Тема 2. Энергетические ресурсы

Энергия — всеобщая основа природных явлений, ба­зис культуры и всей деятельности человека. В то же вре­мя энергия понимается как количественная оценка раз­личных форм движения материи, которые могут превра­щаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования че­ловеком энергия сосредоточена в материальных объек­тах, называемых энергетическими ресурсами.

Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в боль­ших количествах для практических нужд. К ним отно­сят органические топлива, такие, как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т. д.

Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят энерго­ресурсы непрерывно восстанавливаемые природой (вода, ветер и т. д.), а ко вторым — энергоресурсы, ранее на­копленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках — станциях, называется вторич­ной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.). В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. На­пример, тепловая электрическая станция (сокращенно ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в эле­ктрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) —энергию воды в электрическую, атомные элект­рические станции (АЭС) —атомную энергию в электри­ческую; кроме того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды — на гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) и т. д.

Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетиче­ского производства, в котором можно выделить пять стадий.

1. Получение и концентрация энергетических ресур­сов: добыча и обогащение топлива, концентрация напо­ра с помощью гидротехнических сооружений и т. д.

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию; она осуществляется перевозка­ми по суше и воде или перекачкой по трубопроводам во­ды, газа и т. д.

3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и по­требления в данных условиях форму (обычно в элект­рическую энергию и тепловую).

4. Передача и распределение преобразованной энер­гии.

5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.

Если общую энергию применяемых первичных энер­горесурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35—40%; остальная часть теря­ется, причем большая часть — в виде теплоты (рис. 1.1).

Потери энергии определяются существующими в на­стоящее время техническими характеристиками энерге­тических машин.

Различные виды энергоресурсов неравномерно рас­пределены по районам Земли, по странам, а также внут­ри стран. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления, что наиболее за­метно для нефти. Больше половины всех мировых запа­сов нефти сосредоточено в районах Среднего и Ближнего Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в 4—5 раз ниже среднемирового. В этой ситуации важно создать оп­тимальные межгосударственные потоки энергоресурсов и продуктов их переработки и максимально использовать запасы энергоресурсов, расположенные вблизи от основ­ных потребляющих районов.

Концентрация потребления энергоресурсов в наибо­лее развитых странах привела к такому положению (рис. 1.2), когда 30% населения в мире потребляет 90% всей вырабатываемой энергии, а 70% населения — только 10% энергии. При этом примерно ³/₄ установленной мощности электростанций и мирового производства электроэнергии приходится всего на 10 наиболее промышленно развитых стран.

Рис. 1.1. Схемы использования энергии:

а — механической энергии и теплоты, доставленных потребителям; б — энер­гетических ресурсов

Наблюдается тенденция увеличения неравномер­ности потребления энергетических ресурсов. Так, свыше половины населения земного шара, проживающего в раз­вивающихся странах, потребляют менее 100 кВт*ч элект­роэнергии, приходящейся на одного человека при средне­мировом показателе, близком к 1500 кВт*ч.

Рис. 1.2. Характеристики мирового потребления энергоре­сурсов:

максимальное и минимальное потребление энергии на душу населения

Эти цифры характеризуют социальное неравенство, отраженное в неравномерности потребления энергоресурсов. Тенденция к увеличению неравномерности общего потребления энергии в капиталистических странах иллюстрируется.

Несовпадения мест сосредоточения и потребления энергоресурсов вызывают необходимость их транспорти­ровки. Энергия может передаваться в различной форме (рис 1.3). Например, можно перевозить нефть и уголь от месторождений до крупных промышленных центров и городов и затем сжигать их на электростанциях, пре­вращая электрическую энергию в тепловую. Возможен и другой вариант, когда электростанция сооружается вблизи месторождений топлива, а электрическая энергия передается по проводам к удаленным промышленным предприятиям и городам.

Целесообразность передачи на расстояние тех или иных носителей энергии определяется их энергоемкостью, под которой понимается количество энергии приходя­щееся на единицу массы физического тела. Среди при­меняемых энергоносителей наибольшей энергоемкостью обладают радиоактивные изотопы урана и тория: 2 22 ГВт-ч/кг (8-Ю¹² Дж/кг). Вследствие огромной энергоемкости атомного топлива практически не сущест­вует проблемы транспорта его на расстояние, так как для работы мощных электрических установок требуются сравнительно малые его количества. Энергоемкость при­меняемого топлива в среднем по всем видам составляет 0,834 кВт*ч/кг (3*10⁶ Дж/кг).

Таблица 1.1

Виды запасов органического топлива	Запасы органического топлива		Прогноз времени
	млн. ТВт-ч	млрд. т	полного ис­пользования, лет
Геологические Достоверные (разведан­ные) Готовые к использованию в современных условиях	100-120 50-60 25-30	12000-14000 6000-7000 3000-3500	500-1000 100-200 50-100

Органическое топливо вследствие его специфических свойств и исторически сложившихся условий пока остается основным источником используемой человечеством энергии. Мировые запасы органического топлива приве­дены в табл. 1.1. Запасы топлива, имеющего различную энергоемкость, удобно выражать в условном топливе.

Топливо по своей природе относится к невозобновляемым источникам энергии, так как оно запасено в далекие доисторические эпохи и практически не восполня­ется.

