Нетрадиционные источники энергии

Развитие нашей цивилизации сопровождается увеличением потребностей человечества в энергии. При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов.

Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г . может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично.

Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых. В настоящее время известны следующие виды возобновляемых источников энергии:

Солнечная энергетика. Ветроэнергетика. Биомассовая энергетика. Волновая энергетика. Градиент-температурная энергетика. Энергия градиент-солёности. Энергия эффекта запоминания формы. Приливная энергетика. Геотермальная энергетика. Микро-ГЭС (микрогидроэнергетика).

Рассмотрим наиболее перспективные в настоящее время альтернативные источники энергии.

Энергия ветра Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности.

Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой.

Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы.

Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом. На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока, как показано на схеме рис.1. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости.

Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Эти ветры вблизи больших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками.

Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км . Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов.

Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места. В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным — в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы, показанную на рис. 6.1.1. Местные ветры.

Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры. Бризы.

Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами. Рис.1. Схема общей циркуляции земной атмосферы. Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх.

Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер.

Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз. Таким образом возникает циркуляция воздуха с направлением внизу – на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши.

Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м . В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Чёрного и Каспийского морей.

Муссоны.

Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы, называется муссонами.

Возникают муссоны по следующим причинам. Летом континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами.

Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого.

Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата.

Энергия ветра огромна, по оценке Всемирной метеорологической организации, составляет 170 трлн. кВт*ч в год.

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии.

Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы, главные из которых: высокая стоимость ветроэнергетических установок, их способность надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное электроснабжение.

История создания ветрогенераторов Первый ветрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 году. В России в начале 20 века Н.Е. Жуковским была разработана теория ветряного двигателя, которую его ученики расширили и довели до практического использования. В первой половине столетия ветроэнергетика стремительно развивается во всем мире. С 1929 по 1936 года в СССР разрабатываются установки мощностью 1000 кВт и 10000 кВт. Эти установки планировались для работы на сеть. В 1933 году в Крыму устанавливается ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром колеса 30 м . Развитие этого направления достигло своего пика, когда в 1957 году была изготовлена ветряная турбина мощностью 200 квт. Но вскоре их вытеснили мегаватные станции, работающие на традиционном топливе. В течение Второй Мировой войны датская машиностоительная компания F.L.Smidt построила двухи трехлопастные ветряные турбины. Эти машины генерировали постоянный ток.

Трехлопастной аппарат с острова Водо, построенный в 1942 году, был частью ветро-дизельной системы, которая обеспечивала электроснабжение островаБолее тысячи ветротурбин было поставлено в Palm Springs (Калифорния) в начале восьмидесятых. Дания в настоящее время имеет приблизительно 2000 мегаватт ветряной энергии и около 6000 действующих ветряных турбин. 80% этих турбин принадлежат частным лицам или местным кооперативам. Самая большая в мире «ветряная ферма» находится в Дании, город Middelgrunden (на фото вверху). Она состоит из 20 турбин Bonus 2 МВт, общая мощность которых составляет 40 мегаватт. Пионеры ветроэнергетики Современная ветроэнергетическая установка 1940 – 1950 г . Элементы ветроэнергетической установки Автономная ветроэнергетическая установка конструктивно состоит из ветроголовки, установленной на мачте, зарядного устройства, аккумуляторной станции, инвертора (преобразователя тока). Ветроэлектростанции могут использоваться как самостоятельно, так и в составе смешанных систем: ветро-солнечных (на рисунке) или ветро-дизельных. В Дании – самой передовой стране в ветроэнергетике – использование энергии ветров покрывает лишь 6 процентов от общего потребления электроэнергии.

Планируется повысить этот показатель до 10 процентов к 2010 году, а потом довести до теоретически возможных 20 процентов. Но это предел на сегодняшнем уровне развития ветроэнергетики, хотя никто не знает, что станет возможным завтра. Кроме того, на Западе практикуется подключение к сети ветрогенераторов индивидуальных владельцев.

