ВОДА И ЕЕ РОЛЬ В РЕШЕНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ
Аннотация.
В настоящее время как никогда остро встал вопрос: что ждет человечество – энергетический голод или энергетическое изобилие? Истощение природных ресурсов, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды - потребовали нового подхода к энергетике. Поэтому ученые всего мира занимаются поиском эффективных способов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
В работе показано, какую роль в решении этой проблемы должны сыграть водные ресурсы. Рассмотрены возможности использования энергии морских волн, энергии, получаемой за счет разницы температур разных слоев морской воды, энергии морских приливов. Показаны также возможности термоядерной энергетики, которая использует дейтерий, запасы которого огромны в Мировом океане. Термоядерная энергетика является более чистой, чем топливная, более безопасной и простой, чем ядерная, и более мощной, чем используемые альтернативные источники энергии.
Ключевые слова:
нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, энергия морских волн, температурный градиент, энергия морских приливов, термоядерная энергетика, дейтерий. тритий.
«Сейчас, когда человечество из безсмертного стало
смертным, миру понадобится новое мышление»
Альберт Эйнштейн.
Основой развития современной цивилизации является энергетика. От состояния энергетики зависят темпы научно-технического прогресса, интенсификации производства и жизненный уровень людей. Именно сейчас как никогда остро встал вопрос: что ждет человечество – энергетический голод или энергетическое изобилие? Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. Новые факторы – истощение природных ресурсов, постоянно меняющиеся цены на нефть и природный газ, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды - потребовали нового подхода к энергетике, привели к поиску других видов топлива, пригодных для замены нефти и газа. Еще Дмитрий Иванович Менделеев говорил: «Нефть – не топливо, топить можно и ассигнациями!» (ведь нефть – ценнейший продукт для получения пластмасс, каучука, красителей, синтетических тканей и т. п.). Но развитие цивилизации требует все больше и больше энергии. Поэтому ученые всего мира занимаются поиском эффективных способов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Расширение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии во многом связывается с надеждами на получение экологически более безопасных источников энергии. В нашей работе мы покажем, какую роль в решении этой проблемы должны сыграть водные ресурсы.
Вода, которую еще в древности использовали для совершения механической работы, до сих пор остается хорошим источником энергии—теперь уже электрической—для нашей промышленной цивилизации.
Движение воды, вызываемое солнечной энергией, представляет собой возобновляемый ресурс. Солнце действует, как гигантская помпа, выкачивающая воду из моря и сбрасывающая ее на сушу, с которой она снова стекает в море. Примерно 23 % солнечной радиации уходит на испарение воды, выпадающей затем в виде различных осадков [1]. В настоящее время из всех возобновляемых энергетических ресурсов наиболее интенсивно используется сила движущейся воды, причем уровень использования энергии рек в Северном полушарии находится, видимо, на пределе разумного (допустимого), а наибольший неосвоенный потенциал вод характерен для Южной Америки и Африки. Учитывая, что ресурсы угля на этих континентах невелики, использование энергии воды выглядит вполне реальным.
Громадный энергетический потенциал содержит Мировой океан. Это, во-первых, энергия Солнца, поглощенная океанской водой, которая проявляется в энергии морских течений, волн, прибоя, разницы температур разных слоев морской воды и, во-вторых, энергия притяжения Луны и Солнца, которая вызывает морские приливы и отливы. Используется этот большой и экологически чистый потенциал еще крайне мало.
Одна из первых электростанций, которая использует энергию морских волн, построена вблизи норвежского города Бергена. Она имеет мощность 350 кВт и обеспечивает энергией поселок в 100 домов. В настоящее время исследуются возможности создания более мощных волновых станций. А румынские ученые провели удачные опыты с установками для превращения энергии морских волн в электроэнергию на Черном море, которое вблизи побережья Румынии ничем не отличается (с энергетической точки зрения) от того, что обмывает берега Украины.
Все типы морских волновых электростанций, которые строятся и действуют сегодня, построены по единому принципу: в специальном буе под действием волны колеблется уровень воды. Это приводит к сжиманию в нем воздуха, который двигает турбину. В экспериментальных электростанциях даже небольшие волны высотой 35 см принуждают турбину развивать скорость свыше 2 тыс. оборотов за минуту. Метровой высоты волна обеспечивает от 25 до ЗО кВт энергии, а в некоторых частях Мирового океана, например в Тихом океане, можно получить до 90 кВт [2].
