Энергетичиские ресурсы

Введение

1.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ.

 На протяжении  тысячелетий основными видами  используемой человеком энергии  были химическая энергия древесины,  потенциальная энергия воды на  плотинах, кинетическая энергия  ветра и лучистая энергия солнечного  света. Но в 19 в. главными источниками энергии стали ископаемые топлива: каменный уголь, нефть и природный газ.

В связи с  быстрым ростом потребления энергии  возникли многочисленные проблемы и  встал вопрос о будущих источниках энергии. Достигнуты успехи в области  энергосбережения. В последнее время ведутся поиски более чистых видов энергии, таких, как солнечная, геотермальная, энергия ветра и энергия термоядерного синтеза.

Потребление энергии  всегда было прямо связано с состоянием экономики. Увеличение валового национального продукта (ВНП) сопровождалось увеличением потребления энергии. Однако энергоемкость ВНП (отношение использованной энергии к ВНП) в промышленно развитых странах постоянно снижается, а в развивающихся – возрастает.

ИСКОПАЕМЫЕ  ТОПЛИВА

Существуют  три основных вида ископаемых энергоносителей: уголь, нефть и природный газ. Примерные значения теплоты сгорания этих видов топлива, а также разведанные и промышленные (т.е. допускающие экономически рентабельную разработку при данном уровне техники) запасы нефти представлены в табл. 1 и 2.

Топливо	Теплотворная  способность, ГДж
1 т каменного  угля	30,5
1 т нефти	46,6
1000 м3 (н.) природного  газа	38,5
1 т бензина	47,0

 

Таблица 1. ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ ИСКОПАЕМЫХ ТОПЛИВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Регион	Разведанные запасы	Промышленные  запасы
Ближний Восток	82	50
Россия	51	10
Африка	34	7,5
Латинская Америка	31	9,5
Дальний Восток и Океания	27	3
США	27	4
Китай	17	3
Канада	13	1
Западная Европа	3	3
Всего:	285	91

 

Таблица 2. МИРОВЫЕ  ЗАПАСЫ НЕФТИ (ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ ДАННЫЕ), МЛРД. Т

Запасы нефти  и природного газа. Трудно точно  рассчитать, на сколько лет еще  хватит запасов нефти. Если существующие тенденции сохранятся, то годовое  потребление нефти в мире к 2018 достигнет 3 млрд. т. Даже допуская, что  промышленные запасы существенно возрастут, геологи приходят к выводу, что к 2030 будет исчерпано 80% разведанных мировых запасов нефти.

ПАРОТУРБИННАЯ ТЭС

Запасы угля. Запасы угля оценить легче (см. табл. 3). Три четверти мировых его запасов, составляющих по приближенной оценке 10 трлн. т, приходятся на страны бывшего СССР, США и КНР.

Регион	Млрд. т
Россия	4400
США	1570
Китай	1570
Западная Европа	865
Океания	800
Африка	225
Азия (без стран  СНГ и Китая)	185
Канада	65
Латинская Америка	60
Всего:	9740

Таблица 3. МИРОВЫЕ ЗАПАСЫ КАМЕННОГО УГЛЯ (ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ ДАННЫЕ)

Хотя угля на Земле гораздо больше, чем нефти  и природного газа, его запасы не безграничны. В 1990-х годах мировое  потребление угля составляло более 2,3 млрд. т в год. В отличие от потребления нефти, потребление угля существенно увеличилось не только в развивающихся, но и в промышленно развитых странах. По существующим прогнозам, запасов угля должно хватить еще на 420 лет. Но если потребление будет расти нынешними темпами, то его запасов не хватит и на 200 лет.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

Запасы урана. В 1995 более или менее достоверные  мировые запасы урана оценивались  в 1,5 млн. т. Дополнительные ресурсы  оценивались в 0,9 млн. т. Крупнейшие из известных источников урана находятся  в Северной Америке, Австралии, Бразилии и Южной Африке. Считается, что большими количествами урана обладают страны бывшего Советского Союза.

В 1995 число действующих  ядерных реакторов во всем мире достигло 400 (в 1970 – только 66) и их полная мощность составила около 300 000 МВт. В США  планируется и ведется строительство лишь 55 новых АЭС, а проекты 113 других аннулированы.

Реактор-размножитель. Ядерный реактор-размножитель обладает чудесной способностью, вырабатывая  энергию, в то же время производить  еще и новое ядерное топливо. К тому же он работает на более распространенном изотопе урана 238U (преобразуя его в делящийся материал плутоний). Считается, что при использовании реакторов-размножителей запасов урана хватит не менее чем на 6000 лет. По-видимому, это ценная альтернатива ядерным реакторам нынешнего поколения.

Безопасность  ядерных реакторов. Даже самые строгие  критики атомной энергетики не могут  не признать, что в легководных  ядерных реакторах ядерный взрыв  невозможен. Однако существуют другие четыре проблемы: возможность (взрывного  или приводящего к утечке) разрушения защитной оболочки реактора, радиоактивные выбросы (низкого уровня) в атмосферу, транспортировка радиоактивных материалов и длительное хранение радиоактивных отходов. Если активную зону реактора оставить без охлаждающей воды, то она быстро расплавится. Это может привести к взрыву пара и выбросу в атмосферу радиоактивных «осколков» ядерного деления. Правда, разработана система аварийного охлаждения активной зоны реактора, которая предотвращает расплавление, заливая активную зону водой в случае аварии в первом контуре реактора.

