Электростанции связаны друг с другом и отдают электроэнергию в энергосистему региона или страны. Из этой системы получают электроэнергию разнообразные по составу, мощности, режиму работы и другим показателям потребители. Такое объединение в энергосистему позволяет: уменьшить суммарную установленную мощность электростанций; резервировать мощность за счет возможного маневрирования станций разного типа; уменьшить общий расход топлива; увеличить надёжность электроснабжения потребителей за счет дополнительных взаимных связей; повысить экономичность выработки электроэнергии путём оптимального распределения электрических нагрузок между станциями различных типов.
Рис.1.14.
Суммарная электрическая нагрузка группы потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, зависит от многих факторов: состав потребителей, их мощность, режим работы, используемая технология и оборудование, время суток и года, климатические условия и т.д. Примерный суточный график электрической нагрузки промышленного района представлен на рис.1.14. Для него характерны неизменная за сутки (базисная) нагрузка Р3; слабопеременная (полупиковая) нагрузка от Р3 до Р2; пиковая нагрузка Р1. В каждый момент времени в электроэнергетической системе должен существовать баланс вырабатываемой и потребляемой мощности (с учетом потерь). В противном случае режим работы энергосистемы в целом и отдельных ее элементов может стать аварийным вплоть до "развала", т.е. полного отключения друг от друга всех источников и потребителей электроэнергии. Для поддержания баланса мощности необходимо регулировать, изменять мощность, генерируемую на электростанциях. Разная мощность и инерционность энергоблоков обусловливают определенные закономерности их использования, как с технической, так и с экономической точки зрения. Базисную нагрузку несут наиболее мощные и инерционные электростанции - АЭС и крупные ТЭС, ГРЭС. Полупиковую нагрузку покрывают маневренные агрегаты ГЭС, ГАЭС и ТЭЦ. Пиковую нагрузку обеспечивают гидрогенераторы, ГТУ, ПГУ.
Конкретный состав электростанций в регионе может частично менять рассмотренный вариант распределения нагрузок, но общие принципы остаются неизменными.
Использование альтернативных источников энергии
Рост народонаселения, промышленное и социальное развитие общества требуют значительного увеличения производства энергии. При этом к середине двадцать первого века станет вполне реальной острая нехватка органических энергоносителей, которые дают сегодня около 80% всей востребованной энергии. Стоимость добычи и транспортировки топлива постоянно растет, и процесс этот будет продолжаться, т.к. новые месторождения зачастую находятся в удалённых, труднодоступных районах, на значительной глубине залегания. Удорожание топлива связано и с тем, что нефть, газ, уголь являются важным сырьем для многих, отраслей промышленности, и утверждение “топить нефтью всё равно, что топить ассигнациями” не теряет своей актуальности.
Поэтому проводятся работы по поиску новых, альтернативных видов источников энергии, в том числе возобновляемых и экологически чистых. Некоторые из этих разработок рассмотрены ниже.
Магнитогидродинамические (МГД) установки. Принцип работы этих установок позволяет непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую (рис.1.15). Между металлическими пластинами 1, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя 2 ионизированного газа. В соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Отсутствие в МГД-генераторе движущихся частей позволяет достичь температуры рабочего тела 2550…2600 0С на входе и обеспечить КПД термического цикла 70...75%.
MГД-yстановки могут работать по различиям схемам. Один из вариантов - с ядерным реактором по замкнутому циклу (рис.1.15.б.). Рабочее тело (аргон или гелий с добавлением цезия) нагревается в ядерном реакторе или в высокотемпературном теплообменнике 3 и поступает в МГД-канал 4, где тепловая энергия движущейся плазмы превращается в электрическую. Отработавшие в МГД-канале газы, имеющие температуру около 1500 0С, поступают в парогенератор 5, который обеспечивает работу паротурбинной установки 6. МГД-цикл замыкается через компрессор 7, который возвращает газ в реактор или в теплообменник 3.
Рис.1.15.
а - принцип работы МГД- генератора; б - МГД- установка с ядерным реактором.
Мощность опытно-промышленной МГД-установки составляет 25 МВт. В стадии технического освоения находится установка мощностью 500 МВт. В этом процессе есть ряд трудностей, сдерживающих темпы внедрения МГД-генераторов: создание магнитных полей с высокой индукцией; достижение высокой проводимости плазмы при температурах до 2400…2500 0С; создание термо-жаростойких материалов; получение переменного тока, который приходится инвертировать из постоянного, вырабатываемого МГД-установкой. Тем не менее, разработка и внедрение МГД-генераторов имеет достаточно хорошие перспективы.
Термоядерные установки. Создание промышленных установок такого типа способно практически полностью решить проблему получения необходимого количества энергии. Запас изотопов дейтерия и трития, исходного топлива для термоядерных реакторов, на Земле практически неограничен. В процессе термоядерной реакции выделяется колоссальная энергия. Это происходит на Солнце, а также при взрыве водородной бомбы. Чтобы управлять таким процессом, следует обеспечить ряд условий: плотность топлива не менее 1015 ядер в 1 см3; температура 100…500?106 градусов. Данное состояние топлива должно удерживаться, доли секунды.
