Геотермальная энергетика.Состояние отрасли и перспективы её развития в странах СНГ

Термоядерные электростанции.

В настоящее время ученые работают над созданием Термоядерных электростанций, преимуществом которых  является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза  — реакции синтеза тяжелых  изотопов водорода с образованием гелия  и выделением энергии. Реакция термоядерного  синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для  производства ядерного оружия. Если еще  учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре  воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится  при сжигании бочки бензина, —  то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.

2.2 Использование электрической  энергии

Развитие любой страны в значительной мере связано с  обеспеченностью ресурсами, в том  числе энергетическими. Установлено, что темпы прироста национального  дохода примерно соотвецтвуют темпам роста потребление энергии.

Человек всегда стремился  использовать силы природы, развитие производственных процессов потребовало перехода от применения мускульной силы к использованию  новых источников энергии. Прежде всего человек обратился к силе воды и ветра, которые использовались в промышленном производстве, но главным образом в сельском хозяйстве.

Впервые энергия ветра  была использована, по- видимому, для передвижения парусных судов, а позднее-также для подъема воды и размола зерна. Первые ветряные двигатели, по предположению – с вертикальной осью вращения, были построены более 2 тыс. лет назад. Вавилоняне еще до нашей эры использовали их для осушения болот, в Египте, на Ближнем Востоке, в Персии строили ветряные водоподъемники и мельницы. До настоящего времени в некоторых странах бассейна Средиземного моря можно встретить ветряные мельницы с крыльями, имеющими поперечные паруса.

В Европе, вначале во Франции, ветряные мельницы появились в ХХII в. Ф.Энгельс писал, что « ветряная мельница была изобретена около 1000 г.». В Англии работали мельницы, однотипные по принципу действия с французскими. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны. В ХIV столетии голландцы широко использовали ветряные мельницы для осушения болот и озер. В начале ХVII в. большая часть территории осушалась с помощью ветроустановок мощностью до 30 – 35 кВт. В этот же период появились усовершенствованные конструкции мельниц и новые ветряные двигатели, которые использовали для привода машин бумагоделательных фабрик, лесопилок и других устройств. В 30-х годах ХVIII в. в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота. Первое изложение теории ветродвигателя относят к началу ХVIII в. В более систематизированном виде она появилась в конце ХIХ в. в Америке и Европе.

Конструкции первых ветряных мельниц в России были, по-видимому, заимствованы в Германии, и их называли немецкими. К началу ХVIII в. число мельниц стало значительным, и их применение приобрело государственное значение. Многое для их распространения в России сделал Петр 1. В ХVIII – ХIХ вв. мельницы сооружались практически повсеместно, и к началу первой мировой войны в России эксплуатировалось более 200 тыс. мельниц, которые ежегодно перемалывали 2/3 всего товарного зерна.

К середине прошлого столетия в США эксплуатировалось почти 6 млн. маломощных ветродвигателей для  подъема воды, выработки электроэнергии и выполнения других простых работ. Более 150 тыс. установок насчитывается  в США и сегодня.

В России наряду с кустарными мельницами в начале прошлого столетия началось изготовление в заводских условиях ( в мастерских) тихоходных многолопастных деревометаллических ветродвигателей системы инж. В.П. Давыдова, которые применяли главным образом для механизации подъема воды. Некоторое число ветродвигателей завезли из Германии, Франции и США, где их производство было налажено несколько раньше. В основном выпускалось многолопастные двигатели, но они уже были снабжены системами автоматического регулирования скорости вращения и мощности, механизмами ориентации ветроколеса по направлению потока. Суммарный годовой выпуск в основных промышленно развитых странах составлял сотни тысяч двигателей. Позднее, в начале нашего столетия, ряд стран ( США, Франция, Германия, Австралия, Великобритания и .др.) начал в значительных количествах выпускать на заводах также и более совершенные по конструкции и экономичные быстроходные ветроагрегаты, предназначенные в первую очередь для получения электрической энергии. Их использовали для освещения небольших и удаленных объектов и зарядки аккумуляторных батарей.

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

Естественно, этот интерес  особенно велик в странах, не обладающих достаточными собственными топливными ресурсами, т. е. запасами нефти, газа, угля и пр. Например, в Японии осуществляется национальная программа «Солнечный свет», которая предусматривает к 2000 г. покрытие более 70 % всего энергетического потребления страны за счет новых источников энергии, в том числе — за счет энергии океана. В Англии на исследования в этой области было выделено 13 млн. фунтов стерлингов. Предполагается, что наилучший принцип преобразования энергии волн ляжет в основу будущих мощных волновых электростанций, способных обеспечить значительную часть (до 30 %) потребности этой страны в электроэнергии. В Норвегии реализуется программа по использованию энергии морских волн; па исследования в этой области израсходовано 10 млн. крон. Ведется строительство двух опытных волновых электростанций, каждая из них будет ежегодно производить около 1,5 млн. кВт-ч электроэнергии предположительной стоимостью не более 0,6 крон за 1 кВт-ч.

В разных видах аккумулирует энергию Мировой океан. Вопрос состоит  в том, чтобы найти оптимальные  способы ее использования.

По оценкам разных авторов, доступная часть энергии Мирового океана, т. е. та часть, которая может  быть практически использована при  современном уровне техники преобразования, во много раз превышает уровень современного потребления энергии в мире, который определяется цифрой около 3-1020 Дж в год (44,8 % от этой цифры покрываются нефтью; 32,4 — углем; 20 — газом; 2,8 % — энергией, вырабатываемой гидро- и атомными станциями). Больше всего в океане тепловой энергии, поскольку океан — гигантский тепловой аккумулятор энергии Солнца.

