Энергетические ресурсы

                             4.Альтернативные источники энергии

                                                  Энергия солнца

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0.0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование

0.5 % - полностью покрыть потребности на перспективу.

        К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м . Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км !

                                     Ветровая энергия

       Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии!

       Техника 20 века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой - получение электроэнергии. В начале века Н.Е.Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные  установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.

        В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

                                               Энергия земли

        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.

       Маленькая европейская страна Исландия - "страна льда" в дословном переводе - полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников, жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица - Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников.

       Но  не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.

                                         Энергия мирового океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10 Дж. Однако пока что люди умеют утилизовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так  что  такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

     Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив, использование которых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды, резкая ограниченность запасов урана (энергетическое использование которых к тому же порождает опасные радиоактивные отходы) и неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам  возможностей рентабельной утилизации обширных и безвредных источников энергии в Мировом океане. Широкая общественность,  да  и  многие специалисты еще не знают, что поисковые работы по извлечению энергии из  морей  и океанов приобрели  в  последние годы в ряде стран уже довольно большие масштабы и что их  перспективы  становятся  все  более обещающими.

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

Неожиданной возможностью  океанской  энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских  водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа.  По  имеющимся  оценкам,  для  полного обеспечения энергией каждого человека - потребителя достаточно одного гектара плантаций водорослей.

      Большое внимание  приобрела "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между  поверхностными  и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами,  например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний.  В какой-то мере аналогичными,  но как пока кажется, вероятно, более далекими представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной, например морской и речной водой.

Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии,  работающих  за  счет морского волнения, причем обсуждаются перспективы электростанций с мощностями  на многие тысячи киловатт. Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфстрим.

Представляется, что некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть реализованы,  и стать рентабельными уже в настоящее время.  Вместе с тем  следует  ожидать, что творческий энтузиазм,  искусство и изобретательность научно-инженерных работников улучшить существующие и  создадут новые перспективы для промышленного использования энергетических ресурсов Мирового океана. Думается,  что при  современных темпах научно-технического  прогресса существенные  сдвиги  в океанской энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия. Океан  наполнен  внеземной   энергией,  которая поступает  в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не загрязняет окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую энергию.  Она приводит в движение течения, которые  в то же время меняют свое направление под воздействием вращения Земли.

Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системы Земля - Луна  и вызывает приливы и отливы.

     Океан - это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная  кладовая беспокойной энергии.  Здесь плещут волны, рождаются приливы и отливы,  пересекаются течения,  и все  это наполнено энергией.

Бакены и маяки,  использующие энергию  волн,  уже  усеяли прибрежные воды Японии.  В течение многих лет бакены – свистки береговой охраны США действуют благодаря волновым  колебаниям. Сегодня вряд  ли  существует прибрежный район,  где не было бы своего собственного изобретателя,  работающего  над  созданием устройства, использующего энергию волн.

      Начиная с 1966  года  два французских города полностью удовлетворяют свои  потребности  в  электроэнергии  за счет энергии приливов и  отливов. Энергоустановка  на реке Ранс (Бретань), состоящая  из двадцати четырех реверсивных  турбогенераторов, использует эту энергию.  Выходная мощность установки 240  мегаватт - одна из наиболее мощных гидроэлектростанций во Франции.

       В 70-х годах  ситуация  в энергетике изменилась.  Каждый раз, когда поставщики на Ближнем Востоке,  в Африке и Южной Америке поднимали цены на нефть,  энергия  приливов становилась все более  привлекательной, так как она успешно конкурировала в цене с ископаемыми  видами топлива. Вскоре за этим  в  Советском Союзе,  Южной Корее и Англии возрос интерес к  очертаниям береговых линий и возможностям создания на них энергоустановок.  В  этих  странах стали всерьез подумывать  об использовании энергии приливов волн и выделять средства на научные исследования  в этой области, планировать их.

       Не  так  давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои  воды  вблизи  берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой.

Возможно ли это?  Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры,  напоминающие ветряные мельницы,  генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли? "Смогут" -  таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура,  находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида). Общее  мнение заключалось  в  том, что   имеют место  определенные  проблемы, но все они могут быть решены в  случае  выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".

      В океане  существует  замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В этой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых маленьких до самых больших,  от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных  диатомовых водорослей  до  достигающих  высоты 60-90 метров бурых водорослей.

      Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной  системы  поддержания жизни к  попытке начать  на  научной основе извлекать из этой системы энергию.

      При  поддержке  военно-морского  флота США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров  и водолазов  создала  первую  в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 12 метров под залитой солнцем  гладью  Тихого  океана вблизи города Сан-Клемент. Ферма была небольшая.  По сути своей, все это было лишь экспериментом. На  ферме выращивались бурые гигантские калифорнийские водоросли.

      По мнению директора проекта доктора Говарда А.  Уилкокса, сотрудника Центра исследования морских и  океанских  систем  в Сан-Диего (Калифорния), "до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо - в природный газ  метан.  Океанские фермы будущего, выращивающие  бурые водоросли на площади примерно  40 000 га,  смогут давать энергию, которой хватит,  чтобы  полностью удовлетворить потребности американского города с населением в    50 000 человек".

       В  наши дни,  когда возросла необходимость в  новых  видах топлива, океанографы, химики, физики, инженеры и технологи обращают все большее внимание на океан как на потенциальный  источник энергии. В океане растворено огромное количество солей.  Может  ли соленость быть использована, как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей Скриппского океанографического института в Ла-Колла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких установок. Они  считают,  что для получения большого количества энергии вполне возможно  сконструировать батареи,  в  которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой.