Нетрадиционные источники энергий

Геотермальная энергия

Издавна люди знают  о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного  шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях  вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик  многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана  колоссальна, она многократно превышает  мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании  энергии вулканических извержений говорить не приходится – нет пока у людей возможностей обуздать эту  непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это - проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная  доля этой неисчерпаемой энергии  находит выход через огнедышащие  жерла вулканов.

Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты  Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый  источник энергии. Ежегодное излучение  внутреннего тепла на нашей планете  составляет 2,8 * 1014 млрд. кВт * час. Оно  постоянно компенсируется радиоактивным  распадом некоторых изотопов в земной коре.

Источники геотермальной  энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей  воды (гидротермальные источники), или  пара (паротермальные источники), или  пароводяной смеси. По существу, это  непосредственно готовые к использованию  «подземные котлы», откуда воду или  пар можно добыть с помощью  обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих  горных пород. Закачивая в такие  горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего  использования в энергетических целях.

Но в обоих  вариантах использования главный  недостаток заключается, пожалуй, в  очень слабой концентрации геотермальной  энергии. Впрочем, в местах образования  своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или  породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при  погружении вглубь на каждые 100 м температура  повышается на 30-40°С, концентрации геотермальной  энергии могут создавать условия  и для хозяйственного её использования. В зависимости от температуры  воды, пара или пароводяной смеси  геотермальные источники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с  температурой до 130 – 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования.

Можно утверждать, что геотермальная энергия имеет  четыре выгодных отличительных черты.

Во-первых, её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам  конца 70-х годов до глубины 10 км они  составляют такую величину, которая  в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.

Во-вторых, геотермальная  энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые  занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50 подземных бассейнов горячей воды и пара.

В-третьих, использование  геотермальной энергии не требует  больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.

Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом  отношении совершенно безвредна  и не загрязняет окружающую среду.

Человек издавна  использует энергию внутреннего  тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские бани), но её коммерческое использование  началось только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС  в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в  мире действовало около 20 таких станций  общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая  крупная из них – станция Гейзерс  в США (500 тыс. кВт).

Геотермальную энергию используют для выработки  электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.п. В качестве теплоносителя  используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с  низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т.п.).

Энергия Мирового океана

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

Известно, что  запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. кв. км, Атлантического – 93 млн. кв. км, Индийского – 75 млн. кв. км. Так, тепловая энергия, соответствующая  перегреву поверхностных вод  океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских  течений оценивается величиной  порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные  доли этой энергии, да и то ценой  больших и медленно окупающихся  капиталовложений, так что такая  энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Энергия океана давно привлекает к себе внимание человека. В середине 80-х годов  уже действовали первые промышленные установки, а также велись разработки по следующим основным направлениям: использование энергии приливов, прибоя, волн, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев  океана, течений и т.д.

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. Приливные волны  таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт.

Растет интерес  специалистов к приливным колебаниям уровня океана у побережий материков. Энергию приливов на протяжении веков  человек использовал для приведения в действие мельниц и лесопилок. Но с появлением парового двигателя она была предана забвению до середины 60-х годов, когда были пущены первые ПЭС во Франции и СССР.

Приливная энергия  постоянна. Благодаря этому, количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии всегда может быть заранее известно, в отличие от обычных ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного не только с климатическими особенностями территории, по которой  она протекает, но и с погодными  условиями.

Тем не менее  ученые считают, что технически возможно и экономически выгодно использовать лишь очень небольшую часть приливного потенциала Мирового океана – по некоторым  оценкам только 2%.При определении  технических возможностей большую  роль играют такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, глубина воды, морские течения  и ветер. Опыт показывает, что для  эффективной работы ПЭС высота приливной  волны должна быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия возникают  в мелких и узких заливах или  устьях рек, впадающих в моря и  океаны. Но подобных мест на всём земном шаре не так уж много: по разным источникам 25, 30 или 40.

При оценке экономических  выгод строительства ПЭС также  нужно учитывать, что наибольшие амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного пояса. Многие из этих побережий расположены  в необжитых местах, на большом  удалении от главных районов расселения и экономической активности, следовательно, и потребления электроэнергии. Нужно  учитывать также и то, что рентабельность ПЭС резко возрастает по мере увеличения их мощности до 3-5 и тем более 10-15 млн. кВт. Но сооружение таких станций-гигантов, к тому же в отдаленных районах, требует  особенно больших затрат, не говоря уже и о сложнейших технических  проблемах.

