В 2010 г. доля ископаемого органического топлива в мировом энерго-балансе составляла 87 %, в том числе: нефть 33,6%, уголь 29,6% газ 23,8%

Любое ископаемое органическое топливо состоит из горючей массы (углерод, водород, сера, кислород) и балласта (азот, влага, минеральные соли), которые вместе образуют рабочую массу. Состав горючей массы топлива и содержание в нем балласта определяют технологические и тепломеханические характеристики топлива и во многом определяют его ценность. В таблице 1 показано усредненное содержание в различных видах органического топлива основных компонентов горючей массы.

Наиболее ценное углеводородное топливо – природный газ и легкое жидкое топливо (бензин), которые содержат в своей рабочей массе практически только два элемента и обладают наибольшей теплотворной способностью.

Анализ видов органического топлива.

На рис. 1 представлена схема топливоснабжения и топливопотребления тепловой энергетики, она включает в себя пять основных звеньев:

1. добычу органического топлива и в некоторых необходимых случаях его очистку от примесей, дообогащение, а для нефти – переработку на нефтеперерабатывающих заводах на топочный мазут и бензин;

2. транспортирование к пунктам потребления (ТЭС, ТЭЦ, котельные);

3. складирование на электростанции и подготовку к сжиганию (для углей – сушка, размол);

4. сжигание в топках котлов;

5. непрерывное удаление газообразных продуктов сгорания в атмосферу, золы и шлаков – в хранилище отвалов.

Важнейшей отличительной особенностью и непременным условием бесперебойной и надежной эксплуатации ТЭС в целом является непрерывная работа транспортного контейнера. Перерывы или нарушения в графике доставки топлива допустимы лишь в пределах, определяемых наличием необходимых запасов топлива на складах электростанции. Обычно запасы составляют от двух недель до трех месяцев. Отсюда видно, что нормальная работа ТЭС целиком зависит от бесперебойной работы транспорта топлива.

В 2008 г. около 70 % производимой в РФ электроэнергии использует органическое топливо ~ 18,7 % уголь, ~ 9,5 % нефть, ~ 40,7 газ.

Рис. 1. Структура производства электроэнергии в России в 2008 г. Общая выработка – 1 тыс. ТВт-ч (5 % от мирового уровня)

Российская Федерация является государством высокообеспеченным первичными энергетическими ресурсами (нефтью, газом, углем). Однако подобное «изобилие» не должно создавать иллюзию их бесконечности и дешевизны. Интенсивная эксплуатация легкодоступных ископаемых ресурсов (в первую очередь нефти и газа) ведет к их стремительному истощению, не только истощает ресурсную базу страны, но и приводит к значительным экологическим загрязнениям.

Общий объём выработки электроэнергии в мире – 143 ПВт-ч/год, доли разных источников и, соответственно, типов электростанций представлены на рис. 2. В современном мире только 36 % мирового производства электрической энергии обеспечивается гидро- и ядерной энергетикой.

При сохранении нынешних темпов энергопотребления в мире ситуация с энергетическими ресурсами уже в нашем столетии станет критической. Необходимо отметить, что концентрация основных запасов ископаемого топлива в политически неустойчивых областях Земли (Ближний Восток и Северная Африка) создает постоянную угрозу экономической и политической стабильности человеческого общества.

Рис. 2. Структура производства электроэнергии в мире в 2008 г. Общая выработка – 20 тыс. ТВтч

Для выработки такого количества энергии (с учетом КПД преобразования тепловой энергии в электрическую не более 35-40 %) необходимо сжигать не менее 10 млрд т.у.т. Тонна условного топлива (т.у.т.) – единица измерения энергии, равная 2,93×10¹⁰ Дж; определяется как количество энергии, выделяющееся при сгорании 1 т топлива с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (соответствует типичной теплотворной способности каменного угля).

Q = 2,52·10¹⁷ ккал (@1×10¹⁸ Дж) – выделяется при сжигании 36 млрд т.у.т. Таким образом, мировое потребление 0,25-0,3 Q в год.

Помимо этого сохраняется фундаментальная проблема глобального изменения климата нашей планеты из-за парникового эффекта, основной причиной которого являются выбросы и накопление в атмосфере Земли углекислого (около 20 млрд. т в год) и других газов, обуславливающих парниковый эффект.

Оцениваемое удвоение концентрации углекислого газа к 2050 г. может увеличить температуру Земли на несколько градусов, что приведет к быстрому в историческом масштабе переходу к новым климатическим условиям, связанным с ростом уровня мирового океана, изменениям температурного режима и нарушениям существующей циркуляции атмосферы. На эти новые условия человечество может не успеть среагировать. Для сохранения современного состава атмосферы необходима постоянная замена энергетических технологий, использующих сжигание ископаемого топлива, на новые «чистые», не приводящие к эмиссии парниковых газов.

К альтернативным видам энергетики относятся: ветроэнергетика, гелиоэнергетика, биоэнергетика, геотермальная энергетика, управляемый термоядерный синтез, альтернативная гидроэнергетика (приливные и волновые электростанции). Для альтернативных энергетических технологий важнейшим становится вопрос о сроках внедрения в полномасштабную энергетику.

Изучение динамики накопления «парниковых» газов в атмосфере показывает, что большинство из этих источников энергии должно быть готово к внедрению уже сейчас. Поэтому уже в ближайшее время человечество будет вынуждено принимать частичные решения, которые могли бы уменьшить выделение СО₂. к их числу относятся: более жесткое следование курсу энергосбережения, замещения угля на нефть и газ, которые производят существенно меньше СО₂ на единицу мощности, более широкое использование электроэнергии, незамедлительное восстановление уничтоженных лесов.

Возобновляемые источники энергии и их ресурсы.

Возобновляемыми источниками энергии являются энергия рек, морских приливов и отливов, солнечного излучения, ветра, морских и океанских волн, тепла морей и океанов, тепла недр Земли.

Гидроэнергетика служит для преобразования энергии водного потока в электрическую. На 2006 г. гидроэнергетика (ГЭС) обеспечивала производство до 88 % электроэнергии из возобновляемых ресурсов и до 20 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 777 ГВт. Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке — 98 %), Канаде и Швеции. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается на гидроэлектростанциях.

К гидроэнергии можно отнести также и энергию морских приливов, обусловленных потенциальной энергией взаимодействия в системе Земля-Луна-Солнце. Приливные электростанции (ПЭС) строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 м. Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Серьезным препятствием на пути использования энергии приливов и отливов является их суточная и месячная неравномерность, которая ведет к переменной мощности приливной электростанции и перепадам ее работы, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций. ПЭС «Ля Ранс» (240 МВт, Северная Бретань), построенная в 1967 г. в устье р. Ранс, имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м. Другие известные станции: южнокорейская — ПЭС Сихва (мощность 254 МВт), канадская — ПЭС Аннаполис и норвежская — ПЭС Хаммерфест.В СССР действовала опытная Кислогубская ПЭС на Кольском полуострове.

Энергия морских волн значительно выше энергии приливов (мощность качки судна превышает мощность его двигателей в несколько раз). Мощность волнения может превышать 100 кВт/м волнового фронта. На Черном море мощность волн в среднем составляет 15 кВт/м, а в северных морях России – до 100 кВт/м. Волнение есть всегда, даже в штиль. Страны с большой протяжённостью побережья и постоянными сильными ветрами, такие как Великобритания и Ирландия, могут генерировать до 5 % требуемой электроэнергии за счёт энергии волн. Но пока волновые электростанции не вышли за рамки опытных образцов. В Великобритании построен волновой генератор Oyster. В апреле 2013 г. состоялась презентация Российской разработки волновой электростанции – это поплавок-капсула, находящийся в открытом море, и при качании на волне производит электрическую энергию.

Ветроэнергетика предполагает использование кинетической энергии ветра для преобразования ее в электрическую. В конце 2012 г. общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 254 ГВт, из которых 16,5 ГВт введены в эксплуатацию только за первую половину 2012 года. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 ТВт-ч (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2011 г. в Дании с помощью ветрогенераторов производится 28 % всего электричества, в Китае – около 25 %. в Португалии — 19 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 16 % и в Германии — 8 %, во Франции в 2012 г. ветроэнергетика покрыла 10 % потребности страны в энергии. Лидерами в области ветроэнергетики являются Китай, США, Германия, Испания и Индия, на долю которых приходится 74 % всех установленных в мире ветроэнергетических мощностей. 80 стран мира используют ветроэнергетику на коммерческой основе.

Солнечные электростанции (СЭС) работают в 50 странах. Энергия солнечного излучения может преобразовываться в тепловую (преобразования солнечной радиации в тепло воды или легкокипящего жидкого теплоносителя) или электрическую посредством фотоэлементов.

Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях.

Установленная мощность ФЭС в мире, Гвт

Средний КПД фотоэлементов на действующих фотоэлектростанциях 9-25 %, КПД фотоэлементов 2- и 3-го поколений равен 30 %. В июне 2013 г. сообщалось, что в фирме. В Sharp разработали «концентрирующий» фотоэлемент с КПД 44,4%.

