ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.09.2020
Просмотров: 208
Скачиваний: 3
К основным недостаткам указанных установок относится нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны отрицательные последствия для теплолюбивой фауны. Кроме того, содержание диоксида углерода в глубинных водах океана больше, чем в поверхностных, в результате чего он может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в регионе.
Использование градиента солености вод. Проведены теоретические исследования и выполнен цикл опытно-конструкторских работ, подтверждающих возможность создания энергетики, которая основана на перепадах солености вод. В настоящее время оцениваются перспективы масштабного использования указанной технологии и его экологические последствия
Использование геотермальной и гидротермальной энергии
Среди альтернативных источников геотермальная энергия занимает значительное место – ее так или иначе используют примерно в 80 странах по всему миру. В большинстве случаев это происходит на уровне строительства теплиц, бассейнов, применения в качестве лечебного средства или отопления.
В нескольких странах – в том числе США, Исландии, Италии, Японии и других – построены и работают электростанции. Геотермальная энергия в целом подразделяется на две разновидности – петротермальную и гидротермальную. Первый тип использует как источник горячие горные породы. Второй – подземные воды. Если свести все данные по теме в одну диаграмму, обнаружится, что в 99% случаев используется тепло пород, и только в 1% геотермальная энергия извлекается из подземных вод.
Петротермальная энергетика. На настоящий момент в мире достаточно широко используется тепло земных недр, причем преимущественно это энергия неглубоких скважин – до 1 км. С целью обеспечения электричеством, теплом или ГВС устанавливаются скважинные теплообменники, работающие на жидкостях с низкой температурой кипения (например, на фреоне).
Сейчас использование скважинного теплообменника является наиболее рациональным способом добычи тепла. Выглядит это так: теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре. Нагретый поднимается по концентрично опущенной трубе, отдавая свое тепло, после чего, охлажденный, при помощи насоса подается в обсадную. В основе использования энергии земных недр лежит природное явление – по мере приближения к ядру Земли растет температура земной коры и мантии. На уровне 2-3 км от поверхности планеты она достигает более 100°С, в среднем увеличиваясь с каждым последующим километром на 20°С. На глубине 100 км температура достигает уже 1300-1500ºС.
Гидротермальная энергетика. Вода, циркулирующая на больших глубинах, нагревается до значительных величин. В сейсмически активных районах она поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, в спокойных же регионах ее можно вывести с помощью скважин.
Принцип действия тот же: нагретая вода поднимается по скважине вверх, отдает тепло, и возвращается по второй трубе вниз. Цикл практически бесконечен и возобновляем до тех пор, пока в земных недрах остается тепло. В некоторых сейсмически активных регионах горячие воды лежат так близко к поверхности, что можно воочию наблюдать, как работает геотермальная энергия. Фото окрестностей вулкана Крафла (Исландия) демонстрирует гейзеры, которые передают пар для действующей там ГеоТЭС.
Основные черты геотермальной энергетики. Внимание к альтернативным источникам обусловлено тем, что запасы нефти и газа на планете не бесконечны, и постепенно исчерпываются. Кроме того, они есть не везде, и многие страны зависят от поставок из других регионов. Среди иных важных факторов – негативное влияние ядерной и топливной энергетики на среду обитания человека и дикую природу. Большое достоинство ГЭ – возобновляемость и универсальность: возможность использовать для водо- и теплоснабжения, или для выработки электроэнергии, или для всех трех целей сразу. Но главное – это геотермальная энергия, плюсы и минусы которой зависят не столько от местности, сколько от кошелька заказчика.
