1.3. Виды энергоресурсов

К основным видам энергетических ресурсов в настоящее время относят: уголь, нефть, природный газ, гидроэнергетические ресурсы, энергию приливов и отливов, атомную энергию и ряд энергоресурсов геотермального и аэроклиматического характера, которые можно назвать прочими энергоресурсам.

Уголь. Уголь является одним из наиболее распространенных энергоносителей, имеющий многовековую историю использования во многих странах мира. Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в , из которых относятся к достоверным. Современная техника и технология позволяют экономически оправданно добывать лишь от всех достоверных запасов угля. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей более составляют энергетические угли и менее – дефицитные коксующиеся угли, необходимые для металлургии.

Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Земле в геологические эпохи далёкого прошлого. В каменноугольный период жизни поверхность планеты была обильно покрыта растениями. Многие из современных растений, такие, например, как папоротники, в ту эпоху имели намного большие размеры. Каменный уголь образовался после отмирания растений и покрытия их осадочными породами. Растения в период жизни запасают химическую энергию, превращая за счет энергии солнечных лучей углекислоту и воду в растворимые углеводы, откладывая их в виде клетчатки в стволах и ветках. Белковые вещества в растениях получаются синтезом неорганических азотсодержащих веществ, поступающих из почвы, и органических веществ, выработанных за счет энергии Солнца. По выражению академика П. П. Лазарева «...химическая энергия, запасенная в древесных породах, есть превращенная энергия Солнца». Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образованием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученная при этом теплота будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем. При сгорании каменного угля выделяется примерно ( ) энергии.

В России сосредоточено более мировых запасов угля (свыше натурального топлива) и около мировых запасов торфа (около ). Торф, являясь первой стадией формирования угля, является низкосортным топливом повышенной влажности и его сжигание для получения тепла неэффективно. Наиболее часто используют угольное топливо в таких формах как бурый уголь (легнит), каменный уголь и антрацит. Основные направления использования угля в России ‑ это энергетическое топливо ( ), выработка кокса для металлургии и сырье для химической промышленности.

Распределение запасов угля на территории России также неравномерно: большинство разведанных запасов приходится на Западную Сибирь ( ) и Восточную Сибирь ( ). Остальные запасы угля приходятся на Северо-Европейскую часть ( ), на центр Европейской части ( ), на Урал ( ) и Дальний Восток ( ).

К настоящему времени в России разведано угольных бассейна и отдельных месторождений. Наиболее крупные запасы угля находятся в Камско-Ачинском и Кузнецком бассейнах в Западной Сибири, а также в Иркутском, Тунгусском и Ленском бассейнах в Восточной Сибири. На Дальнем Востоке имеются значительные перспективы для выявления новых месторождений с добычей угля открытым способом.

Необходимо отметить, что из запасов угля разведанные запасы составляют только ( ), что свидетельствует о перспективах использования этого вида топлива в России.

В разведанных запасах бурый уголь составляет ( ), каменный уголь и антрацит ‑ ( ). До каменного угля может быть использовано для приготовления кокса.

В составе добываемого угля находятся потенциально токсичные элементы, такие как сера, ртуть, мышьяк фтор, щелочи, а также небольшие количества радиоактивного углерода. Наибольшее влияние на качество топлива оказывают его влажность и сернистость, что отрицательно сказывается на теплотехнических свойствах угля.

Калорийность добываемых углей составляет: бурый уголь – до , каменный уголь ‑ до , антрациты ‑ от до .

В зависимости от глубины залегания и мощности пластов добыча угля ведется подземным (шахтным) или открытым способами. Более безопасной и экономичной является открытая добыча на угольных разрезах, которую предполагалось увеличить до к 2005 г. Добыча угля в 1995 г. составляла , в 2000 г. снизилась до , а к 2005, 2010 и 2015 гг. должна увеличиться соответственно до , и .

Основные запасы торфа России находятся в месторождений. Наиболее продуктивные запасы в Европейской части России сосредоточены в Череповецком, Вожеозерском, Тихвинском, Полистовско-Ловатском и др. месторождениях. На Урале и в Сибири находятся такие крупные месторождения торфа, как Большое Каменское, Серовское, Тавдинское, Васюганское и др. Из запасов торфа разведанные запасы составляют всего ( ).

К недостаткам торфа следует отнести его высокую влажность (необходимость сушки), низкую калорийность и сезонность добычи. К достоинствам - малое содержание вредных примесей (серы и тяжелых металлов), экологическую чистоту добычи и высокую степень возобновляемости – до в год, что на порядок больше уровня его добычи.

