Энергетические ресурсы Земли (стр. 5 )

2.3. Геотермальная энергия.

Геотермальная энергия обязана своим происхождением горячей магме, которая проникает из недр земли и подходит близко к поверхности. Источники глубинной теплоты расположены во многих частях земного шара, как правило, вблизи районов геологической активности. Геотермальные месторождения можно подразделить на следующие виды:

1) гидротермальные системы (на глубине до 3 км). Они могут быть: с преобладанием сухого пара, с преобладанием горячей воды;

2) системы аномально высокого давления (на глубине до 10 км);

3) сухие горячие горные породы (на глубине до 10 км). Наиболее эффективны и освоены такие геотермальные месторожде­ния, в которых горячий сухой пар выходит на поверхность земли. В настоящее время широкое применение находят месторождения, в кото­рых преобладает горячая вода.

Магма нагревает вышележащую пористую породу за счет конвек­ции. Пористая (водоносная) порода, если она сверху покрыта плотной водонепроницаемой породой, и является источником геотермальной энергии. Если в этих местах возникают трещины в земной коре, то нагретая вода вытесняется вверх. По мере ее поднятия к поверхности земли, давление воды падает, и она превращается в пар. Если на­чальная температура воды и ее давление достаточно высоки, то в пар превращается вся вода. Это месторождение сухого пара. Однако в большинстве районов мира извлекаемые геотермальные флюиды представляют собой смесь пара и горячей воды (в сущности, горячий рас­сол, так как геотермальные флюиды содержат большое количество растворенных химических веществ).

Геотермальные системы аномально высокого давления в настоящее время активно изучаются. Для систем подобного типа характерно то, что горячая вода "заперта" в обширных, глубоко залегающих осадоч­ных бассейнах: температура воды обычно не достигает и 200°С, одна­ко давление внутри резервуара колеблется от 500 до 900 МПа.

Использование геотермальной энергии сопровождается рядом трудностей. На любом геотермальном месторождении температура флюи­дов (пара, воды, рассола) обычно гораздо ниже, чем пара, вырабаты­ваемого в стандартном котле, поэтому необходимо принимать особые меры для более эффективного преобразования энергии. Отработанные геотермальные флюиды содержат довольно много растворенных мине­ральных веществ. Их можно удалить из геотермальной воды, например, в испарителе с мгновенным вскипанием. В таком испарителе минерали­зованную воду нагнетают в камеры с пониженным давлением. Часть во­ды моментально превращается в пар, а минеральные вещества остаются в концентрированном рассоле. На рис.2.1 приведена структурная схе­ма геотермальной установки многоцелевого назначения.

Рис.2.1. Структурная схема геотермальной установки:

1 - скважина; 2 - сепаратор; 3 - турбина; 4 - генератор; 5 - мно­гоступенчатый испаритель мгновенного вскипания; 6 - конденсатор; 7 - выпарной аппарат; СМПГ - смесь пара и горячей воды (200-300°С); П - пар (150-200°С); МР - минерализованный рассол; КР - концентри­рованный рассол; ИВ - испарявшаяся вода; ОпВ - опресненная вода; МВ - минеральные вещества; 0В - охлаждающая вода

Геотермальная энергия уже используется в ряде стран мира. Ни­же приведена установленная мощность ГеоТЭС в различных странах, МВт:

США.............................................. 504

Италия............................................ 405

Новая Зеландия............................. 202

Мексика......................................... 75

Япония........................................... 215

Россия............................................... 6

Исландия....................................... 3,4

Мировые запасы геотермальной энергии оцениваются в размере 4*1022Дж, причем около 10% данных ресурсов сосредоточены в США. Чтобы приступить к массовому освоению этого вида энергоресурсов, необхо­димо сначала решить несколько технологических и экологических проблем. Большая часть затрат на основание геотермальной энергии связана с бурением скважин диаметром до 60 см. Высокое содержание солей в геотермальной воде и паре приводит к тому, что через нес­колько лет работы происходит закупорка этих скважин и необходимо их новое бурение. По большинству скважин поступает не пар, а горя­чая вода, что уменьшает КПД выработки электроэнергии. Отбор тепло­ты из геотермального источника происходит обычно быстрее, чем ее возмещение за счет естественного процесса. В результате со време­нем температура пара или горячей воды начинает снижаться, уменьша­ется также их поступление на поверхность. Это означает, что насту­пает исчерпание источника геотермальной энергии.

В РФ также ведутся работы по использованию геотермальной энергии. Источники этой энергии у нас имеются на Кавказе, на Кам­чатке, на острове Кунашир, на Сахалине и в ряде мест Забайкалья. Первая ГеоТЭС в РФ была построена на Камчатке в 1967 г. мощностью 5 МВт. Начато изготовление комплектных ГеоТЭС мощностью 2,0; 2,5 и 20 МВт для Камчатской и Сахалинской областей.

2.4. Солнечная энергия.

