Геотермальная энергия.

Этот вид энергии некоторые причисляют к неисчерпаемому, эко­логически чистому источнику энергии будущего. Чтобы понять, на­сколько это соответствует действительности, необходимо вниматель­но проанализировать принципы использования геотермальной энергии. Принцип вы­работки электроэнергии на современной геотермальной электростанции (ГеоТЭС) тот же, что и на ТЭС, работающей на орга­ническом топливе: теплота, получаемая в данном случае из недр Зем­ли, используется для выработки пара, который вращает турбоагрегат. КПД ГеоТЭС из-за низкой температуры пара меньше, чем ТЭС на органическом топливе. Кроме того, пар, поступающий из недр Зем­ли, загрязнен, иногда значительно, растворенными в нем солями.

Для удаления нежелательных химических примесей в схеме ГеоТЭС предусмотрен сепаратор пара. В последующем эти химические веще­ства могут быть использованы в качестве промышленного сырья. Из конденсатора поступает чистая вода, которая может использоваться в хозяйственных целях. Для конденсации отработавшего пара исполь­зуется внешнее охлаждение — возможно охлаждение с помощью гра­дирен, а получаемая вода может вновь закачиваться через скважины в недра Земли для ее дальнейшего включения в процесс теплообмена. В более простых схемах отдельные компоненты могут отсутствовать.

Если бы земная кора, мантия и ядро были однородными, тепло­вой поток повсюду был бы равномерным, тепловое излучение земно­го ядра было бы непригодно для использования. Однако земная кора неоднородна, и вулканическая деятельность и наличие горячих ис­точников во многих районах служат доказательством того, что маг­ма в этих местах относительно близко подступает к поверхности зем­ли. В отдельных районах, где магма близко подходит к водонесущим породам, которые к тому же сверху перекрыты непроницаемой скаль­ной породой, создаются благоприятные условия для образования пара. Путем бурения скважин этот пар, часто имеющий температуру от 100 до 300°С, можно извлекать из недр земли для использования. Иногда такой пар через естественные трещины или расщелины вы­ходит на поверхность в форме гейзеров. Эта гипотеза образования пара не доказана, поскольку еще не проводились соответствующие исследования процесса теплообмена между источником теплоты и водоносными пластами.

Оценить ресурсы геотермальной энергии — задача трудная; лю­бая количественная оценка на сегодняшний день, вероятно, неточна, однако не настолько, чтобы серьезно изменить сделанные выводы. Использованный метод оценки состоял в обследовании всех извест­ных в мире районов геотермальной активности и определении коли­чества теплоты, содержащейся в этих районах на глубине до 19 км. При этом методе геотермальные ресурсы были оценены в 4∙10²² Дж. Допустим, что из этого количества энергии 1% может быть преобра­зован в электроэнергию при КПД = 25%. В этом случае общее произ­водство электроэнергии составит 10²⁰ Дж. Для выработки такого ко­личества электроэнергии, скажем за 50 лет, понадобилось бы построить геотермальные электростанции общей установленной мощ­ностью 60 ГВт. Однако эта мощность одного порядка с мощностью, которую можно получить при освоении всего потенциала прилив­ной энергии.

Чтобы приступить к освоению этого относительно небольшого источника энергии, необходимо сначала решить несколько техноло­гических и экологических проблем. Широкое освоение геотермаль­ной энергии будет возможно, когда она станет конкурентоспособ­ной по сравнению с другими энергоресурсами. Большая часть затрат на ее освоение связана в настоящее время с бурением скважин, необ­ходимых для извлечения из недр пара или горячей воды. Эти скважи­ны не столь глубокие, как нефтяные, однако их диаметр больше (до­стигает 60 см). Высокое содержание солей в геотермальной воде приводит к тому, что через несколько лет работы происходит заку­порка скважин. В результате их необходимо прочищать или требует­ся пробуривать новые скважины в другом месте, что связано с допол­нительными расходами. По большинству скважин поступает не пар, а горячая вода; в этом случае КПД процесса выработки электроэнер­гии меньше. Отбор теплоты из геотермального источника происхо­дит обычно быстрее, чем ее возмещение за счет естественного про­цесса. В результате со временем температура пара или горячей воды начинает снижаться, уменьшается также их поступление на поверх­ность. Это означает, что наступает исчерпание источника геотермаль­ной энергии. Чтобы предотвратить этот процесс, под землю под вы­соким давлением должна закачиваться вода, что связано с определенным риском. Такая закачка вызывала сдвиги земной коры вдоль линий разрывов.

На пути к широкомасштабному использованию геотермальной энергии стоит много нерешенных проблем, которые необходимо пре­одолеть до того, как будут сделаны крупные капитальные вложения в освоение этого источника энергии. Руководствуясь историческими фактами, можно прийти к выводу, что если крупные капиталовложе­ния будут сделаны, то эксплуатация геотермального источника бу­дет осуществляться вне зависимости от того, какими будут послед­ствия для окружающей среды.