Работы по созданию термоядерного реактора интенсивно проводились в СССР, США, Японии. Были получены определённые положительные результаты, например, установка "ТОКОМАК" в институте атомной энергии им. И.В.Курчатова. Однако технические и научные проблемы пока не позволили создать реальную промышленную термоядерную установку.
Солнечные электростанции. Земля получает ежегодно от Солнца 1017 Вт энергии, что в 20000 раз больше современного уровня потребления. Естественным является преобразование солнечной энергии в тепловую. Такие установки используются человеком издревле. Известен и достаточно простой способ преобразования солнечной энергии в электрическую - с помощью фотоэлементов. Поэтому работы по созданию солнечных электростанций (СЭлС) проводятся во многих странах. Особое значение при этом имеет экологическая чистота и возобновляемость такого энергоресурса. В результате за последние 50 лет сооружены десятки СЭлС в США, Австралии, Италии, Океании и других, климатически пригодных регионах. В СССР была построена Крымская СЭС мощностью 5 МВт, проектировалась станция в Средней Азии общей мощностью 200 МВт.
Однако существуют значительные трудности по созданию и использованию СЭлС, которые не позволяют пока солнечным электрическим станциям в полном объеме конкурировать с ТЭС и ГЭС. Это непостоянство солнечного излучения по времени суток, года и в зависимости от погодных условий; низкая плотность излучения у поверхности Земли; недостаточные технические характеристики существующих фотоэлементов и сложность их утилизации. КПД установок СЭлС составляет в настоящее время около I5%, а получение значительных мощностей связано с размещением оборудования на больших территориях в десятки квадратных километров и соответствующим расходом материалов. Тем не менее, работы по совершенствованию СЭлС продолжается.
Геотермальные станции (ГеоТЭС). Такие станции в качестве источника энергии используют тепло земных недр. Основные типы ГеоТЭС работают на горячей воде под давлением, на воде с паром, на сухом паре или газе (петротермальная энергия).
В среднем на каждые 30...40 м в глубь Земли температура возрастает на 1 0С и на глубине 10…15 километров она достигает 1000-- 1200 0С. В некоторых же частях планеты температура достаточно высока в непосредственной близости от поверхности. В этих местах бьют мощные горячие подземные воды, пар, газ. Здесь могут быть размещены ГеоТЭС. Например, в долине Гейзеров в США общая мощность ГеоТЭС составляет 900 МВт, ГеоТЭС Ларделло в Италии мощностью 420 МВт, станция Вайракет в Новой Зеландии - 290 МВт. Работают достаточно мощные ГеоТЭС в Мексике, Японии, Исландии и в других странах. Российская ГеоТЭС на Камчатке имеет мощность 5 МВт.
Экологическая чистота, возобновляемость тепловой энергии Земли, достаточная простота конструкции являются несомненными достоинствами ГеоТЭС.
Недостатки геотермальных станций - жесткая привязка к месту выхода тепла на поверхность Земли и ограниченные параметры рабочего тела по давлению и температуре.
Приливные электростанции (ПЭС). Современные ПЭС используют фазу прилива и отлива, их агрегаты (турбины) обратимы и работают при движении воды из моря в залив и наоборот (рис.1.16). Такие установки способны работать в турбинном и насосном режиме.
ПЭС работают в России (Кислогубская, 400 кВт), Японии, Франции и других странах. Наиболее мощная ПЭС расположена в устье реки Ранс во Франции - 240 МВт.
Рис.1.16.
а - вид сверху; б - разрез
ВГП - высший горизонт прилива; ВГО - высший горизонт отлива
Приливная энергия экологически чиста, возобновляема, неизменна в годовом и многолетнем периодах, однако, значительно меняется в течение лунного месяца и может быть использована только в конкретных географических точках на побережьях морей и океанов при наличии необходимого рельефа.
Электростанции, использующие морскую энергию. Энергия волн, течений, градиентов температур и солености морей и океанов может быть преобразована в электрическую. Спроектированы и испытаны несколько типов преобразовательных установок. Например, турбина "Кориолис" мощностью 80 МВт предназначена для станций, использующих океанические течения.
Ветровые электростанции (ВЭС). Человек всегда использовал энергию ветра. Преобразование этой энергии в электрическую принципиально весьма просто. В СССР уже в 20-е годы была сооружена Курская ВЭС мощностью 8 кВт. Крупнейшая в мире установка мощностью 1050 кВт в одном агрегате работала в США с 1941 г.
Однако при определённых достоинствах (экологическая чистота, возобновляемость, простота и дешевизна использования), энергия ветра имеет и существенные недостатки, ограничивающие строительство ВЭС. Это большая неравномерность плотности ветровой энергии, зависимость от географических, климатических, метеорологических факторов и др. Поэтому в настоящее время экономически оправданными являются ВЭС ограниченной мощности локального использования.
Перспективы динамики развития электрических станций
Динамика развития мировой и отечественной энергетики указывает на то, что в ближайшее время примерно сохранится существующий баланс между ТЭС, АЭС и ГЭС. Приоритет при этом будет отдан газоугольной стратегии, а использование мазута на ТЭС будет снижаться. Мировые цены на энергоносители, подверженные влиянию многочисленных факторов, способны в различной степени и на различных временньiх интервалах скорректировать указанную стратегию.
Дальнейшее развитие получат ПГУ и ГТУ. Из сравнительно новых направлений приоритетными являются МГД-установки.
