книги / Стратегия устойчивого развития

Разработан схематический проект использования течения в Гибралтарском проливе, в котором расход воды (20–40)·103 м3/с может обеспечить получение электроэнергии в количестве 150 млрд кВт·ч/год [106].

Анализ экономических показателей морских и океанических электростанций показывает, что по мере совершенствования схем преобразования энергии, конструкций и технологии сооружения этих энергоустановок, их материало- и капиталоемкость будет снижаться.

Использование градиента солености для получения энергии

Соленая вода океанов и морей содержит большие неосвоенные запасы энергии, которая может быть эффективно преобразована в другие формы энергии в районах с большими градиентами солености, какими являются устья крупнейших рек мира, таких как Амазонка, Парана, Конго и др. Осмотическое давление, возникающее при смешении пресных речных вод с солеными, пропорционально разности в концентрациях солей в этих водах. В среднем это давление составляет 24 атм, а при впадении реки Иордан в Мертвое море 500 атм. В качестве источника осмотической энергии предполагается также использовать соляные купола, заключенные в толще океанского дна. Расчеты показали, что при растворении соли среднего по запасам нефти соляного купола можно получить не меньше энергии, чем при использовании содержащейся в нем нефти [107].

Работыпопреобразованию«соленой» энергиивэлектрическуюнаходятсянастадии проектов и опытных установок. Среди предлагаемых вариантов представляют интерес гидроосмотические устройства с полупроницаемыми мембранами. В них происходит всасывание растворителя через мембрану в раствор. В качестве растворителей и растворов используются пресная вода – морская вода или морская вода – рассол. Последний получают при растворении отложений соляного купола [106].

Схема работы гидроосмотической электростанции

В гидроосмотической камере рассол из соляного купола смешивается с морской водой. Отсюда проходящая через полупроницаемую мембрану вода под давлением поступает на турбину, соединенную с электрогенератором.

Схема работы подводной гидроосмотической станции

Подводнаягидроосмотическаягидроэлектростанцияразмещаетсянаглубинеболее 100 м. Пресная вода подается к гидротурбине по трубопроводу. После турбины она откачивается в море осмотическими насосами в виде блоков полупроницаемых мембран, остаткиречнойводыспримесямиираствореннымисолямиудаляютсяпромывочным насосом [106].

Морские водоросли как источник энергии

В биомассе водорослей, находящихся в океане, заключается огромное количество энергии. Предполагается использовать для переработки на топливо как прибрежныеводоросли, такифитопланктон. Вкачествеосновныхспособовпереработкирассматриваются сбраживание углеводов водорослей в спирты и ферментация больших количеств водорослей без доступа воздуха для производства метана. Разрабатывает-

301

ся также технология переработки фитопланктона для производства жидкого топлива. Эту технологию предполагается совместить с эксплуатацией океанских термальных электростанций, подогретые глубинные воды которых будут обеспечивать процесс разведения фитопланктона теплом и питательными веществами [106].

Комплекс «Биосоляр»

В проекте комплекса «Биосоляр» обосновывается возможность непрерывного разведения микроводоросли хлорелла в специальных контейнерах, плавающих по поверхности открытого водоема. Комплекс включает систему связанных гибкими трубопроводами плавающих контейнеров на берегу или морской платформе и оборудование для переработки водорослей. Контейнеры, играющие роль культиваторов, представляют собой плоские ячеистые поплавки из армированного полиэтилена, открытые сверху для доступа воздуха и солнечного света. Трубопроводами они связаны с отстойником и регенератором. В отстойник откачивается часть продукции для синтеза, а из регенератора в контейнеры поступают питательные вещества – остаток от анаэробной переработки в метантенке. Получаемый в нем биогаз содержит метан и углекислый газ [105].

Приливные гидроэлектростанции

Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию приливов и отливов. Космическая система Земля – Луна – Солнце в результате гравитационного взаимодействия образует приливообразующую силу, которая приводит в движение огромные массы воды Мирового океана. Высота прилива колеблется на разных участках береговой линии Мирового океана от нескольких сантиметров до многих метров. Так, в заливе Фанди (Канада) высота прилива составляет 19 м, в Южной Америке на отдельных участках – до 11 м, в Англии и Франции – до 14 м [47].

