Альтернативные источники энергии

Устройства, вкоторых энергия воды используется для совершения работы, принято называтьводяными (или гидравлическими.) двигателями. Простейшие и самые древние из них- описанные выше водяные колеса. Различают колеса с верхним, средним и нижнимподводом воды.

В современнойгидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется на лопаткитурбин. Вода из-за плотины течет — через защитную сетку и регулируемый затвор -по стальному трубопроводу к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генераторам и в нихпреобразуется в электрическую. После совершения работывода стекает в реку через постепенно расширяющийся туннель, теряя при этом своюскорость.

Гидроэлектростанцииклассифицируются по мощности на мелкие (сустановленной электрической мощностью до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (свыше 20 МВт). Второй критерий, по которому разделяютсягидроэлектростанции, — напор. Различают низконапорные ГЭС (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (свыше 100 м). В редких случаяхплотины высоконапорных ГЭС достигают высоты 240 м. Такие плотинысосредоточивают перед турбинами водную энергию, накапливая воду и поднимая ее уровень.

Затраты настроительство ГЭС велики, но они компенсируются тем, что не приходится платить (во всяком случае, в явной форме) за источник энергии — воду. Мощностьсовременных ГЭС, спроектированных на высоком инженерном уровне, превышает 100МВт, а К.П.Д. составляет 95% (водяные колеса имеютК.П.Д. 50−85%). Такая мощность достигается при довольно малых скоростяхвращения ротора (порядка 100 об/мин), поэтому современные гидротурбины поражают своими размерами. Например, рабочееколесо турбины Волжской ГЭС им. В. И. Ленина имеет высоту около 10 м и весит420 т.

Турбина -энергетически очень выгодная машина, потому что вода легко и просто меняетпоступательное движение на вращательное. Тот жепринцип часто используют и в машинах, которые внешне совсем не похожи наводяное колесо (если на лопатки воздействует пар, то речь идет о паровойтурбине).

Преимуществагидроэлектростанций очевидны — постоянно возобновляемый самой природой запасэнергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да иопыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощьгидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанцииоказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды длявращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуетсяуложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид посравнению с ним покажется ничтожным.

Поэтому вначале XX века было построено всего несколько гидроэлектростанций. ВблизиПятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумокуспешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительнымназванием «Белый уголь». Это было лишь началом.

Уже висторическом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупныхгидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла ВолховскаяГЭС, в следующем — началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновиднаяэнергетическая политика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что унас, как ни в одной стране мира, развита система мощных гидроэлектрическихстанций. Ни одно государство не может похвастаться такимиэнергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии, сталицентрами, вокруг которых развились мощные промышленные комплексы.

Но пока людямслужит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодноогромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощьюплотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

2.3. Геотермальнаяэнергия

Земля, этамаленькая зеленая планета,аш общий дом, из которогомы пока не можем, да и не хотим, уходить. По сравнению с мириадами другихпланет Земля действительно невелика: большая ее часть покрыта уютной иживительной зеленью. Но эта прекрасная и спокойная планета порой приходит вярость, и тогда с ней шутки плохи — она способна уничтожить все, что милостиводарила нам с незапамятных времен. Грозные смерчи и тайфуны уносят тысячижизней, неукротимые воды рек и морей разрушают все на своем пути, лесные пожарыза считанные часы опустошают огромные территории вместе с постройками ипосевами.

Но все этомелочи по сравнению с извержением проснувшегося вулкана. Едва ли сыщешь на Земле другие примеры стихийного высвобожденияприродной энергии, которые по силе могли бы соперничать с некоторыми вулканами.

Издавна людизнают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земногошара. Память человечества хранит предания о катастрофических изверженияхвулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших обликмногих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулканаколоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетическихустановок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использованииэнергии вулканических извержений говорить не приходится — нет пока у людейвозможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения этидостаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход черезогнедышащие жерла вулканов.

Энергетиказемли — геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплотыЗемли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20−30 °С в расчете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учетатемпературы поверхности), равно приблизительно 12,6−1026 Дж. Эти ресурсыэквивалентны теплосодержанию 4,6·1016 т угля (принимая среднюю теплоту сгоранияугля равной 27,6−109 Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемыхмировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировыеэнергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенныеобъемы и температуру, достаточные для использования их в целях производстваэлектрической энергии или теплоты.

С геологическойточки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальныеконвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения исистемы с высоким тепловым потоком.

2.3.1.Гидротермальныесистемы

К категориигидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячейводы, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевыеозера и фумаролы. Образование таких систем связано с наличием источника теплотыгорячен или расплавленной скальной породой, расположенной относительно близко к поверхности земли. Над этой зонойвысокотемпературной скальной породы находится формация из проницаемой горнойпороды, содержащая воду, которая поднимается вверх в результате ее подстилающейгорячей породой. Проницаемая порода, в свою очередь, сверху покрытанепроницаемой скальной породой, образующей «ловушку» для перегретой воды. Однако наличие в этой породе трещин или пор позволяет горячей воде илипароводяной смеси подниматься к поверхности земли. Гидротермальные конвективныесистемы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которымсвойственна вулканическая активность.

В принципе дляпроизводства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяетсяметод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячейжидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближениигорячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна кповерхности давление падает и около 20% жидкости вскипает и превращается впар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнута дальнейшей обработке взависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно вскальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительнымизвлечением из нее минералов. Примерами геотермальных месторождений с горячейводой являются Уайракей и Бродлендсв Новой Зеландии, Серро-Прието в Мексике, Солтон-Си в Калифорнии, Отаке вЯпонии.

Другим методомпроизводства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературныхгеотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используетсядля нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющегонизкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этойжидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется ивновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Установки, использующие фреон в качестве теплоносителя второго контура, онастоящее время подготовлены для промышленного освоения в диапазоне температур75−150 °С и при единичной электрической мощности впределах 10−100 кВт. Такие установки могут быть использованы для производстваэлектроэнергии в подходящих для этого местах, особенно в отдаленных сельскихрайонах.

2.3.2. Горячиесистемы вулканического происхождения

Ко второму типу геотермальныхресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся магма инепроницаемые горячие сухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы ипокрывающие ее скальные породы). Получение геотермальной энергиинепосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимаядля использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этихэнергетических ресурсов предусматривают устройство замкнутого контура сциркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу (рис. 5).Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затемчерез нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводитк образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зонутрещиноватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду споверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагревается II извлекается через вторую скважину в виде параили горячей воды, которые затем можно использовать для производстваэлектроэнергии одним из рассмотренных ранее способов.

2.3.3. Системы с высокимтепловым потоком

Геотермальныесистемы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокимизначениями теплового потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100 °C.