Экологически чистые источники получения электроэнергии

Принцип работы ветроустановок очень  прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.

Для получения энергии  ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной  мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает.

 

3. Геотермальные электростанции

 

Около 4% всех запасов воды на нашей планете сосредоточено под землей – в толщах горных пород. Воды, температура которых превышает 20º С, называют термальными (от греч. «терме» - «тепло», «жар»). Нагреваются подземные озера и реки в результате радиоактивных процессов и химических реакций, протекающих в недрах Земли. В районах вулканической деятельности на глубине 500-1000 м встречаются бассейны с температурой 150-250 ºС; вода в них находится под большим давлением и, поэтому не кипит. В горных областях термальные воды нередко выходят на поверхность в виде горячих источников с температурой до 90 ºС.

Люди научились использовать глубинное тепло Земли в хозяйственных  целях. В странах, где термальные воды подходят близко к поверхности, сооружают геотермальные электростанции (геоТЭС). Они преобразуют тепловую энергию подземных источников в электрическую. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетка, в районе вулканов Кошелева и Кабального. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (в Калифорнии, в Долине Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии (в районе Уайракеи), Мексике и Японии.

Геотермальные станции  устроены относительно просто: здесь  нет котельной, оборудования для подачи топлива, золоулавливателей и многих других приспособлений, необходимых для обычных тепловых электростанций. Постольку топливо у геоТЭС бесплатное, то и себестоимость вырабатываемой электроэнергии в несколько раз ниже.

Существует несколько  схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешенная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшейся в результате конденсации, удаляют не растворившееся в ней газы.

В России, Болгарии, Венгрии, Грузии, Исландии, США, Японии и других странах термальными водами обогревают здания, теплицы, парники, плавательные бассейны. А столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.

4. Солнечная энергия

 

Солнце изливает на Землю  океан энергии. Человек буквально  купается в этом океане, энергия везде. А человек, словно не замечая этого, вгрызается в землю за углем и нефтью, чтобы добыть энергию для заводов и фабрик, для освещения и отопления. И ведь добывает-то он всю ту же энергию Солнца, которую «впитали» растения былых времен, ставшие потом углем. Растения способны уловить меньше одного процента падающей на листья солнечной энергии, а после сжигания угля ее выделяется и того меньше. Солнечная энергия доступна всем и каждому. Ее практически сколько угодно. Она экологична – ничего не загрязняет, ничего не нарушает, она дает жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая, но при всех своих достоинствах и самая дорогая. Именно поэтому солнечные электростанции не так распространены, как электростанции других видов.

Солнечная энергия используется также в небольших автомобилях  на солнечных батареях, на космических станциях и спутниках.

Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам получения гелиоэнергии. Но может создаться такое положение в мире, когда относительная дороговизна солнечной энергии будет не самым большим ее недостатком. Речь идет о «тепловом загрязнении» планеты вследствие гигантского масштаба потреблении энергии. Необратимые последствия, утверждают ученые, наступят, если потребление энергии превысит сегодняшний уровень в сто раз. Упускать этого из виду никак нельзя. Вывод же ученых таков: на определенном этапе развития цивилизации крупномасштабное использование экологически чистой солнечной энергии становится полностью необходимым. Но это не значит, что у гелиоэнергетики нет противников. Вот их резоны: из-за низкой плотности солнечного излучения установка аппаратуры для его улавливания приведет к изъятию из землепользования огромных полезных площадей, не считая крайней дороговизны оборудования и материалов.

Пока же предстоит  еще долгий путь, прежде чем удастся  вырабатывать из солнечных лучей  электроэнергию, сравнимую по стоимости  с производимой за счет сжигания традиционного ископаемого топлива. Разумеется, нереально в таких условиях рассчитывать хотя бы в обозримом будущем перевести всю энергетику на гелиотехнику. Пока ее удел – набирать мощности и снижать стоимость своего киловатт-часа. При этом не стоит забывать, что с точки зрения экологии солнечная энергия действительно идеальна, поскольку не нарушает равновесия в природе.

 

5. Водородная экономика

 

Один из самых необычных  и, пожалуй, самых привлекательных  сценариев энергетического будущего человечества открывает проект «Водородная экономика». Его суть заключается в замене ископаемого топлива водородом. Физический и химический смысл проекта ясен: основная энергия в нефти, газе, каменном угле и дереве запасена в виде углеводородов – соединений углерода с водородом. И не углерод, а именно водород дает при сжигании наибольшее количество тепловой энергии, превращаемой затем в механическую.

Водорода на земле  огромное количество, причем огромные его запасы сосредоточены не в углеводородах, а в воде. Но если для получения энергии из нефти, газа, каменного угля и дерева их достаточно сжечь, то с водой так поступить нельзя: слишком прочно связаны в ней водород и кислород. Современной науке известны два основных способа разложения воды на составляющие ее химические элементы: пиролиз (от греч «пир» – «огонь» и «лизис» - «разложение»), когда воду нагревают до очень высокой температуры, и электролиз, когда через воду пропускают электрический ток.

Однако оба этих способа  очень энергоемки, а потому непригодны для получения больших количеств  водорода. Но представьте себе, что удастся найти метод легкого разрушения молекул воды. Тогда в технике произойдет настоящий переворот. В реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, турбинах, топках котельных установок перестанут сжигать сотни миллионов тонн нефти, угля и их производных. Превратится выброс в атмосферу вредных для жизни продуктов внутреннего сгорания топлива: ведь выхлоп двигателя, работающих на водороде, - чистая вода. Полезные ископаемые можно добывать гораздо в меньших количествах и использовать только как сырье для химической промышленности, производящей пластмассы, лекарства и другие необходимые людям вещи.

