2015-05-05
3483
Из курса физики мы знаем, что энергией называется способность материальных объектов (вещества или поля) производить работу. Человек в своей жизнедеятельности непрерывно производил и производит работу. В начале для этого он использовал энергию собственных мускул, затем мускул животных. Для получения тепла он использовал энергию, выделяемую при сгорании биомассы (вначале растительного, затем животного происхождения).
С развитием человечества энергия стала использоваться для производства работы по перемещению (транспортирования). Вначале это была мускульная сила, затем энергия перемещаемой воздушной массы (в современной терминологии называемая энергией ветра).
По мере технического совершенствования среды обитания человека были созданы паровые машины, а затем тепловые двигатели. Эти машины оказались не только эффективнее прежних движителей (животных и паруса), но и позволили превращать тепловую энергию в механическую, тем самым революционно увеличив энергетические возможности человека.
|
|
|
По принципам диалектики, увеличение перспектив применения энергии потребовало изыскания эффективных источников энергии, способных, после преобразования первичной энергии, производить механическую работу, то есть, изыскания эффективных источников тепловой энергии.
Таким источником энергии оказалось ископаемое углеводородное топливо (уголь, нефть, природный газ). Это топливо при сгорании выделяло достаточно большое количество энергии в виде тепла, которое могло преобразовываться в паровых и тепловых машинах достаточно большой (не ограниченной в разумных пределах) мощности.
Таким образом, появление тепловых машин дало толчок к использованию ископаемого топлива. А так как большая часть работ, необходимых человеку, является механической работой, то тепловые машины были обречены на широкое внедрение. Кроме того, тепловые машины, кроме выполнения непосредственно полезной работы, могли вращать генераторы электроэнергии, что расширяло область их применения. А ископаемое топливо кроме преобразования в механическую энергию, могло использоваться и по прямому назначению, получению тепла. В среде широкого использования машин, область применения тепла также расширилась, тепло стало применяться не только для обогрева жилища и приготовления пищи, но и для плавки металла, термической обработки и т.п.
Таким образом, в индустриальном обществе ископаемое углеводородное топливо стало преобладающим источником энергии. Все без исключения страны в стадии индустриализации традиционно используют ископаемое углеводородное топливо для привода тепловых машин и получения тепла в широком диапазоне температур.
|
|
|
Другие источники энергии, солнечное излучение, ветер (кинетическая энергия движущихся воздушных масс), биотопливо (поглощенная в процессе фотосинтеза солнечная энергия) в процессе индустриализации постепенно вытеснялись традиционными источниками энергии, и в этой связи получили название нетрадиционных источников энергии. Исключение составляет гидроэнергия, то есть, энергия рек. Гидроэнергия, вначале используемая для привода водяных мельниц, в индустриальную эпоху стала использоваться в гидроэлектростанциях для привода генераторов электроэнергии. Во многих странах (включая и Россию) гидроэлектростанции составляют достаточно большую часть электростанций, а гидроэнергия (возобновляемый формально нетрадиционный источник энергии) используется почти так же интенсивно, как и традиционные источники энергии. Этому факту есть свои причины, которые будут рассмотрены в соответствующем разделе.
Как вы уже заметили, нетрадиционные виды энергии присущи возобновляемым источникам энергии, а традиционные – не возобновляемым источникам энергии. По этому признаку традиционными источниками энергии можно считать не возобновляемые ресурсы ископаемого углеводородного топлива, а нетрадиционными источниками энергии – возобновляемые, или восполняемые, источники энергии (ВИЭ).
В последнее время исследуются и частично применяются и неизвестные ранее такие ВИЭ, как приливы, океанические градиенты температур и океанические волны, геотермальные источники.
Запасы и ресурсы источников энергии. Динамика потребления
и развитие энергетического хозяйства
Для количественной оценки потенциала источника энергии пользуются понятиями ресурса и запаса.
Ресурсом источника энергии принято называть весь его объем, который принципиально возможно выделить и преобразовать в нужный вид энергии. Запас источника энергии – это тот его объем, который можно выделить и преобразовать в нужный вид энергии практически. Практическое выделение и преобразование определяется экономической целесообразностью, то есть этот процесс может быть прекращен, если он станет экономически не выгодным.
Например, вся нефть, находящаяся в недрах Земли обладает свойствами горения и переработки в нефтепродукты (дизельное топливо и бензин). Поэтому все месторождения ископаемой нефти (разведанные и прогнозируемые) составляют ресурс земных источников этого вида энергии. Практически же любое месторождение нефти не может быть выкачено полностью по экономическим соображениям, когда добыча становится нерентабельной, не смотря на все прилагаемые усилия по ее совершенствованию. Таким образом, каждый источник нефти обладает определенным запасом, который всегда меньше его ресурса.
