Современное состояние и перспективы развития энергетики

Если первобытному человеку было достаточно 300 г условно­го топлива (210 ккал или 8,8 МДж) вдень, получаемых вместе с пищей, то сегодня в развитых странах на одного человека в год тратится до 13 т условного топлива. Вследствие научно-технической революции рас­ход энергии во всех ее видах растет, удваиваясь каждые 10 лет.

 Зависимость ВВП – внутреннего валово­го продукта (в долларах США в системе постоянных цен 1993 г.), приходящегося на 1 человека, от потребления энергии (в тоннах ус­ловного топлива) на душу населения в различных странах мира в 1968 г. Видно, что эти параметры тесно взаимосвязаны.

Хотя в конце XXвека в приведенном графике произошли из­менения, тем не менее очевиден вывод: «Если люди будут лишаться энергетических ресурсов, их материальное благосостояние будет па­дать» (П.Л. Капица).

В этой связи представляет интерес оценка современного комлпексного со­стояния и перспектив развития энергетики.

Различают возобновляемые и невозобновляемые источники энергии. К возобновляемым относятся Солнце, ветер, геотермальные источники, приливы и отливы, реки. Невозобновляемыми источни­ками энергии являются уголь, нефть и газ.

Солнечная энергия

В минуту Солнце посылает на Землю столько энергии, сколь­ко за полтора года вырабатывают все электростанции нашей страны. Поэтому проблема освоения этой энергии давно волнует ученых.

Пионером использования солнечной энергии считается Ар­химед, сумевший по преданию с помощью зеркал сжечь вражеский флот. В настоящее время в мире построено большое количество уста­новок и целых гелиостанций, питающих различных энергопотребителей: отопительные системы зданий, системы связи, водообеспечения и т.д.

Однако солнечная энергия относится к рассеянным видам энергии: на 1 м2 земной поверхности выпадает в среднем всего около 160 Вт солнечной радиации. Для использования в практических це­лях ее надо собирать с большой поверхности. Пока низок и к.п.д. фотоэлектрических преобразователей (не более 25 %). Кроме того смена дня ночью, а также нередко встречающаяся облачность резко снижают эффективность солнечных установок, делая получаемую энергию значительно более дорогой, чем при использовании тради­ционных методов.

Специалисты видят выход в создании космических солнеч­ных электростанций (КЭС). Дело в том, что в космосе нет восходов и закатов Солнца, нет облаков, препятствующих прохождению лучей. Поэтому на единицу поверхности космической площадки поступает в 10 раз больше энергии, чем на такую же площадь земной поверхнос­ти. Уже сегодня разработаны проекты КЭС массой до 60000 т с площадью солнечных батарей до 50 км2. Поднятая над поверхностью Земли на 36000 км такая станция будет иметь мощность 5 млн. кВт, т.е. на 1 млн. кВт больше, чем самая крупная в Европе Ленинградская АЭС. Станция, выведенная на стационарную орбиту «повиснет» над одной точкой земной поверхности. Передавать полученную энергию на Землю предполагается с помощью лазерного или сверхвысокочас­тотного излучения.

Реализация данного проекта сдерживается тем, что добытая в космосе энергия окупит сгоревшее при запусках ракет (с элементами для монтажа КЭС) топлива только через 30 лет безаварийной работы станции.

Энергия ветра

Ветер – движение воздуха относительно поверхности Земли -имеет солнечное происхождение.

Как известно, в зависимости от цвета тела поглощают большую или меньшую часть солнечного излучения. Чем больше степень черно­ты, тем больше тело нагревается. Поскольку различные участки поверхности Земли имеют разную степень черноты, то под действием солнечных лучей они нагреваются до различной температуры. Соответ­ственно, разную температуру имеют и нижние слои атмосферы. Вследствие этого давление воздуха на одной и той же высоте неодинако­во, что и приводит к горизонтальному перемещению больших масс воздуха.

Использование энергии ветра имеет давнюю историю. Многие столетия воды морей и океанов бороздили парусники, а ветряные мель­ницы были привычным элементом пейзажа в сельскохозяйственных районах Европы.

