Энергетика будущего

ВВЕДЕНИЕ

 

Каковы перспективы, ожидающие человечество в будущем?

Каких бы высот ни достигла современная индустриально-технологическая цивилизация к настоящему моменту, и какие бы радужные перспективы автоматизации нашей сумасшедшей жизни в каменных лабиринтах мегаполисов ни рисовали нам компании-производители электронной техники, стоит исчезнуть колоссальному потоку энергии, питающему нашу цивилизацию - и мир остановится.

Поток энергии движет цивилизацию, в стальных жилах гигантского индустриального организма бежит черная кровь - нефть.

 События последнего  времени указывают нам на серьезные  грядущие изменения. Цены на "кровь  цивилизации" растут небывало  высокими темпами. Это происходит  на фоне драматических событий  на политической сцене - война  в Ираке, международный терроризм, обострение противоречий между  Западным миром и остальными  странами (которым и принадлежит  большая часть нефтяных запасов).

 То, что происходит  сегодня - это с одной стороны  результат вырвавшихся на свободу  политико-экономических противоречий  второй половины 20 века, с другой  стороны - предвестник глубоких структурных  изменений.

 В настоящее время  нефть является основным сырьем  для производства топлив для  автомобильного, авиационного, морского  и частично железнодорожного  транспорта. Существенна роль тяжелых  фракций нефти (мазутов) для поддержания  устойчивой работы угольных теплоэлектростанций, доля которых в производстве  электроэнергии доходит в настоящее  время до 40%. Кроме того, многие  теплоэнергетические установки  малого и среднего масштаба, такие  как, котельные, различного рода  технологические печи и т.д. также  работают на продуктах переработки  нефти.

 По прогнозам при  нынешних темпах роста мирового  потребления энергии максимум  добычи нефти придется на период  между 2010 и 2020 годами. При этом значительная  доля спроса на энергию все  равно не будет удовлетворена. Дальнейшая активность в области  нефтедобычи будет смещаться в сторону освоения так называемых oil sands, однако их добыча и переработка в жидкие углеводородные топлива требует значительных капиталовложений, что ни коим образом не будет способствовать снижению цен на топливо.

 К 2020 году более 90 % населения  Земли будет проживать в мегаполисах. Это приведет к драматическому  росту потребления электроэнергии, по некоторым оценкам более  чем в 2 раза.

Сегодня мировое потребление энергии опережает скорость ее производства: так, к 2020 году мы будем поглощать около 1500 эДж в год (это в три раза больше, чем в начале XXI века). В таких условиях исчерпаемые энергоресурсы, такие как нефть и газ, могут попросту иссякнуть. Поэтому уже сейчас полным ходом развивается альтернативная энергетика. Задача реструктуризации энергетической отрасли и снижения себестоимости электроэнергии является уже в наши дни более чем актуальной.

Энергетика становится существенным фактором международных отношений, а возобновляемая энергетика и энергоэффективность – аргументами, которые влияют на формирование базы международного сотрудничества. В промышленно развитых странах накоплен значительный опыт государственного регулирования развития возобновляемой энергии, энергоэффективности и ресурсосбережения. Как ожидается, это позволит странам Евросоюза к 2030 г. увеличить валовой национальный продукт на 79% при снижении энергопотребления на 7%. В целом европейские государства будут получать от возобновляемых источников энергии не менее трети потребляемой энергии.

Удельная выработка энергии из возобновляемых источников (без учета большой гидроэнергетики) в России в 2004 г., по данным Международного энергетического агентства, в 5 раз меньше чем в Германии, в 11 раз – чем в Норвегии, в 10 раз – чем в США. Доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии в 2002 г. составила около 0,5% от общего производства, или 4,2 млрд. кВт/ч. К 2010 г. при соответствующей государственной поддержке может быть осуществлен ввод в действие около 1000 МВт электрических и 1200 МВт тепловых мощностей на базе возобновляемых источников энергии. Это связано с тем, что наша страна все еще занимает лидирующие места по количеству полезных ископаемых – однако разработка новых способов добычи энергии ведется и у нас.  Тема энергосбережения  звучит все чаще и чаще.

В данной  работе мы попытаемся раскрыть  виды альтернативной энергетики и попытаться обозначить перспективы развития энергетики бедующего в России.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Гелиоэнергетика

 

Солнце обладает колоссальным запасом энергии. Земля получает лишь небольшую долю солнечной энергии, равную 2·1017 Вт, и ее вполне достаточно для обеспечения большого многообразия форм жизни и биосферных процессов на Земле.

Предполагается, что широкое применение солнечной энергией начнется после воспроизведения природного процесса – фотосинтеза. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже осуществлена первая фаза данного процесса – произведено фотохимическое разложение воды на элементы. Образующийся водород – превосходный энергоноситель: из известных нерадиоактивных веществ он обладает самой высокой плотностью энергии – 33 кВт/кг (плотность энергии углерода равна всего 9,1 кВт/кг). В процессе фотосинтеза, в зеленых растениях из энергетически бедных соединений – углекислого газа и воды – образуется более сложный по структуре и богатый энергией крахмал, из которого синтезируются жиры, белки, целлюлоза и другие органические компоненты. Как следует из периодической печати, несколько необычный способ использования солнечной энергии предложили японские ученые. Смесь, состоящую из размолотого магнетита и угольного порошка, они подвергли облучению концентрированным солнечным светом и нагрели ее до 1200° С. В результате химической реакции образовались водород и угарный газ. Из данных газов можно синтезировать, например, метиловый спирт, который может служить превосходным горючим для автомобилей. КПД такого процесса достигает 47,6%.