Изменение уровня океана происходит с суточным периодом 24 ч 50 мин и полусуточным, равным 12 ч 25 мин. Высота приливной волны зависит от многих факторов: особенностидвижениянебесныхтел; характерабереговойлинии; расположения места наблюдения в открытом океане или у побережья; глубины воды и т. д.

Водном и том же месте высота приливной волны в течение месяца неодинакова.

Вразных местах земного шара она колеблется в пределах 0,5–20 м.

Наиболее сильные приливы возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна, идущая из Индийского океана, в реке Ганграспространяетсянарасстояние250 кмотееустья. ВлияниеприливавАтлантическом океане наблюдается в реке Амазонке на удалении 900 км вверх по течению.

Оценка мест, удобных для размещения электростанций, преобразующих энергию приливной волны (ПЭС), показывает, что в мире имеется всего два десятка таких участков. На них высота приливной волны, т. е. разность уровней воды в момент прилива и отлива, превышает 5 м и не требуется чрезмерного объема строительных работ.

Среди них залив Фанди (Атлантическое побережье Канады) с приливом 18–20 м; залив Фробишер на канадском острове Баффинова Земля, имеющий прилив

302

15,6 м; устье английской реки Северн – 16,3 м; город Гранвиль (Франция) – 14,7 м; Аргентинский порт Галегас – 13,3 м; Магелланов пролив – 13 м и другие.

Природный потенциал энергии приливов на побережьях России составляет 1/3 мирового. Высота прилива в Мезенском заливе Белого моря составляет 10 м,

ав Тугурском заливе и Пенжинской губе Охотского моря – 13 м [104].

ВXVI и XVII веках энергия приливов в небольших бухтах и узких проливах широко использовалась для приведения в действие мельниц.

Впоследствии она применялась для приведения в действие насосных установок водопроводов, для транспортировки и монтажа массивных деталей сооружений при гидростроительстве.

Внаше время приливная энергия в основном превращается в электрическую на приливных электростанциях и вливается затем в общий поток энергии, вырабатываемой электростанциями всех типов. В отличие от гидроэнергии рек, средняя величина приливной энергии мало меняется от сезона к сезону, что позволяет приливным электростанциям более равномерно обеспечивать энергией промышленные предприятия.

Мощность приливной волны (Вт) в одном цикле прилив – отлив определяется уравнением

P =ρgFH 2 / 2t,

где ρ – плотность воды, кг/м3; g – ускорение силы тяжести, м/с2; F – площадь приливного бассейна, м2; Н – амплитуда колебаний уровня воды, м; t – продолжительность прилива, с.

Таким образом, необходимо выбирать места на побережье с высоким уровнем прилива при возможности сооружения большого замкнутого бассейна [113].

Схема работы ПЭС следующая: путем сооружения плотины с перепускным устройством создается отгороженный от моря бассейн (залив), где во время прилива происходит перепад уровней между морем и бассейном, а во время отлива – между бассейном и морем. Это обеспечивает работу турбин при прохождении воды в двух направлениях [47].

На ПЭС устанавливают капсульные гидроагрегаты, которые могут использоваться с относительно высоким КПД в генераторном (прямом и обратном) и насосном (прямом и обратном) режимах, а также в качестве водопропускного отверстия. В часы, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с «малой» или «полной» водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключены, либо работают в насосном режиме – подкачивают воду в бассейн выше уровня прилива (или откачивают ниже уровня отлива) и таким образом аккумулируют энергию до того момента, когда в энергосистеме наступит пик нагрузки. В случае если прилив или отлив совпадают по времени с максимумом нагрузки энергосистемы, ПЭС работает в генераторном режиме.

303

ПринципработыприливныхэлектростанцийнапоминаетработуГЭСстойлишь разницей, что на ПЭС устанавливаются «обратимые» гидроагрегаты, вращающиеся в одну сторону при приливе и в обратную – при отливе [12].

Приливная волна проходит через турбину, вращает ее, а электрогенератор вырабатывает электроэнергию. При отливе направление течения меняется, но турбина продолжает вращаться. Реверсивные турбины с электрогенератором вырабатывают электроэнергию в течение 20 ч в сутки. Принцип работы ПЭС представлен на рис. 23.4.

Режим работы ПЭС непостоянен из-за периодичности приливов и отливов. Создание условий для равномерного производства электроэнергии предусматривает подключение ПЭС к крупным энергетическим системам для совместной работы с электростанциями других типов.

Возможно также сочетание ПЭС с энергоемкими потребителями энергии, приспособленными к суточным колебаниям нагрузки ПЭС.

Многие проекты ПЭС отмечаются большой установленной мощностью. Например, во Французской бухте Монт-Сен-Мишель можно возвести ПЭС мощностью 9700 МВт, на реке Северн в Англии – 8469 МВт, природные условия позволяют в Мезенском заливе построить ПЭС мощностью 15 200 МВт, в Тугурском заливе – 10 300 МВт. Самой мощной в мире может стать ПЭС в Пенжинской губе –

87 400 МВт.

Однако в настоящее время длительный период (более 30 лет) работают только ПЭС на реке Ранс во Франции – 240 МВт, российская Кислогубская ПЭС с двумя блоками по 200 кВт каждый. В 1983 году построена ПЭС Annapolis в Канаде (20 МВт). 2 ПЭС работают в Китае: Байсхакоу – 640 кВт (1985 год) и Джянгк-

сия – 3900 кВт (1986 год) [113].

Рис. 23.4. Схема приливной электростанции [113]

304

МощностьПЭСпульсирующая: отнулядомаксимума, зависящегоотвысотыперепада уровней воды. При работе ПЭС в единой энергосистеме важна неизменность выработки электроэнергии вне зависимости от сезона и в любой по водности год, а недостаток пульсирующего характера ее работы компенсируется за счет работы других генерирующих мощностей энергосистемы.

Мировые ресурсы приливной энергии оцениваются в 1 млрд кВт [47].

По оценкам экспертов, ПЭС могли бы покрыть около 20 % всей потребности европейцев в электроэнергии. Подобная технология особенно выгодна для островных территорий, а также для стран, имеющих протяженную береговую линию.

Теоретически приливные электростанции могли бы производить в целом 635 тыс. ГВт·ч/год электроэнергии, что является энергетическим эквивалентом более чем 1 млрд баррелей нефти. Наиболее перспективными в этом отношении районами являются залив Фанди в Канаде и США, залив Кука на Аляске, Шозе в бухте Мон-Сен-Мишель во Франции, Мезенский залив в России, устье реки Северн в Великобритании, залив Уолкотт в Австралии, Сан-Хосе в Аргентине, залив Асанман в Южной Корее [113].

Приливная энергетика в России

В России есть фантастические возможности для строительства приливных электростанций.

А. Чубайс

Российской школе использования приливной энергии более 60 лет. В 1968 году на Баренцевом море, недалеко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышлен- ная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строительства – Кислая Губа – представляет собой узкий залив шириной 150 м, длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС невелика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и проектно-конструкторских работ в области использования энергии приливов.

Вцеломнашастранарасполагаетресурсомприливнойэнергии, которыйсоизмеримсобщимколичествомвырабатываемойииспользуемойсегоднявстранеэнергии. Кольский залив и побережье Охотского моря могут дать до 100 ГВт энергии за счет использования приливных электростанций (ПЭС). Для отопления и освещения среднего поселка за Полярным кругом достаточно всего 2 МВт энергии.

Экологическая характеристика приливных электростанций

Главным экологическим преимуществом ПЭС признается отсутствие разнообразных вредных отходов, являющихся одной из причин парникового эффекта.

При оценке влияния ПЭС на окружающую среду следует также учесть, что плотина ПЭС ограждает эстуарий реки или залив, превращенный в бассейн ПЭС, отштормовыхволн, нагоновисгонов, ведущихкразрушениюбереговитурбулентно-

305

му перемешиванию воды в этом бассейне, наблюдавшихся до сооружения ПЭС. Это приводит к определенному улучшению природных условий, способствуя уменьшению мутности и возможности более активного развития планктона, что положительно сказывается на общей продуктивности экосистемы [120].