В 2012 г. суммарные мощности фотоэлектрических станций во всем мире превысила 100 ГВт (около 1 % общемировой генерации электроэнергии). Большая часть таких электростанций расположена в Германии (17,5 Гвт или около 2 %). По данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии (EPIA) в 2011 г. во всем мире было подключено около 28 ГВт новых солнечных станций.

Энергия температурного градиента морской воды – одиниз видов возобновляемой энергии, позволяющий получать электроэнергию, используя разницу температур на поверхности и в глубине океана.

В 1970-х гг. компания Токио Электрик Поуэр Компани разработала и построила в 1981 г. электростанцию в Науру, которая производила около 120 кВт электроэнергии, из которых 90 кВт использовалось для нужд самой станции. Оставшееся электричество использовалось для питания школы и других объектов в Науру. Этот объект поставил рекорд по реальному использованию энергии морского градиента. В Индии разрабатывается первая электростанция мощностью 1 МВт для работы недалеко от штата Тамиланд.

Геотермальная энергетика основана на преобразовании энергии, содержащейся в недрах Земли, в электрическую на геотермальных станциях – ГеоТЭС. Строятся ГеоТЭС в вулканических районах, где на небольших глубинах вода перегревается выше температуры кипения и просачивается к поверхности, иногда проявляясь в виде гейзеров. Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Доступ к подземным источникам осуществляется бурением скважин. В СССР первая геотермальная электростанция (12 МВт) была построена в 1966 г. на Камчатке. ГеоТЭС Хеллишейди – геотермальная электростанция в Исландии около вулкана Хенгидль с установленной мощностью 303 МВт на 2012 г. является крупнейшей электростанцией этого типа в мире. В Исландии вклад геотермальной энергетики в энергетический баланс страны составляет около 30 %: ГеоТЭС производят 17 % электроэнергии в стране и 87 % тепловой энергии. Ископаемые виды топлива завозятся в страну только для нужд транспорта. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено также в Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении.

К 2010 г. геотермальные электростанции общей установленной мощностью около 10 715 МВт работают в 27 странах, вырабатывая около 68 ГВт-час в год (0,3 % мирового производства электроэнергии) при среднем КИУМ 0,72. Ежегодный прирост мощности ГеоЭС мира в последние годы составлял 3÷11 %.

В шести странах мира получают от 10 % до 30 % электроэнергии на ГеоЭС. На первом месте по общей установленной мощности ГеоЭС стоит США (3093 МВт), на втором – Филиппины (1904 МВт), на третьем – Индонезия (1197 МВт), затем Мексика (958 МВт), Италия (843 МВт), Исландия (573 МВт). В России суммарная мощность ГеоЭС равна 82 МВт. С 2000 года были построены новые ГеоЭС в Мексике, Филиппинах, Кении, Индонезии, Исландии, Франции, Коста Рики и России.

В настоящее время из этих источников энергии только гидроэнергоресурсы принимают во внимание при разработке топливно-энергетического баланса. Остальные возобновляемые ресурсы не играют заметной роли в современном топливно-энергетическом балансе.

Для оценки потенциальных возможностей возобновляемых источников энергии примем величину, определяющую потребность в энергоресурсах на 2050 г. ~ 1 Q /год (напомним, соответствует сжиганию 36 млрд т.у.т.). К этому году приблизительно 50 % энергопотребления можно будет обеспечить за счет сжигания органического топлива. Следовательно, для полного удовлетворения энергопотребности к тому времени необходимо освоить дополнительные источники мощностью ~ 0,5 Q /год.

Мировые потенциальные (валовые) гидроэнергоресурсы соответствуют производству энергии 0,1 Q /год, однако по многим причинам они могут быть использованы лишь частично. Технический (пригодный к использованию) потенциал гидроэнергоресурсов составляет 33-65 % от валового. Еще ниже экономический потенциал, т.е. экономически выгодный для использования при современном состоянии техники получения гидроэнергии по сравнению с другими видами энергии. Мировой экономический потенциал гидроэнергии составляет приблизительно 0,03 Q /год. Таким образом, за счет энергии рек (даже при их полном использовании) можно было бы удовлетворить только 3 % в 2020‑2050 гг.В мировом ТЭБе гидроэнергетика может играть только вспомогательную роль.

