Энергия

Уран: Единственным топливом, которое может стать реальной

альтернативой для базисного производства электроэнергии, является в

настоящее время уран. В то время как горнодобывающая промышленность

производит и обрабатывает большие количества руды, две или три 200 литровые

бочки двуокиси урана (U308 ) содержат достаточно энергии для обеспечения

таких больших городов как Торонто или Сидней. Урановое топливо очень

компактно и имеет огромные преимущества с точки зрения охраны окружающей

среды (см. Главу 6). Противники уранового топлива часто утверждают, что по

сравнению с углем, использование ядерного топлива имеет слишком много

нерешенных проблем. Заметим, однако, что уже прошло более сорока лет с

момента запуска первого коммерческого реактора, и более половины столетия с

того момента, как люди научились управлять цепной реакцией ядерного деления

(см. Главу 3).

За это время в мире накоплен огромный эксплуатационный опыт работы

коммерческих реакторов, составляющий приблизительно 9500 реакторо-лет, и

примерно такой же опыт эксплуатации аналогичных (но несколько меньших)

ректоров, используемых в морском флоте. Сегодня в эксплуатации в 32 странах

мира находятся более 430 ядерных реакторов, которые дают 16 % мирового

производства электроэнергии.

Большое количество атомных электростанций находятся сейчас в стадии

строительства. Во многих странах удовлетворены надежностью, безопасностью и

экономическими характеристиками ядерной энергии по сравнению с углем или

нефтью (см. также раздел 2.6 и Главу 6). Во многих странах по крайней мере

третья часть потребляемой электроэнергии производится на ядерных реакторах.

Франция, например, сегодня производит три четверти своей электроэнергии на

ядерных реакторах и является мировым лидером в ее экспорте. В Таблице 5

приведены различные типы ядерных реакторов, используемых в настоящее время

для генерации электричества. Атомные электростанции CANDU, например, лучше

других используют ресурсы ядерного топлива, и могут функционировать на

разновидностях низко обогащенного топлива, включая топливо, отработанное на

других типах реакторов. Реакторы на быстрых нейтронах (см. раздел 4.4)

имеют возможность значительного увеличения выхода электроэнергии при

использовании известных резервов урана. Исключая военное использование и

использование в энергетических установках на морских судах, уран не имеет

никаких других применений кроме как для производства электроэнергии и

создания медицинских и промышленных изотопов. По крайней мере, 95% мировой

добычи урана идет сегодня в производство электроэнергии. Потенциал ядерной

энергии, использующей уран в качестве топлива для генерации электричества,

наиболее важен для развитых стран, которые имеют большие потребности в

электроэнергии.

Сегодняшние атомные электростанции имеют энергоблоки мощностью от 500

до 1300 МегаВатт (МВт). Энергоблоки меньшей мощности экономически

нецелесообразны. Однако, в некоторых развивающихся странах потребности в

электроэнергии не столь велики и либо не требуют больших генерирующих

мощностей, либо используют часть вырабатываемой энергии в других целях,

например, в опреснительных установках. В этих случаях, где базисные

потребности в электроэнергии удовлетворяются традиционными

электростанциями, работающими на жидком топливе, экономически более

целесообразно использование реакторов с мощностью в 100 МВт.

Ядерный синтез: Коммерческое использование ядерного синтеза все еще

является нашей будущей надеждой. Аналогично поиску способов использования

солнечного света, человечество в течение долгого времени пытается приручить

процессы, происходящие на Солнце, которые дают свет и тепло Земле. Эти

процессы называют термоядерным синтезом (в отличие от процессов ядерного

расщепления, см. Главу 3). Один из способов для достижения управляемого

термоядерного синтеза состоит в слиянии ядер дейтерия и трития (тяжелых

изотопов водорода) при очень высоких температурах - приблизительно 100

миллионов градусов. Пока не существует надежных методов стабильного

поддержания таких высоких температур. Однако, интенсивные исследования в

этом направлении постоянно продолжаются, особенно в США, Японии, Европе и

России, и, возможно, в следующей половине нынешнего столетия энергия,

выделяемая при термоядерном синтезе, будет использоваться для производства

электроэнергии. Будущие технологии термоядерного синтеза стали бы наиболее

подходящим инструментом для обеспечения энергией крупных городов и

индустриальных областей. Дейтеривым топливом относительно богата морская

вода, а тритий может быть получен или из лития, или произведен в ядерных

реакторах с замедлителем из тяжелой воды. Почти безграничная энергия стала

бы нам доступна, если бы была достигнута управляемая реакция синтеза двух

ядер дейтерия, но протекание такой реакции требует намного более высоких

температур, чем реакция слияния трития и дейтерия. Управляемый синтез

обыкновенных ядер водорода (как это происходит на солнце), кажется

маловероятным для достижения его на Земле, поскольку условия протекания

такой реакции "сверхэкстремальные". Большое преимущество всех этих реакций

- это совершенно незначительное количество радиоактивных отходов. К

недостаткам следует отнести высокую стоимость проектов, высокую стоимость

производства газа трития и высокий уровень наведенной радиоактивности в

конструкциях термоядерных установок.

2.5 Возобновляемые источники энергии

Технологии, направленные на использование сил природы для выполнения

работы, удовлетворяющей человеческие потребности, столь же стары, как и

первое парусное судно. Имеется фундаментальная привлекательность в

использовании таких природных сил, которые оберегают окружающую среду от

эффектов горения органического топлива. Солнце, ветер, волны, реки,

биомасса, потоки геотермальной теплоты земли действуют непрерывно и всегда

(отсюда и термин "возобновляемый"). Из всего перечисленного пока только

энергия падающей воды в реках получила широкое распространение для

преобразования в электроэнергию.

Основное применение солнечной энергии, благодаря фотосинтезу,

человечество нашло в сельском хозяйстве и лесоводстве, хотя все чаще ее

начинают использовать для отопления.

Биомасса (например, остатки сахарного тростника) сжигается для

получения энергии, увеличивается использование зерна для получения

автомобильного топлива. Масштабы использования других видов природной

энергии в настоящее время незначительны. Имеются и первостепенные задачи в

сегодняшнем использовании возобновляемых источников энергии. Для

фотоэлектрических систем, например, это вопрос - как сделать их

самовозбуждающимися генераторами электричества. Для использования природной

теплоты, - как преобразовать ее в пар или как применить другие способы

преобразования энергии.

Если фундаментальное свойство возобновляемости источников энергии

состоит в их доступности и относительно широкой распространенности, то

фундаментальная проблема в их использовании для производства электроэнергии

состоит в их нестабильности и недостаточной предсказуемости*.

|*Исключение составляет геотермальная энергия, которая не |

|широко доступна. |

Это означает, что должны существовать либо дублирующие источники

электроэнергии, либо способы ее накопления в больших масштабах. Однако,

кроме накопления гидроэнергии в водохранилищах или сжатого воздуха в

резервуарах (см. ниже), в настоящее время никакого другого способа не

существует и не просматривается в будущем. Для автономных систем вопросы

аккумулирования энергии являются первостепенными. При подключении их к

существующим электросетям, возникает вопрос дублирующих источников. В

использовании энергии солнца для крупномасштабного и особенно базисного

производства электроэнергии имеются небольшие возможности.