Все эти свойства торфа делают перспективным его использование прежде всего в качестве удобрения для сельского хозяйства. Заметим, что в 1995 г. было добыто торфа (из них на нужды энергетики ), а к 2005 г. предполагалось добывать до .

Нефть. Оценка мировых запасов нефти в настоящее время представляет особый интерес. Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что во многих странах (Японии, Швеции и др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь (в последнее время этот процесс приостановился). На транспорте за счет нефти в настоящее время удовлетворяется свыше мирового потребления энергии.

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в , из которых составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока.

Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамичны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых месторождений. Геологические разведки, осуществляемые в широких масштабах, приводят, как правило, к увеличению достоверных запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов являются условными и характеризуют только порядок величин.

Быстрый рост потребления нефти определяется в основном четырьмя причинами:

1. развитием транспорта всех видов, и в первую очередь автомобильного и авиационного, для которых жидкое топливо пока незаменимо;

2. улучшением показателей добычи, транспортировки и использования (по сравнению с твердым топливом);

3. стремлением в кратчайшие сроки и с минимальными затратами перейти к использованию природных энергетических ресурсов;

4. экономически выгодной на сегодняшний день, с точки зрения технического уровня развития, эксплуатации нефтяных месторождений.

Несоответствие между расположением нефтяных ресурсов и местами их потребления или центрами производительных сил привело к бурному прогрессу в развитии средств транспортировки нефти, в частности к созданию трубопроводов большого диаметра и танкеров большой грузоподъемности.

Нефть представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин и смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Ученые объясняют происхождение нефти нагреванием до высоких температур растений и остатков животных без доступа воздуха. В результате такого нагревания, называемого сухой перегонкой, образовывались углеводороды, сходные с углеводородами, заключающимися в нефти. На больших глубинах органические остатки под действием теплоты Земли превращались в нефть. Такое воззрение составляет основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной многочисленными исследованиями.

Нефтеперерабатывающая промышленность России позволяет перерабатывать до нефти в год. Степень загрузки этих предприятий определяется объемом добычи и экспорта нефти с учетом внутреннего спроса на нефтепродукты. Основные мощности по переработке нефти располагаются на Урале ( ), Поволжье ( ) и Центральном районе Европейской части России ( ).

Глубина переработки нефти на предприятиях отрасли составляет около , в то время как мировой уровень переработки нефти составляет . Это приводит к недовыработке моторных топлив и завышенному производству мазута (до от объема переработки нефти). Качество мазута определяется его сернистостью. По этому показателю мазут разделяют на малосернистый (менее ), сернистый ( ) и высокосернистый. На нужды электроэнергетики страны реализуется выработанного в стране мазута.

Природный газ. Мировые геологические запасы газа оцениваются в . Распределение запасов газа по странам и районам приведено в табл. 1.2. Эти цифры следует рассматривать как весьма приближенные, изменяющиеся по мере проведения разведок.

Таблица 1.2

Распределение запасов нефти и природного газа в мире

Регион мира	Запасы нефти (%)		Запасы газа (%)
	Потенциальные	Достоверные	Потенциальные	Достоверные
Азия и Восточная Европа	24	6	30,5	10
Средний Восток	33	18	16	7,5
Северная Америка	13	5	21	8
Западная Европа	5	1	13,5	5,5
Южная и центральная Америка	8	4,5	5	2,5
Африка	13	3,5	10	2,5
Австралия	4	2	4	1,5
Всего	100	40	100	33,5

Нефть и газ нужны не столько как энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышленности. В настоящее время известно более синтетических полезных продуктов, получаемых из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только от добытых запасов перерабатывается как химическое сырье. Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине и оцениваются только бурением глубоких скважин. Затраты на бурение составляют более от затрат, расходуемых на проведение геологоразведочных работ.

Россия обладает самой мощной сырьевой базой в мире для добычи газа. В настоящее время открыто свыше газовых, газоконденсатных и газонефтяных месторождений. Из потенциальных ресурсов газа в мире на долю России приходится .

Распределение запасов природного газа по регионам России также весьма неравномерно. Основные запасы газового топлива промышленных категорий сосредоточены в Западной Сибири – . Остальная часть запасов приходится на следующие регионы: Север Европейской части – , Северный Кавказ – , Поволжье – , Урал – , Восточная Сибирь – , Дальний Восток – .

Более всех запасов природного газа в России сосредоточено в месторождении с единичными запасами не менее , на которые приходится почти текущей добычи этого топлива.

