Способы преобразования различных видов энергии в электрическую: современное состояние и перспективы развития

Ветровая энергия является относительно экологически чистой: проблема шума при  работе и помехи в телевизионных  каналах, создаваемые электростатическими  зарядами на стальных лопастях, могут  быть легко решены. Сложнее предотвращать  гибель птиц на лопастях и устранить  восприятие некоторыми людьми ветроустановок как чужеродных элементов пейзажа.

Энергия воды

Вода, которую еще в древности  использовали для совершения механической работы, до сих пор остается хорошим  источником энергии—теперь уже электрической—для нашей промышленной цивилизации. Энергия падающей воды, вращавшей водяное колесо, служила непосредственно для размола зерна, распиливания древесины и производства тканей. Однако мельницы и лесопилки на наших реках стали исчезать, когда в восьмидесятых годах прошлого века началось производство электроэнергии у водопадов.

Существуют два основных метода преобразования энергии воды в электроэнергию.  

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.

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.

Океаны содержат потенциальную  энергию в виде тепла, энергии  течений, волн и приливов. Технический  энергопотенциал приливов оценивается в 780 млн. кВт. В Канаде эксплуатируется приливная станция мощностью 20 МВт (Аннаполис). В России имеется небольшая станция в районе Мурманска мощностью 400 кВт, разрабатываются станции для Дальневосточного района мощностью 87 млн. кВт.Потенциальная выработка приливных электростанций в США оценивается в 350 млрд. кВт/ч, во Франции — в 40 млрд. кВт/ч в год. 

Первоисточником энергии служит солнце, испаряющее воду из океанов, озер и  рек. Водяной пар конденсируется в виде дождя, выпадающего в возвышенных  местностях и стекающего вниз в моря. Гидростанции встают на пути этого  стока и перехватывают энергию  движущейся воды—энергию, которая иначе была бы израсходована на перенос отложений к морю.

Первые гидроэлектростанции использовали реку в ее естественном виде, но сейчас в большинстве случаев строят плотины, чтобы увеличить высоту падения воды и выровнять ее поступление. Сооружение гидроэнергетических установок  обходится дорого, но их эксплуатация сравнительно дешева, потому что «топливо» бесплатно.

При гидроэлектрической генерации энергии электричество получают, используя энергию воды, перетекающей из высшего уровня к низшему и вращающей при этом турбину. Некоторые страны, такие, как Новая Зеландия, Швейцария, Норвегия и Канада, получают буквально всю свою электрическую энергию из этого источника, при этом даже электрохимическая индустрия основана на энергии гидроэлектростанций.

Этот метод имеет преимущества: не загрязняет атмосферу, легко управляется  прием поворота механизированного  клапана на подаче воды, поэтому  проблем, связанных с пиковыми нагрузками, нет. Однако гидроэнергетика не безвредна  для окружающей среды, имеются трудности  в широком развитии гидроэлектрических ресурсов. Требуется накопление больших  объемов воды, затопление долин и  обширных площадей земли, часто ценной для коммерческого использования  и для отдыха людей, или ненарушенных заповедных земель, в которых происходят нежелательные экологические изменения. Это вызвало широкие протесты общественности в разных инстанциях, однако с ограниченным успехом. В частности, произошел подъем воды в оз. Пиддер в Тасмании, оз. Мэнапури в Новой Зеландии и затопление природного образования из песчаников Райбоу Бриджа Южной Юте. Плотины и водохранилища не только выводят из оборота затопляемые земли, но и влияют на качество воды, которая накапливается и постепенно спускается. Кроме того, страдает и русло реки ниже плотины. Утрата земельных угодий—это очевидное следствие, однако снижение качества воды—результат неожиданный. В зависимости от сезона вода, поступающая из водохранилища, может содержать очень мало растворенного кислорода, и тогда она окажется неблагоприятной средой для рыб и других обычных водных организмов. И наконец, спускаемая вода в большейстепени размывает русло потока, чем это делала бы незапруженная река.

В связи с трудностями, возникающими на станциях, использующих ископаемое топливо при пиковых нагрузках, развитие гидроэлектростанций поощрялось производителями электроэнергии. Одной  из последних идей в этой области  является "накачивание" аккумуляторов  — метод, который может быть использован  также в системах солнечной или  ветряной энергетики. Вода, прошедшая  через турбины, аккумулируется в  больших накопительных прудах. Ночью, по окончании пиковой нагрузки, тепловые или ядерные станции перекачивают воду, обратно на верхний уровень. При этом применяются неиспользуемые или простаивающие мощности основных станций, часто ядерные В настоящее время пиковые потребности в электричестве часто обеспечиваются старыми городскими электростанциями, что ведет к повышению уровня эмиссий, к потреблению газа или жидкого топлива, которые могли быть лучше использованы для других целей. Замена их "накачиваемыми" гидроаккумуляторами имеет много преимуществ как экономических, так и экологических.

Недавно созданные турбины позволяют  генерировать электричество при  гораздо меньшей разнице в  уровнях воды, так что энергия  может вырабатываться за счет приливов, потоков с небольшим уклоном, оросительных каналов и на реках  ниже существующих плотин.

Что касается гидроэнергии, которая  в настоящее время обеспечивает 1/5 мирового производства электроэнергий, то наиболее перспективными, с точки  зрения будущего увеличения ее выработки, являются страны третьего мира.

