Энергетика проблемы и перспективы. Современной энергетики. Некоторые пути решения экологических проблем

В течение следующих десятилетий ожидается значительное увеличение энергопотребления, связанное с развитием экономики и приростом населения. Это приведет к росту давления на систему энергоснабжения и потребует повышенного внимания к эффективности использования энергии. Это проблемы современной энергетики, которые надо решать прямо сейчас. Доступность энергоресурсов является ключевым фактором для развития экономики и способствует улучшению качества жизни. Как правило, в основе прогнозов энергопотребления лежат такие факторы, как рост мировых экономик и увеличение численности населения, которые выступают в качестве основной движущей силы непрерывного роста энергопотребления. Эти достижения обеспечили возможность роста экономической активности опережающими темпами по отношению к росту энергопотребления.

Например, несмотря на то, что количество автомобилей в Китае за 2000¬2006 гг. увеличилось более чем в 2 раза, один автомобиль там приходится на 40 человек, в то время как в США данный показатель равен одному автомобилю на двух человек. Исходя из этого, можно с уверенностью прогнозировать дальнейший стремительный рост продаж автомобилей и объемов потребления топлива в Китае. Ускоряющиеся темпы потребления в сочетании с большой численностью населения, которая продолжает расти, позволяют сделать вывод о том, что новая волна роста энергопотребления в значительной степени придется на развивающиеся страны.

Человек только начинает осознавать ограниченность ископаемых ресурсов, в условиях необходимости рационального их использования. Нефти с 1960 по 1970 год было израсходовано столько же, сколько за предыдущие 100 лет. К 2030 году доля нефти как энергоносителя сократится до 16 %. Между тем из разведанных и эксплуатируемых скважин извлекалось до недавнего времени всего 30 % нефти. Уголь может снова стать важнейшим источником энергии. Другой альтернативой всё чаще называется - атомная энергия.

Плодами экономического роста пользуется порядка 15 % населения Земли (в основном, страны Запада), а энергетические ресурсы сосредоточены преимущественно в развивающихся странах. США, ЕЭС, Канада, Япония потребляют 1/2 всей мировой энергии, 1/3 удобрений, 2/3 всех металлов, 2/3 деловой древесины. Они же производят более 2/3 мирового валового продукта, обеспечивают 2/3 мировой торговли, выбрасывают 3/4 всех загрязнителей. Вложение энергии на 100 000 человек в Нидерландах составляет 914 пентаджоулей, Германии - 418, Великобритании - 355, Японии - 352, США - 74, в России - только 16. Борьба за обладание энергоресурсами часто кончается военными конфликтами. В современных условиях усилия в этих конфликтах все чаще направляются не на захват территорий противника, а на подавление военно-экономического потенциала - устранение «конкурента» и обеспечение господства победителя на рынках сырья и сбыта. Это мнение особенно актуально для сегодняшней ситуации в мире.

В настоящее время основными источниками энергии являются углеводороды и урановые руды. Их мировые запасы примерно уже известны, и, даже по самым оптимистическим оценкам, вряд ли разведка даст увеличение их объемов в разы. Поскольку известен и уровень потребления этих ресурсов, то уже подсчитан и срок, после которого они будут полностью исчерпаны. Очевидно, что никакой режим экономии невозобновляемых источников энергии не в состоянии исключить того момента в будущем, когда они будут полностью исчерпаны. Ситуация усугубляется при этом еще несколькими факторами.

Во-первых, экспоненциальным ростом промышленного производства. Так, в прошлом столетии совокупный объем промышленного производства в мире увеличивался в среднем каждые 20 лет. Если эта тенденция сохранится в ХХI в., то через 20 лет потребность в энергоресурсах вырастет в 2 раза, через 40 лет - в 4, к концу ХХI в. - в 32, к концу ХХII в. - в 1024 раза. А поскольку даже при сохранении потребления ресурсов на сегодняшнем уровне их хватит не более чем на несколько десятков лет, то прирост промышленности катастрофически ускоряет приближение всемирной ресурсной катастрофы.

В этом отношении переход к термоядерной энергии (возможно, и в более широком смысле - к плазменной энергетике вообще) - единственный из реально известных выходов из грядущего тупика. Но даже если термоядерные реакции в будущем удастся обуздать, останутся нерешенными другие проблемы современной энергетики.

Современную жизнь невозможно представить без электричества и тепла. Материальный комфорт, который окружает нас сегодня, как и дальнейшее развитие человеческой мысли накрепко связаны с изобретением электричества и использованием энергии.

С древних времен люди нуждались в силе, точнее в двигателях, которые давали бы им силу большую человеческой, для того, чтобы строить дома, заниматься земледелием, осваивать новые территории.

Первые аккумуляторы пирамид

В пирамидах Древнего Египта ученые нашли сосуды, напоминающие аккумуляторы. В 1937 году во время раскопок под Багдадом немецкий археолог Вильгельм Кениг обнаружил глиняные кувшины, внутри которых находились цилиндры из меди. Эти цилиндры были закреплены на дне глиняных сосудов слоем смолы.

Впервые явления, которые сегодня называют электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в древней Греции. Древнегреческий философ Фалес Милетский в VI веке до нашей эры отмечал способность янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря – «электрон» – это явление стали называть электризацией.

Сегодня нам уже будет нетрудно разгадать «тайну» янтаря, натертого шерстью. В самом деле, почему янтарь электризуется? Оказывается, при трении шерсти о янтарь на его поверхности появляется избыток электронов, и возникает отрицательный электрический заряд. Мы как бы «отбираем» электроны у атомов шерсти и переносим их па поверхность янтаря. Электрическое поле, созданное этими электронами, притягивает бумагу. Если вместо янтаря взять стекло, то здесь наблюдается другая картина. Натирая стекло шелком, мы «снимаем» о его поверхности электроны. В результате на стекле оказывается недостаток электронов, и оно заряжается положительно. Впоследствии, чтобы различать эти заряды, их стали условно обозначать знаками, дошедшими до наших дней, минус и плюс.

Описав удивительные свойства янтаря в поэтических легендах, древние греки так и не продолжили его изучение. Следующего прорыва в деле покорения свободной энергии человечеству пришлось ждать много веков. Зато когда он все-таки был совершен, мир в буквальном смысле слова преобразился. Еще в 3 тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для лодок, но только в VII в. н.э. изобрели ветряную мельницу с крыльями. Началась история ветряных двигателей. Водяные колеса использовали на Ниле, Эфрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до ХVII века являлись основными типами двигателей.

Эпоха открытий

В истории попыток использования пара записаны имена многих ученых и изобретателей. Так Леонардо да Винчи оставил 5000 страниц научных и технических описаний, чертежей, эскизов различных приспособлений.

Джанбаттиста делла Порта исследовал образование пара из воды, что было важно для дальнейшего использования пара в паровых машинах, исследовал свойства магнита.

В 1600 году придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гилберт изучил все, что было известно древним народам о свойствах янтаря, и сам провел опыты с янтарем и магнитами.

Кто придумал электричество?

Термин "электричество" ввел английский естествоиспытатель, лейб-медик королевы Елизаветы Уильям Гилберт. Впервые он употребил это слово в своем трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» в 1600 году. Ученый объяснял действие магнитного компаса, а также приводил описания некоторых опытов с наэлектризованными телами.

