4.5. Энергия приливов

Приливные колебания уровня в огромных океанах планеты вполне предсказуемы и связаны с гравитационным воздействием Луны на водные массивы Земли. Основные периоды этих колебаний- суточные продолжительностью около 24 часов и полусуточные – около 12 часов 25 мин. Разность уровней между последовательными самым высоким и самым низким уровнями воды – высота прилива составляет 0,5–10 м. Во время приливов и отливов перемещение водных масс образует приливные течения, скорость которых в прибрежных проливах и между островами может достигать 5 м/с.

Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и  Китае. Из современных приливных электростанций (ПЭС) наиболее хорошо известны крупномасштабная электростанция Ранс мощностью 240 МВт (Бретань, Франция) и небольшая, но принципиально важная опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой Губе на побережье Баренцева моря (Россия).

                    4.6. Преобразование тепловой энергии океана в механическую

Мировой океан – крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. В нем между теплыми, поглощающими солнечное излучение поверхностными водами и более холодными придонными достигается разность температур в 20 ^оС. Это обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в другие виды. На рис. 33 приведена схема установки, позволяющей осуществить процесс такого преобразования. По существу – это тепловая машина, приводимая в действие разностью температур между "холодной" водой, поднятой из глубины океана, и "горячей" водой, забранной с поверхности.

Рис. 33. Схема преобразования тепловой энергии океана в механическую:

1 – подача "горячей" воды; 2 – испаритель; 3 – насос подачи рабочего тела; 4 – турбина; 5 – генератор; 6 – конденсатор; 7 – подача "холодной" воды; 8 – поверхность океана; 9 – океанские глубины

Рабочая жидкость (рабочее тело), циркулируя по замкнутой схеме, отбирает тепло от "горячей" воды в теплообменнике испарителя, в паровой фазе приводит в действие турбину, связанную с генератором, а затем конденсируется в охлаждаемом "холодной" водой конденсаторе.

5. Биоэнергетика

5.1. Общие положения

Сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные, принято называть биомассой. Основа биомассы – органические соединения углерода. Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой химический элемент. Между атомами углерода, а также между углеродом и другими химическими элементами образуются прочные химические связи, которые однако могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях. Органические соединения углерода в процессе соединения с кислородом при сгорании или в процессе естественного метаболизма выделяют тепло.

Первоначальная энергия системы биомасса – кислород – возникает в процессе фотосинтеза под действием солнечного излучения, являющегося естественным вариантом преобразования солнечной энергии.

Здесь уместно вспомнить, что биомасса является основным исходным веществом для образования ископаемых топлив (торфа, угля, нефти, газа). Накапливавшийся в течение миллионов лет на поверхности Земли растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф. Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие далее при относительно невысоких температурах и давлении биохимические процессы приводили к превращению торфа в бурый уголь. В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние – в антрацит. Аналогичным образом нефть образовалась из останков морских животных, низших организмов и растительных остатков, которые также в течение миллионов лет скапливались и подвергались действию давления находящихся над ними пород и тепла.

Таким образом, в конечном итоге биомасса и связанные с ней происхождением ископаемые углеводородные топлива являются ничем иным, как огромными аккумуляторами солнечной энергии.

В пересчете на сухую массу образование биологических материалов в биосфере идет со скоростью около 2,5·10¹¹ тонн в год. При этом ежегодно химически связывается примерно 10¹¹ тонн углерода. Потребляемая при этом (при фотосинтезе) солнечная энергия составляет 2·10²¹ Дж/год (7·10¹³ Вт). Поток фотосинтетической энергии на нашу планету составляет около 250 кВт на человека, что эквивалентно выработке 100000 крупных атомных электростанций. Из общего количества биомассы только 0,5 % употребляется человечеством в виде пищи. Образование биомассы изменяется в зависимости от местных условий, и на единице площади суши ее образуется примерно в 2 раза больше, чем на единице поверхности моря. Промышленное использование энергии биомассы может быть весьма значительным. Например, за счет отходов производства сахара в поставляющих его странах покрывается до 40 % потребностей в топливе. Применение биотоплива в виде дров, навоза и ботвы растений имеет первостепенное значение в домашнем хозяйстве примерно 50 % населения планеты. Но для того, чтобы рассматривать биомассу как возобновляемый источник энергии, необходимо обеспечить ее производство по крайней мере на одном уровне с потреблением. Для человечества гибельно то, что в настоящее время расход древесного топлива значительно опережает его воспроизводство.

Чистая удельная энергия, которую можно получить при сжигании, варьируется от 10 МДж/кг (сырая древесина) до 40 МДж/кг (жиры, нефтеподобные вещества) и 55 МДж/кг для метана. Теплота сгорания сухой биомассы, являющейся по существу углеводами, составляет около 20 МДж/кг.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года предусматривает ряд крупномасштабных мероприятий в области биоэнергетики.

Считается, что применение биоэнергетических установок по переработке отходов животноводства позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных животноводческих комплексов, где к настоящему времени скопились огромные количества непереработанной биомассы. Кроме того, можно рассчитывать на получение высококачественных органических удобрений и за счет производства биогаза обеспечить экономию 116 тысяч тонн условного топлива в год.

В Республике Беларусь ежегодно накапливается около 2,4 млн. тонн твердых бытовых отходов, которые направляются на свалки и мусороперерабатывающие заводы. На них ежегодно вывозится: бумаги – около 650 тыс. тонн, пищевых отходов – около 550 тыс. тонн, текстиля – около 70 тыс. тонн, дерева – около 54 тыс. тонн. Потенциальная энергия, заключенная в них, эквивалентна 470 тыс. тонн условного топлива. Отметим, что в мировой практике получение энергии из твердых бытовых отходов осуществляется в основном сжиганием и газификацией. В Японии, Дании и Швейцарии сжигается около 70 % их, в Германии – 30 %, Италии – 25 %, США – около 14 %.

В качестве сырья для получения жидкого и газообразного топлива в республике возможно применение биомассы быстрорастущих растений и деревьев. Для этих целей считается целесообразным использовать площади выработанных торфяных месторождений, непригодные для произрастания сельскохозяйственных культур, а также площади чернобыльской зоны.