7. Вэс с точки зрения экологии

Совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близ­ко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра положение оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков по­требовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, «отнимая ветер» один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Вот и считайте сами, какую площадь придется от­вести для ВЭС мощностью 4 млн кВт.

При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо - генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Неудивитель­но, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в усло­виях густо населенной Европы это означает - везде. Поэтому было вы­двинуто предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разработан проект, согласно которому предполагается в Балтийском море недалеко от берега установить 300 ветряков. На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Строительство только первой сотни таких ги­гантов потребует более 1 млрд долл., а вся система, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2 % элек­троэнергии от уровня потребления в Швеции в настоящее время. Но это пока только проект. А тем временем в той же Швеции начато строи­тельство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю по подводному кабелю. Аналогичные проекты были и у нас: предлагали устанавливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арабатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов, их реализация создала бы серьезные помехи судоходству, рыболовству, а также оказа­ла бы все те же вредные экологические воздействия, о которых говори­лось ранее. Поэтому и эти планы вызывают движения протеста. Напри­мер, шведские рыбаки потребовали пересмотра проекта строящейся в море ВЭС, так как, по их мнению, подводный кабель, да и сама станция будут плохо влиять на рыб, в частности - на угрей, мигрирующих в тех местах вдоль берега.

Из всего сказанного следует один очевидный вывод. Ветрогенера- торы могут быть полезными в районах Крайнего Севера, например, на льдинах у зимовщиков или в некоторых других районах, куда затрудне­на подача энергии в других формах, и где потребности в энергии отно­сительно невелики. Но делать на них ставку при развитии большой энергетики совершенно нереально ни сейчас, ни в ближайшем будущем.

Вопросы к главе 7

1. Природа возникновения ветров. Основные характеристики ветров.

2. Опыт зарубежных стран в использовании энергии ветра.

3. Государственная поддержка внедрения объектов ветроэнергетики.

4. Динамика роста доли энергии, вырабатываемой ветроустановками в общем энергобалансе отдельных зарубежных стран.

5. Применение ветроустановок в условиях России.

6. Классификация ветроустановок по классам ветродвигателей, дос­тоинства и недостатки классов.

7. Схема ветроэлектрической установки, особенности и принцип ра­боты.

8. Классификация ветроэнергетических установок для производства электроэнергии.

9. Использование ветра для производства механической работы.

10. Основные положения теории идеального ветряка.

11. Основные положения теории реального ветряка.

12. Режимы работы ветроустановок.

13. Перспективы использования энергии ветра.

14. Отрицательные явления при работе ветроустановок.

15. Ветроэнергетика в России.

8. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

   1. Тепловой режим земной коры

Под геотермикой (от греческих слов «гео» - земля и «термо» - те­пло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факто­ров.

В ядре планеты максимальная температура достигает 4000 °С. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит главным образом за счет теплопроводности (геотермальное тепло) и реже - в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды. Средний поток геотермального тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м² при температурном градиенте менее 30 °С/км. Этот непрерывный поток тепла обычно сравнивают с анало­гичными величинами, связанными с другими возобновляемыми источ­никами и в среднем в сумме составляющими 500 Вт/м . Однако имеют­ся районы с повышенными градиентами температуры, где потоки со­ставляют примерно 10.20 Вт/м , что позволяет реализовать геотер­мальные станции тепловой мощностью 100 МВт/км и продолжительно­стью срока эксплуатации не менее 20 лет.

Критерием теплового состояния земного шара является поверхно­стный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, со­ответствующая углублению в метрах, при котором температура повы­шается на 1 °С, называется геотермической ступенью.

В связи с изменением интенсивности солнечного излучения теп­ловой режим первых 1,5.40 м земной коры характеризуется суточны­ми и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и веко­вые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. На любой глубине температура горных пород (T) приближенно может быть определена по формуле:

T = t, (8.1)

а

где t_e - средняя температура воздуха данной местности; H - глубина, для которой определяется температура; h - глубина слоя постоянных годовых температур; а - геотермическая ступень.

Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углуб­лением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1 °С. Геотермические условия чрезвычайно разнообраз­ны. Это связано с геологическим строением того или иного района Зем­ли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1 °С происходит при углублении на 2.3 м. Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400.600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150.200 °С и более.

В настоящее время получены данные о довольно глубоком про­мерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зо­не вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых гор­ных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Ви­люя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая: 500 м - не выше 20 °С, 1 тыс. м - 25.35 °С; 2 тыс. м - 40.60 °С; 3.4 тыс. м - до 100 °С и более.

Качество геотермальной энергии обычно невысокое, и лучше его использовать непосредственно для отопления зданий и других сооруже­ний или же для предварительного подогрева рабочих тел обычных вы­сокотемпературных установок. Подобные отопительные системы уже эксплуатируются во многих частях света. Если тепло из недр получают при температуре около 150 °С, то имеет смысл говорить о преобразова­нии его в электроэнергию.

Наиболее просто использовать тепло пород с помощью тепловых насосов.

Часть источников геотермальной энергии можно отнести непо­средственно к возобновляемым источникам энергии, потому что их теп­ло так или иначе рассеивается в окружающей среде, подобно теплу го­рячих ключей и гейзеров. В других же источниках потоки тепла прихо­дится увеличивать, искусственно пробуривая скважины в природные накопители горячих вод, создавая разрывы и активизируя охлаждение горячих горных пород, и поэтому они не могут оставаться возобновляе­мыми в течение длительного времени.

Внутренняя структура планеты показана на рис. 8.1.

Теплопередача от полужидкой мантии поддерживает температур­ную разность между внешней и внутренней поверхностями сравнитель­но тонкой коры около 1000 °С при среднем градиенте температур около 30 °С/км.

Рис. 8.1. Внутреннее строение Земли

Твердые породы, слагающие кору, имеют среднюю плотность 2700 кг/м , теплоемкость 1000 Дж/(кг-К) и теплопроводность 2 Вт/(м-К). Поэтому средний геотермальный поток составляет примерно 0,06 Вт/м , а примерно 1020 Дж/км в виде тепла аккумулировано в коре. Если за 30 лет преобразовать хотя бы 0,1 % этого тепла, то тепловая мощность, которую можно получить, составит 100 МВт/км . Эти оценки дают представление о ресурсах тепловой энергии и показывают, что геотер­мальный источник обладает огромным потенциалом.

Земная кора получает тепло в результате: естественного охлажде­ния и трения ядра; радиоактивного распада элементов, подобных торию и урану; химических реакций. Постоянные времени этих процессов на­столько велики по отношению к времени существования Земли, что не­возможно даже оценить, увеличивается ее температура или уменьшает­ся. Радиоактивные элементы концентрируются в коре путем фракцион­ной рекристаллизации из расплавов, особенно много их в граните. В те­чение многих миллионов лет радиационный распад и химические реак­ции являются единственным источником тепла, а геотермальная энерге­тика предполагает выведение тепла, запасенного в тепловых хранили­щах в толще коры.

Если теплопроводность - единственный механизм теплопередачи, то при распространении тепла через однородные материалы от мантии к поверхности Земли градиент температуры будет постоянным. Он по­вышается в зонах с плохо проводящими тепло твердыми включениями и снижается в зонах повышенного теплообмена, например насыщенных водой породах, где возникает конвективный перенос тепла. Аномально высокие температурные градиенты часто наблюдаются в местах распо­ложения радиоактивных или экзотермических химических источников.