В целом практических знаний об электричестве за XVI – XVII столетия было накоплено не так уж много, но все открытия были предвестниками по-настоящему больших перемен. Это было время, когда опыты с электричеством ставили не только ученые, но и аптекари, и врачи, и даже монархи.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х годов в Париже он вместе с голландским физиком Кристианом Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нем.

В 1680 году Дени Папен приехал в Англию и создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив.

Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Французский учёный изобрёл паровой котёл с рычажным предохранительным клапаном.

В 1774 году Уатт Джеймс в результате ряда экспериментов создал уникальную паровую машину. Для обеспечения работы двигателя он применил центробежный регулятор, соединённый с заслонкой на выпускном паропроводе. Уатт детально исследовал работу пара в цилиндре, впервые сконструировав для этой цели индикатор.

В 1782 году Уатт получил английский патент на паровой двигатель с расширением. Он же ввёл первую единицу мощности - лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности - ватт). Паровая машина Уатта благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству.

Итальянский анатом Луиджи Гальвани в 1791 году опубликовал труд «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям человеческого организма с помощью биоэлектрических токов. Обнаруживались больные органы при исследовании их электрических сигналов. Работа любого органа (сердца, мозга) сопровождается биологическими электрическими сигналами, имеющими для каждого органа свою форму. Если орган не в порядке, сигналы изменяют свою форму, и при сравнении «здоровых» и «больных» сигналов обнаруживаются причины заболевания.

Опыты Гальвани натолкнули на изобретение нового источника электричества профессора Тессинского университета Алессандро Вольта. Он дал опытам Гальвани с лягушкой и разнородными металлами иное объяснение, доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, объясняются только тем, что определенная пара разнородных металлов, разделенная слоем специальной электропроводящей жидкости, служит источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи. Эта теория, разработанная Вольтой в 1794 году, позволила создать первый в мире источник электрического тока, который назывался Вольтов столб.

Он представлял собой набор пластин из двух металлов, меди и цинка, разделенных прокладками из войлока, смоченного в соляном растворе или щелочи. Вольта создал прибор, способный за счет химической энергии производить электризацию тел и, следовательно, поддерживать в проводнике движение зарядов, то есть электрический ток. Скромный Вольта назвал свое изобретение в честь Гальвани «гальваническим элементом», а электрический ток, получающийся от этого элемента – «гальваническим током».

Первые законы электротехники

В начале XIX века опыты с электрическим током привлекали внимание ученых из разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки компаса под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В 1820 году это явление в своем докладе подробно описал датский физик Ганс Христиан Эрстед. Небольшая, всего в пять страниц, книжка Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках и произвела огромное впечатление на коллег Эрстеда из разных стран.

Однако правильно объяснить причину явления, которое описал Эрстед, первым сумел французский ученый Андре Мари Ампер. Оказалось, ток способствует возникновению в проводнике магнитного поля. Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления – электричество и магнетизм – одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы.

Воодушевленный открытиями Эрстеда и Ампера, другой ученый, англичанин Майкл Фарадей предположил, что не только магнитное поле может воздействовать на магнит, но и наоборот – двигающийся магнит будет оказывать воздействие на проводник. Серия опытов подтвердила эту блестящую догадку – Фарадей добился того, что подвижное магнитное поле создало в проводнике электрический ток.

Позже это открытие послужило основой для создания трех главных устройств электротехники – электрического генератора, электрического трансформатора и электрического двигателя.

Начальный период использования электричества

У истоков освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович Петров, профессор медицинско-хирургической Академии в Петербурге. Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, он в 1802 году сделал свое знаменитое открытие – электрическую дугу, сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры.

Жертвы ради науки

Русский учёный Василий Петров, первым в мире в 1802 году описавший явление электрической дуги, не жалел себя при проведении экспериментов. В то время не было таких приборов, как амперметр или вольтметр, и Петров проверял качество работы батарей по ощущению от электрического тока в пальцах. Чтобы чувствовать слабые токи, учёный срезал верхний слой кожи с кончиков пальцев.

Наблюдения и анализ Петровым свойств электрической дуги легли в основу создания электродуговых ламп, ламп накаливания и много другого.

В 1875 году Павел Николаевич Яблочков создает электрическую свечу, состоящую из двух угольных стержней, расположенных вертикально и параллельно друг другу, между которыми проложена изоляция из каолина (глины). Чтобы горение было более продолжительным, на одном подсвечнике помещалось четыре свечи, которые горели последовательно.

В свою очередь, Александр Николаевич Лодыгин ещё в 1872 году предложил вместо угольных электродов использовать нить накаливания, которая при протекании электрического тока ярко светилась. В 1874 году Лодыгин получил патент на изобретение лампы накаливания с угольным стерженьком и ежегодную Ломоносовскую премию Академии наук. Устройство было запатентовано также в Бельгии, Франции, Великобритании, Австро-Венгрии.

В 1876 году Павел Яблочков завершил разработку конструкции электрической свечи, начатой в 1875 г. и 23 марта получил французский патент, содержащий краткое описание свечи в её первоначальных формах и изображение этих форм. «Свеча Яблочкова» оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем лампа А. Н. Лодыгина. Под названием «русский свет» свечи Яблочкова использовались позже для уличного освещения во многих городах мира. Так же Яблочков предложил первые практически применявшиеся трансформаторы переменного тока с разомкнутой магнитной системой.

Тогда же в 1876 году в России была сооружена первая электростанция на Сормовском машиностроительном заводе, ее прародительница была построена в 1873 году под руководством бельгийско-французского изобретателя З.Т. Грамма для питания системы освещения завода, так называемая блок-станция.

В 1879 русские электротехники Яблочков, Лодыгин и Чиколев совместно с рядом других электротехников и физиков организовали в составе Русского технического общества Особый Электротехнический отдел. Задачей отдела было содействие развитию электротехники.

Уже в апреле 1879 года впервые в России электрическими фонарями освещен мост – мост Александра II (ныне Литейный мост) в Санкт-Петербурге. При содействии Отдела на Литейном мосту введена первая в России установка наружного электрического освещения (дуговыми лампами Яблочкова в светильниках, изготовленных по проекту архитектора Кавоса), положившая начало созданию местных систем освещения дуговыми лампами некоторых общественных зданий Петербурга, Москвы и других больших городов. Электрическое освещение моста устроенное В.Н. Чиколевым, где горело 12 свечей Яблочкова вместо 112 газовых рожков, функционировало всего 227 дней.

Трамвай Пироцкого

Вагон электрического трамвая изобрел Федор Аполлонович Пироцкий в 1880 году. Первые трамвайные линии в Санкт-Петербурге были проложены только зимой 1885 года по льду Невы в районе Мытнинской набережной, так как право на использование улиц для пассажирских перевозок имели только владельцы конок – рельсового транспорта, который передвигался при помощи лошадей.

В 80-е годы возникли первые центральные станции, они были более целесообразны и более экономичны, чем блок-станции, так как снабжали электричеством сразу много предприятий.

В то время массовыми потребителями электроэнергии были источники света – дуговые лампы и лампы накаливания. Первые электростанции Петербурга вначале размещались на баржах у причалов рек Мойки и Фонтанки. Мощность каждой станции составляла примерно 200 кВт.