В наши дни проблему промышленного  получения дешевого водорода пытаются решить разные специалисты. Химики ищут катализатор, при помощи которого вода станет разлагаться при меньших затратах энергии. Физики разрабатывают способы получения дешевого электричества, что сделает экономически выгодным электролиз воды. Не остались в стороне и биологи. Они пытаются вывести бактерии, способные разлагать воду на кислород и водород с помощью солнечного света. Ученым давно известны микроорганизмы, выделяющие водород, но в таком малом количестве, что о промышленном их применении говорить не приходится. Если же производительность бактерий удастся повысить, то у человечества появится шанс пережить еще одну энергетическую революцию и получить новый, практически неисчерпаемый, к тому же экологически чистый источник энергии.

 

6. Энергия из космоса

 

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности  Земли мешает атмосфера. Само собой  напрашивается решение: разместить солнечные энергостанции в космосе, на около земной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

Но Солнце не единственный космический источник энергии, которым  могут воспользоваться земляне. Не исключено, что на других небесных телах есть энергоносители, по своей мощности во много раз превосходящие имеющиеся на нашей планете. В поверхностных слоях лунного грунта, например, найдены запасы гелия-3, который на Земле отсутствует. Предполагается, что получить термоядерную энергию из этого изотопа проще, чем из других. Между тем считанные килограммы гелия-3 удовлетворят годовую потребность в энергии всего человечества.

 

7. Термоядерная энергия

 

Одним из перспективных  источников получения электричества является освоение термоядерной энергии, т.е. энергии трития и дейтерия, содержащихся в неисчерпаемых количествах в воде океанов.

 Во время химической  реакции изменяются электронные  оболочки атомов. В результате ядерной реакции иным становится строение атомного ядра – гораздо более прочного, чем атом. Поэтому при распаде тяжелых ядер (в реакции деления) или, наоборот, при слиянии легких (в реакциях синтеза), когда образуются ядра элементов средней массы, выделяется огромное количество энергии.

Например, при делении одного атома урана – реакции, используемой для получения энергии в современных атомных станциях, - выделяется около 1 МэВ энергии на каждый нуклон. (Нуклонами называют протоны и нейтроны, являющиеся составными частями ядер атомов.) В ходе реакции дейтерия D (тяжелого водорода, атом которого содержит в ядре нейтрон n) с протоном p синтезируется изотоп гелий-3, излучается γ-частица и выделяется примерно 5 МэВ энергии на один нуклон, т.е. в 5 раз больше:

₁D² + p → ₂He³ + γ.

В природной воде один атом дейтерия приходится на 7 тыс. атомов водорода, но дейтерия, содержащегося в стакане воды достаточно, чтобы произвести столько же энергии, сколько можно получить при сгорании бочки бензина. В Мировом океане 4·1013 т дейтерия; его хватит всем жителям Земли на 4 тыс. лет.

Еще больше энергии выделяется в реакциях сверхтяжелого изотопа  водорода – трития Т, в ядре которого два нейтрона:

₁T³ + p → ₂He⁴+ γ + 19,7 МэВ

₁T³+₁D² → ₂He⁴ + n + 17,6 МэВ

Трития в природе  нет, но в достаточных количествах  его можно получить в атомных реакторах, воздействуя потоком электронов на атомы лития:

N + ₃Li⁷ → ₂He⁴ + T

Однако осуществить  эту реакцию весьма непросто: она  начнется лишь в том случае, если ядра атомов сблизятся настолько, что  возникнут силы ядерного притяжения (так называемого сильного взаимодействия). Это расстояние на пять порядков меньше размеров атома, и, пока электроны остаются на своих орбитах, они не позволят ядрам атомов сблизиться. Да и сами ядра до начала сильного взаимодействия расталкиваются кулоновскими силами. 
Заключение

 

 Итак, спор о том,  что опаснее, а что выгоднее  в производстве электроэнергии пока что не завершен. Да и вряд ли буде окончательно завершен в ближайшее время. Человечество постоянно совершенствует способы получения так необходимой ему энергии, в том числе электрической. Но будет ли у этого и другого нового способа будущее, и насколько они окажутся безопасными для человека и природы? Эти вопросы необходимо решать намного раньше, не дожидаясь аварий и катастроф, которые становятся более опасными по мере проникновения человеческого разума в тайны природы.

Несмотря на внешнюю  привлекательность «нетрадиционных» видов получения электроэнергии, иногда называемых «малой энергетикой», у них есть ряд недостатков. Само это второе название говорит, прежде всего, о том, что с их помощью пока, на современном уровне развития техники и экономики, невозможно получить так же много электроэнергии, как с помощью тепловой, гидро- или атомной энергетики. Но, возможно, этот недостаток преодолим в ближайшие десятилетия. А вот какие могут быть вредные последствия от развития такой нетрадиционной энергетики?

Например, существует в  мире несколько электростанций, которые  используют энергию приливов и отливов в океанах и морях. Казалось бы, что может быть лучше – практически безотходный способ получения энергии, почти вечный двигатель. Но, оказывается, если таких станций построить много, они могут существенно замедлить вращение Земли вокруг своей оси! Вред от такого вмешательства в природу может совершенно непредсказуемым и непоправимым. Солнечные электростанции так же, как и ветряные, и геотермальные пока могут быть построены далеко не везде.

А в Германии чрезмерное использование энергии ветра  привело к ослаблению ветров, которые раньше выдували смог и вредные отходы, выделяемые в окружающую среду фабриками и заводами, с территории городов. Теперь экология этих населенных пунктов заметно ухудшилась.