Первые ветряные электрогенераторы появились в 90-х годах прошлого столетия в Дании. Л в 1995 г. при помощи ветра производи­лось около 10 % необходимого этой стране электричества. В США первая относительно крупная ветряная электростанция была построена в 1980 г. в Ныо-Гэмпшире. Ресурсы же ветряной энергии в этой стране таковы, что способны обеспечить 25 % прогнозируемой на конец века потребно­сти США в электричестве. Уже сегодня при помощи ветра в стране производят количество электроэнергии, позволяющее покрыть 15 % по­требности одного из крупнейших городов США – Сан-Франциско.

Работы по строительству ветряных электростанций ведутся во многих странах, в том числе в Австралии, Великобритании, Канаде, Ки­тае, Нидерландах, Швеции и других.

Россия также располагает огромными ресурсами энергии ветра. Они сосредоточены вдоль побережья Северного Ледовитого океана, а также в районах, прилегающих к Черному, Каспийскому и Балтийскому морям.

Освоение энергии ветра связано с определенными трудностями. Во-первых, ветроустановки работоспособны лишь в некотором интерва­ле скоростей воздушного потока: они не вырабатывают электроэнергии в «штиль» и могут быть повреждены при скоростях более 20 м/с. Во-вторых, количество вырабатываемой установками энергии зависит от скорости ветра. В связи с этим возникают проблемы утилизации излиш­ков энергии, вырабатываемой при высоких скоростях воздушных масс и, наоборот, компенсации нехватки энергии, возникающей при низких скоростях ветра

Имеется ряд предложений по обеспечению бесперебойности энергоснабжения. Например, при сильном ветре можно накапливать энер­гию, вырабатывая на избыточной мощности водород, путем электролиза воды. А в периоды штиля вырабатывать электроэнергию, используя ге­нератор, работающий на водородном топливе.

Перспективным может стать совмещение ветровых и небольших по мощности гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). В этом случае часть энергии, полученной при сильном ветре, используют для того, чтобы закачать воду в верхний бассейн ГАЭС. Возврат накоплен­ной энергии во время штиля осуществляется благодаря вращению специальной турбины при перепуске воды из верхнего бассейна ГАЭС в нижний.

В ближайшей перспективе установленная мощность ветроагре-гатов в нашей стране может быть доведена до 850 тыс. кВт с выработкой электроэнергии в количестве 2…3 млрд. кВт?ч в год.

Геотермальная энергия

С увеличением глубины температура горных пород повышает­ся: на расстоянии 50 км от поверхности она составляет 700…800 “С, 500 км – около 1500…2000 ‘С, 1000 км – примерно 1700…2500 ‘С. Пред­полагается, что глубинные слои Земли за счет распада радиоактивных элементов и химических реакций продолжают медленно – на несколь­ко градусов за 10 млн. лет – нагреваться, в то время как близкие к поверхности слои медленно охлаждаются. Мощность теплового пото­ка, направленного от центра Земли к ее поверхности в 30 раз больше мощности электростанций всех стран мира.

Существует два качественно различных источника геотермаль­ной энергии: 1) гидротермальные (паротермальные) источники тепла, представляющие собой подземные запасы горячей воды и пара с тем­пературой 100…350 “С; 2) петротермальные источники, представляющие собой тепло сухих горных пород.

На Камчатке и Курилах, в Японии, Повой Зеландии, Ислан­дии горячая вода и пар выходят на поверхность в виде гейзеров и горячих источников. На Камчатке построено две гидротермальные элек­тростанции – Паужетская и Паратунская мощностью 11000 и 700 кВт соответственно. В других районах воспользоваться теплом подземных вод значительно сложнее, поскольку горячая вода залегает на глубине до 2 км, что требует дополнительных затрат на бурение скважин.

Для извлечения петротермального тепла предполагается с по­верхности Земли пробурить две скважины глубиной несколько километров, чтобы достигнуть горных пород с требуемой температу­рой. Затем с помощью местного взрыва скважины соединяют. Далее останется только закачивать в одну скважину холодную воду, а из дру­гой получать воду, нагретую подземным теплом.