Солнечная энергия.

Рассмотренные выше геофизические источники энергии могут обеспечить в последующие десятилетия лишь незначительную часть потребностей в энергии и оказаться неприемлемыми для освоения в крупных масштабах. Органическое топливо, рассмотренное ранее, является невозобновляемым ресурсом, и его использование связано с нанесением значительного ущерба окружающей среде.

Необходимо располагать неисчерпаемым дешевым и возобновля­емым источником энергии, не загрязняющим окружающую среду. Таким источником является Солнце. Поток солнечного излучения со­ставляет около 3,8∙10²⁶ Вт и представлен всем спектром электромаг­нитных волн. Однако основная его масса приходится на ультрафио­летовую, видимую и инфракрасную части спектра. Энергетическая освещенность земной атмосферы составляет примерно 1,4 кВт/м², а поверхности Земли — около 1 Вт/м². Пока не существует экономич­ного способа преобразования этой энергии в электрическую. Прохо­дят испытания нескольких установок для отработки такой техноло­гии преобразования.

Наиболее подходящим направлением преобразования солнечной энергии в полезную работу является ее использование для замещения органического топлива при получении теплоты в парогенераторе. Од­нако, как и при применении органического топлива, КПД преобра­зования ограничивается диапазоном температуры рабочего тела, в данном случае — пара. Поскольку создание и эксплуатация очень крупных коллекторных систем для концентрации солнечных лучей является делом сложным, в настоящее время в таких системах удает­ся получить пар, как правило, с относительно небольшой температу­рой. Как следствие, КПД преобразования солнечной энергии в элек­троэнергию в таких установках может составлять около 10%. Чтобы получить 1 ГВт электрической мощности, потребовалось бы 10 ГВт мощности солнечного излучения.

В создании системы таких масштабов и связанного с ней другого оборудования имеются определенные технические трудности. Кроме того, непомерно высока ее стоимость по сравнению с ТЭС на органи­ческом топливе и даже АЭС. Подсчитано, что стоимость электроэнер­гии, производимой опытной солнечной установкой башенного типа в Барстоу, почти в 10 раз превышает стоимость электроэнергии, про­изводимой ТЭС на органическом топливе.

Ядерная энергия.

Если предположить, что начнется более широкое использование угля, то органических топлив, возможно, хватит на четыре-пять де­сятилетий для обеспечения потребностей человечества в энергии. После этого периода основным энергоресурсом может стать или не стать солнечная энергия. Практически уже сейчас ощущается необ­ходимость иметь источник энергии на этот переходный период, при­чем этот источник должен быть практически неисчерпаемым, деше­вым, возобновляемым и не загрязняющим окружающую среду. И хотя ядерная энергия не отвечает полностью всем перечисленным требованиям, она продолжает развиваться. Вероятно, что именно она будет этим «переходным» источником энергии по той простой причи­не, что никакой другой вид энергии, который был бы столь же дос­тупным, пока не найден.

Освобождение и использование ядерной (у нас в стране сложилось название «атомной») энергии является одним из крупнейших дости­жений науки в XX в.

Это великое открытие, к сожалению, было прежде всего исполь­зовано в военных целях (вспомним о взрывах американских атомных бомб6 и 9 августа 1945 г. над японскими городами Хиросимой и На­гасаки) и только позднее в мирных.

Современная атомная энергетика зиждется на экспериментально установленном факте деления тяжелых ядер элементов (урана, плу­тония, тория) в результате попадания в ядро нейтрона, благодаря чему развивается цепная реакция с выделением огромного количества энер­гии (тепла).

Интересно отметить, что один из трех названных элементов — плутоний — практически на Земле не встречается. Это не помешало, однако, добытому в ядерных реакторах плутонию, ²³⁹Р и, стать наря­ду с ураном важнейшим ядерным топливом.

Важно заметить, что масса тяжелого ядра (урана, плутония или тория) до ядерной реакции несколько больше суммы масс продук­тов, получаемых в результате, т. е. мы имеем здесь дело с так называ­емым дефектом массы — явлением, связанным с огромным энерго­выделением.

Ядерные реакции с огромным энерговыделением могут происхо­дить и в результате синтеза ядер элементов, обладающих малым атом­ным весом, например изотопов водорода — дейтерия и трития. Но это уже термоядерная реакция,

Существенно отметить, что число нейтронов, являющихся истин­ными инициаторами реакции деления тяжелых ядер, в результате ре­акции увеличивается, во всяком случае, оно больше единицы. Это и создает возможность цепной реакции.

В настоящее время в качестве ядерного топлива в реакции деления ядер используются обогащенный природный уран и искусствен­но полученный плутоний. Что касается тория, то он пока не получил применения в ядерной энергетике, хотя его запасы, по-видимому, больше, чем урана, и многие специалисты рассматривают торий как перспективное ядерное топливо.