Будет развиваться нетрадиционная энергетика (солнечная, приливная, геотермальная), использующая экологически чистые возобновляемые природные ресурсы. Продолжатся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию и освоению термоядерных установок, термоэлектрических, радиоизотопных, термоэмиссионных, электрохимических генераторов и других агрегатов. Отдельное и очень важное направления работ - энергосбережение всех видов ТЭР, тепловой и электрической энергии.
Сегодня весь мир обеспечен электроэнергией благодаря сжиганию угля и газа (ископаемое топливо), эксплуатации водного потока и управлению ядерной реакцией. Эти подходы достаточно эффективны, но в будущем нам придётся от них отказаться, обратившись к такому направлению, как альтернативная энергетика.
Во многом эта необходимость обусловлена тем, что ископаемое топливо ограничено. Кроме того традиционные способы добычи электроэнергии являются одним из факторов загрязнения окружающей среды. Поэтому мир нуждается в «здоровой» альтернативе .
Предлагаем свою версию ТОПа нетрадиционных способов получения энергии, которые в будущем могут стать заменой привычным электростанциям.
7 место. Распределённая энергетика
Перед тем как рассматривать альтернативные источники энергетики, разберём одну интересную концепцию, которая в перспективе способна изменить структуру энергетической системы.
Сегодня электроэнергия производится на больших станциях, передаётся на распределительные сети и поступает в наши дома. Распределённый подход подразумевает постепенный отказ от централизованного производства электричества . Добиться этого можно посредством строительства небольших источников энергии в непосредственной близости к потребителю или группе потребителей.
В качестве источников энергии могут использоваться:
- микротурбинные электростанции;
- газотурбинные электростанции;
- паровые котлы;
- солнечные батареи;
- ветряки;
- тепловые насосы и пр.
Такие миниэлектростанции для дома будут подключены к общей сети. Туда будут поступать излишки энергии, а при необходимости электросеть сможет компенсировать недостаток питания, например, когда солнечные панели работают хуже из-за облачной погоды.
Однако реализация этой концепции сегодня и в ближайшем будущем маловероятна, если говорить о глобальных масштабах. Связанно это в первую очередь с большой дороговизной перехода от централизованной энергетики к распределённой.
6 место. Грозовая энергетика
Зачем генерировать электричество, когда его можно просто «ловить» из воздуха? В среднем один разряд молнии – это 5 млрд Дж энергии, что эквивалентно сжиганию 145 л бензина. Теоретически грозовые электростанции позволят снизить стоимость электроэнергии в разы.
Выглядеть всё будет так: станции размещаются в регионах с повышенной грозовой активностью, «собирают» разряды и накапливают энергию. После этого энергия подаётся в сеть. Ловить молнии можно с помощью гигантских громоотводов, но остается главная проблема – за доли секунды накопить как можно больше энергии молнии. На современном этапе не обойтись без суперконденсаторов и преобразователей напряжения, но в будущем возможно появление более деликатного подхода.
Если говорить об электричестве «из воздуха», нельзя ни вспомнить о приверженцах образования свободной энергии. Например, Никола Тесла в своё время якобы продемонстрировал устройство для получения электрического тока из эфира для работы автомобиля.
5 место. Сжигание возобновляемого топлива
Вместо угля на электростанциях можно сжигать так называемое «биотопливо ». Таковым является переработанное растительное и животное сырьё, продукты жизнедеятельности организмов и некоторые промышленные отходы органического происхождения. В качестве примера можно привести обычные дрова, щепу и биодизель, который встречается на заправках.
В энергетической сфере чаще всего применяется древесная щепа. Она собирается при лесозаготовке или на деревообрабатывающем производстве. После измельчения она прессуется в топливные гранулы и в таком виде отправляется на ТЭС.
К 2019 году в Бельгии должно завершиться строительство крупнейшей электростанции, которая будет работать на биотопливе. Согласно прогнозам, она должна будет производить 215 МВт электроэнергии. Этого хватит на 450 000 домов.
Интересный факт! Многие страны практикуют выращивание так называемого «энергетического леса» – деревья и кустарники, наилучшим образом подходящие для энергетических нужд.
Будет ли альтернативная энергетика развиваться в направлении биотоплива пока маловероятно, ведь есть более перспективные решения.
4 место. Приливные и волновые электростанции
Традиционные гидроэлектростанции работают по следующему принципу:
- Напор воды поступает на турбины.
- Турбины начинают вращаться.
- Вращение передаётся на генераторы, которые вырабатывают электроэнергию.
Строительство ГЭС обходится дороже ТЭС и возможно только в местах с большими запасами энергии воды. Но самая главная проблема – это нанесение вреда экосистемам из-за необходимости строительства плотин.
Приливные электростанции работают по схожему принципу, но используют для выработки энергии силу приливов и отливов .
«Водные» виды альтернативной энергетики включают такое интересное направление, как волновая энергетика. Её суть сводится к генерации электричества посредством использования энергии волн океана, которая гораздо выше приливной. Самой мощной волновой электростанцией на сегодня является Pelamis P-750 , которая вырабатывает 2,25 МВт электрической энергии.
Раскачиваясь на волнах, эти огромные конвекторы («змеи») изгибаются, вследствие чего внутри приходят в движение гидравлические поршни. Они прокачивают масло через гидравлические двигатели, которые в свою очередь вращают электрогенераторы. Полученное электричество доставляется на берег через кабель, который проложен по дну. В перспективе количество конвекторов будет многократно увеличено и станция сможет вырабатывать до 21 МВт.
3 место. Геотермальные станции
Альтернативная энергетика неплохо развита и в геотермальном направлении. Геотермальные станции вырабатывают электричество, фактически преобразуя энергию земли, а точнее - тепловую энергию подземных источников.
Существует несколько типов таких электростанций, но во всех случаях они основываются на одинаковом принципе работы : пар из подземного источника поднимается по скважине и вращает турбину, подключенную к электрогенератору. Сегодня распространена практика, когда в подземный резервуар на большую глубину закачивается вода, там она под воздействием высоких температур испаряется и в виде пара под давлением поступает на турбины.
Лучше всего для целей геотермальной энергетики подходят районы с большим количеством гейзеров и открытых термальных источников, которые разогреваются вследствие вулканической активности.
Так, в Калифорнии работает целый геотермальный комплекс под названием «Гейзеры ». Он объединяет 22 станции, вырабатывающие 955 МВт. Источник энергии в данном случае – очаг магмы диаметром 13 км на глубине 6,4 км.
2 место. Ветряные электростанции
Энергия ветра – один из самых популярных и перспективных источников для получения электричества.
Принцип работы ветрогенератора прост:
- под воздействием силы ветра вращаются лопасти;
- вращение передаётся на генератор;
- генератор вырабатывает переменный ток;
- полученная энергия обычно накапливается в аккумуляторах.
Мощность ветрогенератора зависит от размаха лопастей и его высоты. Поэтому их устанавливают на открытых территориях, полях, возвышенностях и в прибрежной зоне. Эффективнее всего работают установки с 3 лопастями и вертикальной осью вращения.
Интересный факт! На самом деле энергия ветра является разновидностью солнечной энергии. Объясняется это тем, что ветры возникают из-за неравномерного прогрева солнечными лучами земной атмосферы и поверхности.
Чтобы сделать ветряк, не нужны глубокие познания в инженерии. Так, многие умельцы смогли себе позволить отключиться от общей электросети и перейти на альтернативную энергетику.
Vestas V-164 – самый мощный ветрогенератор на сегодня. Он вырабатывает 8 МВт. Для производства электричества в промышленных масштабах используются ветровые электростанции, состоящие из множества ветряков. Крупнейшей является электростанция «Альта », расположенная в Калифорнии. Её мощность – 1550 МВт.
1 место. Солнечные электростанции (СЭС)
Наибольшие перспективы имеет солнечная энергетика. Технология преобразования солнечного излучения с помощью фотоэлементов развивается из года в год, становясь всё эффективнее.
В России солнечная энергетика развита относительно слабо. Однако некоторые регионы показывают отличные результаты в этой отрасли. Взять хотя бы Крым, где функционирует несколько мощных солнечных электростанций.
В будущем возможно может развиваться космическая энергетика . В этом случае СЭС будут строиться не на поверхности земли, а на орбите нашей планеты. Самое главное преимущество такого подхода – фотоэлектрические панели смогут получать гораздо больше солнечного света, т.к. этому не будет препятствовать атмосфера, погода и времена года.
Заключение
Альтернативная энергетика имеет несколько перспективных направлений. Её постепенное развитие рано или поздно приведёт к замещению традиционных способов получения электричества. И совершенно необязательно, что во всём мире будет использоваться только одна из перечисленных технологий. Подробнее об этом смотрите в ролике ниже.
Время не стоит на месте. В глубокой древности люди использовали как источник энергии только собственные силы, или, по возможности, силы домашних животных. Потом первым внешним источником энергии, который научились использовать люди, был огонь. Все, что вначале умели получить от огня, это приготовление еды и обогрев своего жилища. Сегодня на службе у человечества находятся источники энергии, которые превышают человеческую силу в миллионы раз. Сейчас мы готовим еду не только с помощью огня, специальной техникой поднимаем тонны грузов, используя ракеты, покоряем космос, заглядываем в глубины Земли и строим миллионы городов. Тем не менее, в мире все чаще возникают локальные энергетические кризисы, связанные с недостатком энергетических ресурсов.
Закон энергии
Энергия никогда не исчезает, она может менять форму и накапливаться. Например, растения нуждаются в солнечном свете, они превращают солнечную энергию и накапливают ее. Вместе с тем, они отдают ее нам в виде съедобных продуктов, люди и животные потребляют эти растения и превращают эту энергию, которая в них накапливается, например, в мышечную работу. С другой стороны, при сжигании дров на костре также освобождается энергия, происходящая от Солнца. Кроме того, все ископаемые ресурсы планеты, прежде всего уголь, природный газ, нефть являются накопителями солнечной энергии. Все эти топливно-энергетические ресурсы образовались из останков животных и растений, которые существовали миллионы лет назад, под действием давления и чрезвычайно высокой температуры в земной коре.
