3.8. Использование морских возобновляемых

РЕСУРСОВ

Ресурсы морей и океанов можно разбить на три группы:

1. вертикальные термоградиенты и океанические ветры;

2. морская биомасса и геотермальные воды;

3. поверхностные волны, течения и перепады соле­ности.

Предполагают, что использование ресурсов первой группы может начаться в конце 80-х годов, второй — в 90-х, а третьей не ранее 2000-го года.

Мощности и стоимости различных потенциальных источников энергии приведены в табл. 3.2¹.

Таблица 3.2

Источники энергии	Мощность, млн. кВт	Стоимость произ­водства электро­энергии, цент/(кВт'Ч)
Вертикальные термоградиенты	10 000	4—7
Поверхностные волны	500	11—24
Морские течения	60	13—32
Океанские ветры	170	5—9
Перепады солености	3 500	14-29
Топливная биомасса	770	11—15
Геотермальные воды	3 000	25—30

Приведенные показатели свидетельствуют о большой стоимости «энергии будущего». В самом деле, если счи­тать, что электроэнергия, полученная на основе нефти, угля или урана, стоит в среднем 3—6 центов за 1 кВт-ч, то энергия вертикальных термоградиентов и океанских ветров будет в 1,5—2 раза дороже. Остальные виды энер­гии будут дороже в 4—6 раз.

кинетической энергией. Увеличение кинетической энер­гии происходит при нагревании металла.

В

Рис. 3.9. Ядерный термоэмис­сионный преобразователь:

/ — защита; 2 — охладитель; 3 — анод; 4 — вакуум; 5 — катод; 6 — ядерное горючее

энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, по­лучаемой в результате ядерной реакции. Схема ядерно- го термоэмиссионного преобразователя приведена на

Рис. ЗЛО. Схема установки прямого преобразования ядер­ной энергии в электрическую:

/ — p-радиоактивный излучатель; 2 — металлическая ампула; 3 — металлический сосуд

рис. 3.9. КПД первых таких преобразователей был равен примерно 15%; по существующим прогнозам его можно довести до 40 %.

Испускание электронов в термоэмиссионных генера­торах вызывается нагреванием катода. При радиоактив­ном распаде электроны (р-лучи) испускаются вследствие естественного свойства элементов. Непосредственно ис­пользуя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую (рис. 3.10).

6. Электрохимические генераторы

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSCU). Молекулы воды стремятся окружить положи­

тельные ионы цинка в металле (рис. 3.11). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент воды.

Н

Рис. 3.11. Рас­положение электрических зарядов, спо­собствующих переходу поло­жительных ио­нов цинка в раствор серно­кислого цинка

аряду с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при дости­жении ими электрода в результате тепло­вого движения.

По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивается отрица­тельный потенциал электрода, препятст­вующий этому переходу. При некотором потенциале металла наступает динами­ческое равновесие, т. е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) будут одинаковы. Этот равно­весный потенциал называется электро­химическим потенциалом металла отно­сительно данного электролита.

Важное техническое приложение галь­ванические элементы нашли в аккумуля­торах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накаплива­ется на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике за­труднено вследствие малого запаса активного химиче­ского горючего, не позволяющего получать непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощ­ность.

Большое внимание во многих странах мира уделяет­ся непосредственному преобразованию химической энер­гии органического топлива в электрическую, осуществ­ляемому в топливных элементах. В этих преобразовате­лях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический КПД эле­ктрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

На рис. 3.12 показана принципиальная схема водо­родно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде

происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицатель­ный потенциал и во внешней цепи перемещаются к като­ду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоеди­няют к себе электроны, образуя отрицательные ионы,

к

4 3 2 1

Рис. 3.12. Схема водородно­кислородного топливного эле­мента:

/ — корпус; 2 — катод; 3 — электро­лит; 4 —- анод

оторые, присоединяя из во­ды атомы водорода, перехо­дят в раствор в виде ионов гидроксила ОН"". Ионы гид­роксила, соединяясь с иона­ми водорода, образуют во­ду. Таким образом, при под­воде водорода и кислорода происходит реакция окисле­ния горючего ионами с одно­временным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка

1. В), то элементы последо­вательно соединяют в бата­реи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретиче­ски он близок к единице, а практически он равен 60— 80%.

Использование водорода в качестве топлива сопря­жено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности приме­нения других более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа. Однако удов­летворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800—1200 К, что исключает применение в качестве электролитов во­дяных растворов щелочи. В этом случае можно исполь­зовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

В настоящее время широко ведутся работы над соз­данием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элемен­тов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи элект- трохимии и конструктивные усовершенствования топлив­ных элементов в недалеком будущем сделают возмож­ным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономич­ны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.

Геотермальные электростанции в качестве источника энергии используют теплоту земных недр. Известно, что в среднем на каждые 30—40 м в глубь Земли температу­ра возрастает на 1°С. Следовательно, на глубине 3— 4 км вода закипает, а на глубине 10—15 км температура Земли достигает 1000—1200°С. В некоторых частях пла­неты температура горячих источников достаточно высо­кая и в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наиболее благоприятны для сооружения геотер­мальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермаль­ных станциях вырабатывается 40% всей электроэнергии, в Италии — 6%. Значительная доля электроэнергии при­ходится на такие станции и в ряде других стран.

В

Рис. 3.13. Схема геотермаль­ной электростанции для вулка­нических районов:

1 — скважина; 2 — паропреобразо- ватель; 3 — турбина; 4 — конденса­тор; 5 — насос; 6 — водяной тепло­обменник

СССР для ряда районов, например Камчатки и Курильских островов, сооружение геотермальных стан­ций может оказаться экономически оправданным. Так, на Камчатке успешно эксплуатируется опытно-промыш­ленная геотермальная станция. Обсуждаются также воз­можности использования действущих вулканов на Курильских островах.

Структурная схема гео­термальной электростанции для вулканических районов приведена на рис. 3.13. Схе­ма электростанции для вул­канических районов, распо­лагающих ресурсами тер­мальных вод с температурой 100°С на глубинах, доступ­ных для современной буро­вой техники, приведена на рис. 3.14.

В более отдаленном бу­дущем предполагается ис­пользование высокотемпературных слоев мантии (до 1000°С) для получения пара, в который будет превра­щаться вода, закачиваемая в искусственно созданные «вулканические» жерла. Разумеется, что получаемая таким образом энергия будет «чистой» и не будет влиять на биосферу (огромная масса мантии практически ис­ключает влияние на ее состояние отбираемой теплоты).

1 Под энергетическими ресурсами понимаются материальные об'Ьокты, в которых сосредоточена энергия, возможная для исполь- ооиппия ее человеком.

1 Под условным понимают такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29,3 МДж теплоты.

1 Основные положения Энергетической программы СССР на длительную перспективу. М., Политиздат, 1984.

1 См.: Ковалев Н. Н. Вопросы развития энергетики СССР.— Вестник высшей школы, 1984, № 7.

2 Данные приведены округленно по кн.: Гаврилов В. П. Чер­ное золото планеты. М., Недра, 1978.

3 Соединенные Штаты в последнее время стали получать нефть из Великобритании (район Северного моря), Мексики, Ве­несуэлы и различных стран Латинской Америки.

4 См.: Богомолов О. Коллективный поиск решений. Топливно- энергетическая проблема в странах СЭВ.— Проблемы мира и со­циализма, 1980, № 8.