Альтернативные источники энергии

Литература:

1. Твайдел Д, Уэйр Л. Возобновляемые источники энергии . Энергоатом изд. 1990

2. Баскаков А.П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. В 2 частях. УГТУ- УПИ. Екатеринбург, 2007

3. Дьяков А.Ф. Малая энергетика России. Проблемы и перспективы- М: НТФ, Энергопрогресс, 2003

Тема 1 . Запасы и ресурсы традиционных и нетрадиционных источников энергии.

Вопрос 1. Энергоресурсы планеты.

Энергоресурсы – это материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, возможная для использования. Из большого количества энергоресурсов, которые встречаются в природе, выделяют основные, которые используют в больших количествах для практических нужд.

Энергоресурсы подразделяют на невозобновляемые и возобновляемые. Невозобновляемые были ранее накоплены в природе, но в современных геологических условиях они практически не образуются. К ним относятся: уголь, нефть, газ, торф и уран. Запасы этих ресурсов ограничены и конечны. К возобновляемым энергоресурсам относят те, которые непрерывно восстанавливаются в природе. Это энергия солнца, ветра, водных потоков, тепла земли и мирового океана, биомассы, отходов производства и жизнедеятельности человека.

Основное преимущество возобновляемых энергоресурсов неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе, называется первичной. А энергия, получаемая после образования первичной с помощью различных установок, называется вторичной. Оценка энергоресурсов является довольно сложной задачей, поэтому у многих авторов цифры отличаются значительно друг от друга.

Ориентировочные данные по общим запасам энергоресурсов на планете

Невозобновляемые источники, т.у.т. (тонна условного топлива)

Q_н^р=7000 ккал/кг (теплота сгорания)

1. Термоядерная энергия- 12300*

2. Ядерная энергия – 67*

3. Энергия ископаемого органического топлив – 6,76*

Источники возобновляемые в течение года, т.у.т./год

1. Энергия солнечных лучей, достигающих поверхности Земли – 71, 3*

2. Энергия ветра – 0,21*

3. Энергия рек – 0,0022*

4. Энергия приливов и отливов – 8,6*

5. Геотермальная энергия – 0,0165*

6. Биотопливо – 0,006*

В настоящее время около 80% энергопотребления на планете обеспечивается за счет органического топлива.

Вопрос 2. Возможности использования энергоресурсов.

Термоядерная энергия.

Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, возникающую при слиянии легких ядер, таких как, ядро водорода или его изотопов дейтерия и трития. У обычного водорода ядром служит 1 протон, а у дейтерия ядро состоит из протона и нейтрона. Термоядерная реакция широко распространена в природе, они являются источников энергии многочисленных звезд. Ближайшая к нам звезда Солнце – это естественный термоядерный реактор. Огромное количество дейтерия, которое можно использовать для термоядерной реакции находится в воде океана, но термоядерные реакции протекают при температуре 100 000 000 градусов Цельсия. При такой температуре ни одно вещество не может быть в твердом состоянии, поэтому проведение реакции термоядерного синтеза в стационарных условиях связано с колоссальными трудностями.

Одним из направлений в управляемом термоядерном синтезе является удержание высокотемпературной плазмы с помощью магнитного поля. Магнитное поле использует для изоляции плазмы от стен реактора. Одним из таких реакторов является токамак – тораидальная камера с магнитным полем. Для создания магнитного поля требуется огромное количество энергии, поэтому в токамаке используют светопроводящие магниты. Пока получить нужную температуру и провести термоядерную реакцию удалось в течение доли секунд. При термоядерной реакции выделяется огромное количество энергии и используя 4, 5 литра воды можно получить такое же количество энергии, как и при сжигании 1350 литров бензина.

В настоящее время ученые многих стран занимаются исследованием термоядерного синтеза. Не смотря на успехи в этой области, для создания промышленного термоядерного реактора потребуется не мало времени. При современном уровне финансирования использование термоядерной энергии возможно не ранее середины 21 века.

Ядерная энергия.