Первая в мире центральная станция была пущена в работу в 1882 году в Нью-Йорке, она имела мощность 500 кВт.

В Москве электрическое освещение впервые появилось в 1881 году, уже в 1883 году электрические светильники иллюминировали Кремль. Специально для этого была сооружена передвижная электростанция, которую обслуживали 18 локомобилей и 40 динамо-машин. Первая стационарная городская электростанция появилась в Москве в 1888 году.

Нельзя забывать и о нетрадиционных источниках энергии.

Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.

План ГОЭЛРО

В России создавались электростанции в конце XIX и начале XX веков, однако, бурный рост электроэнергетики и теплоэнергетики в 20-е годы XX столетия после принятия по предложению В.И. Ленина плана ГОЭЛРО (Государственной электрификации России).

22 декабря 1920 года VIII Всероссийский съезд Советов рассмотрел и утвердил Государственный план электрификации России – ГОЭЛРО, подготовленный комиссией, под председательством Г.М. Кржижановского.

План ГОЭЛРО должен был быть реализован в течении десяти-пятнадцати лет, а его результатом должно было стать создание «крупного индустриального хозяйства страны». Для экономического развития страны это решение имело огромное значение. Недаром свой профессиональный праздник российские энергетики отмечают именно 22 декабря.

В плане много уделялось проблеме использования местных энергетических ресурсов (торфа, воды рек, местного угля и др.) для производства электрической энергии.

8 октября 1922 года состоялся официальный пуск станции «Уткина заводь» - первой торфяной электростанции в Петрограде.

Первая ТЭЦ России

Самая первая тепловая электростанция, построенная по плану ГОЭЛРО в 1922 году, называлась «Уткина заводь». В день пуска участники торжественного митинга переименовали ее в «Красный октябрь», и под этим именем она проработала до 2010 года. Сегодня это Правобережная ТЭЦ ПАО «ТГК-1».

В 1925 году запустили Шатурскую электростанцию на торфе, в тот же год на Каширской электростанции начали освоение новой технологии сжигания подмосковного угля в виде пыли.

Днем начала теплофикации в России можно считать 25 ноября 1924 года – тогда заработал первый теплопровод от ГЭС-3, предназначенный для общего пользования в доме номер девяносто шесть на набережной реки Фонтанки. Электростанция № 3, которую переоборудовали для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, является первой в России теплоэлектроцентралью, а Ленинград – пионером теплофикации. Централизованное снабжение горячей водой жилого дома функционировало без сбоев, и через год ГЭС-3 стало снабжать горячей водой бывшую Обуховскую больницу и бани, находящиеся в Казачьем переулке. В ноябре 1928 года к тепловым сетям государственной электростанции № 3 подключили здание бывших Павловских казарм, располагавшихся на Марсовом поле.

В 1926 году была пущена в эксплуатацию мощная Волховская ГЭС, энергия которой по линии электропередачи напряжением 110 кВ, протяженностью 130 км поступала в Ленинград.

Атомная энергетика XX века

20 декабря 1951 года, ядерный реактор впервые в истории произвел пригодное для использования количество электроэнергии - в нынешней Национальной Лаборатории INEEL Департамента энергии США. Реактор выработал достаточную мощность, чтобы зажечь простую цепочку из четырех 100-ваттных лампочек. После второго эксперимента, проведенного на следующий день, 16 участвовавших в нем учёных и инженеров «увековечили» свое историческое достижение, написав мелом свои имена на бетонной стене генератора.

Советские ученые приступили к разработке первых проектов мирного использования атомной энергии ещё во второй половине 1940-х годов. А 27 июня 1954 года в городе Обниск была запущена первая атомная электростанция.

Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева). К концу ХХ века в мире насчитывалось уже более 400 атомных электростанций.

Современная энергетика. Конец XX века

Конец XX века ознаменован различными событиями, связанными как с высокими темпами строительства новых станции, началом развития возобновляемых источников энергии, ак и с появлением первых проблем от сформировавшейся огромной мировой энергосистемы и попытками их решить.

Блэкаут

Американцы называют ночь на 13 июля 1977 «Ночью страха». Тогда случилась огромная по своим размерам и последствиям авария на электрических сетях в Нью-Йорке. Из-за попадания молнии в линию электропередачи на 25 часов была прервана подача электричества в Нью-Йорк и 9 млн жителей оказались без электроснабжения. Трагедии сопутствовал финансовый кризис, в котором пребывал мегаполис, необыкновенно жаркая погода, и небывалый разгул преступности. После отключения электричества на фешенебельные кварталы города набросились банды из бедных кварталов. Считается, что именно после тех страшных событий в Нью-Йорке понятие «блэкаут» стало повсеместно использоваться применительно к авариям в электроэнергетике.

Так как современное сообщество всё больше зависит от электроэнергии, аварии на электросетях наносят ощутимые убытки предприятиям, населению и правительствам. Во время аварии выключаются осветительные приборы, не работают лифты, светофоры, метро. На жизненно важных объектах (больницы, военные объекты и т. д.) для функционирования жизнедеятельности во время аварий в энергосистемах используются автономные источники питания: аккумуляторы, генераторы. Статистика показывает значительное увеличение аварий в 90-е гг. XX - начале XXI вв.

В те годы продолжалось развитие альтернативной энергетики. В сентябре 1985 года состоялось пробное включение генератора первой солнечной электростанции СССР в сеть. Проект первой в СССР Крымской СЭС был создан в начале 80-х в рижском отделении института «Атомтеплоэлектропроект» при участии тринадцати других проектно-конструкторских организаций Министерства энергетики и электрификации СССР. Полностью станция вступила в строй в 1986 году.

В 1992 году началось строительство крупнейшей в мире ГЭС «Три ущелья» в Китае на реке Янцзы. Мощность станции - 22,5 ГВт. Напорные сооружения ГЭС образуют крупное водохранилище площадью 1 045 км², полезной ёмкостью 22 км³. При создании водохранилища было затоплено 27 820 га обрабатываемых земель, было переселено около 1,2 млн человек. Под воду ушли города Ваньсянь и Ушань. Полное завершение строительства и ввод в официальную эксплуатацию состоялся 4 июля 2012 года.

Развитие энергетики неотделимо от проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. В Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата был принят Киотский протокол. Он обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов в 2008 – 2012 годах по сравнению с 1990 годом. Период подписания протокола открылся 16 марта 1998 года и завершился 15 марта 1999 года.

По состоянию на 26 марта 2009 Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов). Заметным исключением из этого списка являются США. Первый период осуществления протокола начался 1 января 2008 года и продлится пять лет до 31 декабря 2012 года, после чего, как ожидается, на смену ему придёт новое соглашение.

Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночном механизме регулирования - механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов.

XXI век, а точнее 2008 год, стал знаковым для энергетической системы России, было ликвидировано Российское открытое акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России» (ОАО РАО «ЕЭС России»)-российская энергетическая компания, существовавшая в 1992-2008 годах. Компания объединяла практически всю российскую энергетику, являлась монополистом на рынке генерации и энерготранспортировки России. На её месте возникли государственные естественно-монопольные компании, а также приватизированные генерирующие и сбытовые компании.