Экономические аспекты использования энергии ветра Возможности быстрого развития ветроэнергетики в условиях недостатка бюджетных средств демонстрирует в последние годы Индия. В 2000 году она вышла на пятое место в мире, обогнав Нидерланды, Италию, Великобританию.

Себестоимость вырабатываемой электроэнергии от ВЭС в ряде индийских штатов снизилась до 5-6 цент/кВт•ч.

Правительство Индии планирует увеличить долю вырабатываемой энергии от ВЭС в 2010 году до 5 %, а в 2020 году — до 10 %. В России тоже есть опыт установки сетевых ветрогенераторов, в Калмыкии, за Уралом, на Дальнем Востоке, но не очень удачный. При установке промышленного ветряка проводятся исследования – мониторинг ветров, для правильного определения места размещения и модели ветроустановки.. Это подчас в расчет не берется.

Сейчас РАО ЕС проводит эксперимент в Калининградской области. На средства гранта правительства Дании там установлено 20 ветряков общей мощностью 5,1 мВт.

Планируется увеличить их количество, расположив ВЭС на шельфе Балтийского моря.

Недостатки ветровых энергоустановок Основным недостатком ветроэлектростанций, на сегодняшний день, является их высокая стоимость, которая определяет высокую цену1 кВтч электроэнергии, полученной от ветрогенератора.

Другим немаловажным минусом является то, что ни одна система альтернативной энергетики не может гарантировать постоянного электроснабжения. Даже если присоединить к ветряку аккумуляторную станцию, она не застрахует нас от штиля задержавшегося на несколько дней. С экологической точки зрения, чистая энергия ветра не такая уж и чистая.

Ветрогенератор это все-таки машина, имеющая свои плюсы и минусы.

Ветряки, особенно промышленные, большой мощности, шумят, создают низкочастотные колебания, мешают полетам птиц, а также отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах. Объёмы использования энергии ветра

Объемы используемой энергии ветра (мегаватты)
Европа На начало 2003 г .
Германия	8753 12001
Испания	3335 4830
Дания	2556 2889
Италия	697 785
Голландия	483 686
Великобритания	485 552
Шведция	280 328
Греция	272 302
Португалия	127 194
Франция	85 147
Австрия	95 139
Ирландия	125 137
Норвегия	17 97
Польша	28 58
Бельгия	31 46
Украина	40 44
Финляндия	39 41
Латвия	1 23
Турция	19 19
Люксембург	15 16
Россия	5 7
Швейцария	5 5
Эстония	0 5
Чехословакия	5 3
Венгрия	1 2
Румыния	1 1
Всего	17,500 23,357
Северная Америка
США	4245 4645
Канада	207 236
Всего	4452 4881
Азия
Индия	1507 1702
Китай	399 468
Южная Корея	8 8
Шри Ланка	3 3
Тайвань	3 3
Всего	1920 2184
Латинская Америка
Коста-Рика	51 71
Бразилия	20 22
Аргентина	24 26
Мексика	5 5
Чили	2 2
Всего	102 126
Тихоокеанский регион
Япония	300 384
Австралия	73 103
Новая Зеландия	37 37
Всего	410 524
Средний Восток и Африка
Египет	69 69
Марокко	54 54
Иран	11 11
Израиль	8 8
Иордан	2 2
Всего	144 144

Энергия солнца В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0.0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5 % - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м . Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения 'собирали' за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км ! Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты.

Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью.

Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования.

Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км , требует примерно 10 тонн алюминия.

Доказанные на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17 10 тонн Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии.

Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.

Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы. Итоги 2005 года В 2005 (по данным компании Solarbazz ) установленные мощности солнечной энергетики выросли на 1460 МВт, что на 34 % больше, чем в 2004 . Установленные мощности Германии выросли на 837 МВТ. В Японии установленные мощности выросли на 292 МВт.,что на 14 % больше 2004 года. Ввод в строй новых мощностей в 2005 году: Германия — 57 % Япония — 20 % Остальной мир — 10 % США — 7 % Остальная Европа — 6 % Всего за 2005 год установлено 1460 МВт. Доля стран в суммарных установленных мощностях ( 2004 год): Германия — 39 % Япония — 30 % Остальной мир — 14 % США — 9 % Остальная Европа — 8 % Производство фотоэлектрических элементов в мире выросло с 1146 МВт. в 2004 г. до 1656 МВт. в 2005 г.

Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве — 46 % мирового рынка.

Япония увеличила производство на 38 %. В Европе производится 28 %. Три крупнейшие компании в Европе — германские : Q-Cells, Schott Solar и Sunway. В США было произведено 156 МВт. фотоэлектрических элементов , что составляет 10,6 % мирового производства. В 2005 году установленные мощности выросли на 39 %, и достигли 5 ГигаВт.

Инвестиции в 2005 году в строительство новых заводов по производству фотоэлектрических элементов составили $1 млрд.

Несмотря на 12 % рост мощностей по производству кремния , стоимость кремния выросла на 25 %. Из-за дефицита кремния производство фотоэлектрических элементов в 2006 году вырастет всего на 10 %. К 2010 году установки фотоэлектрических элементов достигнут 3,2-3,9 ГигаВт. в год.

Выручка производителей составит $18,6 -$23,1 млрд. в год. В 1985 году все установленные мощности мира составляли 21 МВт.

Японские фирмы в 2004 г. произвели 48 % оборудования, США 11 %. В 2000 году американские фирмы занимали 26 % мирового рынка. 4 компании занимают около 50 % мирового рынка солнечных элементов и батарей: Sharp, Kyocera, BP Solar, и Shell Solar. В 2005 году Sharp увеличил производство на 32 %, Kyocera на 35 %. Sanyo произвела за 2005 год 105 МВт. фотоэлектрических элементов , и переместилась с 7-го места в мире на 4-е. Когда установленные мощности фотоэлектрических элементов во всём мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой падает на 20 %-30 %. Энергия океана Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан – результат поглощения им солнечного излучения.

Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты.

Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн. км2. Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. В океанской воде примерно 65 % солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % – десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания (твердая поверхность суши прогревается не более чем на 0,5 м ). Запасенное океаном тепло частично в виде длинноволнового излучения ( >10 мкм) переизлучается, а частично передается в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и вследствие испарения.

Относительная роль этих процессов различна для разных районов планеты, но на широтах от 70° с.ш. до 70° ю.ш. характеризуется примерно одинаковыми значениями [2.9]: длинноволновое излучение в атмосферу и космическое пространство 41 %; передача тепла атмосфере за счет теплопроводности 5 %; потери на испарение 54 %. За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энергия переносится по всей планете, причем в области между экватором и 70° с. ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20° с. ш. вклад океана в перенос энергии составляет до 74%. Ежегодно с поверхности океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340·1012 т) и около 36·1012 т воды возвращается со стоком рек, ледников и т.п.

Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океане и на поверхности суши различные изменения: преобразуются в тепло 43 %; расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергии рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно 0,02 % всей энергии воспринятого солнечного излучения идет на образование продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива.

Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающей из недр Земли и в виде приливной энергии.

Выделить из указанных потоков те, что непосредственно имеют отношение только к океану, достаточно трудно. Для энергетики важны не абсолютные величины мощностей различных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в требуемые для хозяйственной деятельности виды энергии.

Сотрудниками океанографического института Скриппса (США) выполнены оценки суммарных и допустимых для переработки мощностей различных океанических источников энергии за пять лет – с 1977 по 1982 г . Соответствующие данные приведены на диаграммах рис. 2, на которых отмечены два уровня – суммарный и допускающий преобразование (заштрихован). Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использованию энергии оказались ниже. Рис.2. Распределение океанских источников энергии по мощности (правые столбцы – по оценкам 1977 г . [1.89], левые – по оценкам 1982 г . [1.81]). Огромные количества энергии можно получить от морских волн.

Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду.

Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные ( T 10 с) волны большой амплитуды ( a 2м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в среднем от 50 до 70 кВт/м.

Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны /2. Преобразование энергии волн. В этом классе преобразователей остановимся в первую очередь на разработке профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названной в честь создателя «утка Солтера». Техническое название такого преобразователя – колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности (рис.3). Рис.3. «Утка Солтера»: а – схема преобразования энергии волны; б – вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 – асимметричный поплавок. Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться.

Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси.

Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким расчетом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии.

Отражая и пропуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний (рис.4). Рис.4. Эффективность «утки Солтера» (диаметр 15 м , ось зафиксирована). Геотермальная энергия - в дословном переводе значит : земли тепловая энергия. Объём Земли составляет примерно 1085 млрд.куб.км и весь он, за исключением тонкого слоя земной коры , имеет очень высокую температуру. Если учесть ещё и теплоёмкость пород Земли, то станет ясно , что геотермальная теплота представляет собой несомненно самый крупный источник энергии, которым в настоящее время располагает человек. Причём это энергия в чистом виде, так как она уже существует как теплота, и поэтому для её получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. В некоторых районах природа доставляет геотермальную энергию к поверхности в виде пара или перегретой воды, вскипающей и переходящей в пар при выходе на поверхность.

Природный пар можно непосредственно использовать для производства электроэнергии.

Имеются также районы, где геотермальными водами из источников и скважин можно обогревать жилища и теплицы ( островное государство на севере Атлантического океана -Исландия; и наши Камчатка и Курилы) Однако в целом, особенно с учётом величины глубинного тепла Земли, использование геотермальной энергии в мире крайне ограничено. Для производства электроэнергии с помощью геотермального пара от этого пара отделяют твёрдые частицы, пропуская его через сепаратор и затем направляют его в турбину. 'Стоимость топлива' такой электростанции определяется капитальными затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой.

Стоимость самой электростанции при этом также невелика, так как последняя не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. В таком удобном естественном виде геотермальная энергия является экономически выгодным источником электрической энергии. К сожалению, на Земле редко встречаются поверхностные выходы природного пара или перегретых ( то есть, с температурой гораздо выше 100 o С ) вод, вскипающих с образованием достаточного кол-ва пара.

Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли.

Известны случаи, когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2- 3 м . Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400- 600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150-200 °С и более. В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры.

Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая: 500 м – не выше 20° С, 1 тыс. м – 25-35° С; 2 тыс. м – 40-60° С; 3-4 тыс. м – до 100° С и более.

Подземные термальные воды (гидротермы) В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях мантии.

Жидкая вода существует только до глубин 10- 15 км , ниже при температуре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии. На глубине 50- 60 км при давлениях около 3·10 4 атм исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода. В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200° С и выше.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные. К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды. К мезотермальным источникам относят источники с температурой воды 100-200 °С. В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превышает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.

Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.

Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав.

Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов – так появляется гидротермальный раствор « ювенильного » (первозданного) типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными _______ . Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда толькотолько зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ.

Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь.

Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород. В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800- 1000 м . Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких относительно области питания участках.

Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быстро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам.

Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до 100 °С. Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования.

Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение.

Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы. Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные – азот, метан, водород. В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пресные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье.

Запасы и распространение термальных вод К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы (рис.5). По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии.

Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения , отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день все геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма. Рис. 5 . Области производства геотермальной энергии в системе третичных орогенических поясов (заштриховано): 1 – Калифорния; 2 – Серро Прието; 3 – Мексика, Идальго; 4 – Сан-Сальвадор; 5 – Чили, Атакама; 6 – Исландия; 7 –Араак-Лак; 8 – Лардерелло, Монте-Амиата; 9 – Венгерский бассейн; 10 – Айдин-Денизли; 11 – Кавказ; 12 – Суматра; 13 – Ява; 14 – Новая Гвинея; 15 – Новая Британия; 16 – Фиджи, Новые Гебриды; 17 – Вайракей, Вайотапу; 18 – Филиппины; 19 – Япония; 20 – Камчатка. К месторождениям конвекционного типа относятся также гидротермальные проявления так называемых рифтовых зон, характеризующихся активным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермическими градиентами – 45-70 °С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термоаномалии, как правило, простираются на огромные расстояния.