Земная кора состоит из огромных платформ. Зонам границ плат­форм соответствует усиление теплового взаимодействия коры с манти­ей, сопровождающееся сейсмической активностью, наличием вулканов, гейзеров, фумарол и горячих ключей. Потенциал геотермальной энер­гии этих районов очень велик, им соответствует увеличение темпера­турных градиентов до 100 °С/км и активация высвобождения воды в ви­де пара или перегретой жидкости, часто находящихся под повышенным давлением.

Из-за аномалий в структуре коры районы с умеренным увеличени­ем температурных градиентов (примерно до 50 °С) встречаются и на достаточном удалении от границ платформ. В таких районах тепло мо­жет высвобождаться естественным образом из-за проникновения воды в зону подогрева, сопровождающегося интенсивным конвективным теп­лообменом. В результате возникают горячие источники с повышенной концентрацией растворенных химических веществ, часто известные как целебные. Глубоко залегающие зоны подогрева с помощью бурения мо­гут стать источниками тепла с температурой от 50 до 200 °С. Если по­добные аномалии связаны с материалами, имеющими низкую теплопро­водность, например сухими скальными породами, то повышение темпе­ратурных градиентов достигается за счет относительного увеличения запасенного в породах тепла.

Сведения о геотермальных структурах получают при геологиче­ской съемке, проходке шахт, нефтяных скважин. Наиболее важным па­раметром является температурный градиент, точность измерения кото­рого зависит от сохранения в скважине в процессе бурения невозму­щенного поля температур. При глубоком бурении скважин обычно дос­тигают отметки 6 км, но технология бурения остается такой же до глу­бины 15 км. Технология обустройства таких скважин вполне отработа­на, так что применительно к строительству ГеоТЭС эта проблема может считаться решенной.

Принято выделять три класса геотермальных районов.

Геотермальный. Температурный градиент - более 80 °С/км. Эти районы расположены в тектонической зоне вблизи границ континен­тальных плит. Первый такой район был задействован для производства электроэнергии в 1904 г. вблизи Лардерелло (Тоскана, Италия). Почти все из существующих ГеоТЭС размещены именно в таких районах.

Полутермальный. Температурный градиент - примерно от 40 до 80 °С/км. Подобные районы связаны главным образом с аномалиями, лежащими в стороне от границ платформ. Извлечение тепла произво­дится из естественных водоносных пластов или из раздробленных сухих пород. Хорошо известный пример такого района находится вблизи Па­рижа и используется для обогрева зданий.

Нормальный. Температурный градиент - менее 40 °С/км. Такие районы наиболее распространены, именно здесь тепловые потоки в среднем составляют примерно 0,06 Вт/м . Маловероятно, чтобы в таких районах даже в будущем стало экономически выгодно извлекать тепло из недр.

В каждом из перечисленных классов в принципе можно получать тепло за счет:

• естественной гидротермальной циркуляции, при которой вода проникает в глубоко залегающие породы, где превращается в сухой пар, пароводяную смесь или просто нагревается до достаточно высокой тем­пературы. Соответствующие выходы наблюдаются в природных усло­виях. Если на глубине давление возрастает в результате парообразова­ния, то могут возникнуть гейзеры. Эжектируется в этом случае именно горячая вода, а не пар;

• искусственного перегрева, связанного с охлаждением полурас- плавленной магмы, застывающей в виде лавы. Первой ГеоТЭС, исполь­зующей этот принцип, была станция мощностью 3 МВт, построенная на Гавайах в 1982 году;

• охлаждения сухих скальных пород. Обладающие достаточно низкой теплопроводностью сухие скальные породы в течение миллио­нов лет накапливают тепло. Создание искусственных разрывов в поро­дах позволяет прокачивать через них воду, отбирая тепло.

На практике ГеоТЭС в гипертермальных районах работают на ес­тественной гидротермальной циркуляции; в полутермальных районах используется как естественная гидротермальная циркуляция, так и ис­кусственный перегрев за счет извлечения тепла из сухих горных пород. Нормальные же районы обладают слишком малыми температурными градиентами, чтобы предоставлять коммерческий интерес.