В XXI веке в России строительство электростанций выходит на новый уровень, начинается эра применения парогазового цикла. Россия способствует наращиванию новых генерирующих мощностей. 28 сентября 2009 года началось строительство Адлерской теплоэлектростанции. Станция будет создана на основе 2-х энергоблоков парогазовой установки общей мощностью 360 МВт (тепловая мощность - 227 Гкал/ч) с КПД 52%.

Современная технология парогазового цикла обеспечивает высокий КПД, низкий расход топлива и снижение уровня вредных выбросов в атмосферу в среднем на 30% по сравнению с традиционными паросиловыми установками. В будущем ТЭС должна стать не только источником тепла и электричества для объектов зимних Олимпийских игр 2014 года, но и весомым вкладом в энергобаланс г. Сочи и прилегающих районов. ТЭС включена в утвержденную Правительством РФ Программу строительства олимпийских объектов и развития г. Сочи как горноклиматического курорта.

24 июня 2009 года в Израиле заработала первая гибридная солнечно-газовая электростанция. Построена она из 30 солнечных отражателей и одной "цветочной" башни. Для сохранения мощности системы 24 часа в сутки, она может переключиться на газовую турбину во время наступления темноты. Установка занимает относительно немного места, и может работать в удалённых районах, которые не подключены к центральным энергетическим системам.

Новые технологии, используемые в гибридных станциях, постепенно распространяются по всему миру, так в Турции планируется построить гибридную электростанцию, которая будет работать одновременно уже на трех источниках возобновляемой энергии - на ветре, природном газе и солнечной энергии.

Альтернативная электростанция спроектирована так, что все ее составляющие дополняют друг друга, поэтому американские специалисты сошлись во мнении, что в будущем у подобных станций есть все шансы стать конкурентоспособными, и поставлять электричество по умеренной цене.

Современная электроэнергетика имеет немало проблем, они обусловлены высокой стоимостью топлива, негативным влиянием на экологию и т.д..

Так, например, гидроэнергетические технологии имеют много преимуществ, но есть и существенные недостатки. Наклад, дождливые сезоны, низкие водные ресурсы во засухи могут серьезно влиять на количество произведенной энергии. Это может стать серьезной проблемой там, где гидроэнергия составляет значительную часть в энергетическом комплексе страны, плотин является причиной многих проблем: переселение жителей, пересыхание природных русел рек, заиление водохранилищ, водных споров между соседними странами, значительной стоимости этих проектов. ГЭС на равнинных реках приводит к затоплению больших территорий. Значительная часть площади водоемов, образующихся — мелководье. В летнее время за счет солнечной радиации в них активно развивается водная растительность, происходит так называемое «цветение» воды.

Изменение уровня воды, местами доходит до полного высушивания, приводит к гибели растительности. Плотины препятствуют миграции рыб. Многокаскадные ГЭС уже сейчас превратили реки в ряд озер, где возникают болота. В этих реках погибает рыба, а вокруг них меняется микроклимат, еще больше разрушая природные экосистемы.

О вредности ТЭС, то при сгорании топлива в тепловых двигателях выделяются вредные вещества: закись углерода, соединения азота, соединения свинца, а также выделяется в атмосферу значительное количество теплоты.

Кроме того, применение паровых турбин на ТЭС требует отвода больших площадей под пруды, в которых охлаждается отработанный пар. Ежегодно в мире сжигается 5 млрд. тонн угля и 3,2 млрд. тонн нефти, это сопровождается выбросом в атмосфере 2 10 Дж теплоты. Запасы органического топлива на Земле распределены крайне неравномерно, и при нынешних темпах потребления угля хватит на 150-200 лет, нефти — на 40-50 лет, а газа примерно на 60 лет. Весь цикл работ, связанных с добычей, транспортировкой и сжиганием органического топлива (главным образом угля), а также с образованием отходов, сопровождается выделением большого количества химических загрязнителей. Добыча угля связан с немалым засолением водных резервуаров куда сбрасываются воды из шахт. Кроме этого, в воде, откачиваемой, содержатся изотопы радия и радон. ТЭС, хотя и имеет современные системы очистки продуктов сжигания угля, выбрасывает за год в атмосферу по разным оценкам от 10 до 120 тыс. тонн оксидов серы, 2-20 тыс. тонн оксидов азота, 700-1500 тонн пепла (без очистки — в 2-3 раза больше) и выделяет 3-7 млн. тонн оксида углерода. Кроме того, образуется более 300 тыс. тонн золы, содержащей около 400 тонн токсичных металлов (мышьяка, кадмия, свинца, ртути). Можно отметить, что ТЭС, работающей на угле, выбрасывает в атмосферу больше радиоактивных веществ, чем АЭС той же мощности. Это связано с выбросом различных радиоактивных элементов, содержащихся в угле в виде вкраплений (радий, торий, полоний и др.).. Для количественной оценки воздействия радиации вводится понятие «коллективная доза», т.е. произведение значения дозы на количество населения, подвергшихся воздействию радиации (он выражается в человеко-зиверт). Оказалось, что в начале 90-х годов прошлого века ежегодный коллективная доза облучения населения Украины за счет тепловой энергетики составляла 767 чел / н и за счет атомной — 188 чел / н.

В настоящее время в атмосферу ежегодно выбрасывается 20-30 млрд. тонн оксида углерода. Прогнозы свидетельствуют, что при сохранении таких темпов в будущем к середине века средняя температура на Земле может повыситься на несколько градусов, что приведет к непредсказуемым глобальных климатических изменений. Сравнивая экологической действие различных энергоисточников, необходимо учесть их влияние на здоровье человека. Высокий риск для работников в случае использования угля связан с его добычей в шахтах и транспортировкой и с экологическим воздействием продуктов его сжигания. Последние две причины касаются нефти и газа и влияют на все население. Установлено, что глобальное влияние выбросов от сжигания угля и нефти на здоровье людей действует примерно так же, как авария типа Чернобыльской, повторяющегося раз в год. Это — «тихий Чернобыль», последствия которого непосредственно невидимые, но постоянно влияют на экологию. Концентрация токсичных примесей в химических отходах стабильная, и в конце концов все они перейдут в экосферу, в отличие от радиоактивных отходов АЭС распадаются.

В целом реальный радиационное воздействие АЭС на окружающую среду намного (в 10 и более раз) меньше допустимого. Если учесть экологическую действие различных энергоисточников на здоровье людей, то среди возобновляемых источников энергии риск от нормально работающих АЭС минимальный как для работников, деятельность которых связана с различными этапами ядерного топливного цикла, так и для населения. Глобальный радиационный взнос атомной энергетики на всех этапах ядерного топливного цикла сейчас составляет около 0,1% естественного фона и не превысит 1% даже при интенсивном ее развития в будущем.

Добыча и переработка урановых руд также связаны с неблагоприятной экологической действием.

Коллективная доза, полученная персоналом установки и населением на всех этапах добычи урана и изготовления топлива для реакторов, составляет 14% полной дозы ядерного топливного цикла. Но главной проблемой остается захоронения высокоактивных отходов. Объем особо опасных радиоактивных отходов составляет примерно одну стотысячную часть общего количества отходов, среди которых высокотоксичные химические элементы и их устойчивые соединения. Разрабатываются методы их концентрации, надежного связывания и размещения в устойчивых геологических формациях, где, по расчетам специалистов, они могут содержаться в течение тысячелетий. Серьезным недостатком атомной энергетики является радиоактивность используемого топлива и продуктов его деления. Это требует создания защиты от различного типа радиоактивного излучения, что значительно повышает энергии, вырабатываемой АЭС. Кроме этого, еще одним недостатком АЭС является тепловое загрязнение воды, т.е. ее нагрева.