Разведанные запасы природного газа в России составляют мировых разведанных запасов. Около половины разведанных запасов страны активно эксплуатируются, большая часть остальных запасов этой категории подготовлена к разработке и законсервирован.

Большая часть природного газа поступает из таких известных месторождений Западной Сибири, как Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное и др. Другие месторождения газа этого региона, такие как Бованенковское, Крузенштерновское и Харасавейское, расположенные в малоосвоенных районах полуострова Ямал, только осваиваются и являются основным резервом страны. Второй крупный резерв природного газа составляют свыше месторождений Восточной Сибири и Якутии, запасы каждого из которых превышают .

Ряд месторождений природного газа, такие как Штокмановское ( ), находящееся в прибрежной зоне Баренцева моря, Лунское и Пильтун-Астохское ( ), находящиеся на шельфе острова Сахалин, хотя и перспективны, но труднодоступные для реализации. В 2007 году открыто и зарегистрировано Ангаро-Ленское месторождение в Иркутской области с доказанными запасами и расчётным потенциалом в .

Помимо названных уникальных месторождений, в Сибири создана ресурсная база из десятков месторождений с запасами от до .

Выработка эксплуатируемых газовых месторождений превышает , а вводимых в разработку не более .

Природный газ России относится к высококачественному, как по калорийности, так и по малому содержанию токсичных примесей. В общем объеме запасов преобладают бессернистые метановые ( ) и этаноло-содержащие ( ) газы. На долю сероводосодержащих газов приходится около (Оренбургское и Астраханское месторождения).

Добыча природного газа в России к 2000 г. превысила и при существующих темпах добычи и ввода новых месторождений будет снижаться и к 2015 г. составит около . При интенсивном развитии газовой отрасли к 2010 г. объем добываемого газа возрастет примерно на . Это обусловлено необходимостью возрастания добычи газа для газификации жилого фонда страны и, главным образом, для увеличения поставок природного газа на экспорт в страны ближнего и дальнего зарубежья.

Гидроэнергетические ресурсы. Гидроэнергия на Земле оценивается величиной в год. Около этой энергии по техническим и экономическим условиям может использоваться для практических нужд. Эта величина примерно в раза превышает современный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира. В большинстве развитых стран доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии снижается, что обусловлено освоением других наиболее экономичных энергоресурсов и использованием гидростанций преимущественно в пиковых режимах.

Гидроэнергетический потенциал рек нашей страны составляет около от потенциала рек земного шара. Широкое использование гидроэнергетических ресурсов позволит использовать энергию солнечной радиации в режиме реального времени. Таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.

В отличие от невозобновляемой химической энергии, запасенной в органическом топливе, кинетическая энергия движущейся в реках воды возобновляема – на гидроэлектростанциях она превращается в электрическую энергию.

Ежегодный экономически целесообразный потенциал гидроэнергетики России составляет около ( ), что несколько меньше количества электроэнергии, потребленной в стране в 2000 г. Освоенный к 2000 г. гидроэнергетический потенциал составил ( от общей выработки электроэнергии).

Говоря о потенциале гидроэлектроэнергетики более правильно использовать не интегральный показатель – суммарную выработку электроэнергии за год, а установленную мощность ГЭС. Это обусловлено тем, что выработка электроэнергии гидроэлектростанциями зависит от объема стока рек, который существенно изменяется не только по сезонам, но и по отдельным годам. Использование водохранилищ позволяет регулировать только сезонные колебания стока рек. Однако главным качеством ГЭС как источника электроэнергии является возможность быстрого (за минуты) увеличения ее мощности для покрытия пиковых нагрузок и, в конечном счете, для регулирования частоты электрического тока и поддержания качества электроснабжения потребителей. Установленная мощность крупных ГЭС в 2000 г. равнялась , что составляет мощности электростанций России. Это с запасом позволяет обеспечивать стабильность частоты в энергосистеме страны.

Программа долгосрочного развития крупных ГЭС предусматривала освоение гидроэнергетических ресурсов таких рек Сибири и Дальнего Востока, как Лена, Катунь, Тунгузка, Амур и др. Всего планировалось освоить около крупных рек России.

В целом по России на период до 2010 г, вводимая мощность крупных ГЭС должна увеличиться до , а выработка электроэнергии может достигнуть .