Ее использование основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер, обычно урана или плутона. Ядерную энергию в электрическую преобразуют на АЭС. Первая АЭС в СССР в Обнинске 1954г. Мощность крупнейших действующих и строящихся АЭС в настоящее время свыше 4 ГВт. Во Франции АЭС производят более 80% э/э, в Швеции порядка 50%, в России 15%. Концентрация урана в руде, которую выгодно обогощать составляет %. Большинство орг.соединений урана растворимы в воде, поэтому в очень малых концентрациях уран широко распространен на планете. Но в настоящее время использование этого урана экономически не выгодно.

Энергия ископаемых органических топлив.

Орг.топливо включает в себя уголь, нефть, прир.газ, торф. Включение торфа несколько условно, например в России ежегодно образуется 40 млн.тонн торфа, а расходуется только 2 млн. Но в перспективе торф является невозобновляемым источником энергии, т.к. на образование его залежей требуется порядка 10 000 лет.

Разведанные запасы орг.топлив на Земле

Топливо	Разведанный запас, млрд. Т.у.т	Легкодобываемый запас, млрд. т.у.т.
Уголь	10100	636
Нефть	275	88,6
Газ	360	81
Торф	5	5

Т.е. большая часть орг.топлива приходится на уголь. Легкодобываемые запасы нефти и газы составляют 0, 1 триллиона т.у.т., угля почти на порядок больше.

В 2001 году в мире было израсходовано 9124, 8 млн. Т.у.т. энергоресурсов. Из них нефти 38%, угля 24%, природного газа 24%, гидронергии 7%, ядерной энергии 7%. При таком потреблении запасов орг топлив хватило было человечеству на 317 лет. Но из этих запасов уголь составляет 68%, газ 19%, а нефть всего 13%. При приведенных темпах потребления разведанные запасы нефти и газа будут использованы задолго до конца 21 века., а разведанные запасы угля также в основном будут израсходованы в 21 веке.

В настоящее время из возобновляемых источников основную роль играет гидроэнергия. На ГЭС производят порядка 9% общей выработки э/э. ГЭС представляет собой комплекс сооружений и оборудования, при помощи которых осуществляется концентрация водной энергии и ее преобразование в электрическую. Но строительство крупных ГЭС требует огромных затрат, которые могут позволить себе только богатые страны. В советском союзе было построено несколько крупнейших ГЭС, одной из которых является СОЯНО СУШИНСКАЯ мощность 9 ГВт. Самой мощной ГЭС будет ГЭС мощностью 18, 2 ГВт, которые строятся в Китае на реке Янцзы. Процесс производства э/э на ГЭС является экологически чистым. Но строительство ГЭС на равнинных реках приводит к затоплению больших территорий и ряду изменений в природных условиях. Поэтому в настоящее время ГЭС строят в основном на горных реках.

Солнечная энергия.

Не смотря на огромное количество солнечной энергии, поступающей на Землю, ее доля в энергобалансе мира незначительна. Основная причина – малая плотность солнечного излучения и его зависимость от времени суток, года, облачности и ряда других причин. В среднем плотность солнечного излучения составляет 200-300 Вт на метр квадратный. Преобразование солнечной энергии в больших количествах требует больших поверхностей приемников солнечного излучения, поэтому солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Солнечную энергию можно использовать для нагрева воды, которую можно применять в системах теплоснабжения, а также для производства э/э.

Солнечные электростанции бывают 2 видов:

1. Фотоэлектрические, которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую с помощью фотоэлектрического генератора

2. Термодинамические, которые сначала преобразуют солнечную энергию в тепловую, а затем в электрическую.

Энергия ветра

Используется в больших количествах, по сравнению с солнечной. Суммарная мощность ветроустановок в мире постоянно растет. Ветроэнергетические установки выгодно использовать там, где средняя скорость ветра составляет 6м/с и выше. Сегодня в основном используют ВЭУ мощностью от 100 до 500 кВт, но уже построены и эксплуатируются ВЭУ мощность 2-3 МВт. Их обычно устанавливают на побережье или в океане на расстояние 1-2 км от берега, там обычно дуют сильные ветра.