То же самое относится и к возобновляемым источникам энергии. Например, энергия фотонов, представляющая суть энергии солнечного излучения, принципиально одинакова в любой части земного шара, включая океаны и полярные широты. Однако практическое использование энергии солнечного излучения нецелесообразно на полярных территориях и в океане. В первом случае по причине ее малости, а во втором случае, по причине больших затрат на транспортировку[1].
Как видим из приведенных примеров, запас[2] источника энергии оказывается меньше ресурса по экономическим причинам, которые, несомненно, могут изменяться в процессе технической эволюции, приводя к изменениям размеров запаса. Но в любом случае запас всегда будет меньше ресурса, так как появятся более предпочтительные условия для разработки альтернативных источников энергии.
Потребление энергоресурсов имеет смысл анализировать с момента их индустриального использования.
|
|
|
запасы сырой нефти, залегающей в осадочных породах, оцениваются в 180 - 290 млрд. тонн /8/. На рисунке 1.1 приведены статистические данные о мировой добыче и потреблении нефти с 1900 г. по 2005 г. и прогноз на будущее.
Рисунок 1.1. Диаграмма мировой добычи
и потребления нефти
Как следует из диаграммы (рисунок 1.1), до настоящего времени уже потреблено 72 млрд. тонн, то есть более трети мировых запасов, и если сохранятся тенденции добычи и потребления нефти, она будет выкачена из недр Земли к 2040 году, а потреблена к 2080 году.
Аналогичная ситуация и при добыче газа. Это объясняется тем, что газ, в основном метан, обнаруживается совместно с месторождениями нефти в пропорции приблизительно 1300 м3 на 1 тонну сырой нефти /7/.
Намного лучше прогнозы по запасам угля. Его мировые запасы по многим оценкам составляют 7700 млрд. тонн (в том числе в России более 3000 млрд. тонн, при годовой добыче примерно 300 млн. тонн).
Однако период добычи и использования угля около 1000 лет, причем крупномасштабное его использование составляет более 200 лет. Это привело к тому, что уголь стал труднодоступен, а его добыча в последнее время заметно дорожает, хотя он до сих пор является основным источником для выработки электроэнергии, особенно в России. Тем не менее, на фоне интенсивного расхода нефти в нашей стране предполагается сместить баланс использования в сторону твердого топлива. Начнется более интенсивное использование менее энергоемких, но более дешевых углей Кузнецкого, Канско-Ачинского и Экибастузского угольных бассейнов. Более широко будет применяться природный газ, запасы которого в нашей стране намного превосходят запасы в других странах.
До недавнего времени, а именно до 1986 года, наиболее перспективным топливом считалось ядерное. По разным оценкам его запасов (хотя и не возобновляемых) хватило бы на многие сотни лет, а с изысканием возможностей использования в атомных электростанциях (АЭС) изотопа 238U, на несколько тысячелетий.
В настоящее время ядерным топливом атомных электростанций является обогащенный природный уран и искусственно получаемый плутоний. Природный уран состоит из двух изотопов – 235U, которого в природном уране около 0,7%, и 238U, которого в природном уране 99,3%.
|
|
|
После Чернобыльской катастрофы отношение к ядерному топливу стало неоднозначным, хотя по истечению времени многие страны Мира стали склоняться в пользу значительного увеличения числа АЭС, расценивая ядерную энергию как основную в переходный период до глобального применения возобновляемых источников энергии.
Анализ ресурсов возобновляемых источников энергии начнем с запасов гидроэнергии, которая хоть и относится к возобновляемым (гидроэнергия солнечного происхождения), но используется достаточно широко и достаточно долго. В силу этого обстоятельства она занимает некое промежуточное положение между традиционными и нетрадиционными источниками энергии. Здесь следует заметить, что по прогнозам возобновляемые источники энергии в будущем должны стать преобладающими, а затем и безальтернативными, то есть, согласно принятой терминологии перейдут в разряд традиционных. Существуют и другие (пессимистические) прогнозы, в которых ВИЭ в составе используемых энергоносителей отводится не более 30% /8, 10/.
Наиболее мощным источником возобновляемой энергии является Солнце. Мало того, все остальные источники энергии (традиционные и нетрадиционные) обязаны своим существованием Солнцу.