Экономически целесообразный гидроэнергетический потенциал малых рек России составляет около ( ) в год, что составляет соответствующего потенциала крупных ГЭС России. Малые гидроэлектрические станции с мощностью и менее имеют реальный гидроэнергетический потенциал около ( ), для чего необходимо восстановить около тысяч малых ГЭС, успешно работавших до середины прошлого века. Также экономически целесообразно строительство тысяч малых и сверхмалых ( ) ГЭС. Консервация и, главным образом, демонтаж малых ГЭС был обусловлен повсеместной электрификацией регионов с питанием потребителей от единой энергосистемы страны. В результате в настоящее время в России действуют всего около малых ГЭС с общей мощностью немногим более .

Целесообразность восстановления и строительства новых малых ГЭС обусловлена не только возросшими тарифами на электроэнергию, но прежде всего потребностью и возможностью использования выработанной энергии в непосредственной близости от этих ГЭС. Это исключает потери электроэнергии в сетях разного напряжения, суммарно достигающие , а также оплату услуг многочисленных посредников.

Основными регионами освоения малых ГЭС являются Северо-Запад России ( ), Северный Кавказ ( ), Урал ( ), Западная Сибирь ( ), Восточная Сибирь ( ) и Дальний Восток ( ).

Для фермерских хозяйств и индивидуальных производителей разрабатываются и выпускаются наплавные ГЭС мощностью до , работающие при малых напорах ( ) и больших расходах воды, характерных для большинства средних и малых рек страны.

Энергия приливов и отливов. В последние годы повысился интерес научной и инженерной общественности к проблемам широкого использования энергии солнечной радиации, ветра, геотермальной энергии, а также приливной и термальной энергии Мирового океана. Явления приливов и отливов связаны главным образом с положением Луны на небосклоне. В течение лунных суток, т. е. за , дважды наблюдается повышение и понижение уровня воды в морях и океанах. Амплитуда колебаний уровня воды в различных точках земного шара зависит от широты и характера берега континента. Ее величина может быть значительной: так, около Магелланова пролива зарегистрирована амплитуда колебаний уровня воды , а около берегов Америки – . Приливы и отливы могут на многие километры, как, например, во Франции, менять границу воды и суши.

В закрытых морях (Каспийском, Черном) эффекты приливов и отливов практически незаметны. При вращении Земли выпуклости воды перемещаются относительно поверхности, создавая трение, называемое приливным и приводящее к замедлению вращения Земли. По отношению к атмосфере, окружающей Землю, также справедливы приведенные рассуждения. Как показали исследования, в атмосфере действительно существуют приливные волны. Энергия приливов постоянностью своего проявления выгодно отличается от энергии (стока) рек, существенно зависящей от атмосферных факторов, носящих вероятностный характер. Об использовании энергии приливов еще издавна мечтал человек.

В настоящее время сооружено несколько мощных электростанций, использующих энергию приливов. Однако большая стоимость таких станций и трудности, связанные с неравномерностью их работы (пульсирующий характер выдачи мощности), не позволяют пока считать приливные станции достаточно эффективными, в связи с чем развитие их идет медленно.

Атомная энергия. К 1980 г. суммарная мощность атомных электростанций (АЭС) в странах мира достигла около . В перспективе будут строиться крупные АЭС суммарной мощностью , с единичной мощностью реакторов .

Научная и инженерная мысль сейчас усиленно работает над созданием нового источника энергии – термоядерного контролируемого синтеза, при котором используются изотопы водорода, содержащиеся в морской воде. Энергия, выделяющаяся при термоядерной реакции на единицу топлива, превосходит энергию, получаемую при расщеплении (делении) тяжелых ядер урана или плутония. Количество энергии, выделяемой газообразным дейтерием массой в результате реакции синтеза, соответствует энергии, выделяемой при сжигании угля. Важно и то, что термоядерный синтез не дает радиоактивных отходов.

Однако на пути к энергетике будущего ещё достаточно научно-технических проблем. Условия, благоприятные для возникновения реакции синтеза, можно получить, нагревая вещество до такой температуры, при которой оно было бы полностью ионизировано, т. е. отсутствовали бы электронные оболочки. Кроме того, температура вещества должна быть достаточной для сообщения ядрам кинетической энергии в несколько десятков килоэлектронвольт. Расчеты показывают, что температуру необходимо довести до нескольких миллионов градусов. Отсюда и название реакции – «термоядерная». Такие реакции будут энергетически выгодными, если температура плазмы будет доведена до нескольких сотен миллионов градусов. Столь высокие температуры характерны для внутренних областей Солнца и звезд, где в течение многих миллиардов лет происходят термоядерные реакции.

Основная трудность в осуществлении термоядерной реакции состоит в том, что при нагревании плазмы в термоядерном реакторе разлетаются быстрые частицы и наступает такой момент, когда подведение энергии не приводит к дальнейшему повышению температуры плазмы.

Нет сомнений в том, что в ближайшем будущем будет решена проблема управляемой термоядерной реакции. Человечество получит дешевый и практически неисчерпаемый источник энергии. Запасов одного только дейтерия, содержащегося в морях и океанах мира, хватит для выработки в течение миллиарда лет в раз большего количества энергии, чем то, которое дают все электростанции мира.

По экспертным оценкам Россия обладает самыми большими в мире запасами обогащенного урана в форме окислов урана, низкообогащенного и высокообогащенного. Данные по запасам и потреблению урана в России являются закрытой информацией. По данным Международного энергетического агентства, учрежденного в рамках Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) в 1995 г. в России имеются запасы эквивалентного природного окисла урана ( ) в количестве до , потенциальные ресурсы составляют около , а достоверные (разведанные) запасы не превышают . Хотя разведанные запасы урана ограничены, количество российских запасов обогащенного урана достаточно на 90 лет работы при ежегодном расходе на действующих реакторах около обогащенного урана. Заметим, что для получения ядерного топлива с обогащением до при концентрации урана в отвале разделительного производства требуется природного урана.

В настоящее время на АЭС России установленная мощность АЭС составляет , а выработка электроэнергии на АЭС превысила , что составило около всей вырабатываемой в стране электроэнергии. В последующие годы с учетом ввода ограниченного числа новых блоков выработка электроэнергии на АЭС к 2010 гг. составит около .

Важным энергетическим ресурсом атомной энергетики является использование отработанного ядерного топлива в топливном цикле реакторов корпусного типа (ВВЭР). Рециркуляция урана увеличивает эффективность использования урана в реакторах АЭС на по сравнению с первичным использованием твэлов, а включение в состав твэлов плутония увеличивает использование отработанного ядерного топлива еще в раза. Поэтому все заявления о запрете ввоза в страну отработанного ядерного топлива (твэлов, изготовленных в России) – направлены на подрыв экономики энергетики России.

Эффективность использования ядерного топлива в энергетике возрастает на два порядка в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах, способных переработать и сжечь основную массу урана и тория . В этих реакторах при коэффициенте воспроизводства больше единицы энергетический выход от урана увеличивается более чем в раз. При этом ресурсы ядерного топлива в относительно богатых рудах по количеству потенциальной энергии превышают суммарные ресурсы нефти, газа и угля и достаточны для работы ядерных реакторов в течение многих столетий.

Необходимо отметить, что при оценке ресурсов ядерной электроэнергетики следует учитывать и водные ресурсы страны. Это обусловлено тем, что свыше тепловой мощности АЭС выделяется в охлаждающую воду, и при получении электрической мощности требуется расход воды равной (около проточной воды в год). Результирующий расход воды для АЭС в будущем сопоставим с общим стоком рек страны. Видимо в дальнейшем для АЭС будут использоваться дорогостоящие градирни в сочетании с тепловыми насосами.

Прочие энергоресурсы. Громадные запасы энергоресурсов, таких, как энергия ветра, Солнца, геотермальная энергия, энергия, обусловленная разностью температур в глубинах океанов и на поверхности и т. д., используются совершенно незначительно.

Энергия ветра на земном шаре оценивается в в год, при этом развиваемая им мощность достигает . Это примерно в раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только от этой величины; в настоящее же время используется значительно меньше.

Применять ветер, т. е. энергию движения воздуха, человек начал еще в глубокой древности (движение парусных кораблей). Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Общая циркуляция атмосферы происходит главным образом из-за вращения Земли, при котором под действием центробежной силы инерции воздушные массы отбрасываются в районе экватора в верхние слои атмосферы. На место ушедших масс воздуха с севера и юга подтекают новые воздушные слои. Постоянные морские течения увлекают с собой воздушные массы. Помимо постоянных движений воздушных слоев существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и года (муссоны). Происхождение бризов и муссонов обусловлено различными нагреваниями воды и суши вследствие их различной теплоемкости.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремились учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели издавна широко применялись, особенно в Дании и Голландии – классических странах ветряных мельниц. Однако опыт применения ветряных двигателей для электрификации в сельской местности в нашей стране не дал положительных результатов в связи с неравномерностью возможного получения энергии, необходимостью регулирования ветроустановок для стабилизации параметров энергии и рядом других трудностей.