Оценки запасов орга­нического топлива колеб­лются в широких преде­лах в зависимости от учи­тываемых условий его за­легания и возможностей добычи. Прогнозные, или геологические, запасы топ­лива, получаемые на ос­нове теоретического предсказания, существенно больше. В табл. 1.1 при­ведены округленные оцен­ки запасов топлива на планете и соответствующие им периоды времени, в течение которых топливо может быть использовано полностью. При этом, если геологические запасы топлива принять за единицу, то достоверные за­пасы оказываются в 2 раза меньше, а запасы, которые можно извлечь с учетом современных технических и эко­номических возможностей,— в 4 раза меньше.

Рис. 1.4. Графики роста мирового продукта и энергопотребления

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вы­зывается непрерывным увеличением мирового промыш­ленного производства (рис. 1.4). Предполагается, что к 2000 г. потребление энергоресурсов составит 160—240 тыс. ТВт-ч (что соответствует условному топливу массой 20—30 млрд. т). Оставшихся после 2000 г.

Рис. 1.5. Графики изменения во времени мирово­го потребления различных энергетических ресур­сов, выраженных в условном топливе (фактиче­ское и ожидаемое)

Мировых запасов энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100— 250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они дают некоторую картину будущего. На рис. 1.5 приведены данные о мировом потреблении важ­нейших энергоносителей.

Общее мировое производство энергоресурсов, приве­денных к условному топливу, в 2000 г. составило около 20 млрд. т. В его структуре ведущее значение имеют нефть и газ, доля которых составляет ³/₅ всего про­изводства энергоресурсов; 1/5 приходится на ядер­ное горючее; оставшуюся часть составляют твердые топли­ва (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Структура мирового потребления топливно-энерге­тических ресурсов

Значительные изменения в структуре мирового топ­ливно-энергетического баланса произошли в 60-е годы.

Увеличилось относительное потребление жидкого и газо­образного топлива. Так, в 1970 г. доля нефти в общем мировом потреблении энер­гии составила 46%, а при­родного газа — 20 %.

До конца текущего сто­летия основной прирост энергопотребления будет обеспечиваться за счет при­родного газа, угля и ядерной энергии. В начале XXI в. ожидается увеличение доли возобновляемых источников энергии, таких, как энергия солнца, ветра, тепловая энергия земных недр и др. По предварительным оценкам, на долю таких источников энергии, включая ядерную, будет приходиться около 40% суммарного производства первичных энергоресурсов в СССР. Поэтому уже сейчас в нашей стране ведутся интенсивные теоретические и экспериментальные иссле­дования по эффективному освоению практически неис­черпаемых возобновляемых источников энергии.

Данные, оценивающие технические и экономические возможности использования энергии, меняются со вре­менем. Поэтому прогнозы, построенные на основе этих данных, следует рассматривать как ориентировочные, которые должны периодически корректироваться.

Интересно проследить эволюцию потребления раз­личных видов энергии начиная с доисторических времен (рис. 1.7, а). Мускульная энергия человека и животных, иногда называемая «биологической» энергией, некогда была единственным источником энергии. В настоящее время она составляет величину, меньшую 1% от общего потребления энергии (на рис. 1.7 не показана). Доля мускульной энергии будет уменьшаться и в дальнейшем. Это свидетельствует о том, что высокий уровень разви­тия производительных сил позволил человеку почти пол­ностью переложить на машины усилия по изготовлению необходимой продукции. Для того чтобы машины могли выполнять такую работу, человек на основе познанных им и практически используемых законов природы дол­жен был привести в действие огромные мощности, при­ложив их к средствам труда. Эти мощности современных орудий труда стали неизмеримо превышать ту макси­мальную мощность, кото­рая могла быть получена за счет биологических ис­точников.

Рис. 1.7. Характеристики энергетических ре­сурсов Земли и их использование:

а — схема исторического изменения различных ви­дов энергии, потребляемой человеком; б — диаграммы потребления различных источников первичной энергии в США; в — структура потребления энерго­ресурсов в СССР; г — структура использования в народном хозяйстве СССР органического топлива и ядерной энергии; д—прогноз мирового потребления горючих полезных ископаемых

Рис. 1.7. Продолжение

Первыми источниками теплоты были различные органические остатки и древесина. Древесина на протяжении длительного периода, вплоть до XVI в., была основным энергоно­сителем. Впоследствии, по мере относительно быстрого освоения других, более энер­гоемких источников энергии (угля, нефти), сокращалось потребление древесины, использование которой в каче­стве энергоносителя до 2000 г. практически полностью прекращено.

Среди доступных энергоресурсов наибольшая доля приходится на уголь (75—85%); значительны запасы нефти (10—15%) и газа (5—10%); все остальные энер­горесурсы в совокупности составляют менее 2%.

В начале XX в. уголь занимал наибольшую долю от всех используемых энергоресурсов. По мере увеличе­ния потребности в нефти, газе доля угля в выработке электроэнергии уменьшалась. На рис. 1.7,6 показана динамика потребления различных энергоресурсов в США, а на рис. 1.7, в — в СССР. Использование энер­гетических ресурсов для различных технических и тех­нологических нужд в СССР иллюстрируется рис. 1.7, г.