Чтобы нагреть воду таким путем скважины должны быть сверх­глубокими. Это дорого и пока невыгодно. Поэтому специалисты ищут так называемые термоаномальные площади, где температура пород че­рез каждые 100 м повышается на 30…40 вС.

По оценкам ученых, к концу XXвека геотермальные станции смогут давать 5 % от общего количества электроэнергии, вырабатывае­мой в нашей стране.

Энергия приливов и отливов

Как известно, морские приливы и отливы – следствие воздей­ствия на океаны и моря лунного и солнечного притяжения. Приливы и отливы происходят два раза в сутки. Обычно максимальное подня­тие воды над ее минимальным уровнем в открытом океане составляет около 1 м. Но в некоторых местах этот перепад значительно больше: на атлантическом побережье Канады – до 18 м, в проливе Ла-Манш -до 15 м, на побережье Охотского моря – до 13 м.

С давних пор люди использовали энергию приливов и отли­вов, сооружая мельницы и лесопилки, приводимые в движение водой. В XXвеке родилась идея приливных электростанций (ПЭС).

В 1966 г. во Франции на берегу Ла-Манша была построена ПЭС «Ране» мощностью 240 тыс. кВт. Конструктивно она представ­ляла собой бассейн, отделенный от моря плотиной, в теле которой установлен горизонтально расположенный гидрогенератор. Вода вра­щала его турбину, перетекая во время прилива из моря в бассейн, а во время отлива – обратно.

По аналогичному принципу в 1968 г. на Баренцевом море была построена Кислогубская ПЭС мощностью 800 кВт. Но в отличие от ПЭС «Раис» она подключена к общей энергосистеме вместе с тради­ционными электростанциями, что позволило устранить неравномерность подачи электроэнергии потребителям.

К сожалению, стоимость строительства ПЭС значительно выше, чем обычной гидроэлектростанции такой же мощности. Кроме того, на земном шаре очень мало (менее 30) мест, где строить ПЭС технически целесообразно (перепад высот во время прилива и отлива должен быть не менее 10м).

Поэтому ПЭС не могут решить проблемы энергетики карди­нально. Но в экономическое развитие регионов и стран, чье побережье омывают моря, они способны внести определенный вклад. Это отно­сится, в частности, к северным и дальневосточным районам России. Так, ПЭС мощностью 40 тыс. кВт планируется построить на Кольс­ком полуострове. Предполагается, что плотинами с ПЭС будут перекрыты большие заливы – Мезенский в Белом море и Пенжинс-кий – в Охотском.

Энергия рек

Принцип работы гидроэлектростанций (ГЭС) хорошо извес­тен: вода с верхнего бьефа по каналам в теле плотины подается к лопастям гидравлических турбин; при этом потенциальная энергия положения преобразуется сначала в кинетическую энергию струи воды, затем в механическую энергию вращения турбин и далее – в элек­троэнергию.

Возобновляемое^ гидроэнергии обусловлена тем, что она так­же имеет солнечное происхождение, поскольку вода совершает свой круговорот в природе благодаря Солнцу.

Общие запасы гидроэнергии на Земле составляют около 10 млрд. т условного топлива в год, т.е. приблизительно равны мирово­му энергопотреблению.

Ресурсы гидроэнергии в России эквивалентны 1 млрд. т ус­ловного топлива в год и составляют около 10 % мировых. В нашей стране находятся крупнейшие в мире ГЭС: Братская на р. Ангаре (мощ­ность 4,5 млн. кВт), Красноярская (6 млн. кВт) и^Саяно-Шушенская (6,4 млн. кВт) на р. Енисее.

Однако строительство ГЭС приводит к отрицательным по­следствиям экологического характера – затоплению сельскохозяйственных земель и лесных угодий, резкому изменению условий существования ихтиофауны и даже изменению климата при­легающих территорий.

Энергия атомного ядра

Освобождение и использование ядерной энергии – одно из наи­более крупных событий XXвека. К сожалению, первоначально это открытие было использовано в военных целях.