Деление ядер – не идеальное решение проблемы энергоресурсов. Более перспективной в экологическом плане представляется энергия термоядерного синтеза.

 

Энергия термоядерного  синтеза. Такую энергию можно  получать за счет образования тяжелых ядер из более легких. Этот процесс называется реакцией ядерного синтеза. Как и при делении ядер, небольшая доля массы преобразуется в большое количество энергии. Энергия, излучаемая Солнцем, возникает в результате образования ядер гелия из сливающихся ядер водорода. На Земле ученые ищут способ осуществления управляемого ядерного синтеза с использованием небольших, поддающихся контролю масс ядерного материала.

 

Дейтерием D и  тритием T называются тяжелые изотопы  водорода 2H и 3H. Атомы дейтерия и трития необходимо нагреть до температуры, при которой они полностью диссоциировались бы на электроны и «голые» ядра. Такая смесь несвязанных электронов и ядер называется плазмой. Для того чтобы создать реактор термоядерного синтеза, нужно выполнить три условия. Во-первых, плазма должна быть достаточно сильно нагрета, чтобы ядра могли сблизиться на расстояние, необходимое для взаимодействия. Для дейтерий-тритиевого синтеза необходимы очень высокие температуры. Во-вторых, плазма должна быть достаточно плотной, чтобы в одну секунду происходило много реакций. И в-третьих, плазма должна достаточно долго удерживаться от разлетания, чтобы могло выделиться значительное количество энергии.

Исследования  в области управляемого термоядерного  синтеза ведутся в двух основных направлениях. Одно из них – удержание плазмы магнитным полем, как бы в магнитной бутылке. Второе (метод инерционного удержания плазмы) – очень быстрое нагревание лучом мощного лазера (см. ЛАЗЕР) дейтерий-тритиевой крупинки (таблетки), вызывающее реакцию термоядерного синтеза в форме управляемого взрыва.

Энергия ядер дейтерия, содержащихся в 1 м3 воды, равна примерно 3ґ1012 Дж. Иначе говоря, 1 м3 морской  воды в принципе может дать столько  же энергии, как и 200 т нефти-сырца. Таким образом, мировой океан представляет собой практически неограниченный источник энергии.

В настоящее время ни методом  магнитного, ни методом инерционного удержания плазмы еще не удалось  создать условия, необходимые для  термоядерного синтеза. Хотя наука  неуклонно движется по пути все более глубокого понимания основных принципов реализации обоих методов, пока нет оснований полагать, что термоядерный синтез начнет давать реальный вклад в энергетику ранее 2010.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ  ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В последнее время исследуется ряд альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным из них представляется солнечная энергия.

Солнечная энергия. У солнечной  энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится  к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий.

Однако использованию  солнечной энергии мешает ряд  трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана.

Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.

Геотермальная энергия. Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новой Зеландии. Земная кора толщиной 32–35 км значительно тоньше лежащего под ней слоя – мантии, простирающейся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются действующими вулканами. Тепло выделяется в основном вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре. Температура и количество этого тепла столь велики, что оно вызывает плавление пород мантии. Горячие породы могут создавать тепловые «мешки» под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается и даже превращается в пар. Поскольку такие «мешки» обычно герметичны, горячая вода и пар часто оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает точку кипения воды на поверхности земли. Наибольшие геотермальные ресурсы сосредоточены в вулканических зонах по границам корковых плит. Основным недостатком геотермальной энергии является то, что ее ресурсы локализованы и ограничены, если изыскания не показывают наличия значительных залежей горячей породы или возможности бурения скважин до мантии. Существенного вклада этого ресурса в энергетику можно ожидать только в локальных географических зонах.

Гидроэнергия. Гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой во всем мире. Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше, чем где-либо еще, живет почти исключительно гидроэнергией.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная  энергия воды, накапливаемой с  помощью плотин. У основания плотины  расположены гидротурбины, приводимые во вращение водой (которая подводится к ним под нормальным давлением) и вращающие роторы генераторов электрического тока.

Существуют очень крупные  ГЭС. Широко известны две большие  ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная  ГЭС в США – Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. В 1995 на гидроэнергетику приходилось около 7% электроэнергии, вырабатываемой в мире.

Гидроэнергия – один из самых дешевых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в  том смысле, что водохранилища  пополняются приточной речной и дождевой водой. Остается под вопросом целесообразность строительства ГЭС на равнинах.

Приливная энергетика. Существуют приливные электростанции, в которых  используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и  отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

Ветроэнергетика. Исследования, проведенные Национальной научной организацией США и НАСА, показали, что в США значительные количества ветроэнергии можно получать в районе Великих озер, на Восточном побережье и особенно на цепочке Алеутских островов. Максимальная расчетная мощность ветровых электростанций в этих областях может обеспечить 12% потребности США в электроэнергии в 2000. Крупнейшие ветроэлектростанции США расположены под Голдендейлом в штате Вашингтон, где каждый из трех генераторов (установленных на башнях высотой 60 м, с диаметром ветрового колеса, равным 90 м) дает 2,5 МВт электроэнергии. Проектируются системы на 4,0 МВт.

Твердые отходы и биомасса. Примерно половину твердых отходов составляет вода. Легко собрать можно лишь 15% мусора. Самое большее, что могут дать твердые отходы, – это энергию, соответствующую примерно 3% потребляемой нефти и 6% природного газа. Следовательно, без радикальных улучшений в организации сбора твердых отходов они вряд ли дадут большой вклад в производство электроэнергии.