Достоинства и недостатки ГЭ. В числе преимуществ этого вида энергии следующее: она возобновляемая и практически неиссякаемая; независима от времени суток, сезона, погоды; универсальна – с ее помощью можно обеспечить водо- и теплоснабжение, а также электричество; геотермальные источники энергии не загрязняют окружающую среду; не вызывают парникового эффекта; станции не занимают много места. Однако имеются и недостатки: геотермальная энергия не считается полностью безвредной из-за выбросов пара, в составе которого могут быть сероводород, радон и другие вредные примеси; при использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования – из-за химического состава такую воду нужно сливать либо обратно в глубокие слои, либо в океан; постройка станции относительно дорога – это удорожает и стоимость энергии в итоге.
Сферы применения. На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, аква- и термокультуре, промышленности, сфере жилищно-коммунальных хозяйств. В нескольких странах построены крупные комплексы, обеспечивающие население электроэнергией. Продолжается разработка новых систем.
Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу оранжерей, теплиц, установок аква- и гидрокультуры. Подобный подход применяется в нескольких государствах – Кении, Израиле, Мексике, Греции, Гватемале и Теде.
Подземные источники применяются для полива полей, обогрева почвы, поддержания постоянной температуры и влажности в оранжерее или теплице. Промышленность и ЖКХ В ноябре 2014 года в Кении начала работать крупнейшая на то время геотермальная электростанция мира. Вторая по размерам находится в Исландии – это Хеллишейди, берущая тепло от источников возле вулкана Хенгидль.
Одна из наиболее перспективных сфер – частный сектор, для которого геотермальная энергия – это реальная альтернатива автономного газового отопления. Самая серьезная преграда здесь – при довольно дешевой эксплуатации высокая начальная стоимость оборудования, которая значительно выше, чем цена установки «традиционного» отопления.
Использование термоядерной энергии
В перспективе самым большим резервом получения энергии является использование термоядерного синтеза с применением изотопов водорода.
При термоядерном синтезе энергия высвобождается в результате взаимодействия ядер водорода – дейтерия и трития, которые выступают в качестве топлива.
Запасы дейтерия в морской воде практически неисчерпаемы. Трития в природе практически нет, но он может быть получен в самом термоядерном реакторе при реализации реакции нейтронов с литием. Запасы лития на Земле во много раз больше, чем запасы органического топлива. Кроме того, тритий получается из изотопов лития при эксплуатации атомных тяжёловодных реакторов, где он считается отходом производства.
В термоядерном реакторе будут сжигаться дейтерий и литий в очень небольшом количестве. При этом из единицы массы термоядерного топлива получится примерно в 10 млн раз больше энергии, чем при сжигании такого же количества ископаемого топлива на ГРЭС и почти в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана на АЭС.
Можно осуществить термоядерный синтез при взаимодействии дейтерия с гелием-3. Однако гелия-3 очень мало, практически он отсутствует. Получить гелий-3 экспериментально очень сложно и дорого. На Луне гелия-3 в 10 тыс. раз больше, чем на Земле. Чтобы покрыть все земные потребности в энергии, достаточно вывезти с Луны 100 т гелия-3. Наличие гелия-3 и дейтерия в термоядерном реакторе делает отходы нерадиоактивными.
Если будет создан термоядерный реактор, то он станет потреблять небольшое количество лития и дейтерия. Такой реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год.
Термоядерная энергия – более экологически чистая, чем при использовании органического топлива, и более безопасная по сравнению с ядерной энергией.
Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые, происходящие при сверхвысоких температурах порядка 10 млн. °С и выше, которые необходимы для процесса теплового движения и столкновения ядер с высокой кинетической энергией. Поэтому главная трудность осуществления управляемой искусственной термоядерной реакции связана с созданием эффективной системы, обеспечивающей длительную теплоизоляцию термоядерного рабочего пространства реактора с плазмой от окружающей среды.
Термоядерную реакцию можно будет реализовать с использованием следующих основных технологий и технических решений:
а) создание термоядерного реактора (типа токамак) с использованием сильного магнитного поля;
б) создание термоядерного реактора на базе мощной лазерной системы;
в) создание установок с использованием холодного термоядерного синтеза.