Полная мощность солнечного излучения составляет 4·1026 Вт. На верхней границе атмосферы плотность солнечного излучения составляет около 1,4 кВт/м2. Зная радиус Земли (6370 км) и площадь поперечного сечения (127,6 ·106 км2), можно подсчитать, что вся поверхность атмосферы за год получает около 1,6·1018 кВт.час. солнечной энергии.
Солнечная энергия, проходя через атмосферу, частично поглощается, и на поверхности Земли средняя интенсивность солнечного излучения составляет 0,35 кВт/м2. Таким образом, на поверхность Земли за год поступает приблизительно 4·1017 кВт.час. солнечной энергии. Это превышает самые смелые прогнозы мирового энергопотребления в 21 веке в сотни раз.
Солнечная энергия, в зависимости от сезона года может использоваться на всей территории Земного шара. Однако существую климатические зоны с большим годовым количеством солнечных часов, на территории которых применение солнечной энергии наиболее эффективно.
Для оценки потенциальных возможностей ветра обычно используется удельная мощность, развиваемая воздушным потоком с поперечным сечением 1 м2. Эта мощность пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Так как скорость ветра различна по высоте, то различна и его мощность на разных высотах. Суммарная кинетическая энергия ветра на высоте до 100 м, где плотность воздуха можно считать постоянной, оценивается в 1,5·1021 Дж или 4·1015 кВт.час., что составляет примерно 1 % от энергии солнечного излучения.
Результаты исследования ветроэнергетических ресурсов в нашей стране носят противоречивый характер. Так, по зарубежным данным территория бывшего СССР (за исключением Крайнего Севера и Дальнего Востока) малопригодна для использования энергии ветра, а по отечественным данным на территории России для ветроэнергетики пригодно около 8 млн. км2 площади. Причем по отечественным данным, только на 1 % этой площади можно построить ветроэлектростанции общей мощностью 300 - 500 тыс. МВт.
Отметим, что ветер не постоянен в течение года и суток, и более объективно ветроэнергетические ресурсы оценивать по возможной выработке энергии за год, а не по мощности. Такую оценку легко провести по многолетним данным метеостанций.
Биотопливо хоть и относится к возобновляемым видам энергии, но требует определенного времени на возобновление. В этом смысле оно качественно не отличается от ископаемого топлива, но скорость его возобновления гораздо выше. Например, что бы восполнить запасы нефти, потребляемые сейчас человечеством в течение года, необходимо миллион лет. Запасы же потребленного за год биотоплива (при его искусственном выращивании) возобновляются не более чем за год. Таким образом, имеется возможность всегда восполнить потребленные запасы биотоплива, и поэтому его считают возобновляемым источником энергии.
Теплотворная способность биотоплива различна и составляет от 10 МДж/кг (сырая древесина) до 55 МДж / кг (метан). Средняя теплота сгорания биомассы 20 МДж/кг /9/.
Отметим, что биотопливо хоть и возобновляемо, но не неисчерпаемо, и при интенсивном его потреблении воспроизводство биомассы может не восполнять расхода. Следовательно, потенциально можно потреблять только такое количество биотоплива, при котором расход биомассы будет не больше естественного ее воспроизводства.
В пересчете на сухое вещество образование биомассы в биосфере (включая океаны) идет со скоростью 250·109 т/год /8, 9/. Для России воспроизводимость биомассы составит около 15·109 т/год /5, 6/. Если принять, что в энергетике можно использовать половину воспроизводимой биомассы, то, ежегодно путем сжигания биотоплива можно получать 0,4·1011 кВт.час. тепловой энергии. Это не так уж много по сравнению с общим энергопотреблением страны (примерно 3% энергии, получаемой от нефти, и 6% энергии природного газа), но в некоторых случаях энергия биотоплива может находить практическое применение с реальным экономическим эффектом.
Энергия приливов обусловлена изменением уровня океана в результате вращения систем Земля – Луна и Земля – Солнце. В открытом океане изменение уровня воды между полным приливом и полным отливом составляет приблизительно 1 метр. В прибрежных зонах под влиянием рельефа и очертаний береговой линии этот уровень может увеличиваться, достигая 18 – 15 м (Атлантическое побережье Канады и некоторые места Ла-Манша). Считается, что приливная электростанция может работать при изменении уровня не менее 10 м. К сожалению, таких мест на Земле не более тридцати. На территории России это побережья Охотского моря (13 м), Белого и Баренцева морей (10 м) /8, 9, 10/.