Геотермальная энергия

Это энергия внутренних областей Земли. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно. Их основная часть расположена в районе Тихого океана. В России основные геотермальные источники расположены на Сахалине, Камчатке и Курильских островах. Геотермальную энергию можно использовать как для теплоснабжения так и для выработки э/э на ГеоТЭС (геотермальные тепловые ЭС.) Обычно Гео ТЭС строят там, где существует мощные подземные запасы воды и пара. Несколько таких электростанций небольшой мощности построены на Камчатке.

Лекция 2

Энергия приливов и отливов

Пока используется незначительно. Для получения энергии залив или устье реки перегораживают плотиной. В результате образуется бассейн. В плотине предусмотрены водопропускные отверстия и установлены гидротурбины вращающие электрогенератор. В приливных электростанциях (ПЭС) двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря бассейна и при движении в обратном направлении. Такие ПЭС могут вырабатывать э/э непрерывно в течение 4-5 часов с перерывами в 1-2 часа 4 раза в сутки. Во Франции в устье реки Ранс построена первая промышленная ПЭС мощность 240 МВт. В России с 1968 года работает экспериментальная ПЭС , расположенная в кислой губе баренцева моря, первоначальной мощностью 500 кВт. По последним данным сейчас ее мощность составляет 1,7 МВт. Приливные станции также существует в Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и др.стран, но в основном эти станции небольшой мощности.

Биотопливо

В настоящее время в качестве биотоплива прежде всего используют древесину и отходы животноводства и птицеводства. В топках в основном сжигают отходы лесозаготовительной, деревообрабатывающей и других отраслей промышленности, связанных с обработкой древесины. Но уже есть примеры, когда быстрорастущие деревья специально выращивают на топливе. В энергобалансе древесина играет заметную роль. Для получения энергии из отходов животноводства используют биореактор. В них происходит сбраживание жидкого навоза, при этом выделяется биогаз, который приблизительно на 60% состоит из металла. Оставшиеся отходы используют в качестве органического удобрения. Биогаз можно использовать в быту, а также для производства э/э, например в качестве топлива для дизель-генераторов. Другим вариантов, является спиртовое сбраживание биоотходов, например остатков сахарного тростника после получения из него сахара. В результате получают этиловый спирт, который можно использовать в качестве топлива в двигателях, как в чистом виде, так и в виде добавки к бензину в количестве 20%. Это топливо называется газохол.

Энергоресурсы и энергетика России.

Россия обладает большим запасом энергоресурсов как уже открытых так и потенциальных. В мировых разведанных запасах доля России составляет нефти 13%, прир.газа 36%, угля 12%, а по прогнозным запасам 30 %. По оценкам экспертов, нефтяной потенциал России реализован на 1/3, а газовая на 1/5 часть. Распологая самой протяженной береговой линией Россия владеет огромными площадями континентального шлейфа, с большими запасами нефти и природного газа.

Энергетический потенциал России.

Вид энергоресурса	Теоретический потенциал, млрд.т.у.т.	Технический потенциал, млрд. т.у.т.
Уголь	4000	2000
Нефть	33	20
Газ	200	60
Гидроэнергия	2,0 в год	0,8 в год
Ядерное топливо	1000	200
Всего	5233	2280

Под теоретическими запасами понимают оценочные запасы, конкретно не подтвержденные. Технический потенциал это доказанные запасы, которые можно добывать, используя современные технические методы. Источников ресурсов достаточно для сохранения сложившегося уровня жизни более чем на 1000 лет. При увеличении потребления энергии в 5 раз по сравнению с уровнем 2000 года, этих ресурсов хватит более чем на 200 лет. Огромные сырьевые запасы России являются одной из главных причин, что США вместе с его союзниками был разрушен СССР. Теперь ресурсы России стали открыты для Запада. Сегодня страны ЕвроСоюза импортируют более 50% необходимых им энергоресурсов, к 2030 году эта цифра возрастет до 70%. В настоящее время российская энергетика это 600 тепловых, 100 гидровлических и 9 атомных электростанций. Общая электр.мощность этих станций в 2006 году составляля 216 000 000 кВт, в том числе 22,7 млн кВт приблизиетльно 11% АЭС, 45,3 млн кВт приблизетльно 20% ГЭС, 148 млн кВт приб 69% ТЭС, из которых 8,9 млн кВт дизельные.