Интересно отметить, что по данным группы английских медиков, лица, которые работали в течение 1946 — 1988 годах на предприятиях британской ядерной промышленности, живут в среднем дольше, а уровень смертности среди них от всех причин, включая рак, значительно ниже. Если учитывать реальные уровни радиации и концентрации химических веществ в атмосфере, то можно сказать, что влияние последних на флору в целом довольно значительный по сравнению с воздействием радиации.

Приведенные данные свидетельствуют, что при работе энергетических установок экологическое воздействие атомной энергетики в десятки раз ниже, чем тепловой .

Неисправимым злом для Украины остается Чернобыльская трагедия. Но она больше касается того социального строя, что ее породил, чем атомной энергетики. Ведь ни на одной АЭС в мире, кроме Чернобыльской, не было аварий, непосредственно приведших к гибели людей.

Вероятностный метод расчета безопасности АЭС в целом свидетельствует, что при выработке одной и той же единицы электроэнергии, вероятность крупной аварии на АЭС в 100 раз ниже, чем в случае угольной энергетики. Выводы из такого сравнения очевидны.

Рост масштабов использования электрической энергии, обострение проблем охраны окружающей среды значительно активизировали поиски экологически чистых способов выработки электроэнергии. Интенсивно разрабатываются способы использования нетопливной возобновляемой энергии — солнечной, ветряной, геотермальной, энергии волн, приливов и отливов, энергии биогаза и т.д.. Источники этих видов энергии — неисчерпаемы, но следует разумно оценить, смогут ли они удовлетворить все потребности человечества.

Новейшие исследования направлены преимущественно на выработку электрической энергии за счет энергии ветра. Сооружаются ВЭС преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно обеспечивают током нефтяников, они успешно работают в труднодоступных районах, на далеких островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в период безветрия. Использование энергии ветра осложняется тем, что имеет малую плотность энергии , а также меняется его сила и направление. Ветроустановки основном используют в тех местах, где хороший ветровой режим. Для создания ветроустановок большой мощности необходимо, чтобы имел большие размеры, кроме того, воздушный винт надо поднять на достаточную высоту, поскольку на большей высоте ветер более устойчивый и имеет большую скорость. Только одна электростанция, работающая на органическом топливе, может заменить (по количеству произведенной энергии) тысячи ветровых турбин.

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. Энергия приливов огромная, ее суммарная мощность на Земле составляет около 1 млрд. кВт, что больше суммарной мощности всех рек мира.

Принцип действия приливных электростанций очень прост. Во время прилива вода, вращая гидротурбины, заполняет водоем, а после отлива она из водоема выходит в океан, снова вращая турбины. Главное — найти удобное место для установки плотины, в котором высота прилива была бы значительной. Строительство и эксплуатация электростанций — сложная задача. Морская вода вызывает коррозию большинства металлов, детали установок обрастают водорослями.

Тепловой поток солнечного излучения, который достигает Земли, очень велик. Он более чем в 5000 раз превышает суммарное использование всех видов топливно-энергетических ресурсов в мире.

Среди преимуществ солнечной энергии — ее вечность и исключительная экологическая чистота. Солнечная энергия поступает на всю поверхность Земли, только полярные районы планеты страдают от ее недостатка. То есть, практически на всем земном шаре только тучи и ночь мешают пользоваться ею постоянно. Такая общедоступность делает этот вид энергии невозможным для монополизации, в отличие от нефти и газа. Конечно, стоимость 1 кВт · час. солнечной энергии значительно выше, чем полученная традиционным методом. Лишь пятая часть солнечного света преобразуется в электрический ток, но эта доля продолжает расти благодаря усилиям ученых и инженеров мира.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь збирний устройство с достаточной поверхностью. Простейшее устройство такого рода — плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу.

Существуют электростанции несколько иного типа, их отличие заключается в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый теплоноситель, который нагревает воду до образования пара. По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках. Однако поверхность солнечных батарей для обеспечения достаточной мощности должна быть достаточно значительной (для суточной выработки 500 МВт-час. Необходима поверхность площадью 500 000 м 2), что довольно дорого. Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Эффективность солнечных электростанций в районах, удаленных от экватора, достаточно мала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно слабой интенсивности солнечной радиации, а также ее колебания, обусловленные чередованием дня и ночи.

Геотермальная энергетика использует высокие температуры глубоких недр земной коры для выработки тепловой энергии.

В некоторых местах Земли, особенно на краю тектонических плит, теплота выходит на поверхность в виде горячих источников — гейзеров и вулканов. В других областях подводные источники протекают через горячие подземные пласты, и эту теплоту можно забрать через системы теплообмена. Исландия является примером страны, где широко используется геотермальная энергия.

Сейчас разработаны технологии, позволяющие добывать горючие газы из биологического сырья в результате химической реакции распада высокомолекулярных соединений на низкомолекулярные за счет деятельности особых бактерий (которые участвуют в реакции без доступа кислорода воздуха). Схема реакции: биомасса + + бактерии -> горючие газы + другие газы + удобрения.

Биомасса — это отходы сельскохозяйственного производства (животноводства, перерабатывающей промышленности).

Основным сырьем для производства биогаза является навоз, который доставляют на биогазовые станции. Главным продуктом биогазовой станции является смесь горючих газов (90% в смеси составляет метан). Эту смесь поставляют на установки для выработки тепла, на электростанции.

Возобновляемые источники (кроме энергии воды) имеют общий недостаток: их энергия очень слабо сконцентрирована, что создает немалые трудности для практического использования. Стоимость возобновляемых источников (без учета ГЭС) гораздо выше, чем традиционных. Как солнечная, так и ветровая и другие виды энергии, могут успешно использоваться для выработки электроэнергии в диапазоне мощностей от нескольких киловатт до десятков киловатт. Но эти виды энергии вполне неперспективные для создания мощных промышленных энергоисточников

Проблемы и перспективы современной энергетики
Специалисты подсчитали, что в США потребление энергии в 6 раз превосходит среднемировой уровень и в 30 раз - уровень развивающихся стран.

Ученые предлагают следующую информацию к размышлению. Если бы развивающиеся страны сумели добиться роста потребления минеральных ресурсов до уровня Соединенных Штатов, то разведанные запасы нефти истощились бы через 7 лет, природного газа - через 5 лет, угля - через 18 лет. Если учесть еще и потенциальные запасы, до которых пока не добрались геологи, то природного газа должно хватить на 72 года, нефти в обычных скважинах - на 60 лет, а в сланцах и песках, откуда ее чрезвычайно трудно и дорого выкачивать, - на 660 лет. Угля - на 350 лет.
Предположим, что на нужды энергии можно использовать, как нефть, всю массу нашей планеты. Если скорость увеличения потребления энергии останется такой же, как сегодня, это “горючее” будет сожжено целиком всего за 342 года.
При современных темпах развития техники производство энергии на Земле через 240 лет превысит количество солнечной энергии, падающей на нашу планету, через 800 лет - всю энергию, выделяемую солнцем, а через 1300 лет превзойдет полное излучение всей нашей Галактики.
Однако главная проблема современной энергетики - не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка.