Одним из основных показателей, определяющих потенциал энергии ветра является его среднегодовая скорость. Положительный эффект достигается при скорости ветра более и количестве часов работы и более в год. В зависимости от скорости ветра производится выбор мощности агрегатов ВЭС: при скорости ветра и выше рекомендуются станции с единичной мощность , при меньшей скорости ветра рекомендуемая мощность ВЭС снижается до .

В России стабильная скорость ветра (более или равная ) находится на побережье Ледовитого океана и в ряде мест у Каспийского моря. В Европейской части России, Западной Сибири, Дальнем Востоке и Камчатке средняя скорость ветра составляет .

При оценке экономического потенциала следует учитывать среднюю скорость ветра, в результате чего средняя мощность, отдаваемая ВЭС, может быть меньше установленной в раза.

С учетом перечисленных факторов экономический потенциал ветро-электроэнергетики России оценивается в . Это соответствует выработке при установленной мощности и средней загрузке . Из этого потенциала к 2015 г. предполагается построить ВЭС мощностью в максимальном варианте – , в вероятном – . В настоящее время в России построено около ВЭС с суммарной мощность , что в тысячи раз меньше мощности эксплуатируемых ВЭС в мире. Учитывая, что территории России с населением человек не имеют централизованного энергоснабжения, с целью снижения затрат на завоз топлива в ряде регионов целесообразно строительство средних ВЭС с хорошо поставленной службой сервисного обслуживания.

В настоящее время уже на промышленном уровне рассматривается вопрос получения органического топлива из различных растений. В частности подготовлено крупномасштабное соглашение между США и Бразилией о совместном производстве с 2008 года био-дизельного топлива из сахарного тростника. В самих США существенно поднялась цена на кукурузу, так как из неё начали производить в промышленных масштабах био-этанол – топливо в виде синтетического спирта, что уже сейчас приводит к существенному удорожанию мясомолочной продукции, зависящей от цен на корма. Китай существенно увеличивает площади для производства аналогичного топлива из рапса. Есть все основания говорить о тенденции внедрения в «большую энергетику» нового возобновляемого ресурса.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен . Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе водорода, гелия, остальные элементы составляют около . Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает . На Солнце имеется в незначительном количестве кислород, и поэтому процессы горения, понимаемые в обычном смысле, не протекают сколько-нибудь заметно. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов водорода и гелия.

Одна из проблем использования солнечной энергии заключается в том, что наибольшее количество ее поступает летом, а наибольшее потребление энергии происходит зимой.

Плотность солнечного излучения на внешней границе атмосферы составляет . На поверхность круга с диаметром, равным диаметру земного шара, приходится мощность , что в раз превышает суммарную мощность энергетических установок мира ( ). Однако до земной поверхности доходит только часть этой мощности вследствие поглощения и отражения её атмосферой. В наиболее благоприятных районах пиковая удельная мощность солнечного излучения на поверхности Земли равна , в то время как средняя удельная мощность составляет . Солнечную энергию можно успешно преобразовывать в тепловую энергию. Научные исследования, проведенные в последние годы в области использования энергии Солнца, позволили повысить КПД гелиотермических систем и усовершенствовать их проекты. Солнечные водонагревательные системы имеют КПД, равный , и стоят на без затрат на установку.

Лучистую энергию Солнца можно использовать на гелиотермических электростанциях, превращающих эту энергию в тепловую энергию рабочего тела, а затем в электричество. Гелиотермические электростанции можно создавать мощностью до нескольких сот мегаватт. В настоящее время в США строятся электростанции мощностью до . Стоимость производства электроэнергии солнечными элементами в раз больше стоимости производства электроэнергии обычными методами.

Перспективно использование эффекта, на основе которого стало возможно получения ЭДС в цепи, образованной двумя разнородными веществами, спаи которых находятся при разной температуре. Длительное время эффект появления термоэлектродвижущей ЭДС использовался только для измерения температуры. Применение этого эффекта для выработки электроэнергии было невыгодным из-за низких значений КПД.

С появлением полупроводников положение резко изменилось. Появилась возможность реально использовать поток солнечной энергии, падающий на Землю. Усовершенствования в технологии производства фотопреобразователей вызвали к жизни новые предложения по использованию солнечной энергии в широких масштабах. В случае применения фотопреобразователей на Земле должны предусматриваться средства для аккумуляции энергии, так как вследствие вращения нашей планеты и изменчивости облачного покрова солнечная энергия поступает с перерывами. Технология производства фотопреобразователей уже достаточно разработана. КПД солнечных батарей достигает . Можно заметить, что солнечные батареи широко применяются на космических кораблях, где вопросы экономии не имеют первостепенного значения, и имеются дорогостоящие технологии элементов с КПД до .