Экологическая безопасность при эксплуатации ПЭС заключается в следующем:

–плотины ПЭС биологически проницаемы;

–пропуск рыбы через ПЭС происходит практически беспрепятственно;

–натурные испытания на Кислогубской ПЭС не обнаружили погибшей рыбы или ее повреждений;

–основная кормовая база рыбного стада – планктон: на ПЭС гибнет 5–10 % планктона, а на ГЭС – 83–99 %;

–ледовый режим в бассейне ПЭС смягчается;

–в бассейне исчезают торосы и предпосылки к их образованию;

–не наблюдается нажимного действия льда на сооружение;

–размыв дна и движение наносов полностью стабилизируются в течение первых двух лет эксплуатации;

–наплавной способ строительства дает возможность не возводить в створах ПЭС временные крупные стройбазы, сооружать перемычки и прочее, что способствует сохранению окружающей среды в районе ПЭС;

–исключены выбросы вредных газов, золы, радиоактивных и тепловых отходов, добыча, транспортировка, переработка, сжигание и захоронение топлива, предотвращение сжигания кислорода воздуха, затопление территорий, угроза волны прорыва;

–ПЭС не угрожает человеку, а изменения в районе ее эксплуатации имеют лишь локальный характер, причем, в основном, в положительном направлении [119].

Несмотрянатакиепоказатели, наотдельныхПЭСприсутствуетнегативноевлияние на окружающую природу и животных. Любое изменение режима работы ПЭС способно нарушить равновесие в среде обитания сформировавшейся экосистемы,

атаким образом, и в ней самой. Это может приводить к потере стабильности морской биоты и более или менее выраженной деструкции экосистемы. Следовательно, для обеспечения высокой экологической чистоты приливной энергетики необходимо максимально стабилизировать режим работы ПЭС.

Снижение гомеостатических свойств бассейна после его частичной изоляции

от моря усиливает чувствительность экосистем и установившегося равновесия к антропогенному влиянию и прежде всего к режиму работы самой ПЭС [120].

Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду будет связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или во время штормов и к вторжению соленой воды в устья рек и подземные водоносные слои. При миграции рыб через створ плотины возникает риск их травмирования при прохождении через турбины. Вероятность столкновения рыбы с лопастями турбины зависит от размеров рыбы и расхода воды через турбину. Установлено, что лишь

306

ГЛАВА 24. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

ГеотермальнаяэнергетикабазируетсянаиспользованииприроднойтеплотыЗемли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20–30 °C в расчете на 1 км глубины. Количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6·1026 Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·1016 т угля, что более чем в 70 тыс. раз превышаеттеплосодержаниевсехтехническивозможныхиэкономическидоступных извлекаемых мировых ресурсов угля.

Геотермальную энергию можно использовать в разных климатических условиях и в разные времена года (интенсивность энергопотока не зависит от солнечной активности). Коэффициент использования геотермальных электростанций, как правило, превышает 90 %. Цена электроэнергии, производимой этими электростанциями, ниже, чем электричества, полученного с использованием других возобновляемых источников энергии.

Несмотря на свою молодость (у нее всего 100-летняя история), геотермальная энергетика быстро развивается во всем мире.

Сегодня ГеоТЭС, установленная мощность которых за вековое развитие достигла 875 МВт, производят в 25 странах мира около 54 613 ГВт/ч в год. Современные объемы электроэнергии, получаемой благодаря этой технологии, достаточны для удовлетворения потребностей в электроэнергии 60 млн человек, т. е. 1 % населения планеты.

ВРоссии в настоящее время геотермальные источники энергии обеспечивают наКамчаткедо25 % отобщегоэнергопотребления: 50 МВтпроизводитсянаМутновской геотермальной электростанции, 12 МВт – на Верхне-Мутновской и 11 – на Паужетской ГеоТЭС.

Внашей стране большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка, Чукотка, Курилы, Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область.

Возникновение геотермальной энергетики относят к 1904 году, когда в Италии (город Лардерелло) впервые на геотермальной энергии заработал экспериментальный электрогенератор мощностью 10 кВт. Источником энергии был геотермальный резервуар сухого пара. Промышленное освоение геотермальных ресурсов началось в 1916 году, когда была запущена в эксплуатацию первая ГеоТЭС мощностью 7,5 МВт. Широкое промышленное строительство ГеоТЭС было развернуто в 60–70-х годах XX века в США, Новой Зеландии, Японии, Исландии и других странах [1].

ВСША первые попытки использования геотермальных источников для получения электроэнергии относятся к 1921–1923 годам, когда была сооружена первая ГеоТЭС мощностью 35 кВт. Первая современная ГеоТЭС была построена в 1960 году,

ав настоящее время установленная мощность геотермальной энергетики в США составляет более 2400 МВт, ежегодно производится только электроэнергии на ГеоТЭС 16 тыс. ГВт/ч в год при КПД около 90 % [124].

