Малая энергетика и её перспективы

   Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока.

    Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

    Сейчас  водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.

    Небольшое количество водорода получают путем  электролиза. Производство водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.

   Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т. п.

   Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе) заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий, что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000°С.

    В 1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в повторных циклах. Другие – сконструированные установки работали – при температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.

   Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.

   При сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде, более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает к. п. д. отопления на 30%.

   Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях. 

2.4. Энергия приливов и отливов.

      Несоизмеримо  более мощным источником водных потоков  являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в  год. Для сравнения: это примерно столько же энергии, сколько может дать использование в энергетических целях разведанных запасов каменного и бурого угля, вместе взятых; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года – на 1150 млрд., хрущевский “коммунизм” к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС): накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

   На сегодняшний день ПЭС уступает тепловой энергетике: кто будет вкладывать миллиарды долларов в сооружение ПЭС, когда есть нефть, газ и уголь, продаваемые развивающимися странами за бесценок? В тоже время она обладает всеми необходимыми предпосылками, чтобы в будущем стать важнейшей составляющей мировой энергетики, такой, какой сегодня, к примеру,  является природный газ.

   Для сооружения ПЭС даже в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, или даже столетия.  И все же процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.

   Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и  в настоящее время эффективно используется.

   Существуют также проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м .

   Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство. 

2.5. Преобразование солнечной энергии.

   Солнечное излучение - экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05*10¹⁸ кВт. ч, из них 2*10¹⁷ кВт/ч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62 *10¹⁶ кВт.ч. в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2*10¹² т условного топлива (т у.т.) в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре (34,2 млрд. т у.т.).

   Однако использование этой энергии для производства электричества в крупных размерах сопряжено с большими трудностями, главные из которых - низкая плотность солнечной радиации на поверхности земли и прерывистый характер ее поступления (ночное время суток, облачность, пасмурные дни). Известные пути преодоления этих препятствий - создание аккумуляторов энергии и комбинированных солнечно-топливных или солнечно-атомных энергосистем, а также применение концентрирующих солнечную энергию устройств, повышающих ее плотность. К сожалению, эти решения не нашли широкого применения особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.

      Совершенно  иных результатов можно было бы достичь  отказавшись от наземных солнечных  электростанций и размещая их на геосинхронной  орбите. 

Преобразование  солнечной радиации в электрический  ток.

      К концу XX столетия человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

      Среди машинных преобразователей наиболее известны паро- и газотурбинные установки, в течение столетия работающие на всех наземных тепловых и атомных  электростанциях. Пригодны они и  для работы в космосе, но в этом случае необходим специальный теплообменник - излучатель, выполняющий роль конденсатора пара. При этом если в наземной паротурбинной установке теплота конденсации отводится циркулирующей водой, то в условиях космоса отвод тепла отработавшего в турбине пара или газа (если это газовая турбина) возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой.

   Может показаться, что для солнечных энергоустановок, использующих бесплатную энергию, величина КПД не столь существенна, как для традиционных тепловых машин на органическом топливе. Однако это не так, ибо размеры и вес наиболее громоздких и тяжелых частей солнечных космических энергоустановок - концентратора и холодильника-излучателя - зависят прежде всего от КПД установки.

   Возможно создание энергоустановки с паротурбинным преобразователем. Здесь собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике-излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке (при одинаковых температурах подвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше, чем в ЗГТУ. У установки, работающей на органическом рабочем теле, КПД составлял 15-20% при сравнительно невысоких температурах подвода тепла - всего 600-650 К.

   Общим же недостатком всех машинных преобразователей является наличие в них вращающихся частей, что создает проблемы с поддержанием неизменной ориентации станции. Кроме того, из-за использования в качестве рабочего тела газа или пара необходима специальная защита излучателя от пробоя метеоритами.

   От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток. 

      Термоэлектрический  метод

      Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.

      Открытый  эффект первоначально использовался  в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств-термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940-1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор.  

      Фотоэлектрический метод преобразования энергии

      Солнечная батарея основана на явлении внешнего фотоэффекта, проявляющегося на р-n-переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают р-n (или n-р-)-переход введением в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. Например, в кремний вводят алюминий или литий. В результате при попадании на р-n-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. КПД современных солнечных батарей достигает 13-15%. Наиболее перспективны для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м² и 200 Вт/кг. При использовании в качестве преобразователя СКЭС мощностью 10 ГВт этих солнечных батарей их площадь составила бы 50 км² при весе 10 тыс. т.