Начало 70-х годов характеризуется выравниванием потребления таких энергоресурсов, как уголь, нефть и газ, а в некоторых странах даже уменьшением (в аб­солютных цифрах) добычи угля.

Прогноз расходования мировых запасов органическо­го топлива (рис. 1.7, д) неоднократно служил поводом

Рис. 1.7. Продолжение

для высказываемых в западных странах опасениях об «энергетическом голоде», «тепловой смерти» и т. д., якобы ожидающих человечество. Однако для таких мрачных предсказаний нет оснований. Напротив, можно полагать, что на смену органическому топливу, запасы которого действительно уменьшаются, придут новые эф­фективные источники энергии и в первую очередь ядер­ная энергия, получаемая при делении тяжелых и синте­зе легких элементов. Органическое топливо будет приме­няться как ценное сырье для химической и фармацев­тической промышленности.

Разумное сочетание различных энергоресурсов и пла­новое развитие энергетики несомненно позволили бы избежать тех трудностей, приобретающих иногда катастрофический характер, которые возникли в начале 70-х годов в ряде капиталистических стран. Эти трудности, получившие в западных капиталистических странах и в США название энергетического кризиса, были вызваны многолетним хищническим использованием международ­ными монополиями сырьевых ресурсов стран и континен­тов. Так, международный нефтяной картель, состоящий из семи монополий (пять из которых американские), практически полностью контролировал добычу нефти в странах Арабского Востока и прочно захватил домини­рующие позиции на рынках государств — потребителей нефти. Этот картель в целях извлечения максимальных прибылей тормозил работы по использованию других видов энергии. В странах Западной Европы сокращалась добыча каменного угля, закрывались шахты, часто не­оправданно придерживалось развитие атомной энерге­тики.

Монополии, картели не останавливались ни перед какими средствами, чтобы сохранить свои позиции. В ряде стран, например, они давали огромные взятки, чтобы провалить законы о национализации энергетики (США) или дискредитировать и затормозить программу строительства атомных станций (Италия) и т. д.

Ориентация энергетики на нефть, дававшая монопо­лиям огромные прибыли, требует в перспективе значи­тельного увеличения ее добычи. В то же время, начиная с 1973 г., страны — производители нефти стали требо­вать все большую долю прибылей: они повысили на нее закупочные цены и заявили о намерении держать при­рост добычи нефти в определенных пределах, поставив тем самым развитые капиталистические страны перед необходимостью пересмотра их энергетической полити­ки. При этом в некоторых планах предусматривалось развитие атомной энергетики. Однако такого рода пере­ориентация энергетической политики сопряжена с мно­гими трудностями, такими, как необходимость получе­ния ядерного топлива, потребность в дополнительных капиталовложениях (которые трудно изыскать в услови­ях перенапряженных бюджетов развитых стран), недоверие общественного мнения по обеспечению безопасности атомных электростанций, сти­мулируемое конкурирующими фирмами. Между тем, раздуваемая печатью (особенно США) тема энергетиче­ского кризиса явно преувеличена. Все соображения и данные о мировых запасах энергоресурсов следует рас­сматривать как приближенные, так как пока еще недо­статочно изучены земные недра (обследована небольшая часть залежей на суше и практически не изучены ресур­сы топлива под дном Мирового океана), имеется не­удовлетворительного качества статистический материал о залегании энергоресурсов, в различных странах суще­ствуют разные методики учета запасов. В одних случаях исходят из общегеологических запасов, в других — из достоверных, подтвержденных геологической разведкой, в третьих—из запасов, которые могут быть извлечены исходя из экономических, географических, технологиче­ских и прочих условий. Общегеологические запасы топлива планеты оценивались специалистами примерно в 200 млн. ТВт*ч, а далее было показано, что с помощью современных технологических методов можно добыть при оправданных экономических затратах более 28 000 млн. ТВт*ч, что в 380 000 раз превышает современный уро­вень годовой добычи в мире всех видов топлива. Харак­терно то обстоятельство, что, несмотря на быстрое расхо­дование энергоресурсов, их потенциальные запасы по мере проведения разведки не уменьшаются, а увеличи­ваются.

Значительная доля энергетических ресурсов расхо­дуется на электростанциях для выработки электрической энергии, получившей в настоящее время широкое приме­нение.

Суммарная мощность электростанций в мире в на­стоящее время составляет примерно 2 млрд. кВт. На долю СССР приходилось более 300 млн. кВт, что состав­ляет 15% от мощностей электростанций мира или 16% от производства электроэнергии.

В результате технического прогресса, совершенство­вания орудий труда, средств транспорта, использования научных достижений в практических целях человечество освоило огромные электрические мощности, составляю­щие примерно 8—10 млрд. кВт. Если считать, что энер­гетические установки в среднем работают с КПД, равным 0,2, то для полу­чения освоенной полезной мощности требуется из­влекать природные энер­гетические ресурсы с мощ­ностью, равной 40— 50 млрд. кВт (8/0,2 = 40 и 10/0,2=50). Потребляемая

мощность в течение суток и года изменяется. Использование мощности характеризуется графи­ком, показанным на рис.