Считается, что  наибольшими запасами приливной  энергии обладает Атлантический  океан. В его северо-западной части, на границе США и Канады, находится  залив Фанди, представляющий собой  внутреннюю суженную часть более  открытого залива Мен. Длина его 300 км при ширине 90 км, глубина у  входа более 200 м. Этот залив знаменит самыми высокими в мире приливами, достигающими 18 м. Очень высоки приливы и у  берегов Канадского арктического архипелага. Например, у побережья Баффиновой земли они поднимаются на 15,6 м. В северо-восточной части Атлантики  примерно такие же приливы наблюдаются  в проливе Ла-Манш у берегов  Франции, в Бристольском заливе и  Ирландском море у берегов Англии и Ирландии.

Велики также  запасы приливной энергии в Тихом  океане. В его северо-западной части  особенно выделяется Охотское море, где  в Тугурском и Пенжинском заливах  высота приливной волны составляет 9-13 м. Значительные приливы наблюдаются  и у побережий Китая и Корейского полуострова. На восточном побережье  Тихого океана благоприятные условия  для использования приливной  энергии имеются у берегов  Канады, Чилийского архипелага на юге  Чили, в узком и длинном Калифорнийском заливе Мексики.

В пределах Северного  Ледовитого океана по запасам приливной  энергии выделяются Белое море, в  Мезенской губе которого приливы  имеют высоту до 10 м, и Баренцево  море у берегов Кольского полуострова (до 7 м). В Индийском океане запасы такой энергии значительно меньше. В качестве перспективных для  строительства ПЭС здесь обычно называются залив Кач Аравийского  моря (Индия) и северо-западное побережье  Австралии.

Несмотря на такие, казалось бы весьма благоприятные, природные предпосылки, строительство  ПЭС пока имеет довольно ограниченные масштабы. По существу реально можно  говорить лишь о более или менее  крупной промышленной ПЭС «Ранс» во Франции, об опытной Кислогубской ПЭС на Кольском полуострове(Россия) и канадско-американской ПЭС в  заливе Фанди.

При сооружении ПЭС необходимо всесторонне оценивать  их экологическое воздействие на окружающую среду. Оно довольно велико. В районах сооружения крупных  ПЭС существенно изменяется высота приливов, нарушается водный баланс в  акватории станции, что может  серьёзно сказаться на рыбном хозяйстве, разведении устриц, мидий и пр.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также  энергию волн и температурного градиента. Энергия ветровых волн суммарно оценивается  в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у  берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых  акваториях волновая энергия достигает  значительной концентрации: в США  и Японии – около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в Великобритании и  Японии. Британские острова имеют  очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии  морских волн в английских территориальных  водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает  мощность всех электростанций, принадлежащих  Британскому центральному электроэнергетическому управлению.

Впервые идею использования  энергии разности температур поверхностных  и глубинных слоев воды Мирового океана предложил французский ученый д'Арсонвиль в 1881 году, но первые разработки начались лишь в 1973 году. Энергию разности температур различных слоев Мирового океана оценивают в 20-40 трлн. кВт. Из них практически могут быть использованы лишь 4 трлн. кВт.

Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32° С) направляют в теплообменник, где жидкий аммиак или фреон превращаются в пар, который вращает турбину, а затем  поступает в следующий теплообменник  для охлаждения и конденсации  водой с температурой 5-6 °С, поступающей  с глубины 200-500 метров. Получаемую электроэнергию передают на берег по подводному кабелю, но ее можно использовать и на месте (для обеспечения добычи минерального сырья со дна или его выделения  из морской воды). Достоинство подобных установок – возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же, разность температур различных  слоев океанической воды – более  стабильный источник энергии, чем, скажем, ветер, Солнце, морские волны или  прибой. Первая такая установка была пущена в 1981 году на острове Науру. Единственный недостаток таких станций – их географическая привязанность к  тропическим широтам. Для практического  использования температурного градиента  наиболее пригодны те районы Мирового океана, которые расположены между 20° с.ш. и 29° ю.ш., где температура  воды у поверхности океана достигает, как правило, 27-28° С, а на глубине 1 километр имеет всего 4-5° С.

В океане, который  составляет 72% поверхности планеты, потенциально имеются различные  виды энергии – энергия волн и  приливов; энергия химических связей газов, солей и других минералов; энергия течений, спокойно и нескончаемо  движущихся в различных частях океана; энергия температурного градиента  и др., и их можно преобразовывать в стандартные виды топлива. Такие количества энергии, многообразие её форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка.

Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает  в него из космоса. Она доступна и  безопасна, и не затрагивает окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух, образуя  ветры, вызывающие волны. Она нагревает  океан, который накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение течения, которые в тоже время  меняют свое направление под воздействие  вращения Земли. Из космоса же поступает  энергия солнечного и лунного  притяжения. Она является движущей силой системой Земля-Луна и вызывают приливы и отливы. Океан – это  не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной  энергии.