Энергоресурсы. Возобновляемые и истощаемые энергоресурсы

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

 

Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) – совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе, называется первичной, а энергоресурсы – первичными энергоресурсами.

На классификационной схеме (рис. 2.1) выделены традиционные виды энергии, которые широко используются человечеством, и нетрадиционные виды энергии, мало использовавшиеся до последнего времени в силу отсутствия экономических условий и эффективных способов их промышленного преобразования в такие энергоносители как электроэнергия, тепловая или механическая энергия.

 

Рис. 2.1. Классификация первичных энергоресурсов

 

Энергоресурсы подразделяют также на возобновляемые и невозобновляемые.

Невозобновляемые энергоресурсы – это те, которые ранее были накоплены в природе и в новых геологических условиях либо вообще не образуются, либо их образование идет с гораздо меньшей скоростью, чем потребление.

К невозобновляемым энергоресурсам относят органические виды топлива и атомную энергию.

Возобновляемые энергоресурсы – это те, восстановление которых постоянно осуществляется в природе (на схеме (см. рис. 2.1) эти виды энергии показаны в ячейках с заливкой).

К возобновляемым энергоресурсам относят энергию: солнца; мирового океана в виде энергии приливов и отливов; энергию волн; рек; ветра; морских течений, геотермальных источников; биомассу, вырабатываемую из морских водорослей, твердых бытовых отходов.

Недостатком возобновляемых источников энергии является низкая степень ее концентрации. Но это в значительной степени компенсируется широким распространением, относительно высокой экологической частотой и их практической неисчерпаемостью. Такие источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи энергии на расстояние. Энергетика, работающая на этих источниках, использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве, перераспределяет, но не нарушает их общий баланс.

Неиспользование потоков энергии возобновляемых источников приводит к ее безвозвратной потере, предопределяет несколько иной подход к оценке эффективности устройств, применяющих эти источники, по сравнению с устройствами, работающими на невозобновляемых ресурсах.

Учитывая истощенность энергетических ресурсов, роль использования возобновляемых источников энергии во многих странах с каждым годом возрастает. Так, выработка электроэнергии на ветряных установках увеличивается в среднем в год на 24 %, от солнечных батарей – на 17 %, а на геотермальных станциях – на 4 %. В Дании на ветроустановках вырабатывается 10 % всей производимой в стране электроэнергии, в германской земле Шлезвиг-Гольштейн – 14 %, в провинции Наварра (Испания) – 22 %.

Солнечная энергия преимущественно используется для горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения вод, других технологических целей, а также преобразования ее в электрическую энергию. В дальнейшем на первое место должны выйти технологии по преобразованию солнечной энергии в электрическую и химическую энергию. Находит применение солнечная энергия также на наземных транспортных средствах, водных просторах и в воздухе. В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрастает, поскольку потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

При нынешнем состоянии науки и техники солнечная электростанция может быть рентабельна, если число солнечных часов за год составляет не менее 1900. Это подтверждает и опыт строительства и эксплуатации электростанции «Тесей» мощностью 50 МВт на побережье острова Крит, где Солнце светит 2200 часов в год. По ночам и в пасмурные дни на станции подключается резервный паровой котел, работающий на мазуте. По данным метеорологов в Республике Беларусь 150 дней в году пасмурны, 185 дней – с переменной облачностью и 30 – ясных, а всего число часов солнечной радиации в Беларуси достигает 1200 часов на севере страны и 1300 – на юге.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, другой аппаратуры, их перевозки.

Несмотря на это, Япония взялась осуществить грандиозный проект перекачки энергии Солнца на Землю. Министерство экономики и промышленности объявило, что начаты научные работы, связанные с запуском в космос гигантского спутника с двумя солнечными батареями, каждая из которых – по километру в ширину и по три – в длину. Беспрецедентный проект оценивается в два триллиона иен (примерно 18 миллиардов долларов). Фактически это будет первая в истории космическая электростанция мощностью в миллион киловатт – почти на 20 % больше, чем у Днепрогэса. Сам спутник, весом 20 тыс. тонн, будет представлять собой симметричную конструкцию из трех основных частей – двух солнечных батарей-пластин по бокам и антенны-тарелки в центре. Ее диаметр составит примерно километр. Она будет передавать собранную энергию наземной антенне. Площадь исполинского диска приемной антенны измеряется несколькими квадратными километрами, а раскинут он будет где-нибудь в океане или пустыне. Экологически безупречная суперэлектростанция будет вращаться на геостационарной орбите в 36 тыс. км от планеты. Предполагается, что это произойдет не позднее 2040 г.

Энергия, заключенная в текущей воде, многие тысячелетия верно служит человеку. Запасы воды на земле колоссальны. Огромным аккумулятором энергии является мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. В нем плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. На земле рождаются многочисленные реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Люди раньше всего научились использовать энергию рек в качестве путей сообщения.

Когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса в виде водяной турбины. Считают, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 г.

В нашей стране гидроэлектростанции начали строить в 30-х годах прошлого века. Первенцем была Чигиринская ГРЭС на реке Друть в Могилевской области. В довоенные годы был построен ряд небольших гидроэлектростанций на малых реках. Большинство из них в годы войны были разрушены, а в первые послевоенные годы восстановлены и построены новые. К концу 1956 г. в нашей республике насчитывалось 162 ГЭС общей установленной мощностью 11854 кВт. Однако, начиная с 60-х годов, они начали закрываться, не выдержав конкуренции с большой энергетикой.

В последние годы во многих странах мира, особенно в Японии, Англии, странах Скандинавии, возрастающий интерес проявляется к получению энергии от морских волн, в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Создано большое количество различных центров, поглощающих и преобразовывающих волновую энергию.

В результате воздействия сил притяжения Луны и Солнца происходят периодические колебания уровня моря и атмосферного давления, что приводит к образованию приливных волн, которые и используются для выработки электроэнергии на приливных электростанциях (ПЭС). Из современных приливных электростанций наиболее хорошо известны крупномасштабная электростанция в Ране – мощностью 240 МВт (Бретань, Франция), построенная в 1967 году на приливах высотой до 13 м и, небольшая, но принципиально важная опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой Губе на побережье Баренцева моря (Россия). Блоки этой ПЭС буксировались на плаву в нужные места для включения ее в местные энергосети в часы максимальной нагрузки электроэнергии потребителями.

Большое распространение получает использование биомассы для получения электроэнергии. Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа.

Большое внимание приобрела «океанотермическая энергоконверсия» (ОТЭК), то есть получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосами глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легко испаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.

Большие запасы энергии содержатся в местах впадения пресноводных рек в моря и соленые водоемы. При наличии перепадов солености возникает осмотическое давление, которое может быть использовано для производства энергии, например, с помощью мембранных установок и другими способами.

Остается заманчивой идея использования потока теплой воды Гольфстрима, несущего ее вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час.

Наконец, не следует забывать, что химическая формула воды НОН (Н₂О) содержит газ – водород, который после извлечения из воды может использоваться в качестве горючего для самолетов, автомобилей, автобусов, как используется в настоящее время для этих целей сжиженный газ, газ метан.

Ветровая энергия использовалась человеком с давних времен для приведения в движение лодок и судов, ветряных мельниц и водоподъемников. В настоящее время ветровые установки применяются более чем в 30 странах. Использование энергии ветра возможно только в тех местах, где средняя скорость ветра на протяжении года составляет в пределах 4 м/с, или 14,4 км/ч и более. Наиболее сильные и устойчивые ветры в Европе имеют место на морском побережье в Ирландии, Шотландии, в отдельных районах Дании, Голландии, Франции, Испании, на юго-западе Англии и в Уэльсе, а также на большей части морского побережья Северной и Южной Америки, северной части Азии и Южной Австралии, где и получает развитие производство электроэнергии с помощью ветра.

Геотермальные ресурсы – представляют собой запасы термальных вод, к которым относятся подземные воды естественных коллекторов геотермальной энергии – природных теплоносителей (воды, пара и пароводяных смесей). Для практического использования они подразделяются на несколько классов:

- низкопотенциальные (с температурой 20... 100 °С), используемые для теплотехнических нужд;

- среднепотенциалъные (с температурой 100... 150 °С), используемые для теплоснабжения;

- высокопотенциальные (более 150 °С), используемые для выработки электроэнергии.

Термальные воды с более высокой температурой (150... 350 °С) из-за технических трудностей обращения с ними пока не нашли своего применения.

Небольшая северная страна Исландия практически не имеет других источников энергии, кроме как энергию от тепла земли в виде знаменитых гейзеров-фонтанов горячей воды. Благодаря им, многочисленные исландские теплицы, обогреваемые подземными источниками, полностью обеспечивают страну помидорами, яблоками и даже бананами. Столица страны Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников.

Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция была построена в 1904 году в Италии. В настоящее время такие электростанции существуют в ряде стран (Новая Зеландия, США и др.).

В отличие от многих других источников возобновляемой энергии, тепловая энергия Земли доступна днем и ночью, зимой и летом. На нее не влияют капризы погоды, что делает ее очень привлекательной для использования. Значительные запасы термальных вод имеются на Дальнем Востоке России. В Грузии, например, запасы их составляют 220 – 250 млн. м³/год. В 1999 г. они добывались в 23 месторождениях, общий тепловой потенциал составлял 120 тыс. Гкал в год, что эквивалентно 105 тыс. т у. т. в год.

В поисках альтернативных источников энергии во Франции рассматривается проект изготовления из опавших листьев, спрессованных в брикеты, вещества, которое по калорийности не уступает каменному углю, но экологически более чистое и, очевидно, более дешевое.

Основным сдерживающим фактором использования возобновляемых источников энергии в мире являются высокие первоначальные инвестиции в оборудование и инфраструктуру. Однако, по мнению специалистов, благодаря рациональной энергетической политике уже через 50 лет доля биомассы в энергопроизводстве возрастет с 2 % до 10 %, а доля солнечной энергии составит более 10 %. При этом производство энергии с использованием нефти сократится вдвое, а угля – почти втрое. Предполагается, что к 2100 году большую часть потребляемой энергии человечество будет получать именно из возобновляемых источников. Так, на долю биомассы будет приходиться более 20 % потребляемой энергии, Солнца – более 40 %, тогда как доля газа сократится до 10 %, нефти – до 40 %, угля – до 30 – 40 %.

К невозобновляемым энергетическим ресурсам относят: каменный уголь, запасы которого в мире оцениваются в 10 – 12 трлн. т., нефть, запасы которой распределены крайне неравномерно (на Ближнем и Среднем Востоке – 67 %, в Африке – 12,5 %, Юго-Восточной Азии и Дальнем Востоке – 3 %, Северной Америке – 9 %, Центральной и Южной Америке – 5,5 %, Западной Европе – 3 %). По уровню добычи нефти Россия занимает 3-е место в мире, уступая только Саудовской Аравии и США.

 

2.2. Виды органических топлив, их состав и теплота
сгорания. Условное топливо. Единицы измерения

Основная часть энергетических потребностей человечества обеспечивается в настоящее время за счет использования органических топлив. Органические топлива – это вещества, основу которых составляют органические соединения, то есть в их состав входят главным образом такие элементы, как С и Н. Средний элементный состав основных горючих ископаемых представлен в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: