Гидроэлектрические станции

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.

Факторы, влияющие на размещение электрических станций

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.

Проблемы развития ядерной энергетики

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%.

Альтернативные источники энергии

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.

Солнечная энергия

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”.

Энергия ветра

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.

Морская энергия

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.

Энергия рек

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.

Энергия мирового океана

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. км²) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км². Атлантического – 93 млн. км², Индийского – 75 млн. км².Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ 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 подобного типа.

Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии. Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25–50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для обслуживания системы и для связи с берегом.

Энергия приливов и отливов. Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой (так называемая сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением

где р – плотность воды, g – ускорение свободного падения, S – площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны».

Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт. Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.

С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт/ч. Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС, построенной в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт в Мезенском заливе на Баренцевом море.

Энергия морских течений. Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км². Энергию Р, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в ваттах):

где т–масса воды (кг), р–плотность воды (кг/м³), А–сечение (м²), v– скорость (м/с). Подставив цифры, получим 50000МВт. Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.

Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.

Энергия земли

Тепло от горячих горных пород в земной коре тоже может генерировать электричество. Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холодная вода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину. Такой вид энергии называется геотермальной энергией. Она используется, например, в Новой Зеландии и Исландии.

Энергия из отходов

Одним из наиболее необычных видов использования отходов человеческой деятельности является получение электроэнергии из мусора. Проблема городских свалок стала одной из наиболее актуальных проблем современных мегаполисов. Но, оказывается, их можно еще использовать для производства электроэнергии. Во всяком случае именно так поступили в США, в штате Пенсильвания. Когда построенная для сжигания мусора и одновременной выработки электроэнергии для 15000 домов печь стала получать недостаточно топлива, было решено восполнить его мусором с уже закрытых свалок. Вырабатываемая из мусора энергия приносит округу около $ 4000 прибыли еженедельно. Но главное – объем закрытых свалок сократился на 78%.

Разлагаясь на свалках, мусор выделяет газ, 50-55 % которого приходится на метан, а 45-50% - на углекислый газ и около одного процента - на другие соединения. Если раньше выделяемый газ просто отравлял воздух, то теперь в США его начинают использовать в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии. Только в мае 1993 года 114 электростанций, работающих на газе от свалок, произвели 344 МДж электроэнергии. Самая крупная из них, в городе Уиттиер, производит за год 50 МДж. Станция мощностью 12 МВт способна удовлетворить потребность в электроэнергии жителей 20 тысяч домов. По подсчетам специалистов, газа на свалках США хватит для работы небольших станций на 30-50 лет. Не стоит ли и нам задуматься над проблемой вторичного использования мусора? При наличии эффективной технологии мы могли бы сократить количество мусорных “курганов”, а заодно значительно пополнить и восполнить запасы энергии, благо “дефицита сырья” для ее производства не предвидится.

Энергия навоза

Казалось бы, что может быть неприятнее навоза? Много проблем связано с загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств. Большие количества органического вещества, попадающие в водоемы, способствуют их загрязнению.

Известно, что теплоцентрали - активные загрязнители окружающей среды, свинофермы и коровники - тоже. Однако из этих двух зол можно составить нечто хорошее. Именно это произошло в английском городе Пиделхинтоне, где разработана технология переработки навоза свиней в электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биологической переработке. Образующийся газ используется для получения электроэнергии, а переработанные бактериями отходы - для удобрения. Перерабатывая 70 тонн навоза ежедневно, можно получить 40 КВт/ч.

Водородная энергетика

Многие специалисты высказывают опасение по поводу все возрастающей тенденции к сплошной электрификации экономики и хозяйства: на тепловых электростанциях сжигается все больше химического топлива, а сотни новых атомных электростанций, как и зарождающиеся солнечные, ветряные и геотермальные станции, будут во все более широком масштабе работать для производства электрической энергии. Поэтому ученые заняты поиском принципиально новых энергетических систем.