Солнечная энергия: "Солнечный - не ядерный" - популярный лозунг

представителей анти-ядерного движения в защиту окружающей среды и многих

"технологических оптимистов", ратующих за прямое использование солнечного

тепла, продолжает еще иногда звучать. Конечно, в будущем, возможно, мы

будем видеть большее количество солнечных батарей на крышах домов,

поскольку их цена снижается, а мы более рационально используем энергию, что

способствует более широкому их распространению. Однако, для генерации

электричества солнечная энергия имеет ограниченный потенциал, поскольку она

непостоянна и непредсказуема. Во-первых, потоки солнечной энергии

прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это приводит к достаточно

низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15

процентов. Во-вторых, коэффициент преобразования современными

фотоэлементами солнечной энергии в электрическую не превышает 12-16

процентов, и его до сих пор его не удается увеличить, хотя исследования в

этой области ведутся уже более нескольких десятилетий. *

|*В Австралии в погожий солнечный день на поверхность земли, |

|ориентированную перпендикулярно к солнечным лучам, попадает до одного |

|килоВатта энергии на квадратный метр. В Канаде эта величина оказывается |

|намного меньшей. На большей части ее территории, на горизонтальную |

|поверхность площадью в один квадратный метр, попадает в среднем не более|

|одного килоВатт часа солнечной энергии в течение дня. |

В настоящее время внимание сфокусировано на двух способах

преобразования солнечной энергии в электрическую. Более всего известен

метод, использующий фотоэлементы для генерации электричества. Этот метод

имеет большое значение, например, для обеспечения энергией космических

аппаратов, оборудования систем связи отдаленных узлов телесети в Австралии

и Канаде. Популярность фотоэлементов была бы тем выше, чем выше была бы их

эффективность и ниже стоимость (на сегодняшний день стоимость фотоэлементов

составляет примерно 4000 долларов США на один килоВатт вырабатываемой

мощности). Стоимость фотоэлементов все еще слишком высока для бытового

использования. Для автономных систем должны обязательно использоваться

некоторые способы хранения собранной энергии в течение темного времени

суток или облачности. Это могут быть или аккумуляторные батареи, или

водород, произведенный электролизом, или сверхпроводники. В любом случае, в

дополнительные стадии превращения энергии необходимо вовлекать процессы с

неизбежными энергетическими потерями, понижающие общий КПД, и значительно

увеличивающие затраты. Несколько экспериментальных солнечных электростанций

мощностью от 300 до 500 кВт включены в электросети Европы и США. В научных

учреждениях продолжаются исследования в направлении уменьшения размеров

фотоэлементов и увеличения их эффективности.

Другое главное направление исследований - разработка экономных

способов хранения энергии, которая выработана фотоэлементами в течение

светового дня. Солнечная тепловая электростанция имеет систему зеркал для

концентрации солнечного света на специальный поглотитель, в котором

выделяющееся тепло преобразуется в пар высокого давления и приводит в

движение турбины. Концентратор - это обычно параболический отражатель,

который ориентируется между севером и югом, прослеживает путь солнца в

течение дня. Поглотитель расположен в фокусе этого отражателя и использует

солнечную энергию для нагревания специальной жидкости (обычно это

синтетическое масло) до температуры порядка 400 градусов Цельсия. Эта

жидкость далее управляет турбиной и генератором. В настоящее время

несколько таких электростанций с мощностью энергоблоков 80 МВт находятся в

эксплуатации. Каждый такой модуль занимает площадь примерно в 50 гектаров

земли и требует очень точных систем управления. Солнечные электростанции

дополняются модулями, работающими на газе, которые производят около

четверти полной вырабатываемой мощности и сохраняют рабочий режим в течение

ночи. В середине 1990-ых годов такие станции с суммарной мощностью более

чем 350 МВт произвели во всем мире примерно 80 % электроэнергии, полученной

от солнца. В будущем основная роль солнечной энергии будет состоять в ее

прямом использовании для отопления.

Наибольшая энергетическая потребность людей - это потребность в тепле,

например, в горячем водоснабжении с температурой не более 60 градусов

Цельсия. Более высокие температуры требуются в промышленности (в диапазоне

60 - 110 градусов Цельсия). Эти потребности в совокупности определяют

пропорции энергетического потребления в индустриальных странах. Первая

потребность уже сегодня может быть удовлетворена в некоторых областях за

счет использования солнечного света и тепла. Коммерческое использование

солнечной энергии для снабжения теплом промышленных объектов, по-видимому,

будет возможно в недалеком будущем. Практическая реализация такого подхода

снизит в некоторой степени потребление электроэнергии, уменьшит расход

органического топлива и благоприятно скажется на охране окружающей среды. А

если использовать тепловые насосы с надлежащей изоляцией, то можно также

отапливать (или охлаждать) здания с очень небольшими затратами энергии. В

конечном счете, до десяти процентов полной потребляемой энергии в

индустриальных странах может быть получено при рациональном использовании

солнечного света и тепла. Это частично уменьшит необходимый уровень

базисного производства электроэнергии.