Первая в мире атомная электростанция (АЭС) мощностью 5 тыс. кВт была построена в 1954 г. в г. Обнинске Московской области. В 1960 г. в мире было 7 АЭС, а в 1976 г. их число достигло 130. В 1975 г. на атом­ных электростанциях было выработано 5 % мирового производства электроэнергии.

Привлекательность ядерной энергетики связана с тем, что обо­гащенный природный уран и искусственно получаемый плутоний заменяют огромное количество традиционного топлива: 1 г ядерного топ­лива эквивалентен примерно 2,7 т условного топлива.

До последнего времени атомная энергетика развивалась высо­кими темпами. Установленная мощность АЭС в мире составляла: в 1975 г. – 71,3 млн. кВт, в 1980 г. – 130,0 млн. кВт, в 1985 г. – 245,1 млн. кВт. Однако авария на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. серьезно подо­рвала веру в безопасность ядерной энергетики и, соответственно, привела к частичному свертыванию программ строительства новых АЭС.

Энергия угля

Большая часть всех ресурсов угля на Земле сосредоточена се­вернее 30 градусов северной широты, причем 75 % мировых ресурсов находятся в недрах трех государств – России, США и Китая.

Уголь широко применялся в энергетике вплоть до второй по­ловины XXвека. О динамике роста его потребления говорят следующие цифры. В XIXстолетии в мире было добыто 17,8 млрд. т угля, а за последующие 70 лет – 103,5 млрд. т. Существенно расшири- лась и география добычи этого энергоносителя. Если в период с 1801 по 1810 гг. уголь добывали лишь в пяти странах мира, ас 1841 по 1951 гг. – в восьми, то с 1961 по 1970 гг. – в 54-х. Только с 50-х годов XXв. в энергетическом балансе почти всех стран мира началось сокраще­ние доли угля. Освобождающуюся нишу заняли нефть и газ – более дешевые и эффективные энергоносители.

Вместе с тем, по данным Американской Национальной Ассо­циации по углю при сохранении нынешних темпов потребления к 2000 г. будет израсходовано лишь 2 % мировых ресурсов угля. Таким обра­зом, уголь можно назвать топливом XXIвека.

Перспективы использования угля связаны с его открытой (бес-шахтной) добычей, применением газификации углей, получением из угля жидких синтетических топлив. Однако пока энергия угля обхо­дится дороже, чем энергия нефти и газа.

Энергия нефти и газа

Преимущества нефти и газа перед другими источниками энер­гии заключаются в относительно высокой теплоте сгорания и в простоте использования с технологической точки зрения.

Так, при полном сгорании 1 кг нефти выделяется 46 МДж теп­ла, 1 м:< природного газа 36 МДж, 1 кг антрацита 34 МДж, 1 кг бурого угля – 9,3 МДж, 1 кг дров – 10,5 МДж. Если массу нефти принять за единицу, то для получения эквивалентного количества тепла масса антрацита должна составить 1,4; бурого угля – 5,0; дров – 4,4. Анало­гичным достоинством обладает газ. Это дает огромные преимущества при транспортировке.

Теперь сравним различные энергоносители с точки зрения технологичности. Нефть и газ транспортируются, в основном, по тру­бопроводам, работающим в любое время года и суток. Чтобы перекачать нефть (газ), а затем подать ее (его) в топку, достаточно включить насос (компрессор), а порой просто открыть задвижку (кран). Транспортировка же твердого топлива требует обязательного проведения погрузочно- разгрузочных работ. Движение транспортных средств с углем, как правило, связано с простоями (при погрузке-раз­грузке, заносах и т.д.). Загрузка твердых топлив в топку очень часто связана с большими затратами ручного труда.

Применение газа вместо угля дает большую экономию време­ни и средств, улучшает условия труда, а также санитарное состояние городов, жилых домов и предприятий. Поэтому в настоящее время почти все тепловые станции Урала и Европейской части России переведены на газ. проводится большая работа по газификации малых го­родов и сел.