Другой разновидностью морских электростанций являются установки, которые преобразуют энергию морского прибоя. Кроме упомянутого поплавкового принципа, такие станции используют также принцип закачки сильным прибоем морской воды в резервуар, расположенный выше уровня моря. Оттуда вода спускается вниз, вращая турбины энергоустановок.
В открытом океане солнечные лучи нагревают, в первую очередь, его поверхность, благодаря чему в толще воды создается температурный градиент, составляющий 150С на 1000 м. На этом явлении основан принцип получения электроэнергии. В специальный теплообменник закачивается насосами холодная глубинная вода и нагретая Солнцем поверхностная. Рабочий агент (фреон), как в домашнем холодильнике, поочередно испаряется и переходит в жидкое состояние в разных частях теплообменника. Пары фреона двигают турбину генератора. Если эффективность энергоустановки, работающей на указанном температурном перепаде, составит хотя бы 1 %, то в этом случае потенциал термальной энергии океана превысит потенциал всех горючих ископаемых [1]. В настоящее время такая установка мощностью 100 кВт работает на тихоокеанском острове Науру, обеспечивая энергетическую потребность населения этого острова.
Наконец, разработаны и уже действуют электростанции, которые используют энергию морских приливов. Выгодны они на тех участках побережья Мирового океана, где приливы бывают наивысшими. К таким участкам принадлежат канадский залив Фанди (высота прилива составляет 17 м), пролив Ла-Манш (15), Пенжинский залив Охотского моря (13 м) и т. п. На побережье Черного моря высота приливов очень незначительная. В настоящее время построено и работает несколько приливных станций: в устье р. Ране на побережье Ла-Манша (Франция) мощностью 240 тыс. кВт и Кислогубская на Кольском заливе (Россия) мощностью 400 кВт.
Приливы—это результат гравитационного притяжения больших масс воды океанов со стороны Луны и, в меньшей степени. Солнца. При вращении Земли часть воды океана поднимается и некоторое время удерживается в этом положении гравитационным притяжением. Когда «горб» подъема воды под действием Луны достигает суши, как это должно происходить вследствие вращения Земли, наступает прилив. Дальнейшее вращение Земли ослабляет воздействие Луны на эту часть океана, и прилив спадает. Приливы и отливы повторяются дважды в сутки, хотя их точное время изменяется в зависимости от сезона и положения Луны.
Средняя высота прилива составляет всего лишь 0,5 м, за исключением тех случаев, когда водные массы перемещаются в относительно узких пределах. В таких случаях возникает волна, высота которой может в 10—20 раз превышать нормальную высоту приливного подъема. Приливы в заливе Фанди, наибольшие в мире, достигают высоты 16 м. Между Англией и европейским побережьем (Франция, Бельгия, Голландия) тоже возникают такие приливы. Каждый год наиболее высокие приливы случаются тогда, когда Луна и Солнце находятся почти на одной линии, так что их суммарное гравитационное воздействие увеличивает объем перемещаемой океанской воды [3]..
Приливная энергия используется для заполнения резервуара, образованного дамбой. Отток воды при отливе может быть использован для привода турбины, в основном таким же образом, как на гидростанциях. В мире имеется ограниченное число мест, где разница высот воды при приливе и отливе достаточно велика, чтобы обосновать целесообразность приливной электростанции. Такая ситуация имеется во Франции в устье реки Ранее, где в настоящее время работает приливная электростанция. Имеются также предложения по использованию существенной энергии волн, однако это более сложная задача, потому что в данном случае энергия рассеяна на большом пространстве.
Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду будет связано, в частности, с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружений при высоких приливах или во время штормов и к вторжению соленой воды в устья рек и подземные водоносные слои. Водные пищевые цепи и сообщества организмов в приливной зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и усилившихся течений как за плотиной, так и перед ней; для водных организмов небезопасно также прохождение через турбины.