Геотермальная энергия

Говоря просто геотермальная энергия—это  энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра где как полагают металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии до поверхности Земли

Геотермальные ресурсы огромны. Истоки их освоения уходят еще в глубокую древность. Тепло Земли уже сейчас вносит вклад в современную энергетику, но он не соответствует ни экономической  и экологической эффективности, ни ресурсам, пригодным для освоения имеющимися техническими средствами. Остается надеяться, что повсеместное введение новой интенсивной циркуляционной технологии для производства геотермальной  энергии приведет к более широкому ее использованию.

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами  —для выработки электроэнергии и  для обогрева домов, учреждений и  промышленных предприятии Для какой из этих целей она будет использоваться зависит от формы в которой она поступает в наше распоряжениее Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого "сухого пара" т е пара без примеси водяных капелек Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии Конденсационную воду можно возвращать в землю и при ее достаточно хорошем качестве—сбрасывать в ближний водоем.

В других местах, где имеется смесь  воды с паром (влажный пар), этот пар  отделяют и затем используют для  вращения турбин; капли воды повредили  бы турбину. Наконец, в большинстве  месторождений есть только горячая  вода, и энергию здесь можно  вырабатывать, пользуясь этой водой  для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс называют системой с бинарным циклом. Горячей водой можно непосредственно обогревать жилища, общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).

В районах, отличающихся газотермальной активностью для отопления используются парогеотермальные источники. Применение этого способа отопления лимитируется наличием в мире соответствующих районов. Тем не менее имеется потенциальная возможность его расширения путем прокачивания геотермальных вод через горячие подземные породы, где они находятся на умеренной глубине.

Применение геотермальных вод  не может рассматриваться как  экологически чистое потому, что пар  часто сопровождается газообразными  выбросами, включая сероводород и радон-оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вщающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того, там, где смесь воды и пара извлекается из земли для электростанций, работающих на влажном паре, и там, где горячая вода извлекается для станций с бинарным циклом, воду необходимо удалять. Эта вода может быть необычно соленой (до 20% соли), и тогда потребуется перекачка ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера мог бы уничтожить в них пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко содержатся также значительные количества сероводорода—дурно пахнущего газа, опасного в больших концентрациях.

Обоснование и строительство первых в нашей стране опытных ГЦС  с гидроразрывом горячих пород также базируется на результатах зарубежных исследований. Вместе с тем у нас разрабатываются оригинальные технологические схемы. Ископаемое топливо исчерпаемо, и поэтому уже сейчас нужно не только задумываться о поиске альтернативных источников энергии, но и смело проводить технологические эксперименты по внедрению в нашу жизнь новых нетрадиционных источников, которые, вполне возможно, откроют серьезные перспективы для электроэнергетики будущего. И наряду со многими идеями нельзя отрицать важности использования геотермальной энергии - энергии нашей родной Земли.

Запасы геотермальной энергии  составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы  распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.

В России геотермальные источники  экономически расположены невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова  отличаются слабой инфраструктурой, высокой  сейсмичностью, малонаселенностью, сложным  рельефом местности. Общие запасы этого  вида энергии в России оцениваются  в 2000 МВт. В настоящее время в  России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт.

Вода и пар разделяются в  циклонах. Вода, находящаяся под  высоким давлением, преобразуется  в пар и также используется для генерации электричества. Давление пара значительно меньше по сравнению  с современными тепловыми электростанциями, и это вынуждает применять  крупные турбины с ограниченной генерирующей способностью. Впрочем, следует  иметь в виду, что топливо в  данном случае бесплатное и результирующая стоимость энергии поэтому низка. Сведений о продолжительности жизни геотермальных источников мало, и поэтому, хотя геотермальная энергия производится при малых затратах, проекты, рассчитанные на долгую перспективу, неизвестны. Этот способ может снабжать только небольшой долей требуемой энергии даже те страны, в которых доступны геотермальные воды, и тоже не свободен от проблемы загрязнения атмосферы.

Основное направление развития геотермальной энергетики — отбор  теплоты не только термальных вод, но и водовмещающих горных пород  путем закачки отработанной воды в пласты, преобразование глубинной  теплоты в электрическую энергию. Такое использование глубинной  теплоты обеспечит экологическую  безопасность технологии ее использования.

Энергия биомассы

Для производства электрической  и тепловой энергии в лесоперерабатывающей промышленности широко используется биомасса — энергоносители растительного  происхождения, образуемые в процессе фотосинтеза. Содержание серы в биомассе составляет менее 0,1 %, зольность — 3-5 % (в угле.,эти показатели равны 2-3 и 10-15 % соответственно). Если производство биомассы соизмеримо с ее сжиганием, содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным. Наиболее оптимальный способ использования биомассы — ее газификация с последующим срабатыванием в газовых турбинах.  
Предварительные расчеты, проведенные в Принстонском университете, показывают, что турбогенераторы, работающие на продуктах газификации биомассы, могут успешно конкурировать с традиционными тепловыми, ядерными и гидравлическими энергоустановками. Наиболее перспективными областями применения таких турбогенераторов уже в ближайшем будущем могут стать отрасли экономики, в которых скапливаются большие объемы биомассы (в частности, сахарные и винокуренные заводы, перерабатывающие сахарный тростник). Так, в Бразилии при использовании биомассы с винокуренных предприятий образуется столь значительный избыток электроэнергии, что ее реализация делает спирт дешевле нефти. Только из сахарного тростника может быть произведено 50 % энергии, которая вырабатывается сейчас всеми источниками в 80-ти развивающихся странах, где выращивают эту культуру.