Приводимый в отдельных источниках технический потенциал солнечной энергии в России ( ) соответствует годовой выработке электроэнергии в количестве , что превышает более чем в раз электропотребление России в 2000 г. Такая оценка представляется многократно завышенной. Действительно, самые южные районы России (Юг Европейской части, Калмыкия, Тува, Бурятия, Приморский край) расположены севернее параллели, для которых средняя месячная сумма солнечной радиации составляет около . При полной отдачи энергии фотоэлементом в течение в день с КПД удельная выработка электроэнергии с составит около в год. Тогда для выработки электроэнергии площадь фотоэлементов должна составить

.

Такая площадь фотоэлементов должна охватить сплошной полосой шириной в всю страну с запада на восток. Очевидно на сооружение такой грандиозной конструкции потребовались бы десятки лет при переориентации всей промышленности России для выполнения этой задачи.

Также представляется завышенным и экономический потенциал использования солнечной энергии в России ( или ). Такой потенциал соответствовал установленной мощности солнечных батарей свыше , что по затратам существенно превысит годовой бюджет страны. Видимо оценка производилась только по стоимости фотоэлементов, в то время как определяющий вклад при оценке стоимости солнечной установки дают затраты на сооружение громоздких несущих конструкций с дорогостоящими системами непрерывной ориентации на солнце, а также стоимость преобразователей и сложных систем автоматического управления и синхронизации с общей электрической сетью.

Более реальными представляются оценки, где при максимально благоприятном варианте развития установленная мощность солнечных батарей в России к 2015 г. составит , что соответствует экономии топлива в объеме . В настоящий момент в Китае (провинция Ганьсу, город Дуньхуан) возводится самая большая ГеоЭС с установленной мощностью в и площадью комплекса более . Стоимость работ составит более . После ввода в строй в 2011 году она значительно обгонит нынешнего рекордсмена – станцию Solarstrom (ФРГ) с установленной мощностью . К 2012 году Австралия планирует завершить строительство ГеоЭС в штате Виктория с установленной мощностью в и затратах на проект около

На планете имеются значительные запасы геотермальной энергии. Эта энергия практически неисчерпаема и ее использование весьма перспективно. Земля непрерывно отдает в мировое пространство теплоту, которая постоянно восполняется за счет распада радиоактивных элементов.

Термальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран. Так, столица Исландии Рейкьявик почти полностью обогревается теплотой подземных источников. В больших масштабах термальные воды для теплоснабжения используют в Австралии, Новой Зеландии, Италии. Интерес к таким станциям возрос в последние годы в связи с резким увеличением цен на ископаемое топливо на мировом рынке.

Практическое использование теплоты Земли зависит от глубины залегания горячих источников. На глубине температура равна . При этой температуре и атмосферном давлении должно происходить плавление пород. Однако в земных недрах на такой глубине повсеместно плавления не происходит из-за большого давления – порядка . Горячие газы и пар, поднимаясь по трещинам к поверхности Земли, могут встретить воду, которую они нагревают. Нагретая вода выходит на поверхность в виде горячих источников. Энергию нагретой воды можно использовать на геотермальных электростанциях. Объем выходящей на поверхность воды с течением времени меняется.

Анализ работы геотермальных электростанций в Новой Зеландии и Италии показал, что со временем падают давление и температура в скважине и значительно оседает поверхность вокруг скважины на площади примерно в , а производительность скважин убывает по экспоненциальному закону.

При оценке экономического потенциала тепла земли основные затраты связаны с бурением скважин для вывода геотермального теплоносителя на поверхность земли. Поэтому определяющей в использовании тепла земли является разведка месторождений, где термальные источники выходят на поверхность земли. К настоящему времени в России разведано месторождений и участков выхода термальных вод с дебитом в сутки и участков с выходом пароводяной смеси с дебитом в сутки. Основные запасы пароводяной смеси сосредоточены в основном в Курильско-Камчатской зоне и могут обеспечить работу ГеоТЭС суммарной мощностью около . Для нужд теплоснабжения используется ряд геотермальных источников в Дагестане, Краснодарском и Ставропольском краях. Теоретически для нужд теплоснабжения можно использовать воду ( ) подземного моря, раскинувшегося на глубине от до под территориями Ярославской и Костромской областей.