Средневековому человеку показалось бы волшебством, если бы перед его глазами кто-нибудь добыл свет из угля или привел бы в движение машину с помощью нефти. Но это волшебство заключается только в том, чтобы сделать возможным накопление энергии и переход ее из одной формы в другую. В наше время этот процесс стал для всех настолько обычным, что мало кто задумывается об энергетической проблеме и о тех ресурсах, которые мы для этого берем. С того времени, когда человечество начало разгадывать секреты энергии, оно старается добыть энергию с наименьшими затратами. Идеальным вариантом было бы изобрести машину времени, так называемую «перпертум мобиле», которая производила бы энергию сама, получая ее из ничего. Но, к сожалению, такой вечный двигатель, который бы решил все проблемы энергетических ресурсов, создать невозможно. Общее количество энергии всегда остается неизменным, ее нельзя создать, можно лишь освободить накопившуюся энергию и превратить в другую: световую, электрическую, тепловую, физическую, химическую и т. д.
Вода как источник энергии
Человек может использовать мощную силу воды, на некоторых этапах вмешиваться в природный кругооборот воды, чтобы таким образом добывать энергию. Сегодня на гидроэлектростанциях производится электроэнергия, которую можно накапливать или же сразу потреблять по назначению.
Невероятной силы морские волны ежесекундно разбиваются о многочисленные побережья, мощная энергия их выполняет свою работу. Но человечество до сих пор не в силах использовать силу морских волн для производства энергии, хотя существует бессчетное количество теоретических моделей и идей их реализации для решения энергетической проблемы. С недавнего времени, а именно после аварии на Чернобыльской АЭС правительства многих морских государств всерьез заинтересовались этим безопасным источником энергии, до этого проводились испытания в основном в области атомной энергетики.
Уголь
Все виды угля - это результат процесса, длившегося миллионы лет, во время которого останки разнообразной растительности разложились и превратились под действием высокого давления в торф, затем - в уголь. Эти залежи на протяжении миллионов лет все глубже и глубже проникали в земную кору, покрываясь сверху новыми пластами. Например, слой торфа в 50 метров уплотнялся до пласта угля в 3 метра. Первыми, еще в I столетии нашей эры, с помощью угля отапливали свои жилища римляне. Исследователи считают, что торф использовался для отопления еще в доисторический период. И только в XVI веке уголь стали использовать в Европе как топливо.
Уголь и нефть по своему происхождению и химическому составу принадлежат к одной группе. На самом деле из угля так же, как из нефти, можно получить бензин. Этот способ был разработан в Германии во время Второй мировой войны, когда нефти для производства бензина не хватало. Этот метод заключается в том, что в процессе сжигания уголь размельчается и проходит определенные химические процессы, в результате чего получается отличное топливо.
Нефть
Как и другие виды ископаемого топлива, которое человечество сжигает для получения тепла и электроэнергии, нефть имеет чрезвычайно почтенный возраст. Самые старые месторождения нефти были образованы 600 млн лет назад. Нефть заполняла все пустоты и щели земной коры, создавая громадные месторождения. В наше время они активно отыскиваются, бурятся скважины и добываются огромные запасы этих залежей.
Из нефти производят все больше и больше веществ, потребляемых человечеством. Бензин и дизельное топливо - не единственные продукты, потребляемые человеком. Нефть является сырьем для производства лекарств, искусственных тканей, ядов, минеральных удобрений, косметики, пластмассы. Мы даже не подозреваем, насколько человечество зависимо от этих топливно-энергетических ресурсов. Не зря самые богатые страны в мире - это страны-добытчики и производители нефти. В наше время везде господствует нефть. Ни одна другая форма по мощности пока не может заменить нефть как источник энергии.
Природный газ
Газ, используемый для отопления, приготовления еды или производства электроэнергии, - это в большинстве случаев пропан, бутан или природный газ. Он был обнаружен во время бурения первых нефтяных скважин почти случайно. Сегодня природный газ обеспечивает пятую часть мировой потребности в энергии.
Природный газ, который сгорает во время приготовления еды, выделяет энергии в два раза больше, чем электрический ток, производимый тепловыми электростанциями. Природный газ, так же как и уголь, является ископаемым топливом, но по своему происхождению ближе к нефти. Именно поэтому он добывается вместе с нефтью или в виде самостоятельных газовых образований. Проще всего добывать природный газ из месторождений, которые находятся под землей, как на Ближнем Востоке или в Сибири. Безопасность при его выработке обеспечивается системой соединительных труб и вентилей, с помощью которых регулируют давление, так как газовые месторождения постоянно находятся под огромным давлением.
Главные европейские месторождения газа находятся в Италии, Франции и Голландии, а также в Северном море, возле побережья Великобритании и Норвегии. Кроме этого, Россия поставляет сибирский газ разветвленной системой газопроводов в страны Центральной Европы. Россия - главный поставщик газа, из Сибири поступает третья часть всех используемых в мире запасов газа.
Энергия из атомов
Атомную энергию человечество научилось получать на электростанциях путем расщепления ядра атома урана. Именно этот элемент имеет нестабильное ядро и легче всего расщепляется под действием нейтронов. В результате распада ядра освобождаются новые нейтроны, которые, в свою очередь, расщепляют другие ядра атомов. Этот процесс превращается в цепную реакцию и освобождает огромное количество энергии, которая используется для превращения воды в пар, приводящий в движение турбину и электрогенератор. К сожалению, этот способ решения энергетической проблемы небезопасный, вместе с энергией атомных ядер происходит радиоактивное излучение, опасное для всех живых организмов. Поэтому защита с помощью специальных кожухов на таких электростанциях должна быть максимальной.