Рис. 1.8. График использования суммарной мощности энергетиче­ских установок

Заменяя реальный график условным прямоугольни­ком равновеликой площади, получим расчетный пара­метр — продолжительность (время) использования мак­симальной мощности Т_м и определим используемую в мире энергию. Ориентируясь на меньший показатель, по­лучим

Э=40 млрд. кВт*5000 ч = 200*10³ млрд. кВт*ч.

Выразим эту энергию в массе условного топлива.

Так как 1 т такого топлива содержит энергию, рав­ную 8000 кВт*ч, то, следовательно, для приведения в действие энергетических установок в течение года потре­буется

200*10³ млрд. кВт*ч/8*10³ кВт*ч/т = 25 млрд. т.

Полагая, что нашу планету населяют 5 млрд. чело­век, получим, что средний расход энергетических ресур­сов, приходящийся на долю каждого человека в течение года:

25 млрд. т/5 млрд. чел. = 5 т.

Этот показатель следует считать ориентировочным, дающим общие представления о рассматриваемых про­цессах освоения энергетических мощностей и потребле­ния энергии.

Инженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы общее представление о мировых запасах топлива. Раз­личные виды топлива имеют существенно разные энерго­емкости, величины которых приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

	Условное топливо	Уголь (антра­цит)	Дрова (сухие)	Нефть	Газ (пропан)	Водород
Удельная энергоем­кость: 106 Дж/кг ккал/кг	29,3 7000	33,5 8000	10,5 2500	41,9 10 000	46,1 11 000	12,06 28 800

Рис. 1.9. Оценки мировых запасов угля:

а — на различных континентах; б — перспектива использования

Уголь. Мировые геологические запасы угля, выражен­ные в условном топливе, оцениваются в 12 000 млрд. т, из которых 6000 млрд. т относятся к достоверным. Наглядное представление о мировых запасах угля и перспективах их использования дает рис. 1.9. Наиболь­шими достоверными запасами располагают СССР и США. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная техника и технология позволяют экономически оправданно добывать лишь 50% от всех достоверных запасов угля.

В энергобалансе СССР в начале 70-х годов произо­шли существенные изменения: ископаемые угли времен­но уступили занимаемое ими ранее первое место нефти и газу. Однако роль угля в снабжении народного хозяй­ства нашей страны источниками энергии в перспективе исключительно велика. Углепромышленные бассейны имеются в пределах РФ (Печорский, Кузнецкий, Канско-Ачинский, Иркутский, Подмосковный. Запасы угля мирового масштаба находятся в Во­сточной и Западной Сибири. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей в СССР более 90% состав­ляют энергетические угли и менее 10%—дефицитные коксующиеся угли, необходимые для металлургии. Энер­гетические угли большой массы (202 млрд. т) имеются на площадях, пригодных для открытой разработки. Это, например, Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сиби­ри, где имеются запасы бурых углей в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхности, и многие другие.

Более 90% общесоюзных запасов углей находится на территории, расположенной к востоку от Урала, а 60% добываемого в СССР угля потреблялось на Урале и в западных районах. Между тем, добыча угля в европей­ской части нашей страны достигает 50% от общей добы­чи. Перспективно использование запасов угля, располо­женных за Уралом. Особенно богато угольными бассей­нами пространство между Тургайской низменностью и озером Байкал до 60° с. ш., прилегающее к Сибирской и Южно-Сибирской магистралям.,это Кузнецкий, Минусинский, Кан­ско-Ачинский, Иркутский, Нерюнгринский и многие другие бассейны. В местах разработок полезных иско­паемых создаются новые промышленно-экономические районы и центры.

Дальность перевозки каменных углей из Казахстана на Урал и в Поволжье и полная нерентабельность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и высокозольных сибирских бурых углей, а также нере­шенность задачи сверхдальней передачи электроэнергии заставляют обратить особое внимание на расширение площадей с энергетическими углями в старых углепро­мышленных районах и поиски новых месторождений на западе РФ. В этом отношении перспективны Донецкий и Печорский бассейны, обладающие реальными для ос­воения запасами энергетических углей .

Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Земле в геологические эпохи задолго на нашего времени. 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 акад. П. П. Лазарева «...химическая энергия, запасен­ная в древесных породах, есть превращенная энергия Солнца» .

Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образозанием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученная при этом теплота будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.

Среднее содержание различных элементов в камен­ном угле показано на рис. 1.10.

При сгорании каменного угля выделяется примерно 8,14 кВт*ч/кг (29,3 МДж/ /кг) энергии.

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 к др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь (в последнее время этот процесс приостановился). На транспорте за счет нефти в настоящее время удовлетво­ряется свыше 90% мирового потребления энергии.

Рис. 1.10. Примерный состав каменного угля

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т, из которых 53 млрд. т составляют достовер­ные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Во­стока. В странах Западной Европы, где имеются высоко­развитые производительные силы, сосредоточены отно­сительно небольшие запасы нефти.

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) стремлением в промышленно развитых странах получить возможно большие прибыли за счет эксплуата­ции нефтяных месторождений развивающихся стран.

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 (больше 1м ) и танкеров большой грузоподъемности.