Принципиально можно использовать энергию океанских волн, причем в открытом океане, а не в полосе прибоя, как считалось ранее. Средняя мощность океанских волн достигает десятков кВт на 1 метр фронта волны. Однако электростанции, использующие энергию волны, не имеют практического применения, и вряд ли будут иметь широкое применение в обозримом будущем, так как трудности транспортировки электроэнергии делают ее наименее выгодной даже по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии.
Геотермальная энергия представляет собой тепловую энергию ядра Земли, нагретого до температур (гипотеза) порядка 2500 - 3000°С. Это тепло под действием градиента температур поступает на поверхность Земли и участвует вместе с теплоотдачей в тепловом балансе земного климата. Геотермальная энергия, поступающая на поверхность земли очень рассеяна и имеет плотность порядка 0,05 Вт/м2. Очевидно, что из-за низкой плотности использовать геотермальную энергию повсеместно весьма проблематично. Однако на Земле имеются места с повышенной плотностью геотермальной энергии, точнее, ее разновидностей, гидро- и паротермальной энергии. Это энергия горячих источников воды и пара, относительно близко расположенных к поверхности Земли (до 10 км). Особенно эффективны в этом плане гейзеры, то есть, источники, периодические выбрасывающие над поверхностью фонтаны горячей воды (температура 60 - 70°С) или пара (температура более 100°С) высотой 20 – 40 метров.
Тепло таких источников используется, в основном, для горячего водоснабжения и отопления. Такие источники известны на Камчатке, в Японии, в Новой Зеландии, в Исландии и в других странах. Мощность мировых запасов геотермальной энергии оцениваются в размере порядка 30 ГВт. Эти запасы составляют только незначительную часть соответствующих ресурсов (менее 0,1%), что объясняется практической недоступностью геотермальной энергии, заключенной в ядре Земли.
Современное состояние использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии характеризуется следующими данными.
Мощность ветроэнергетических установок
Германия................................. 4444 МВт (37%)
США.....................................1819 МВт (15%)
Дания...................................1752 МВт (14,5%)
Испания...................................1539 МВт (13%)
Индия..................................... 1100 МВт (9%)
Россия..................................... 4 МВт (0,03%)
Во всем Мире............................12 000 МВт (100%)
Мощность фотоэлектрических преобразователей
Япония..................................... 80 МВт (40%)
США........................................60 МВт (30%)
Германия....................................50 МВт (25%)
Россия.................................... 0,5 МВт (0,25%)
Во всем Мире.............................. 200 МВт (100%)
Площадь солнечных нагревателей
Япония.................................... 7 млн. м2 (33%)
США......................................4 млн. м2 (19%)
Израиль.................................. 2,8 млн. м2 (13%)
Греция....................................2 млн. м2 (9,5%)
Россия...................................0,1 млн. м2 (0,5%)
Во всем Мире.............................21 млн. м2 (100%)
Мощность геотермальных энергоустановок
США................................... 2228 МВт (27,8%)
Филиппины.............................. 1909 МВт (23,8%)
Италия.................................... 785 МВт (9,8%)
Мексика...................................755 МВт (9,4%)
Индонезия................................. 589 МВт (7,4%)
Россия..................................... 23 МВт (0,3%)
Во всем Мире............................. 8000 МВт (100%)
Как видно доля нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (кроме гидроэлектростанций), используемых в нашей стране, катастрофически мала. Следует отметить, что на фоне обострения проблем использования традиционных источников энергии, принимались различные программы развития нетрадиционной энергетики в нашей стране, но которые, к сожалению, ни разу не были выполнены полностью. Основной причиной такого состояния является огромный запас традиционных источников энергии, нефти, газа и угля. Казахстан способен не только удовлетворять собственные энергетические потребности, но и экспортировать значительную часть этих энергоносителей. Последнее обстоятельство, в условиях беспрецедентного роста цен на ископаемое топливо, и является причиной бурного развития ресурсодобывающих отраслей, способных принести значительные дивиденды на современном этапе, против ожидаемых дивидендов от использования возобновляемых источников энергии в будущем.
Вместе с тем, по средним прогнозам доля использования возобновляемых источников энергии в Мире возрастет уже в первой половине 21 века до 33%, в некоторых странах до 50%. Это позволит уменьшить мировую зависимость от ископаемого топлива. Можно ожидать, что на фоне этих тенденций изменятся отношения к возобновляемым и нетрадиционным источникам и в Казахстане, но что может оказаться уже запоздалым.
Лекция 2