В последние десятилетия гелиоэнергетика – солнечная энергетика, во всем мире развивается быстрыми темпами и в самых разных направлениях. Гелиоэнергетические программы разрабатываются более чем в 70 странах – от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Используются такие устройства в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с «солнечным приводом»: гелиовелосипеды, гелиомопеды, моторные лодки, яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, сравнивавшиеся вчера с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей скорости обычных автомобилей. Уже в течение трех лет немецкий поселок Франитцхютте, расположенный на окраине Баварского леса, полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнечных батарей общей площадью 360 м2. Мощность каждой батареи – 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.

По опыту эксплуатации и согласно некоторым расчетам Солнце в состоянии обеспечить энергопотребности по меньшей мере всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

  В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одно из наиболее серьезных препятствий такой реализации – низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения относительно невелика. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» энергию, необходимую хотя бы для частичного удовлетворения потребностей населения, нужно разместить их на громадной территории.

 Необходимость использовать  коллекторы огромных размеров, кроме  того, влечет за собой значительные  материальные затраты. Простейший  коллектор солнечного излучения  представляет собой зачерненный  металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются  трубы с циркулирующей в них  жидкостью. Нагретая за счет солнечной  энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного  использования. Согласно расчетам  на изготовление коллекторов  солнечного излучения идет довольно  много алюминия.

  Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

 Пока еще электрическая  энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем  получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, проводимые на опытных установках  и станциях, помогут решить не  только технические, но и экономические  проблемы широкого применения  гелиоэнергии.

 

2. Энергия ветра

 

Ветер служит человеку с древних времен. Первобытные люди поднимали паруса над неустойчивым челноком, выдолбленным из бревна. Преобладающие западные ветры несли испанскую армаду к открытиям и победам. Пассаты надували паруса больших клиперов, помогли открыть Индию и Китай и наладить торговлю с Западом. Древние персы заставили ветер размалывать зерно. Наиболее широкое распространение ветряные мельницы (рис. 9.10) получили в Голландии. Некоторым из них уже более 500 лет, и они находятся в рабочем состоянии. Было время, когда вода и ветер служили едва ли не основными источниками энергии. Еще в 1910 г. в России насчитывалось примерно миллион ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. А сегодня всю эту энергетику с легкой руки называют нетрадиционной.

Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, наносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных границ до берегов Енисея. Особенно богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана.

 В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой электроэнергии во всем мире. Техника XX в. открыла совершенно новые возможности для электроэнергетики. Созданы высокопроизводительные установки, способные вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре. Предлагается множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются самые последние достижения многих отраслей естествознания. К созданию совершенной конструкций ветроколеса – сердца любой ветроэнергетической установки – привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти и исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Можно привести примеры необычного использования энергии. Один из американских изобретателей, наблюдая за тем, как пролетающие по шоссе автомобили вздымают по обочинам тучи пыли и гонят вдоль дороги легкий мусор, пришел к мысли, что можно использовать энергию ветра, возникающего от движения транспорта. Он предложил встроить в бетонный разделительный барьер, идущий по середине самых оживленных автомагистралей, ветряные турбины с вертикальной осью, что позволит улавливать энергию от автомобилей, несущихся в обоих направлениях. Выработанная энергия должна либо поступать в общую сеть, либо запасаться в аккумуляторах и использоваться для освещения дороги по ночам. Измерения на обочине оживленного шоссе показали, что искусственный ветер дует около 18 ч в сутки со средней скоростью 4,5–5,5 м/с. Это больше, чем в районе крупных ветровых электростанций, работающих в Калифорнии. Сейчас исследователи продолжают измерения на разных дорогах и собираются приступить к испытаниям разных типов ветряных турбин. Еще один пример. На западном побережье Дании, у городка Райсбю, построена электростанция из 40 ветродвигателей. Общая мощность ее составляет 24 МВт. Ветродвигатели оборудуются электронными регуляторами немецкой фирмы «Сименс», в которых впервые применены полупроводниковые тиристоры. Это позволило отказаться от громоздких конденсаторов и дросселей. Система регулировки обеспечивает ровную отдачу мощности независимо от скорости ветра.

Каждый источник энергии должен работать там, где дает наибольшую отдачу, максимальную выгоду. На севере у нас огромные труднодоступные территории. Вырабатывать здесь энергию очень сложно, и цена ее более высокая, чем в центре страны. Здесь то и могут найти применение ветроустановки. Скорость ветра на побережье морей и океанов составляет в среднем за год более 6 м/с. При работе ветроустановки мощностью в 1 МВт в течение шести месяцев потребитель энергии может получить около 2,5 млн кВт, что вполне достаточно для обеспечения теплом и светом поселка в 150 жилых домов.

Современная ветроустановка мощностью в 1 МВт состоит из ветроколеса диаметром 48 м, установленного на стальной конической башне высотой 40 м, на которой смонтированы агрегат для передачи мощности от ветроколеса к генератору, система управления и тормозной механизм. Ветроустановка полностью автоматизирована: сама «ловит ветер» и проверяет перед запуском состояние всех узлов и агрегатов. При скорости ветра 3,5–4 м/с развивается мощность 40–50 кВт, а при скорости 13,5 м/с – 1000 кВт. Срок службы установки – 20–25 лет. Стоит она примерно 1 млн долл.

Ветроустановки порождают вибрации и шум, неблаготворно влияющие на живые организмы. Поэтому их строят обычно вдали от населенных пунктов. Металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач. Но все же в целом ветроэнергетику принято считать экологически безопасной.