Следует также добавить, что гидроэнергетика существенно влияет на экологическую обстановку в районе расположения гидроэлектростанций. Например, водохранилище Куйбышевской ГЭС (3-е по величине в мире)с площадью водного зеркала 6,45 тыс км²имеет объем 58 млрд м³(Рыбинское водохранилище 4,6 тыс км²25 млрд. м³ соответственно). Для создания таких водохранилищ порой требуется затопить огромные обжитые территории, занятые сельскохозяйственными угодьями и т.д. Мелководные зоны водохранилищ (которые могут составляет до 40 % по площади) осушаются при сработке запаса воды, в результате гниют водоросли, загрязняя водохранилище и реки. Сокращаются трофические цепи, снижается численность рыб, исчезают позвоночные водные животные, повышается агрессивность компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночной стадии, исчезают места гнездования многих видов перелетных птиц и т.д. Если же сооружать защитные устройства (например, дамбы, отсекающие мелководье от основного водохранилища), тостроительство сильно удорожается.

К гидроэнергии следует отнести также и энергию морских приливов, технический потенциал которых оценивается в 0,014 Q /год, т.е. за счёт приливов реально можно было бы удовлетворить ~ 1 % мировых потребностей в энергии.

Последние 30 лет во многих странах большое внимание уделяют проблеме использования солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде.

Это объясняется тем, что ресурсы солнечной энергии как энергоисточника огромны и практически неисчерпаемы, а солнечная энергетика является экологически чистой. К сожалению, пока не видно, какими путями эти огромные потенциальные ресурсы можно реализовать в больших количествах.

Одним из наиболее важнейших препятствий для использования этого источника энергии является низкая средняя интенсивность солнечного излучения даже при наилучших атмосферных условиях. Поток солнечного излучения на входе в атмосферу Земли равен 1367 Вт/м². При прохождении атмосферы из‑за поглощения максимальный поток солнечного излучения на Экваторе равен приблизительно 1000 Вт/м², а среднесуточное значение из-за смены дня и ночи как минимум в 3 раза меньше. Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше. В тоже время в современных парогенераторах на ТЭС тепловой поток составляет 10⁵‑10⁶ Вт/м². отсюда видно, что главная проблема солнечной энергии – это разработка методов концентрирования энергии, т.е. повышение ее интенсивности в сотни раз еще до того, как она превратиться в тепловую. На рисунке показан типичный проект солнечной тепловой электростанции (СТЭС).В 2010 г. в мире СТЭС имели суммарную установочную мощность 1,12 ГВт. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт.

Существует проект строительства фотоэлектростанции в Даугавпилсе (приостановленный из-за отсутствия финансировании). Площадь солнечных батарей даугавпилсской электростанции составит 36 480 квадратных метров, причем эти накопители энергии смогут вырабатывать электричество даже в облачную погоду. Под станцию выделен участок площадью 13 га, расположенный вдоль Даугавы. Мощность электростанции составит 4,6 МВт. Полагая, что проект достаточно современный, можно подсчитать расход земель на выработку 1 МВт установочной мощности – 8000 м²/МВт (или 28000 м²/МВт из расчета общей площади станции). Такой отчуждение площадей на 1 МВт мощности вообще говоря меньше в 300-400 раз меньше, чем в гидроэнергентике.

Можно сегодня утверждать, что проблема использования земли будет препятствовать крупномасштабному использованию солнечной энергии. Так для производства 1,5 Q понадобиться около 13 млн км² земли, что соизмеримо со всей территорией РФ ~ 17 млн. км² (для справки общая территория суши ~ 149 млн. км²). Правда можно использовать поверхность морей и океанов (361 млн км²), но экономически это представляется невыгодным????

При использовании фотоэлементов 1-го и 2-го поколения (КПД около 30 %) также требуются большие площади земли под электростанции: для выработки 1 ГВт могут потребоваться десятки км² (, а именно, 10-20 км²/ГВт, гидроэнергетика выводит существенно бóльшие участки земли). Однако строительство солнечных электростанций большой мощности может приводить к изменению микроклимата в окрестностях, поэтому обычно устанавливают фотоэлектрические станции мощностью 1‑2 МВт недалеко от потребителя.При этом надо иметь в виду, что солнечная энергетика относится к материалоёмким видам производства энергии.

Кроме непосредственного использования солнечной энергии большое внимание привлекает проблема использования энергии аккумулированной в атмосфере Земли (энергия ветра) и водах мирового океана – энергия морских волн, приливов, перепад температуры между поверхностными и глубинными слоями морской воды. Вклады этих источников в энергетику будущего представлены в таблице.

Дефицит энергии может восполнить атомная энергетика.

Вопрос управляемого термоядерного синтеза (УТС) на мировом уровне возник в середине XX века. Управляемый термоядерный синтез позволяет использовать энергию слияния легких ядер: дейтерия (²Н) и трития (³Т), двух ядер дейтерия, в отдаленной перспективе – гелия-3 (³Не) и бора-11 (¹¹В).