Последнее десятилетие характеризуется  определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (OTEG — начальные буквы английских слов Ocean Thermal Energy Conversion, т. е. преобразование тепловой энергии океана — речь идет о преобразовании в электрическую энергию). Установка мини-ОТЕС смогла отдать в электрическую сеть 12—15 кВт, а на собственные нужды потребила около 35 кВт. Опыт, полученный при разработке и опытной эксплуатации установок мини-ОТЕС и ОТЕС-1, позволил приступить к проектированию тепловых океанских станций на сотни мегаватт.

Энергия течений Мирового океана по величине близка к энергии, получаемой от сжигания всех видов  топлива на Земле в течение  года (примерно 1020 Дж). Начаты работы по использованию энергии Гольфстрима, самого мощного течения в Мировом океане. Предполагается использовать около 1 % его энергии. Авторы проекта считают, что эта цифра не должна заметно отразиться на общем балансе энергии течения.

По оценке Комиссии по экономии энергии и энергоресурсов Мировой энергетической конференции (МИРЭК), сегодня важным энергетическим ресурсом является биомасса, так как дает 10 % мирового потребления первичной энергии. Ожидается, что она будет играть такую же важную роль в будущем обеспечении энергией при выработке технологического тепла и производства синтетических топлив. Синтетическое топливо из биомассы можно сжигать на электростанциях, использовать на транспорте или в промышленности. Часть биомассы доставляет Мировой океан, предполагается, что доля океана в поставке биомассы будет возрастать. Рассматривается создание энергетических плантаций, для которых в океане имеются очень широкие возможности. По оптимистическим оценкам, углеводородное топливо из водорослей может производиться по цене, меньшей мировой рыночной цены на нефть.

В 20-е годы нашего века многие журналы мира обошел странный рисунок : из-под киля судна в глубину уходила труба больше самого судна. Столь необычная труба понадобилась французскому ученому Жоржу Клоду . для подъема из глубин океана холодной воды. Клод в те годы начал экспериментальные работы по использованию тепла океана для получения электрической энергии. \ Но чтобы извлечь энергию из теплой воды, одновременно необходима и холодная. Теплой воды сколько угодно на поверхности океана в тропиках, а холодная вода (4—5 °С) есть только на больших глубинах океана — около 1 км. Для ее получения оттуда и понадобилась длинная труба, которая оказалась самой уязвимой частью энергетической установки и отломилась во время шторма, а судно потерпело аварию.

Это была уже не первая попытка  Клода использовать тепло океана для выработки электрической  энергии'. Перед опытом: с трубой на судне он испытывал энергетическую установку на берегу океана (Атлантического). Но чтобы с берега достать холодную воду, потребовалась труба длиной около 1,8 км (по другим данным, 2,5 км). Потери напора в длинной трубе были так велики, что на них шла значительная часть мощности, которую могла выработать установка. Слишком длинная труба практически не позволяла реализовать прекрасную идею. Длину трубы можно было бы значительно сократить, если смонтировать установку не на берегу, а на судне, трубу же опустить прямо с судна в глубину. Что и было сделано. Однако конструкция не выдержала первого шторма.

Но главное было сделано  — две недели установка проработала  и дала мощность 22 кВт за счет тепла  океана. Правда, на собственные нужды  она потребила значительно больше. Однако правильность принципа была доказана — и в этом заслуга Клода. Надо сказать, что соединить с судном трубу длиной более полукилометра  — далеко не простое дело.

Удовлетворительно решить этот вопрос удалось только в конце 80-х  годов нашего века, когда была создана  установка мини-ОТЕС.

Клод вместе с французским  ученым Бушеро сделали несколько попыток по созданию энергетических тепловых установок в разных частях Атлантического океана: в заливе Мантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в прибрежных водах Бразилии. Но ни разу им не удалось получить из океана больше энергии, чем установка потребляла на собственные нужды, и поэтому для своей работы она требовала дополнительной энергии от вспомогательного источника. Эта печальная особенность отчасти была связана с малой мощностью установки, из-за чего различные потери составляли слишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось больше, чем первоначально предполагалось.

Первым обратил внимание на громадные запасы тепловой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показал возможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между ними были серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестве рабочего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решить прежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, а пары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.

Нагреватель — теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается  в Персидском заливе в августе — более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море —плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это достаточно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак — жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С, которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак — бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С — значительно меньше.

Выбор аммиака в качестве вторичного рабочего тела связан с  отличными термодинамическими свойствами его паров. Пары аммиака имеют  низкий молекулярный вес, достаточно большой удельный объем и хорошие характеристики теплопередачи. Они обеспечивают турбине вращение с большой скоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океанских вод. При этом схема тепловой энергетической^установки должна быть замкнутой, т. е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка. Количество рабочей жидкости, залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется в процессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом, предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни в установках OTEG.

Но Клод не захотел воспользоваться  аммиаком. Он решил в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверхностных вод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизить атмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская вода закипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину, заставит ее вращаться и вращать электрогенератор. А потом пар поступит в холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в пресную воду. Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется открытым, или незамкнутым.

Но теперь, спустя более  полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу. «Открытый  цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет  все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции», — считают американские специалисты. В США разрабатывается океанская энергетическая установка, которая одновременно с производством электроэнергии будет давать пресную воду — один из самых ценных в наше время продуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущается ее недостаток.

Но остаются нерешенные проблемы, в частности создание больших низконапорных турбин и удаление из системы преобразователя выделяющегося из морской воды воздуха. Ближайшей задачей считается найти такой способ удаления воздуха, чтобы на него затрачивалось не более 10 % вырабатываемой энергии. Для ее решения в схему энергетической установки включается деаэратор — камера, в которой морская вода будет дегазироваться перед поступлением в нагреватель.

В августе 1979 г, вблизи Гавайских  островов начала работать теплоэнергетическая  установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная — 53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее — на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.