Нефть была известна еще древним грекам и римлянам, которые называли ее питтолиумом. В VI в. до н. э. горючие газы, выделяю­щиеся из нефтяных источников на Апшеронском полуострове, дали повод к обожествлению вечного огня, в честь которого сооружа­лись храмы. Примерно в то же время жидкую нефть, разлитую по берегам Каспийского моря, использовали для освещения и лечения кожных болезней. В древности нефть, вытекающую из трещин в земле и нефтяных скважин, собирали в специальные ямы, из кото­рых она впоследствии забиралась для хозяйственных нужд.

По мере увеличения потребности в нефти, примерно с XVI в., стали вырывать специальные глубокие колодцы, откуда черпали нефть. Месторождения нефти представляют собой пористые пласты песчаника или известняка, пропитанные жидкостью. Сооружение колодцев в те времена было делом опасным. Колодец необходимо было рыть до пропитанного нефтью пласта, по мере приближения к которому нефтяные газы просачивались в колодец и делали не­возможным дыхание. Один из таких колодцев на Апшеронском полуострове сохранил надпись о том, что он сооружен в 1594 г.

С помощью колодцев нефть добывали до XIX в. Первая в мире нефтяная скважина пробурена в 1848 г. Ф. А. Семеновым в урочи­ще Биби-Эйбат на берегу Каспийского моря.

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.

Чтобы объяснить происхождение нефти, ученые пользовались результатами опытов, при которых производилось нагревание 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.

Предполагалось, что в древние времена существовавшие и умершие флора и фауна были покрыты осадочными породами на дне морей и океанов, которые образовались при опускании земной поверхности. Можно допустить, что опускание земной поверхности происходило до больших глубин, где органические остатки под дей­ствием теплоты Земли превращались в нефть. Такое воззрение со­ставляет основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной многочисленными исследованиями.

Природный газ. Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140—170 трлн. м³. Распределение запа­сов газа по странам и районам приведено в табл. 1.4. Эти цифры следует рассматривать как весьма прибли­женные, изменяющиеся по мере проведения разведок.

Нефть и газ нужны не столько как энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышлен­ности. В настоящее время известно более 5000 синтети­ческих полезных продуктов, получаемых из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только 3—5% 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 70% от затрат, расходуемых на проведение геоло­горазведочных работ.

Гидроэнергетические ресурсы. Гидроэнергия на Зем­ле оценивается величиной 32 900 ТВт*ч в год. Около 25% этой энергии по техническим и экономическим ус­ловиям может использоваться для практических нужд. Эта величина примерно в 2 раза превышает современ­ный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира. В табл. 1.5 содержатся данные о гидроэнергетических ресурсах в различных странах. В большинстве развитых капиталистических стран доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии сни­жается, что обусловлено освоением других наиболее эко­номичных энергоресурсов и использованием гидростан­ций преимущественно в пиковых режимах.

Гидроэнергетический потенциал рек Советского Союза велик—4000 млрд. кВт*ч (среднего­довая мощность рек равна 450 млн. кВт), что составляет 12% от потенциала рек земного шара. В нашей стране широкое использование гидроэнергетических ресурсов впервые было предусмотрено в 1920 г. Ленинским пла­ном электрификации России (ГОЭЛРО). По этому пла­ну намечалось строительство 10 крупных по тому време­ни гидроэлектростанций (Волховская, Днепровская, Свирская и др.) с установленной мощностью 640 МВт. К 1941 г. мощность всех гидроэлектростанций составила 1,4 ГВт. В военные годы широко развернулось строи­тельство ГЭС в Средней Азии, а в послевоенные (до 1966 г.)- в северо-западных районах (Кольский полу­остров, Карелия, Ленинградская область и Эстонская ССР), в Закавказье, а также на Волге, Каме и Днепре.

В конце этого периода было начато строительство круп­нейших гидростанций в Сибири (Братской, Краснояр­ской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской).

В соответствии с основными направлениями разви­тия электроэнергетики нашей страны в 1986 г. выработ­ка электроэнергии на гидроэлектростанциях составила 230—235 млрд. кВт-ч при установленной мощности гид­роэлектростанций 65 млн. кВт.

Уникальные запасы гидроэнергии сосредоточены на реках Ангаре и Енисее; на них будет построено более 10 крупнейших ГЭС общей установленной мощностью 60 млн. кВт, среди которых предполагается сооружение Среднеенисейской и Туруханской станций с агрегатами до 1 млн. кВт установленной мощности.

Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечной ра­диации, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капе­лек, собирающихся в облака. Вода облаков падает в виде дождя в моря, океаны и на сушу или образует мощный снеговой покров гор. Дождевая вода дает начало рекам, питающимся подземными источниками. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной радиации, благодаря которой появляются на­чальные процессы круговорот испарение воды и движение обла­ков. 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.

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. Солнце также влияет на приливы и отливы, однако эффект его влияния примерно в 2,6 раза меньше. В течение лунных суток, т. е. за 24 ч 50 мин, 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 Магеланова пролива зарегистрирова­на амплитуда колебаний уровня воды 18 м, а около берегов Америки — 21 м. 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. Максимального уров­ня приливная волна достигает в тех слу­чаях, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой (рис. 1.11).