В управляемом термоядерном реакторе плазму в вакууме нужно разогреть до миллионов градусов с помощью сверхпроводящего магнитного поля очень высокой напряжённости, что не позволит заряженным частицам вылетать за пределы «плазменного шнура». При этом во время реакции синтеза тяжёлых ядер нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию внутренним стенкам установки, которые охлаждаются водой. Выделенное тепло может сниматься теплоносителем первого контура охлаждения, затем во втором контуре получается пар, который направляется в турбину, как в обычных ТЭС.
В настоящее время в мире построено более 100 установок (токамаков) небольшой мощности. Самый мощный токамак мощностью 52 МВт создан в Англии. Однако такие уровни мощностей не решат проблемы обеспечения энергией, поэтому в ближайшей перспективе планируется создание более мощных реакторов.
В связи с проблемами, которые могут возникнуть в ближайшие десятилетия по обеспечению энергией промышленности и населения, ряд индустриально развитых стран подписали соглашение о строительстве и вводе в действие к 2020 г. международного термоядерного экспериментального реактора. Энергетическая мощность этого реактора должна составить 500 МВт при 50 МВт электрической мощности, которая будет тратиться на подержание работы реактора. Реактор намечено построить в г. Кадараш на юге Франции.
Кроме термоядерного реактора с использованием сверхсильного магнитного поля, учёные в нескольких странах мира приступили к реализации идеи создания термоядерного реактора на базе мощной лазерной системы. Эта система, состоящая из нескольких лазеров, должна со всех сторон равномерно облучать своими лучами смесь из дейтерия с тритием и разогревать её до 120 млн. °С, благодаря чему должна начаться самостоятельная термоядерная реакция.
В Калифорнии (США) находится самый большой в мире комплекс, состоящий из 192 лазеров, предназначенный для проведения экспериментов по термоядерному синтезу. Американцы планируют показать работу экспериментального термоядерного реактора с использованием сверхмощного лазера уже в ближайшее время. Система лазеров в таком реакторе работает в импульсном режиме, при котором возникают небольшие ядерные взрывы, которые приводят к нагреву стенок камеры. Далее, по классической схеме, энергия с помощью пара передается паровой турбине и преобразуется в электроэнергию.
В проектируемом экспериментальном термоядерном реакторе ещё больше проблем, чем в токамаках. Слишком мал общий КПД современных лазеров, который находится на уровне 10%. Работы с лазерным термоядерным реактором на 10-20 лет отстают от работ с токамаками.
Кроме использования токамаков и лазерных термоядерных ректоров ведутся работы с применением холодного термоядерного синтеза. При холодном термоядерном синтезе температура плазмы меняется от 20 до 1000°С и более. Однако информация о возможности использования холодного термоядерного синтеза пока не подтверждена экспериментами. Тем не менее, исследования в этом направлении осуществляют в ряде стран.
Канадские учёные заявили о способности в течение 10 лет создать термоядерную установку мощностью 100 МВт, в которой не будет токамака и мощных лазеров. В установке будут использованы жидкий сплав лития и свинца. Создатели установки канадского типа надеяться обогнать по времени пуск термоядерного реактора типа токамак на 20 лет. Ещё в 1980-е годы российские учёные проводили исследования по непосредственному преобразованию термоядерной энергии в электрическую энергию. При положительных результатах таких исследований предполагается получение постоянного тока, который можно будет преобразовать в переменный с помощью полупроводникового инвертора.
Термоядерная энергия, полученная и преобразованная по такой технологии, избавит электростанции будущего от паровых котлов, газовых турбин и синхронных генераторов. Будет получен источник постоянного тока, с помощью термоядерного реактора преобразован инвертором в переменный, а дальше будут использованы трансформаторы и линии электропередачи.
В настоящее время трудно определить, какой из научных прогнозов использования термоядерной энергии получит практическую реализацию, это покажет будущее.