Для осуществления УТС предложены две схемы, разработки которых продолжаются в настоящее время: квазистационарные системы, в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при высокой температуре и относительно низком давлении. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитного поля. В разработке УТС токамаки занимают передовые позиции (ТОроидальная КАмера с МАГнитным полем, при этом Г заменена на К). В самом крупном отечественном токамаке удается нагреть плазму до 10-15 млн градусов.Реактор ITER(ИТЭР, Международный экспериментальный термоядерный реактор) имеет форму токамака.

В импульсных системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Цель УТС – обеспечить протекание реакции слияния легких ядер. Наибольший интерес представляют реакции с участием изотопов водорода: дейтерия и трития (DT-цикл) либо одного дейтерия (DD-цикл).

В первом случае протекает реакция

(3,5+14,5 МэВ),

во втором с равной вероятностью протекают две реакции

.

Максимальное сечение DT реакции превышает в 50 раз соответствующую величину DD реакции, кроме того, температура плазмы первой реакции примерно в 10 раз ниже, чем второй. С этой точки зрения DT реакция более предпочтительна и может быть реализована быстрее, так что в настоящее время концепция УТС исходит из использования DT смеси.

Однако тритий радиоактивный и весьма дорогой изотоп. Его необходимо воспроизводить в самом реакторе. Кроме того в этой реакции бóльшая часть выделяемой энергии (более 80 %) приходится на нейтрон, к тому же нейтронный поток создает наведенную активность в конструкционных материалах реактора.

Поэтому в перспективе рассматривается использование DD реакции.

Для осуществления DT реакции необходимо нагреть смесь до 100 млн. градусов, однако такая высокая температура еще не гарантирует успеха, ибо интенсивность термоядерного синтеза определяется и плотностью плазмы.

Поскольку тритий не встречается в природе, предусматривается специальная оболочка окружающая рабочую камеру и называемая бланкетом, в которой протекает реакция получения трития

.

Сгорающий при синтезе тритий пополняется в литиевом банкете, так что реактор работает на дейтерии и литии. Запасы этих элементов на нашей планете настолько велики, что их должно хватить на несколько тысяч лет. Теплотворная способность термоядерного топлива в 8 раз больше чем у атомного.

По составу бланкета термоядерные реакторы разделяются на «чистые» и «гибридные». В бланкете «чистого» реактора воспроизводится лишь тритий, в «гибридном» вместе с ⁶Li содержится ²³⁸U или ²³²Th, образующиеся при их облучении нейтронами ²³⁹Pu и ²³³U служат топливом для реакторов деления.

В обоих случаях тепловая энергия идет на нагрев теплоносителя и преобразуется в электрическую также как на АЭС.

Проект ИТЭР – разработка концептуального проекта закончена в 1990‑1992 гг.

Что касается термоядерного синтеза, то в июле 2010 г. официально начался этап строительства ИТЭР. Предполагается, что первая плазма будет получена в ноябре 2019 г. Существенный прогресс был также достигнут на Национальной установке по термоядерному зажиганию (НИФ) в США, где в январе 2010 г. был получен импульс с энергией 1 МДж.

Обзор ядерных технологий – 2011

Доклад Генерального директора МАГАТЭ

Электрическая мощность реактора – 1500 МВт. Сейчас идет создание интегрированного детализированного проекта. Стоимость проекта 1,2 млрд. $. За инженерной разработкой проекта должно последовать принятие решения о сооружении реактора. По времени этот этап должен занять 7 лет, а стоимость строительства оценивается 6,9 млрд. $ США (по оценкам на июль 1993 года), на последней стадии функционирования ИТЭР должен продемонстрировать способность генерировать термоядерную мощность, превышающую 1 ГВт.

Следующим значительным шагом должно быть создание демонстрационной термоядерной электростанции ДЕМО, нацеленной на производство коммерческой электроэнергии. Проект ИТЭР потребует разработки и внедрения значительного количества новых технологий. Это и технология термоядерной плазмы, и сверхвысокий вакуум, и сверхпроводники, и новые перспективные материалы. Одной из ключевых проблем является выбор и испытание материалов для термоядерного реактора.

Развитие новых металлургических технологий займет определенное время. Поиск новых перспективных материалов для термоядерного реактора является критическим этапом в разработке проекта. Хватит ли времени на нахождение оптимального решения? Если мировое сообщество выполнит программу создания ИТЭР вовремя, то прототип коммерческого термоядерного появится в первой половине нынешнего столетия.

НАДО ДОПИСАТЬ ВЫВОДЫ

Дата добавления: 2014-11-16