Рис. 1.11. По­ложения Солн­ца, Луны и Земли, влияю­щие на прили­вы

Приведенные рассуждения следуют из тех пояснений, которые дал на основе гравитационной теории Ньютон. Вкратце они сводят­ся к следующему. Пусть на Землю в направлении ЬВ (рис. 1.12) действует сила притяжения Луны, которая создает ускорение Зем­ли из, направленное по прямой ЬВ. Ускорение воды, находящейся в зоне А, больше ускорения Земли, а ускорение воды, находящейся в зоне В, меньше ускорения Земли. Различие в ускорениях приво­дит к смещению массы воды, которое в преувеличенном виде пока­зано на рис. 1.12. 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. Сотни лет назад на побережье Европы и Северной Америки со­оружались приливные мельницы. Некоторые из них и сейчас рабо­тают в Англии и во Франции. Водяные колеса таких мельниц уста­навливались при входе в бассейн и приводились во вращение те­чением воды.

Рис. 1.12. Характер распреде­ления воды по поверхности Земли под действием Луны

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 20 странах мира до­стигла 140 тыс. МВт. Предполагается, что к 2000 г. она составит примерно 900—1000 тыс. МВт. В СССР пред­полагается сооружение АЭС в основном в европейской части, где проживает более 70% населения страны и по­требляется примерно 75% всей вырабатываемой элект­роэнергии. В перспективе будут строиться крупные АЭС суммарной мощностью 4—7 млн. кВт, с единичной мощ­ностью реакторов 1 —1,5 млн. кВт.

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 1 кг в результате реакции синте­за, соответствует энергии, выделяемой при сжигании 10 тыс. т угля. Важно и то, что термоядерный синтез не дает радиоактивных отходов. Однако на пути к энергетике будущего встало немало трудностей по удержанию термоядерной плазмы в реакторах.

В последние годы советские ученые разрабатывают наряду с другими методами метод лазерного термоядер­ного синтеза, который, возможно, разрешит эти трудно­сти. Лазерный метод термоядерной реакции усиленно разрабатывается также в США, Англии, во Франции, в ФРГ и Японии.

Всякого рода энергетические превращения можно свести к из­менению скоростей и взаимного расположения тел или частиц, со­ставляющих тело. Так, с изменением внутренней энергии тела изме­няются скорости движения частичек, составляющих это тело, и ме­няется его температура.

Молекула, как известно, состоит из атомов. Энергия молекулы слагается из кинетической энергии движения атомов и потенциаль­ной энергии взаимного расположения атомов. Изменение взаимного расположения атомов приводит к выделению или, наоборот, к по­глощению энергии, называемой химической. Положительная раз­ность между потенциальной энергией молекул, вступающих в реак­цию, и потенциальной энергией молекул, полученных в результате реакции, переходит в кинетическую энергию молекул, что означает повышение температуры. Например, повышение кинетической энер­гии молекул происходит при сжигании органического топлива. Из­влечь химическую энергию можно из сравнительно небольшого числа веществ, так как в основном вещества находятся в состоянии, соответствующем наименьшей потенциальной энергии молекул.

Если бы атом был неделим, то химическими превращениями исчерпывался бы весь перечень источников энергии. Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Изменения во взаим­ном расположении нуклонов сопровождаются выделением или по­глощением ядерной энергии (чаще называемой атомной). Для того чтобы вызвать ядерную реакцию, нужно привести в соприкоснове­ние любые различные ядра, аналогично тому, как для осуществле­ния химической реакции следует привести в соприкосновение моле­кулы различных веществ. Однако осуществить экспериментально сближение ядер трудно из-за небольших их размеров по сравнению с размерами атомов и действия электростатических сил отталкива­ния между ядрами. Поэтому нужно одно из ядер настолько уско­рить, чтобы оно смогло преодолеть отталкивание ядра-мишени и приблизиться к бомбардируемому ядру на расстояние, примерно равное его радиусу.

Нуклоны в ядре испытывают специфические силы взаимного притяжения на расстояниях примерно 10~¹³ см. Между протонами действуют также кулоновские электростатические силы отталкива­ния. Ядерные силы притяжения быстро убывают с возрастанием расстояния между нуклонами. Кулоновские силы отталкивания убы­вают медленнее. Нуклоны, расположенные на поверхности ядра, испытывают притяжение только с одной стороны пространства, поэтому их потенциальная энергия больше, чем у нуклонов, распо­ложенных внутри ядра. Ядро стремится принять такую форму, при которой его потенциальная энергия минимальна, т. е. форму сферы. Потенциальная энергия ядра определяется ядерными силами взаимодействия между нуклонами. Предположим, что ядро разде­лилось на две равные части. При этом притяжение нуклонов, рас­положенных внутри осколков, не изменится, следовательно, не из­менится внутренняя потенциальная энергия. Общая поверхность ядер увеличится и соответствующая этим ядрам потенциальная энергия возрастет. Следовательно, деление ядер должно сопровож­даться поглощением энергии, необходимой для увеличения поверх­ностной энергии. Кулоновская энергия отталкивания при делении ядер, напротив, уменьшится, так как число протонов в каждой из составных частей ядер меньше. Таким образом, при делении ядер существуют два противоположно действующих явления. Преобла­дание первого или второго явления определит, будет ли в резуль­тате реакции поглощение или выделение энергии. Можно найти такие «пограничные» условия, при которых деление ядер не сопро­вождается ни поглощением, ни выделением энергии. Количествен­ные показатели увеличения поверхностной энергии при делении ядер или уменьшения кулоновской энергии отталкивания зависят от количества протонов и нейтронов в ядре, или, другими словами, от «тяжести» ядра. Как показывают расчеты и опыты, деление ядер сопровождается выделением энергии при числе нуклонов в ядре >100, т. е. при делении тяжелых ядер.