Атомная энергетика
Исходя из опыта, человечеству придется отказаться от атомной энергетики по 4 причинам.
Во-первых, каждая атомная электростанция независимо от степени ее надежности является стационарной атомной бомбой, которая в любой момент может быть взорвана путем диверсии, бомбардировкой с воздуха, обстрелом ракетами или обычными артиллерийскими снарядами.
Во-вторых, на примере Чернобыля мы на собственном опыте убедились, что авария на атомной электростанции может произойти по чьей-то небрежности. С 1971 по 1984 гг. на АЭС мира произошла 151 серьезная авария, при которой случился “значительный выброс радиоактивных материалов с опасным воздействием на людей”. С тех пор года не проходило, чтобы в той или иной стране мира не происходило серьезной аварии на АЭС, а иногда - и по несколько аварий.
Втретьих, реальной опасностью являются радиоактивные отходы атомных электростанций, которых за прошедшие десятилетия накопилось довольно много, и накопится еще больше, если атомная энергетика займет доминирующее положение в мировом энергобалансе. Сейчас отходы атомного производства в специальных контейнерах зарывают глубоко в землю или опускают на дно океана. Эти способы не являются безопасными: с течением времени защитные оболочки разрушаются, и радиоактивные элементы попадают в воду и почву, а потом - и в организм человека.
Вчетвертых, атомное горючее может быть с одинаковой эффективностью использовано и в АЭС, и в атомной бомбе. Совет безопасности ООН пресекает попытки развивающихся тоталитарных государств ввозить атомное горючее якобы для развития атомной энергетики. Это закрывает атомной энергетике дорогу в будущее в качестве доминирующей части мирового энергобаланса.
Но атомная энергетика имеет и немаловажные достоинства. Американские специалисты подсчитали, что, если бы к началу 90-х годов в СССР все атомные электростанции заменили на угольные той же мощности, то загрязнение воздуха стало бы настолько велико, что это привело бы к 50-кратному увеличению преждевременных смертей в XXI в. в сравнении с самыми пессимистичными прогнозами последствий чернобыльской катастрофы.

Альтернативная энергетика. Теория и практика
Альтернативная энергетика основана на использовании возобновляемых (или "чистых") источников энергии. К таковым относятся энергогенерирующие устройства, работающие с использованием энергии Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, а также подземного тепла планеты.

Солнечная энергия
Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь малая часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Специалисты утверждают, что гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Но перед ней встает множество проблем, связанных с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным.

Энергия ветра
По оценке Всемирной метеорологической организации, потенциал энергии ветра в мире составляет 170 трлн кВтч в год.
У энергии ветра есть несколько существенных недостатков, которые затрудняют ее использование. Прежде всего, она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимо строить ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД.
Ветер очень непредсказуем: часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но у энергии ветра есть главное преимущество - экологическая чистота. К тому же, недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет.
Разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветерке. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть также автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.
Разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей, и обычных ветряков.
Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные “ветряные фермы”. Ветряки там стоят рядами на обширном пространстве и занимают много места. В Дании “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где и она никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше.
Положительный пример использования энергии ветра показали Нидерланды и Швеция (последняя приняла решение на протяжении 90-х гг. построить и разместить в наиболее удобных местах 54 тыс. высокоэффективных энергоустановок).
В мире сейчас работает более 30 тыс. ВЭУ разной мощности. Германия получает от ветра 10% своего электричества, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии.

Гидроэнергия
Гидроэнергостанции - еще один из источников энергии, претендующих на экологическую чистоту. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание, а к концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими дешевую энергию.
Однако это привело к огромному ущербу для сельского хозяйства и природы: земли выше плотин подтоплялись, на территориях, расположенных ниже, падал уровень грунтовых вод, терялись огромные пространства земли, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, уменьшались рыбные запасы. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму, зато добавлялся еще один: в случае землетрясения, способного разрушить плотину, катастрофа могла привести к тысячам человеческих жертв. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми. Однако минусы ГЭС породили идею мини-ГЭС, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, а их электрогенераторы способны работать при небольших перепадах воды или будучи движимыми лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.
Детально разработаны центробежные и пропеллерные энергоблоки рукавных переносных гидроэлектростанций мощностью от 0,18 до 30 кВт. При поточном производстве унифицированного гидротурбинного оборудования мини-ГЭС способны конкурировать с максивариантами по себестоимости одного киловаттчаса. Также несомненным плюсом является возможность их установки даже в самых труднодоступных уголках той или иной страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной лошади, а установка или демонтаж занимает всего несколько часов.
Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно созданная геликоидная турбина Горлова, названная по имени ее создателя. Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока - реки, океанского течения или морского прилива. Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность которой ранее зависела только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС.

Энергия приливов и отливов
Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе на Кольском полуострове в России. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.
Сегодня ПЭС неконкурентоспособны по сравнению с тепловой энергетикой.
Практически на сооружение ПЭС в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия или даже столетия. Но проценты в мировой энергобаланс ПЭС должны начать давать уже на протяжении XXI века.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив ЛаМанш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2,5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт экплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется.
Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м.
Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например, в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12,9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство.

Энергия волн
Уже сегодня инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно моря или озера устанавливается вертикальная труба, в подводной части которой сделано “окно”, попадая в которое, глубинная волна (а это почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег. Некоторые типы ВЭС могут служить отличными волнорезами, защищая побережье от волн и позволяя таким образом экономить на сооружении бетонных волнорезов.
Специалистами лаборатории энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне (США) разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоридском проливе, где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн м 3/сек., что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара. По подсчетам специалистов, средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет. В этой уникальной электростанции для получения тока мощностью 38 кВт будет использоваться турбина Горлова. Эта геликоидная турбина имеет три спиральные лопасти и под действием потока воды вращается в 2-3 раза быстрее скорости течения. В отличие от многотонных металлических турбин, применяемых на речных гидроэлектростанциях, размеры изготовленной из пластика турбины Горлова невелики (диаметр - 50 см, длина - 84 см), масса ее всего 35 кг. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду и исключает налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин.

Геотермальная энергия
Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже применяемый источник “чистой” энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии, Мексике и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.
Геологи открыли, что раскаленные до 180°-200°С массивы на глубине 46 км занимают большую часть территории России, а с температурой до 100°-150°С встречаются почти повсеместно. Кроме того, на нескольких миллионах квадратных километров располагаются горячие подземные реки и моря с глубиной залегания до 3,5 км и температурой воды до 200°С (естественно, под давлением), так что, пробурив скважину, можно без всякой ТЭЦ получить фонтан пара и горячей воды.

Гидротермальная энергия
Кроме подземного, существует и водное тепло, не так распространенное в качестве источника энергии. Вода - это всегда хотя бы несколько градусов тепла, а летом она нагревается до 25°С. Для использования этого тепла необходима установка, действующая по принципу “холодильник наоборот”. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110°С, а затем его можно направлять либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60°-65°С. В ответ на каждый киловаттчас затрачиваемой на это энергии природа возвращает 3 киловаттчаса. По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде.
Наиболее эффективны такие установки при больших перепадах температур. Все необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально.