Мягкие энергии
По мнению ученых, решение энергетической проблемы в будущем за мягкими альтернативными видами энергии. Существуют такие формы, как энергия ветра, биоэнергия и солнечная энергия. Они не тратят полезные ископаемые и не вредят окружающей среде. Еще их называют возобновляемыми источниками энергии. До тех пор, пока существует жизнь на Земле, сила ветра, биоэнергия и солнечная энергия неисчерпаемы, а ископаемые источники в виде угля, газа и нефти когда-нибудь исчезнут.
Биоэнергия
Биоэнергия - энергия, которая вырабатывается из растений. Для животных и людей растения являются самым важным источником энергии и пищевым продуктом. Растения получают запас энергии непосредственно от Солнца, древесина - носитель возобновляемой биоэнергии. Но потребности нашего индустриального общества настолько велики, что вся древесина на планете сможет удовлетворить только небольшую ее часть, не решая проблемы энергетической. Во многих странах древесина выступает основным источником энергии. Неконтролируемая вырубка ведет к уменьшению количества деревьев, поскольку часто для их насаждений не хватает денег. В таком случае этот источник постепенно становится невозобновляемым, что станет одной из причин энергетической проблемы.
Альтернативным и перспективным методом получения энергии считается производство биогаза. Он формируется из разрушенных веществ животного и растительного мира при отсутствии контакта с воздухом. Сельские хозяйства, где собирается в виде отходов много биомассы, могут использовать для производства метана специальные установки биогаза. Работа таких установок не вредит окружающей среде, а их использование не требует никаких затрат. Решение энергетической и сырьевой проблемы именно в таких альтернативных источниках. Но, конечно, сначала они должны быть построены, а первые опыты всегда связаны с большими расходами. Интересный способ расходовать меньше бензин, например, нашли в Бразилии. Они производят биоспирт - жидкость, получаемую из брожения сахарного тростника и кукурузы. Этот алкоголь добавляется к обычному бензину. Таким образом, страна становится менее зависимой от импорта бензина.
Еще один пример использования биоэнергии представляют собой калифорнийские побережья. На морских фермах выращивается одна из разновидностей морских водорослей, которые ежедневно вырастают на полметра. Их также перерабатывают для получения бензина, а другие виды водорослей используют как сырье на тепловых электростанциях, уменьшая энергетическую и сырьевую проблему.
Энергия ветра
Ветер - один из традиционных источников энергии. Еще в VII веке до н. э. в Персии использовали ветряки, а в 1920 году в США впервые ветряк использовали для производства электроэнергии. Еще спустя 10 лет в Австрии и Баварии были построены ветряные установки, которые обеспечивали собственным электричеством целые местности.
Современные силовые установки производят электроэнергию. С помощью силы ветра движутся электрогенераторы, которые питают электросеть или же накапливают энергию в аккумуляторных батареях. По мнению специалистов, использование силы ветра имеет большое будущее, если человечество отдаст предпочтение развитию технологии альтернативной энергетики, а не атомной энергетике и использованию нефти как источника энергии.
Солнечная энергия
С точки зрения производства энергии, мы можем рассматривать Солнце как разновидность атомного реактора чрезвычайной мощности. Только миниатюрная частичка достигает Земли, но даже она дает возможность жизни. Можно ли превращать солнечную энергию непосредственно в электрическую? Да, это вполне возможно с помощью солнечных батарей. Уже сегодня везде, где ярко светит Солнце и потребности в электроэнергии небольшие, получают энергию непосредственно от Солнца. Солнечные батареи - это пластины, которые имеют два чрезвычайно тонких слоя. Один слой состоит из кремния, второй - из кремния и бора. Вместе с солнечным светом, который попадает на солнечную батарею, на ее внешний слой проникают фотоны - мельчайшие частички света, излучаемые Солнцем. Они приводят в движение электроны, перенося их во второй слой и, таким образом, вызывают электрическое напряжение. Перемещаемые электроны попадают в накопитель тока, затем - в электрические проводники. Таким образом, например, станции на солнечных батареях уже решают энергетическую проблему Дальнего Востока.
Солнечные батареи постоянно совершенствуются. Пока они еще очень дорогие, но надеемся, что в недалеком будущем они станут достаточно эффективными и дешевыми и смогут решить глобальную энергетическую проблему, удовлетворить значительную часть потребностей человечества в электроэнергии. Такие солнечные фермы сейчас находятся в нежилых краях из-за чрезвычайной жары. Перспективы использования солнечной энергии огромные, по мнению специалистов, если техника для производства водорода будет дальше развиваться, то накопленную в пустынных районах солнечную энергию можно будет доставлять в виде водорода к странам-потребителям.
Зачем беречь энергетические запасы?
Залежи нефти, угля и природного газа, образованные нашей планетой на протяжении миллионов лет, человечество тратит за несколько лет. Когда мы бездумно тратим эти запасы с увеличением добычи энергоносителей, мы обворовываем своих потомков.