КПД тепловых электростанций относительно низок. При этом большая доля энергии теряется с отходящим теплом (например, вместе со сбрасываемой из систем охлаждения теплой водой), что приводит к так называемому тепловому загрязнению окружающей среды. Отсюда следует, что тепловые электростанции нужно строить в тех местах, где имеется а достаточном количестве охлаждающая вода, или же в открытых ветрам местностях, где воздушное охлаждение не будет оказывать отрицательного влияния на микроклимат. К этому добавляются вопросы безопасности и гигиены. Вот почему будущие крупные АЭС должны располагаться как можно дальше от густонаселенных районов. Но тем самым источники электроэнергии удаляются от ее потребителей, что значительно усложняет проблему электропередачи.

Передача электроэнергии по проводам обходится очень дорого: она составляет около трети себестоимости энергии для потребителя. Чтобы снизить расходы, строят линии электропередачи все более высокого напряжения – оно скоро достигнет 1500 кВ. Но воздушные высоковольтные линии требуют отчуждения большой земельной площади, к тому же они уязвимы для очень сильных ветров и иных метеорологических факторов. А подземные кабельные линии обходятся в 10 – 20 раз дороже, и их прокладывают лишь в исключительных случаях (например, когда это вызвано соображениями архитектуры или надежности).

Серьезнейшую проблему составляет накопление и хранение электроэнергии, поскольку электростанции наиболее экономично работают при постоянной мощности и полной нагрузке. Между тем спрос на электроэнергию меняется в течение суток, недели и года, так что мощность электростанций приходится к нему приспосабливать. Единственную возможность сохранять впрок большие количества электроэнергии в настоящее время дают гидроаккумулирующие электростанции, но и они в свою очередь связаны с множеством проблем.

Все эти проблемы, стоящие перед современной энергетикой, могло бы – по мнению многих специалистов – разрешить использование водорода в качестве топлива и создание так называемого водородного энергетического хозяйства.

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей и т.п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока с напряжением 40 кВ, а на расстоянии свыше 900 км – дешевле воздушной линии электропередачи переменного тока с напряжением 500 кВ.

Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. тонн водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

Современные и перспективные методы производства водорода. Сейчас водород производят главным образом из нефти (около 80%). Но это неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.

Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т.п.

Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе) заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий, что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000°С.

В 1969 году в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с КПД 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в повторных циклах. Другие – сконструированные установки работали – при температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять КПД таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.

Использование водорода. Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.

При сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде. Более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает КПД отопления на 30%.

Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.

Заключение

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы прямо или косвенно больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж, в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

Традиционные источники энергии по-прежнему занимают ведущее положение в мировой электроэнергетике. Однако за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить всё дороже. Кроме того, природные ресурсы ограничены, и, в конце концов, человечество будет вынуждено перейти сначала на повсеместное использование атомной энергии, а потом полностью на энергию ветра, Солнца и Земли.

Альтернативную энергию повсеместно можно будет использовать только тогда, когда традиционного топлива станет настолько мало, что его цена станет баснословно высокой; или когда экологический кризис поставит человечество на грань самоуничтожения. Уже сейчас можно существенно преуменьшить вероятность парникового эффекта и ликвидировать все экологически неблагоприятные районы за счёт использования чистой альтернативной энергии. Однако этого до сих пор не произошло из-за низкой рентабельности такого строительства. Никто не хочет вкладывать свои деньги в то, что сможет окупиться только через несколько столетий. Ведь подготовительные работы для использования любого альтернативного источника энергии стоят очень дорого, кроме того, они не всегда безопасны как для людей, так и для окружающей среды. Поэтому моментального введения в эксплуатацию «правильного» источника электричества ожидать в ближайшее время не стоит.

Список литературы

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

2.    Непорожний П.С., Попков В.И., Энергетические ресурсы мира, М., Энергоатомиздат, 1995г.

3.    Источники энергии. Факты, проблемы, решения, М., Наука и техника, 1997г.