308

При этом важно отметить, что удельные затраты на сооружение ГеоТЭС в США

всреднем ниже на 38 % по сравнению с АЭС и на 50 % ниже, чем на ТЭС.

ВЯпонии в настоящее время введено в эксплуатацию 537 МВт установленной мощности на ГеоТЭС, где производят более 3440 ГВт/ч электроэнергии в год [124].

ВИсландии, начиная с 1943 года, обеспечивается теплоснабжение столицы Рейкьявика за счет геотермальных источников, а первая ГеоТЭС была запущена

в1969 году.

18 августа 1966 года первенец геотермальной энергетики Паужетская ГеоТЭС дала промышленный ток.

В настоящее время геотермальные источники энергии обеспечивают на Камчатке до 25 % от общего энергопотребления.

Природа геотермальных явлений

Геотермальная энергия представляет собой естественную теплоту нашей планеты. Носителями этой энергии на поверхности Земли выступают подземные воды, которые наблюдаются в виде гейзеров, горячих источников. Мощные потоки теплоты несет с собой раскаленная магма, извергаемая вулканами.

Исследования, проведенныеврудникахискважинах, показывают, чтопомереуг- лублениятемператураземнойкорыувеличиваетсявсреднемна20–40 °C на1 км(геотермический градиент). Этоявление объясняется строением земного шара. Внешний слой – земнаякора – образованизгранитныхибазальтовыхпород. Черезкорупроходит тепловой поток плотностью 0,06 Вт/м2 от глубинных слоев, в которых протекают реакции ядерного распада элементов типа тория, урана, химические реакции. Теплота также выделяется в результате действия сил трения в ядре. Под корой расположена мантия. На ее верхней границе плотность материалов земных пород резко меняется. Мантия состоит из тяжелых минералов, которые сильно размягчены. В жидком состоянии находится только верхняя часть мантии, а нижние слои характеризуются состоянием ползучести из-за высоких температур (3000–4000 °C) и давлений [125].

С точки зрения геологии источники геотермальной энергии имеют различное происхождениеихарактеризуютсяразличнымитемпературами. Онимогутбытьгидротермальными и петротермальными [125].

Гидротермальные источники представляют собой подземные резервуары, заполненные паром или горячей водой. Они имеют выход на поверхность земли и образуют гейзеры или сернистые грязевые озера.

Иногда пароводяные или паровые скопления сверху и снизу заключены между плотными непроницаемыми породами. Тепловой поток проходит от мантии к нижнему плотному слою, а затем передается воде, которая перегревается либо превращается в пар. Самопроизвольно эти теплоносители не могут пробиться к поверхности. Чтобы получить доступ к таким подземным источникам, необходимо пробурить скважины, а затем использовать выносимую вместе с паром или водой теплоту.

Петротермальные источники аккумулируют энергию сухих скальных пород, которые залегают на глубинах, превышающих 3 км. В такой зоне бурят скважину и за- качиваютвнееподбольшимдавлением50–80 МПаводу. Постепенноводаразрушает

309

гранитно-гнейсовый массив и создает зону гидроразрыва с развитой системой трещин. Со временем происходит дополнительное увеличение трещин из-за термического разрушения породы, соприкасающейся с холодной водой. Создание подземной

Рис. 24.1. Схема ГеоТЭС на базе петротермального источника [125]

циркуляционной системы завершается с бурением второй скважины. Закачиваемая в подземный теплообменник вода нагревается до температуры породы и по второй скважине подается на поверхность к потребителям (рис. 24.1).

Использование геотермальных ресурсов для выработки электроэнергии

С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком [126]. Геотермальные системы классифицируются по глубине залегания и способу добычи теплоносителя (рис. 24.2).

К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты – горячей или расплавленной скальной породы, расположеннойотносительноблизкокповерхностиземли. Надэтойзонойвысокотемпературной скальной породы находится формация из проницаемой горной породы, содержащая воду, которая поднимается вверх в результате нагрева ее подстилающей горячей породой. Проницаемая порода, в свою очередь, сверху покрыта непроницаемой скальной породой, образующей «ловушку» для перегретой воды. Однако наличие в этой породе трещин или пор позволяет горячей воде или пароводяной смеси подниматься к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность [127].

310