Этим мы нарушаем баланс энергии на Земле, ведь соотношение полученной энергии и отдаваемой обратно в космос должно быть уравновешенным. Если же человечество уничтожает и сжигает энергетические запасы, то образуются газы, которые препятствуют возвращению в космос излишка солнечной энергии. Как результат, возникает глобальная энергетическая проблема - наша планета становится теплее, возникает явление, называемое парниковым эффектом. Парниковый эффект может настолько изменить мировой климат, что произойдет расширение пустынь, образуются опустошающие смерчи, растает лед на полюсах, значительно поднимется уровень моря, множество побережий будут залиты водой.
Кроме того, время истощения энергетических ресурсов уже пришло. Ученые бьют тревогу, доказывая, что энергетических ископаемых запасов хватит на несколько десятков лет, затем потребление энергии снизится и благосостояние человечества тоже. Решение проблемы в быстром переходе общества к разумному потреблению энергетических запасов и разработке новых альтернативных и безопасных методов добычи энергии.
В прошлом году каждый день в мире устанавливалось 500 000 солнечных панелей. В Китае каждый час запускается две ветряные установки. На наших глазах происходит беспрецедентная «зелёная» революция, которая кардинально изменит расклад сил на энергетическом рынке. Темпы установки солнечных панелей бьют все рекорды. И это только начало, ведь стоимость ветряков, а тем более солнечных панелей постоянно снижается.
Исходя из последних фактических данных за 2015 год, эксперты Международного энергетического агентства вынуждены пятилетний прогноз по развитию альтернативной энергетики в мире. Прогноз по генерируемой мощности от возобновляемых источников энергии на ближайшие пять лет существенно повышен.
«Мы наблюдаем трансформацию глобальных энергетических рынков под влиянием возобновляемых источников», - признал исполнительный директор Международного энергетического агентства Фатих Бирол (Fatih Birol). Он согласился, что рост частично вызван кардинальным падением цен на оборудование для солнечных и ветряных энергостанций. Такие цены как сейчас «невозможно было представить» пять лет назад. Так, стоимость установки ветровой электростанции с 2010 по 2015 годы упала на 30%, а стоимость больших солнечных электростанций - в три раза.
Главнейшими источниками для генерации электричества по-прежнему остаются ископаемое топливо, такое как уголь и нефть, но прогресс в развитии этих архаичных технологий не идёт ни в какое сравнение с прогрессом в области солнечной и ветровой энергии.
Агентство прогнозирует дальнейшее снижение стоимости ветряков и солнечных энергостанций на ближайшие пять лет: на 15% и 25%, соответственно. Судя по всему, это довольно консервативная оценка. Вполне возможно, прогнозы опять придётся пересматривать из-за ещё более бурного роста солнечной и ветряной энергетики. Отчёт Medium-Term Renewable Energy Market Report 2016 посвящён временному периоду с 2015 по 2021 годы. Прогноз на этот отрезок пересмотрен на 13% в сторону повышения. По оценке экспертов, установленные мощности за данный отрезок увеличатся не на 730 ГВт, а на 825 ГВт. Это связано с принятием более строгого законодательства США, Китае, Индии и Мексике.
За прошлый год в мире установлено 153 ГВт мощностей в энергетике. Больше половины из них представляют солнечные станции (49 ГВт) и ветряные станции (63 ГВт). Введено в строй больше мощностей, чем генерируют некоторые страны «большой восьмёрки» - например, Канада.
Солнечные и ветряные станции добавили за год больше мощности, чем электростанции на угле, газе и ядерном топливе. Такое достижение позволило возобновляемым природным ресурсам обойти уголь и выйти на первое место в мире по темпам прироста установленной мощности.
«Установленная мощность» в альтернативной энергетике - это довольно условный показатель. Солнце не светит круглосуточно, а ветер дует с переменной скоростью в разных направлениях. Поэтому реальное производство электроэнергии из возобновляемых ресурсов гораздо ниже, чем установленные мощности. По этому показателю возобновляемые источники очень сильно отстают.
Генерация электричества по видам топлива в 2014 году. Источник:
Судя по всему, чтобы обогнать ископаемое топливо по генерации электричества, следует установить в разы больше генерируемой мощности, чем сейчас.
Мировая генерация электричества с 1971 по 2014 годы по видам топлива (ТВт⋅ч). Источник: Key world energy statistics 2016 , Международное энергетическое агентство
По последним данным Международного энергетического агентства за 2015 год, уголь обеспечил 39% мировой генерации электричества, а все возобновляемые источники, включая ГЭС, - всего 23%. По прогнозу, доля возобновляемых источников к 2021 году вырастет до 28%. В этом случае возобновляемые ресурсы будут генерировать более 7600 ТВт⋅ч - больше электричества, чем сейчас генерируют США и страны Евросоюза, вместе взятые.
Принятие более строгого законодательство в некоторых странах в поддержку возобновляемой энергетики связано не только с ратификацией Парижского соглашения в рамках Конвенции ООН об изменении климата на год раньше, чем прогнозировалось. Это связано ещё и с серьёзными экологическими проблемами в некоторых странах. Например, из-за сильного загрязнения воздуха в Китае эта страна стремится теперь активно продвигать альтернативную энергетику. Сейчас примерно 40% новых мощностей возобновляемой энергетики в мире приходится именно на Китай (в том числе 50% ветряных установок).
Эксперты предупреждают, однако, что прогнозируемый рост альтернативной энергетики сильно зависит от государственной поддержки, которая часто меняется в разных странах. Неустойчивая природа солнечной и ветряной энергии тоже несёт определённые риски для операторов.