По разведанным запасам экономический потенциал использования тепла Земли составляет около , что соответствует выработке электроэнергии при установленной мощности . К 2015 г. предполагается освоить в максимальном варианте мощности ГеоТЭС.

В настоящее время на Дальнем Востоке работают три ГеоТЭС с суммарной мощностью (Мутновская – , Верхнее-Мутновская – , Паужетская – ), а также используется геотермальное теплоснабжение в Дагестане, Краснодарском и Ставропольском краях (ежегодная экономия ).

В последнее время рассматриваются проекты создания искусственных энергетических плантаций, на которых предполагается выращивание биомассы и последующее использование биологической энергии растений.

Биомасса является вторичным энергетическим ресурсом, полученным через фотосинтез за счет энергии Солнца, а также при утилизации продуктов фотосинтеза животными и человеком. К биомассе относятся прежде всего отходы животноводства, сельскохозяйственного производства и осадки городских сточных вод. Существенный вклад в объем биомассы дают органические отходы промышленности, прежде всего пищевой, мясо-молочной, лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной, а также твердых отходов коммунального хозяйства.

Мировая продукция фотосинтеза лесов оценивается в , что примерно в раз больше современного объема добычи нефти и природного газа. Солнечная энергия, преобразованная в химическую энергию древесины в процессе жизнедеятельности растений до исторически недавнего времени широко использовалась человеком. Предполагается, что топливо на энергетических плантациях будет производиться по ценам примерно на тонну, что ниже современных мировых цен на нефть.

Для получения тепловой мощности, равной , потребуется примерно площади энергетических плантаций.

Хотя сжигание биомассы характеризуется малым выделением серы ( ) и золы ( ), прямое ее сжигание нежелательно из-за ее недостаточной калорийности. Поэтому основным направлением использования биомассы является ее компостирование в закрытых емкостях с отбором выделяющихся горючих газов. Кроме того, разработаны системы переработки органических отходов на специально оборудованных полигонах по технологии твердофазного метаногенеза с получением биогаза.

Химическая энергия водорода приобретает в последнее время большое значение. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты, так как он имеется везде и может быть использован повторно неограниченное число раз. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды. При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его будут производить в процессе газификации угля. Процесс электролиза, используемый для получения водорода из-за промежуточной стадии преобразования теплоты в электроэнергию, имеет низкий общий КПД и неэкономичен. Этот процесс можно активизировать использованием более высоких давлений и температур.

Широкое применение водородного топлива может решить три наиболее актуальные проблемы: уменьшить потребление органического и ядерного топлива, удовлетворить постоянно растущую потребность в энергии и снизить загрязнение окружающей среды.

Современное развитие техники и технологии открывает заманчивые перспективы использования в практических целях возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, морских приливов, лучистая энергия Солнца, получаемая на Земле и в космическом пространстве, энергия растительных энергетических плантаций и т. п. Ориентация научных и практических работ на такие источники энергии позволит уменьшить потребление органического топлива.

Примерно всего мирового потребления коммерческих энергоресурсов приходится на наиболее развитых стран. Из них только Россия имеет положительный топливный баланс, т. е. полностью обеспечивает свои потребности за счет собственных коммерческих энергоресурсов и продает топливо другим странам. Остальные страны, как правило, покрывают спрос на энергоресурсы за счет импорта. Причем потребление ими коммерческих энергоресурсов примерно в раз превышает их производство.

Вопросы для самоконтроля:

1. Классификация энергоресурсов и их характеристики.

2. Ископаемые энергоресурсы и особенности их использования.

3. Перспективные виды энергоресурсов и этапы их освоения.

4. Проблемы развития биоэнергетики.

5. Специфика ветроэнергетики.

Тесты к главе 1

1. В тоннах условного топлива измеряют массу затраченного на производство электрической энергии топлива.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

2. Абсолютно все энергетические ресурсы на планете Земля обязаны своим происхождением солнечному теплу и свету.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

3. Наиболее мощным на планете Земля является энергетический поток от Солнца, вторым по интенсивности является геотермальный энергетический поток.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

4. Среди применяемых энергоносителей наиболее энергоёмкими являются радиоактивные изотопы урана и тория.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

5. Наибольшее влияние на развитие электроэнергетики оказало развитие крупного машинного производства.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

6. Мощность всех стационарных электростанций мира немногим меньше мощности передвижных энергетических установок (самолётов, поездов, автомобилей и т.д.).

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

7. Наиболее перспективной является атомная электроэнергетика.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.