогостоящее и трудно добываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые - малые, или «нетрадиционные», – виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.

Энергия воды

С середины нашего века началось изучение энергетических ресурсов, относящихся к «возобновляемым источникам энергии».

Океан - гигантский аккумулятор и трансформатор солнечной энергии, преобразуемой в энергию течений, тепла и ветров. Энергия приливов - результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца.

Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность как возобновляемые и практически неисчерпаемые. Опыт эксплуатации уже действующих систем океанской энергетики показывает, что они не приносят какого-либо ощутимого ущерба океанской среде. При проектировании будущих систем океанской энергетики тщательно исследуется их воздействие на экологию.

Приливные электростанции

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.

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…