Рассмотренные выше геофизические источники энергии могут обеспечить в последующие десятилетия лишь незначительную часть потребностей в энергии и оказаться неприемлемыми для освоения в крупных масштабах. Как отмечалось, органическое топливо является невозобновляемым ресурсом, и его использование связано с нанесением значительного ущерба окружающей среде.

Необходимо располагать неисчерпаемым дешевым и возобновляемым источником энергии, не загрязняющим окружающую среду. Таким источ­ником является Солнце. Поток солнечного излучения составляет около 3,8-1026 Вт и представлен всем спектром электромагнитных волн. Од­нако основная его масса приходится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части спектра. Энергетическая освещенность земной ат­мосферы составляет примерно 1,4 кВт/м2, а поверхности Земли - око­ло 1 Вт/м2. Пока не существует экономичного способа преобразования этой энергии в электрическую, но работы в этом направлении ведут­ся.

Наиболее подходящим направлением преобразования солнечной энергии в полезную работу является ее использование, для замещения органического топлива при получении теплоты в парогенераторе. Од­нако, как и при применении органического топлива, КПД преобразова­ния ограничивается диапазоном температуры рабочего тела, в данном случае пара. Поскольку создание и эксплуатация очень крупных кол­лекторных систем для концентрации солнечных лучей является делом сложным, в настоящее время в таких системах удается получить пар с относительно небольшой температурой; как следствие, КПД преобразо­вания солнечной энергии в электроэнергию в таких установках может составлять около 10%. Чтобы получить 1 ГВт электрической мощности, потребовалось бы 10 ГВт мощности солнечного излучения. В создании системы таких масштабов и связанного с ней другого оборудования имеются определенные технические трудности. Стоимость электроэнергии, производимой солнечной электростанцией, в 10 раз выше, чем электроэнергии, вырабатываемой тепловой станцией на органическом топливе.

Следует рассмотреть еще два "узких" места крупных солнечных электростанций - аккумулирование энергии и ее передача. Для обес­печения круглосуточного электроснабжения от солнечной электростан­ции требуется обеспечить аккумулирование энергии. Одним из вариан­тов решения этой проблемы является создание аккумулятора теплоты в химически связанном виде. Если бы был найден материал с высокой теплотой плавления и низкой точкой плавления, то избыточная тепло­та, вырабатываемая в дневное время, могла бы аккумулироваться, а в ночное время - использоваться для покрытия нагрузки. Другим вариантом является аккумулирование электроэнергии, например, с помощью -гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Обе системы аккумулиро­вания энергии имеют недостатки - высокую стоимость и низкий КПД.

Рассмотренные выше системы преобразования солнечной энергии могут быть названы непрямыми системами преобразования, так как энергия солнечного излучения преобразуется в электрическую энергию в несколько стадий. На этих стадиях неизбежны потери энергии.

Существуют способы непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую без использования промежуточных стадий. Например, фотоэлектрическим преобразованием. В настоящее время по­явились два направления крупномасштабного использования принципа фотоэлектрического преобразования. Одно из них предусматривает ис­пользование искусственных спутников Земли, выведенных на геосинх­ронные орбиты и оборудованных солнечными панелями из фотоэлемен­тов. Вырабатываемая ими электроэнергия преобразуется в электромаг­нитные волны в микроволновом диапазоне частот и направляется на Землю. Приемная антенна площадью около 3 км2 могла бы обеспечить прием мощности, примерно 3 ГВт при интенсивности излучения 1 кВт/м2. О практической реализации этого направления в ближайшие годы говорить рано, поскольку созданные к настоящему времени преобразовательные устройства обладают очень малым КПД, а их масса и стоимость слишком велики.

Второе направление предусматривает монтаж сборных панелей солнечных фотоэлектрических элементов в малонаселенных пустынных районах Земли.

3. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

3.1. Ядерное деление.

Если предположить, что начнется более широкое использование угля, то органических топлив, возможно, хватит на четыре-пять деся­тилетий для обеспечения потребностей человечества в энергии. После этого периода основным энергоресурсом может стать или не стать солнечная энергия. Практически уже сейчас ощущается необходимость иметь источник энергии на переходный период, причем этот источник должен быть практически неисчерпаемым, дешевым, возобновляемым и не загрязняющим окружающую среду. И, хотя ядерная энергия не отве­чает полностью всем перечисленным, требованиям, вероятно, что имен­но она будет "переходным" источником энергии. Чтобы достоверно оценить общие ресурсы ядерной энергии, рассмотрим коротко два из­вестных ядерных процесса - деление и синтез.

Ядерные реакторы используют избыточную энергию деления изото­па урана с массой 235, которая в среднем составляет 210 МэВ на один распад (1 эВ=1,6*10-19 Дж). Устройство реактора достаточно сложно, если говорить о технических деталях, однако, по сути, это всего лишь паровой котел, производящий пар для вращения турбины (рис.3.1).