Для легких ядер реакция деления протекает с затратой энергии. Следовательно, обратное направление реакции слияния (синтеза) ядер должно приводить к «выигрышу» в энергии, так как потен­циальная энергия нуклонов исходных ядер больше потенциальной энергии нуклонов синтезированного ядра. Легкие элементы, так же как и тяжелые, могут рассматриваться в качестве ядерного «горю­чего».

Для осуществления реакции слияния ядер необходимо прибли­зить ядра настолько, чтобы между нуклонами действовали значи­тельные ядерные силы притяжения (расстояние порядка 10-¹³ см). Но на таких малых расстояниях действуют большие силы кулоновского отталкивания, и для их преодоления ядра должны иметь зна­чительную кинетическую энергию. 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 1000 раз большего количества энергии, чем-то, которое дают все электростан­ции мира.

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 175—219 тыс. Твт*ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20—25) 10⁹ кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5% от этой величины; в настоящее же время используется значительно меньше. Применять ветер, т. е. энергию движения воздуха, человек начал еще в глубо­кой древности. Задолго до нашей эры финикияне, егип­тяне, греки и римляне приводили в движение парусные корабли с помощью ветра. Согласно греческой мифоло­гии, бог Эол по своему желанию выпускал ветры, за­ключенные в пещере. Энергия ветра обеспечила откры­тие Америки, так как именно благодаря постоянным вет­рам, дующим в северном полушарии с северо-востока на юго-запад, Колумбу удалось достичь берегов Аме­рики.

Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северно­го и южного полушарий образуют систему пассатов. Изучением природы возникновения постоянных воздушных течений занимались многие выдающиеся исследователи. Астроном Галилей впервые точно описал воздушные течения в северном и южном полушариях и объяснил их возникновение в 1686 г. По его предположению, в районе экватора происходит более интенсивное нагревание воздуха, который устремляется вверх, а со стороны севера и юга подтекают более холодные потоки воздуха. Как было впоследствии показано, такой эффект существует, но он играет вспомогательную роль по сравнению с эффектом вращения Земли. Астроном Галлей в 1735 г. указал, что вращение Земли оказывает главное влияние на образо­вание пассатов. Заслуга в разработке теории зональных движений слоев воздуха принадлежит Гельмгольцу. Он показал, что 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. Следует сказать, что теория Гельмгольца не объясняет полностью циркуляцию атмосферы. На­пример, в ней не нашел отражения тот факт, что постоянные мор­ские течения увлекают с собой воздушные массы. Для полного представления об атмосферной циркуляции потребуется проведение более глубоких экспериментальных и теоретических исследований. 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.

Многие видные советские исследователи, такие, как проф. Н. Е. Жуковский и акад. С. А. Чаплыгин, внесли большой вклад в развитие ветряных двигателей. Однако опыт применения ветряных двигателей для электрифи­кации в сельской местности в нашей стране не дал пока положительных результатов в связи с неравномерностью возможного получения энергии, необходимостью регули­рования ветроустановок для стабилизации параметров энергии и рядом других затруднений.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источ­ник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу массой 1,2- 10^м т. Солнце, как и дру­гие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17% гелия, остальные элементы составля­ют около 1%. Внутри Солнца существует область высо­кого давления, где температура достигает 15—20 млн. град. 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 1,39 кВт/м². На поверхность круга с диаметром, равным диаметру земного шара, приходит­ся мощность 178 тыс. ТВт, что в 20 раз превышает суммарную мощность энергетических установок мира (8—9 ТВт). Однако до земной поверхности доходит только часть этой мощности вследствие поглощения и отражения ее атмосферой. В наиболее благоприятных районах пиковая удельная мощность солнечного излу­чения на поверхности Земли равна 1 кВт/м², в то время как средняя удельная мощность составляет 0,25 кВт/м². Солнечную энергию можно успешно преобразовывать в тепловую энергию. Максимальные температуры рабо­чего тела зависят от концентрации солнечной энергии и оказывается близкими к 5000°С, однако такие темпера­туры не требуются для выполнения полезной работы. В солнечной печи в Одейо (Франция) получены темпе­ратуры около 3000°С.

Научные исследования, проведенные в последние годы в области использования энергии Солнца, позволи­ли повысить КПД гелиотермических систем и усовер­шенствовать их проекты. Низкотемпературная солнечная энергоустановка представляет собой плоский гелиоприемник, использующий в качестве теплоносителя воду или воздух. Установки могут содержать также теплоаккумуляторы в виде горных пород и использоваться для отоп­ления зданий, нагревания воды и кондиционирования воздуха. Солнечные водонагревательные системы имеют КПД, равный 30—40%, и стоят 100—200 долл/м² 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 5 МВт.

Стоимость производства электроэнергии в современ­ных условиях солнечными элементами в 100—200 раз больше стоимости производства электроэнергии обычны­ми методами.