Тем не менее, во всём мире энергостанций на возобновляемых источниках сейчас вводят больше , чем на ископаемом топливе. В Евросоюзе и США установленная мощность альтернативной энергетики ежегодно превышает новые потребности экономики. То есть сейчас вообще нет смысла строить новые ТЭЦ на угле и газе, и можно постепенно закрывать старые.
В целом, хотя падение цен и темпы роста сильно впечатляют, но чтобы использование энергии солнца и ветра действительно помогло добиться глобальных экологических целей, нужно совершить серьёзные шаги в энергетике и транспорте, считают эксперты Международного энергетического агентства.
В настоящее время исследования по использованию солнечной энергии ведутся на всех континентах. В к 2020 г. предполагают удовлетворить от 10 до 30% своих энергетических потребностей страны за счет солнечных установок, в в 2010 г. - 3%. Национальные программы развития солнечной энергетики приняты в 68 странах.
Солнечная радиация, достигающая внешних границ земной атмосферы, несет энергию в 5,6 106 ЭДж в год (Р = 17 млрд кВт). Около 65 % этой энергии расходуется на нагрев поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а также на образование волн, воздушных и океанских течений и ветра, 35% солнечной энергии отражается. Поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, в 9 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органических видов топлива и урана.
Солнечная энергия обладает рядом преимуществ. Она имеется повсюду, практически неисчерпаема и доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени. Чтобы обеспечить свои энергетические потребности в 2100 г., человечеству достаточно использовать меньше 0,1 % падающей на Землю солнечной энергии или сороковую часть солнечной энергии, падающей пустыни. Однако солнечная энергия обладает низкой плотностью потока (800-1000 Вт/м2), ее интенсивность меняется в течении суток, зависит от сезона и т.д. Как падающая, так и рассеянная относится к прямым видам солнечной энергии. Косвенными видами солнечной энергии являются энергия ветра, волн, приливов, тепловые градиенты океана, гидроэнергия и энергия, полученная благодаря фотосинтезу.
Условно можно выделить четыре направления использования солнечной энергии: теплотехническое, фотоэлектрическое, биологическое и химическое. Теплотехническое направление (солнечное теплоснабжение) основано на нагревании теплоносителей, например воды, обычными или сконцентрированными солнечными лучами в специальных устройствах-коллекторах. Этот способ уже стал находить практическое применение в США, Японии, в южных районах нашей страны для опреснения и получения горячей воды, обогрева зданий зимой и охлаждения их летом, для сушки различных продуктов и материалов, питания термопреобразователей и т. п. Уже при сегодняшней эффективности солнечные коллекторы могут оказаться экономически целесообразными вплоть до районов, лежащих на 56-й широте (примерно на широте Москвы). Большое внимание во многих странах уделяется фотоэлектрическому способу использования электрической энергии.
К существенному прогрессу здесь привели открытия, сделанные за последние 10 - 20 лет в физике и химии полупроводников. На их основе были созданы фотоэлектрические преобразователи - солнечные батареи, которые ныне широко используются на космических кораблях. КПД батарей составляет 12-15%, а на лабораторных образцах достигнуты и значительно лучшие результаты (28 - 29 %).
Теоретические исследования привели к выводам о принципиальной возможности достижения в полупроводниковых структурах с переменной шириной запрещенной зоны, использующих объемный фотоэффект, коэффициента полезного действия, близкого к 90%. Однако, широкое использование полупроводниковых преобразователей в наземной энергетике сдерживается из-за их пока еще высокой стоимости (стоимость выработки электроэнергии солнечными батареями выше, чем при традиционных способах). Следовательно, одно из главных направлений здесь - разработка более дешевых преобразователей, например, с использованием пленочных и органических полупроводников, и менее дорогих технологий их производства.
Геотермальная энергетика на базе термальных (горячих подземных) вод развивается достаточно интенсивно в США, на , в , Италии, Японии, где построены геотермальные тепловые электростанции. В России большие ресурсы геотермальной энергии имеются на Камчатке, Сахалине и Курильских островах, меньшие - на Кавказе. Геотермальная энергия может применяться в сельском (обогрев теплиц) и коммунальном (горячее водоснабжение) хозяйствах. К геотермальному водоснабжению подключены некоторые населенные пункты Дагестана, Ингушетии, Краснодарского и Ставропольского краев, Камчатки.
Океаны содержат огромный потенциал в виде тепловой энергии по глубине толщи воды (радиации, температур верхнего и нижнего слоев воды), а также энергию океанических течений, морских волн и приливов. В мире наиболее развиты работы по приливным электростанциям (ПЭС). В 1966 г. во Франции построена ПЭС «Ранс», вырабатывающая 500 млн кВт ч электроэнергии в год, в 1968 г. в России - Кислогубская ГТЭС на , в 1984 г. - ПЭС в Канаде мощностью 20 МВт.
Перспективно производство энергии биомассы, получаемой в результате переработки органических отходов. Разработаны технологии производства биогаза и этанола, которые можно использовать как топливо и компост (органические удобрения) из органических отходов животноводческих комплексов, свинокомплексов, птицефабрик, городских сточных вод, бытовых отходов, отходов деревообрабатывающей промышленности.