Энергия ветра: В течении многих десятилетий в отдаленных районах

используются ветряные турбины для бытовой генерации электричества и

подзарядки аккумуляторных батарей. Генерирующие модули мощностью больше чем

1 МВт теперь функционируют во многих странах. Производимая ветряной

турбиной мощность электроэнергии пропорциональна скорости ветра в третьей

степени, и многие турбины эффективно работают при скорости ветра

приблизительно 7 - 20 метров в секунду (или 25 - 70 км/час). На земном шаре

не так много районов, имеющих такие преобладающие ветры. Подобно солнечной

энергии, использование энергии ветра требует дополнительных дублирующих

источников электроэнергии или систем аккумулирования энергии на случай

более спокойной и безветренной погоды. В настоящее время ветряные турбины,

работающие в различных частях мира, имеют общую мощность около 15000 МВт.

Они являются ценным дополнением к крупномасштабным базисным

электростанциям. Дания, например, получает 10 % своей электроэнергии от

энергии ветра и, находясь в зависимости от импорта электроэнергии, намерена

увеличивать эту долю. Наиболее экономичными и практичными являются ветряные

коммерческие модули мощностью более одного МВт, которые могут

группироваться в небольшие ветряные станции.

Реки: Гидроэлектроэнергия, которая является преобразованной

потенциальной энергией воды в реках, в настоящее время составляет 19% всей

мировой электроэнергии (в Австралии 10%, в Канаде 59 %). Кроме нескольких

стран, гидроэлектроэнергия обычно применяется для компенсации пиковых

нагрузок, потому что, во-первых, она может быть оперативно подключена к

действующим электросетям, а во-вторых, запасы воды ограничены. В любом

случае гидроэлектроэнергия не имеет перспектив для использования в будущем,

так как большинство географических районов в мире, имеющих возможности для

использования потенциальной энергии воды, или уже находятся в эксплуатации

или же недоступны по другим причинам (из соображений охраны окружающей

среды, например). Преимущество многих гидросистем состоит в их способности

компенсировать сезонные (также как и ежедневные) максимальные нагрузки в

потреблении электроэнергии. На практике использование запасов воды иногда

усложняется запросами на ирригацию, которые могут происходить одновременно

с пиковыми нагрузками. В некоторых областях географические условия могут

ограничивать использование гидроэлектроэнергии в периоды сезонных дождей.

Геотермальное тепло: В тех районах, где горячий подземный пар может

достигать поверхности земли, его можно использовать для производства

электроэнергии. Такого рода геотермальные источники энергии получили

распространение в некоторых частях мира, например, в Новой Зеландии, в США,

на Филиппинах, в Исландии и Италии. В общей сложности эти источники энергии

сегодня вырабатывают до 6000 МВт мощности. Имеются также перспективы в

использовании этого метода в других районах путем перекачивания горячей

подземной воды в те места, где ее нет.

Приливы: Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях

рек было осуществлено во Франции и в России (начиная с 1966 года). Приливно-

отливная вода, движущаяся в обеих направлениях, используется для вращения

турбин. Этот вид энергии может использоваться там, где есть значительные

области с приливно-отливными потоками. В Канаде, например, это залив Фанди

между Новой Скоцией и Новым Брансуиком. Во всем мире эта технология имеет

незначительный потенциал.

Волны: Использование энергии движения волн может дать гораздо больший

эффект, чем приливно-отливная энергия. Возможности практического

использования энергии волн в свое время исследовалась в Великобритании.

Генераторы электроэнергии в этом случае должны располагаться на плавающих

платформах или в полостях прибрежных скальных пород. Высокая стоимость

требуемых устройств и многочисленные практические проблемы делают такие

проекты не реальными.

Отношение возобновляемых источников энергии к базисному потреблению

электроэнергии: Солнце, энергия ветра, приливы и волны не могут заменить

использование угля, газа или ядерной энергии, однако они исключительно

важны для использования в специфических районах земного шара.

По указанным выше причинам перечисленные источники энергии не могут

обеспечить базисные потребности в электроэнергии или компенсировать пиковые

нагрузки, когда это необходимо. Практически они могут дать лишь 10 - 20% от

общей потребности в энергии и никогда не заменят уголь, газ или ядерную

энергию. Однако, они могут стать исключительно важными в специфических

районах земного шара, где для их использования существуют благоприятные

условия.

Проблемы воздействия на окружающую среду сотен огромных ветряных

турбин, занятые и неиспользуемые обширные территории земли или огромные

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5