В СССР было построено около 30 экспериментальных объектов с системами солнечного теплоснабжения. Раз­рабатываются системы солнечного кондиционирования воздуха. Перспективно использование гелиотермических установок для различных сельскохозяйственных целей.

В историческом отношении одним из первых интерес­ных применений энергии солнечных лучей явилось соз­дание группой французских инженеров установки, де­монстрировавшейся в Париже в 1900 г. В этой установке двигатель работал за счет лучистой энергии Солнца и приводил в движение небольшой типографский станок. Однако многочисленные попытки получить электриче­скую энергию в промышленных масштабах за счет энер­гии Солнца не приводили к успеху.

Еще в 1821 г. была установлена возможность полу­чения ЭДС в цепи, образованной двумя разнородными веществами, спаи которых находятся при разной темпе­ратуре; было обнаружено, что величина ЭДС прямо пропорциональна разности температур:

Е = α(Т1-Т2).

Коэффициент а зависит от материала. Позже Пельтье обнаружил обратное явление: при пропускании тока че­рез спай двух металлов в последнем выделяется или поглощается теплота, значение которой пропорциональ­но силе тока.

Длительное время эффект появления термоэлектро­движущей ЭДС использовался только для измерения температуры. Применение этого эффекта для выработки электроэнергии было невыгодным из-за низких значений КПД и коэффициента а. Положение резко изменилось с появлением полупроводников, когда создалась воз­можность реально использовать поток солнечной энер­гии, падающий на Землю. Как писал по этому поводу акад. А. Ф. Иоффе, Солнце, в течение тысячелетий быв­шее проклятием пустыни, сделается ее благословением. Недавние усовершенствования в технологии произ­водства фотопреобразователей вызвали к жизни новые предложения по использованию солнечной энергии в широких масштабах. Среди них — дом с солнечным энергоснабжением, центральная солнечная станция и как более отдаленная перспектива крупные орбитальные электростанции, передающие энергию на Землю. 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. На космические солнечные электростанции солнечная энергия должна поступать регулярно. Для сооружения таких станций потребуется значительно снизить стоимость доставки компонентов станций на орбиту. Технология производства фотопреобразователей уже достаточно разработана. КПД солнечных батарей достигает 20%. Можно заметить, что солнечные батареи широко применяются на космических кораблях, где вопросы экономии не имеют первостепенного значения. 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.

Эксплуатация первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904 г. 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. Чтобы объяс­нить природу геотермальных явлений, рассмотрим наи­более интересное из них — извержение вулкана. По мере увеличения глубины земной коры, или литосферы, повы­шается температура. На глубине 40 км температура, равна 1200°С. 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 1210 МПа.

В тех местах, где давление, обусловленное весом покрывающих пород, снято или значительно уменьшено, происходит плавление. Подобные явления наблюдаются при перемещениях земной коры, когда наряду с образо­ванием складок при сжатиях образуются трещины при растяжениях. Расплавившаяся в «трещине» масса может достигать поверхности Земли и выходить в виде лавы, горячих газов и водяного пара. Иногда такая масса, поднимаясь по трещинам и разломам, не доходит до поверхности Земли вследствие расширения и уменьшения давления. При этом нагретые теплотой больших глубин породы медленно остывают в течение десятков и сотен тысяч лет.

Передача теплоты от разогретых пород происходит за счет теплопроводности покрывающих пород и конвекции, выделяющихся из массы горячих газов и водяного пара. 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 б км², а производительность скважин убы­вает по экспоненциальному закону. На базе геотермаль­ных источников в Новой Зеландии и Италии работают электростанции, вырабатывающие 40 и 6% электроэнер­гии соответственно.

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

Мировая продукция фотосинтеза лесов оценивается в 50 ТВт, что примерно в 10 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 25 долл/т, что ниже современных мировых цен на нефть. Для получения тепловой мощности, равной 100 МВт, потребуется примерно 50 м² площади энергетических плантаций.

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.

Соотношение между производством энергоресурсов и их потреб­лением. Проследив по группам стран и районов такие соотношения, можно наглядно представить себе картину экспорта и импорта энергетических ресурсов. Примерно 75% всего мирового потребле­ния коммерческих энергоресурсов приходился на 10 стран: США, СССР, Великобританию, Японию, ФРГ, Канаду, Францию, Италию, ГДР, ЧССР. Из них только СССР имел положительный топливный баланс, т. е. полностью обеспечивает свои потребности за счет собственных коммерческих энергоресурсов и продавал топливо дру­гим странам. Остальные страны, как правило, покрывают спрос на энергоресурсы за счет импорта. Причем потребление ими коммер­ческих энергоресурсов примерно в 5—20 раз превышает их произ­водство.

Для каждой страны вопросы импорта топлива имеют большое значение для внешней политики и того положения, которое зани­мает эта страна в международной торговле, так как при значи­тельных объемах экспортируемой готовой продукции значительная часть валютных затрат на импорт энергоресурсов возвращается.

Северная Америка, Западная Европа и страны Дальнего Во­стока находятся в большой зависимости от импорта энергоресурсов из стран Среднего и Ближнего Востока, которые, экспортируя огромное количество энергоресурсов, потребляют относительно не­большое их количество.

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.