Энергетика сегодня и завтра
Сегодня около половины мирового энергобаланса приходится на долю нефти, около трети - на долю газа и атома (примерно по одной шестой) и около одной пятой - на долю угля. На все остальные источники энергии остается всего несколько процентов. Но там, где есть возможность, следует внедрять альтернативные источники энергии.
Следует отметить (и об этом неоднократно сообщала СиН), что, например, определенный опыт использования энергии ветра уже есть и в Беларуси.

Некоторые пути решения экологических проблем

В ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран.

Существенно уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду позволяют следующие пути и способы использования топлива (базирующиеся в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов):

1. Использование и совершенствование очистных устройств (улавливание твердых выбросов и окислов серы (96 %) и азота (80 %) и получение аммиачной селитры – удобрения и раствора сульфата натрия для химической промышленности).

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу путем предварительной десульфурации углей (снижения в них содержания серы) и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива до 50 – 70 % серы до момента его сжигания.

3. Экономия электроэнергии – снижение энергоемкости изделий (в США на единицу получаемой продукции расходовалось в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР, в Японии – в 3 раза меньше), снижение металлоемкости продукции, повышение качества и, как следствие, увеличение срока службы.

4. Экономия энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Отказ от использования электроэнергии в качестве источника тепла, так как потери при производстве ее на ТЭС больше на 60 – 65 %, чем при получении тепловой энергии, а на АЭС больше 70 %.

5. Повышение КПД топлива при использовании его вместо ТЭС на ТЭЦ за счет приближения объектов получения энергии к потребителю и снижения теплового загрязнения водной среды при использовании на ТЭЦ тепла, улавливаемого охлаждающими агентами. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (когенерирование) непосредственно в зданиях.

Экономическая эффектив­ность освоения энергосбере­гающих технологий в широ­ких масштабах становится существенной при уровне энергопотребления примерно 10 кВт на одного человека. В России сейчас этот показа­тель держится на уровне при­мерно 2 кВт, причем в струк­туре энергопотребления дов­леет промышленная состав­ляющая.

Для примера: если в США на непромышленную сферу (бытовую, социально-культурную и т.п.) прихо­дится более 50 % энергопот­ребле-ния, то в России - не более 25 %.

2.14.1. Альтернативные источники получения энергии

Основные проблемы современных источников энергии – исчерпаемость и загрязнение среды. Альтернативными источниками являются энергия Солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и др. источников. Хотя использование невозобно­вимых энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьез­ные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы природы. Не пото­му, что они меньше (они намного больше), а потому, что их ко­лоссальная энергия непостоянна, распределена на больших про­странствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю.

2.14.2. Энергия Солнца

Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии об­ладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз пре­восходит всю энергию других источников, которые сможет ис­пользовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ни­чтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассив­ной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также со­вершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеют очень большую перспективу.

Однако больший интерес проявляют к спосо­бам концентрирования солнечной энергии и ее прямому преобразованию в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигла 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт.

Энергию солнца можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредованно (через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, обусловленные влияниями солнца.

1. Солнце как источник тепловой энергии.

Использование солнечного тепла – наиболее простой и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжения расходуется около 25 % производимой в стране энергии. В северных странах, в том числе и в России, эта доля заметно выше. Между тем значительная доля тепла, необходимого для этих целей, может быть получена посредством улавливания энергии солнечных лучей. Эти возможности тем значительнее, чем больше прямой солнечной радиации поступает на поверхность Земли.

Способы использования:

а) солнечные коллекторы ;

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного рода солнечных коллекторов.

В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания. Оба блока могут представлять единое целое.

Коллекторы помещаются в прозрачную камеру, которая действует по принципу парника. Имеются также устройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведения, например, потоками воздуха или воды.

б) нагревательные системы пассивного типа;

Еще более просты, чем коллекторы. Циркуляция теплоносителей здесь осуществляется в результате конвекционных токов: нагретый воздух или вода поднимаются вверх, а их место занимают охлажденные теплоносители. Пример: помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хорошими изоляционными свойствами материалов, способных длительно удерживать тепло. Для уменьшения перегрева днем и теплоотдачи ночью используются шторы, жалюзи, козырьки и другие защитные приспособления.

Проблема наиболее рационального использования солнечной энергии решается через правильное проектирование зданий. Некоторое удорожание строительства перекрывается эффектом использования дешевой и чистой энергии.

В США (Калифорния) имеются строения, которые даже при пассивном типе аккумуляции солнечных лучей позволяют экономить до 75 % расходов на энергию, при дополнительных строительных затратах 5 – 10 %.

На Кипре в 90 % коттеджей, многих отелях и многоквартирных домах проблема теплообеспечения и горячего водоснабжения решается за счет солнечных водонагревателей. В других странах целенаправленное использование солнечной энергии пока не велико, но интенсивно увеличивается производство различного рода солнечных коллекторов. В США сейчас действуют тысячи подобных систем, хотя обеспечивают они пока только 0,5 % горячего водоснабжения.

в) устройства для накопления тепла в солнечное время суток в парниках или других сооружениях;

Для этого в помещениях размещают материал с большой поверхностью и хорошей теплоемкостью. Это могут быть камни, крупный песок, вода, щебенка, металл. Днем они накапливают тепло, а ночью постепенно отдают его. Такие устройства широко используются в тепличных хозяйствах юга России, в Казахстане, Средней Азии.

2. Солнце как источник электроэнергии.

Способы использования:

а) фотоэлементы;

В фотоэлементах солнечная энергия индуцируется в электрический ток без дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей.

Основные трудности применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и потребностями в больших территориях для их размещения. Проблема в какой-то мере решаема за счет замены металлических фотопреобразователей энергии эластичными, синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей в космическое пространство.

В тех случаях, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно (калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы).

В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например, сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами. Солнечные станции привлекательны также возможностью быстрого ввода в строй и наращивания их мощности в процессе эксплуатации простым присоединением дополнительных батарей – солнцеприемников.

б) превращение воды в пар , который приводит в движение турбогенераторы;

В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды , состоящие из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего с прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет солевой раствор. Нагретая вода используется для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах.

3. Солнечная энергия как источник для получения водорода из воды путем электролиза.

Водород называют “топливом будущего”. Разложение воды и высвобождение водорода осуществляется в процессе пропускания между электродами электрического тока, полученного на гелеоустановках. Недостатки таких установок пока связаны с невысоким КПД (энергия, содержащаяся в водороде, лишь на 20 % превышает ту, которая затрачена на электролиз воды) и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости для хранения.

Германией рассматриваются проекты получения жидкого водорода, используя избыточные гидроресурсы Канады или размещения солнечных батарей в пустыне Сахара, а затем транспортировки полученного электролизом жидкого водорода в танкерах либо по сети трубопроводов к месту потребления. Особенно перспективно его применение как топлива для летательных аппаратов, автотранспорта и космической техники. Однако есть трудности для реализации проекта: получаемый водород может находиться в жидком состоянии при атмосферном давлении только при температуре -253 °С и при этом он легко испаряется, поэтому особые требования предъявляются к емкостям для хранения – необходимо сооружение контейнеров в виде сосуда Догоара для обеспечения сверхнизких температур и предохранения от быстрого испарения. Кроме того, цена водорода высока, дороже бензина.

4. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу (биотопливо).

В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1 % потока солнечной энергии. Однако эта энергия существенно превышает ту, которую получает человек из различных источников в настоящее время и будет получать в будущем.

Способы использования:

а) прямое сжигание биомассы ;

Это самый простой путь использования энергии фотосинтеза. В отдельных странах, не вступивших на путь промышленного развития, такой метод является основным.

б) переработка биомассы в другие виды топлива ;

Так можно получать биогаз (путем анаэробного – без доступа кислорода брожения) или этиловый спирт (путем аэробного брожения).

Это более оправданный способ. Имеются данные о том, что молочная ферма на 2 тысячи голов способна за счет использования отходов обеспечить биогазом не только само хозяйство, но и приносить ощутимый доход от реализации получаемой энергии. Большие энергетические ресурсы сосредоточены также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах.

Спирт, получаемый из биоресурсов, все более широко используют в двигателях внутреннего сгорания Так, Бразилия с 70-х годов ХХ века значительную часть автотранспорта перевела на спиртовое горючее или на смесь спирта с бензином - бензоспирт. Опыт использования спирта как энергоносителя имеется в США.

Для получения спирта используется разное органическое сырье – сахарный тростник в Бразилии, кукуруза в США, различные зерновые культуры, картофель, древесная масса (опилки) – в других странах. Ограничивающими факторами для использования спирта в качестве энергоносителя являются недостаток земель для получения органической массы и загрязнение среды при производстве спирта (сжигание ископаемого топлива), а также более высокая стоимость (примерно в два раза дороже бензина).

Для России, где большое количество древесины, особенно лиственных пород (береза, осина), практически не используются (не вырубается или остается на лесосеках), весьма перспективным является получение спирта из этой биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. Большие резервы для получения спиртового горючего или тепловой энергии имеются также на базе отходов лесопильных и деревообрабатывающих предприятий.

в) выращивание “энергетических культур” или “энергетических лесов”;

“Энергетические леса” – это фитоценозы, выращиваемые для переработки их биомассы в газ или жидкое горючее. Под “энергетические леса” обычно отводятся земли, на которых по интенсивным технологиям за короткие сроки (5 – 10 лет) выращивается и снимается урожай быстрорастущих видов деревьев (тополя, эвкалипты и другие). В целом же биотопливо можно рассматривать как существенную помощь в решении энергетических проблем в будущем. Основное преимущество этого ресурса – его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.

2.14.3. Ветер как источник энергии

Ветер, как и движущаяся вода, являются наиболее древними источниками энергии. В течение нескольких столетий эти источники использовались как механические на мельницах, пилорамах, в системах подачи воды к местам потребления. Они же используются и для получения электроэнергии, хотя доля ветра в общем объеме производства крайне незначительна (в Дании 3,7 % от общего объема производства электроэнергии).

Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности.

Оправдано использование ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств). Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин, объединенных в одну систему.

В США сооружена ветроэлектростанция на базе объединения большого числа мелких ветротурбин мощностью около 1500 МВт (примерно 1,5 АЭС). Широко ведутся работы по использованию энергии ветра в Канаде, Нидерландах, Дании, Швеции, Германии. Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2-3 раза меньше, чем на ТЭС и АЭС.

Для большинства извест­ных ветрогенераторов расчет­ная скорость ветра, при которой обеспечивается номинальная мощность, должна составлять 8-14 м/с и по эко­номическим соображениям должна выдерживаться не менее 2500 часов в год. Такие условия на значительной части территорий РФ отсутствуют.

2.14.4. Использование нетрадиционных гидроресурсов

Гидроресурсы остаются важным потенциальным источником энергии при условии использования более экологичных, чем современные, методов ее получения. Например, крайне недостаточно используются энергоресурсы средних и малых рек (длина от 10 до 200 км). Только в России таких рек имеется более 150 тысяч. В прошлом именно малые и средние реки являлись важнейшим источником получения энергии.

Небольшие плотины на реках не столько нарушают сколько оптимизируют гидрологический режим рек и прилежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обусловленного природопользования, мягкого вмешательства в природные процессы.

Водохранилища, создававшиеся на малых реках, обычно не выходили за пределы русел. Такие водохранилища гасят колебания воды в реках и стабилизируют уровни грунтовых вод под прилежащими пойменными землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и устойчивости как водных, так и пойменных экосистем. Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС.

В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.

2.14.5. Энергетические ресурсы морских, океанических

и термальных вод

Большими энергоресурсами обладают водные массы морей и океанов. К ним относятся энергия приливов и отливов, морских течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля в энергобалансе не будет повышаться.

1. В мире пока действуют три приливно-отливные электростанции. В России возможности приливно-отливной энергии значительны на Белом море. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.

2. В океанических водах для получения энергии можно использовать разность температур на различных глубинах. В теплых течениях, например, в Гольфстриме, они достигают 20 °С. В основе принципа лежит применение жидкостей, кипящих и конденсирующихся при небольших разностях температур.

Теплая вода поверхностных слоев и используется для превращения жидкости в пар, который вращает турбину. Холодные глубинные массы – для конденсации пара в жидкость. Трудности связаны с громоздкостью сооружений и их дороговизной. Установки такого типа находятся пока на стадии испытаний (например, в США).

3. Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются не поверхность в виде гейзеров (например, на Камчатке). Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества.

4. Ведутся также опыты по использованию тепла, содержащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие термальные воды.

Уже в настоящее время отдельные города или предприятия обеспечиваются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии – Рейкъявику. В начале 80-х годов в мире производилось на геотермальных электростанциях около 5000 МВт электроэнергии (примерно 5 АЭС). В России значительные ресурсы геотермальных вод имеются на Камчатке, но используются они пока в небольшом объеме. В бывшем СССР за счет этого вида ресурсов производилось только около 20 МВт электроэнергии.

2.14.6. Термоядерная энергия

Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики.

Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходным элементом для синтеза является водород, конечным – гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния не среду и практически неисчерпаемы. Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно.

Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется.

Ученые пошли по пути поиска возможностей осуществления реакций в среде, не способной к испарению Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле. Установка такого типа получила название ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитным полем), разработана в институте им. Курчатова. Второй путь – использование лазерных лучей, за счет которых обеспечивается получение нужной температуры и в места концентрации которых подается водород.

Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических и экологических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.

ªВопросы для самопроверки

1. Какие новые методы использования топлива позволяют уменьшить воздействие энергетики на ОС?

2. В чем преимущества использования солнечной энергии по сравнению с другими видами энергии?

3. Назовите способы использования солнца как источника тепловой и электроэнергии.

4. Каковы перспективы применения жидкого водорода в энергетике?

5. Что такое биотопливо, как его получают?

6. Что такое “энергетический лес” ?

7. Какие проблемы препятствуют широкому использованию ветра как источника энергии?

8. Сравните воздействие на ОС малых и крупных ГЭС.

9. В чем заключается отрицательное влияние приливно–отливных ГЭС на экосистемы?

10. Каков принцип получения энергии за счет градиентов температур в океане?

11. Каковы условия протекания реакции термоядерного синтеза и какие сложности с этим связаны в настоящее время?