Широкое внедрение морских электростанций разных типов сдерживается относительно высокой их стоимостью. Однако ученые пришли к выводу, что их энергетический баланс (соотношение полученной и затраченной энергии) может быть более высоким, чем в некоторых АЭС и ТЭС, которые работают на угле и нефти. Расчеты и проекты инженеров свидетельствуют, что в ближайшем будущем возможно сооружение больших электростанций такого типа. Привлекают внимание проекты электростанций, расположенных на плавучих установках вдали от берега. В некоторых проектах предлагается получать энергию на таких станциях комплексным способом (например, за счет волн, разницы температур, а также ветра и Солнца). Эта энергия может использоваться для производства водорода или передаваться на берег по подводному кабелю.
Работа упомянутых электростанций не вызывает загрязнения окружающей среды, в частности и теплового, потому что они лишь превращают аккумулированную в волнах, приливах и тому подобное энергию Солнца и Луны в другие виды энергии, в частности электрическую.
И, наконец, нельзя не сказать о возможностях термоядерной энергетики, В связи с огромной потенциальной опасностью АЭС для биосферы ученые и энергетики сегодня возлагают надежды на другой способ добывания энергии, а именно с помощью термоядерных электростанций (ТЯЭС). И хотя в мире пока не действует ни одна ТЯЭС, многие ученые убеждены, что этот способ добывания энергии станет основным в XXI ст. и вытеснит АЭС и ТЭС. Термоядерная энергетика является более чистой, чем топливная, более безопасной и простой, чем ядерная, и более мощной, чем используемые альтернативные источники энергии [4].
На ТЯЭС энергия будет добываться не за счет расщепления тяжелых ядер урана, а в результате слияния легких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) и образования из них ядер гелия. Такие реакции питают энергией Солнце и бесчисленное количество других звезд во Вселенной. Каждый раз, когда осуществляется такое слияние, высвобождается 7,9*10-13 Дж энергии. Каждый кубический сантиметр морской воды содержит приблизительно 1016 атомов дейтерия, а поскольку объем океана равен 1,35*1024 см3, потенциальная энергия при синтезе гелия составляет 10,7*1027 Дж [1].
В настоящее время над разработкой промышленных термоядерных реакторов работают ученые многих стран: Европейского Союза, США, России. Японии, Канады. Как считает большинство ученых, занятых этой проблемой, первый прототип коммерческого термоядерного реактора планируется создать в первой четверти XXI ст.
Этот способ получения электроэнергии будет иметь безусловные преимущества над теми, которые используются сегодня на тепловых и атомных электростанциях [5]:
• ТЯЭС будут характеризоваться высокой степенью безопасности работы, потому что конструкция термоядерного реактора такая, что при каком-нибудь ее повреждении или нарушении режима автоматически прекращается термоядерная реакция и выключается реактор;
• в термоядерном реакторе в то же время будет содержаться лишь несколько граммов «топлива» — дейтерия и трития, которые являются относительно низкорадиоактивными (сравните со 180 т урана, который загружается в реактор АЭС!);
• запасы одного из компонентов топлива для ТЯЭС — дейтерия — на Земле огромны: их достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией человечество на несколько миллионов лет (например, дейтерия, который содержится в 500 л воды из какого-нибудь водоема, достаточно для удовлетворения всех энергетических потребностей одного человека на протяжении всей его жизни);
• в результате термоядерной реакции не образуются радионуклиды — продуктом реакции является нерадиоактивный газ гелий;
• ТЯЭС не будут загрязнять атмосферу веществами, способными повлечь кислотные дожди, парниковый эффект или разрушение озонового слоя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Энергия и жизнь. Экология и будущее /НАН Украины. Северо-Восточный научный центр; В. П.Семиноженко, П. М.Канило, А. И.Ровенский. – Харьков: Фолио, 1997. – 176 с.
2. Основи загальної екології: Підручник /Г. О.Білявський, М. М.Падун, Р. С.Фурдуй. – 2-е вид., зі змінами. К.: Либідь, 1995. – 368 с.
3. www. /water. html
4. www. /news/energetics
5. Основи екології: Підручник /Г. О.Білявський, Р. С.Фурдуй, І. Ю.Костіков. К.: Либідь, 2004. – 408 с.
6. www. svobodanews. ru/Article/2007.08
7. Э. А. Арустамов. Природопользование. Учебник.- М.: Издательский дом «Дашков и К0», 2001.
Основные порталы (построено редакторами)