Например, Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глубины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273 °С, причем этот флюид выходит при высоком давлении.) Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом – 30-33 °С/км.

Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100-150° С на глубине 3- 4 км . Можно без преувеличения сказать, что любой отмеченный на карте предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горообразования, содержит бассейн термальных вод.

Таковы артезианские бассейны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, КопетДага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев.

Термальные воды этих бассейнов демонстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (питьевых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлечения ценных элементов.

Больше половины всех известных минеральных (лечебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в пределах альпийских предгорных и межгорных прогибов. Опыт показывает, что термальные воды подобных малых бассейнов являются наиболее перспективными для комплексного использования в практических целях.

Подсчеты запасов термальных вод основываются на имеющихся данных об объемах гравитационных вод, заключенных в пластах, объемах самих водоносных горизонтов и коллекторских свойствах слагающих их горных пород.

Запасы термальных вод представляют собой общее количество выявленных термальных вод, находящихся в порах и трещинах водоносных горизонтов, имеющих температуру 40-200° С, минерализацию до 35 г/л и глубину залегания до 3,5 тыс. м от дневной поверхности. С развитием глубокого бурения на 10- 15 км открываются многообещающие перспективы вскрытия высокотемпературных источников тепла. На таких глубинах в некоторых районах страны ( исключая вулканические) температура вод может достигнуть 350° С и выше.

Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента(Балтийский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения (Урал, Кавказ, Карпаты и т. д.) совершенно не имеют запасов термальных вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35-40 °С на платформах и до 100-120 °С в глубоких предгорных впадинах. К числу районов, имеющих максимально «теплые» земные недра, несомненно, относится Курило-Камчатская вулканическая зона. Здесь нагретость пород и содержащихся в них вод зависит не только от глубины их залегания, но в большей степени от близости к вулканическим центрам и разломам в земной коре. Таким образом, температура пород, а следовательно, и вод находится в зависимости от глубины залегания и от района, который характеризуется большей или. меньшей геотермической активностью.

Экология и нетрадиционные источники энергии В комплексе существующих экологических проблем энергетика занимает одно из ведущих мест. В связи с интенсивным вовлечением возобновляемых источников энергии в практическое использование особое внимание обращается на экологический аспект их воздействия на окружающую среду.

Экологические последствия развития солнечной энергетики Солнечные станции являются еще недостаточно изученными объектами, поэтому отнесение их к экологически чистым электростанциям нельзя назвать полностью обоснованным.

Солнечные станции являются достаточно землеемкими. В случае создания СЭС с солнечными прудами удельная землеёмкость повысится и увеличится опасность загрязнения подземных вод рассолами.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д.

Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды.

Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Космические СЭС за счет СВЧ-излучения могут оказывать влияние на климат, создавать помехи телеи радиосвязи, воздействовать на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его влияния. В связи с этим необходимо использовать экологически чистый диапазон волн для передачи энергии на Землю.

Неблагоприятные воздействия солнечной энергии на окружающую среду могут проявляться: в отчуждении земельных площадей, их возможной деградации; в большой материалоемкости; в возможности утечки рабочих жидкостей, содержащих хлораты и нитриты; в опасности перегрева и возгорания систем, заражения продуктов токсичными веществами при использовании солнечных систем в сельском хозяйстве; в изменении теплового баланса, влажности, направления ветра в районе расположения станции; в затемнении больших территорий солнечными концентраторами, возможной деградации земель; в воздействии на климат космических СЭС; в создании помех телевизионной и радиосвязи; в передаче энергии на Землю в виде микроволнового излучения, опасного для живых организмов и человека.

Влияние ветроэнергетики на природную среду Факторы воздействия ВЭС на природную среду, а также последствия этого влияния и основные мероприятия по снижению и устранению отрицательных проявлений приведены в табл. 6 Таблица 6 Неблагоприятные факторы ветроэнергетики: шумовые воздействия, электро-, радиои телевизионные помехи; отчуждение земельных площадей; локальные климатические изменения; опасность для мигрирующих птиц и насекомых; ландшафтная несовместимость, непривлекательность, визуальное невосприятие, дискомфортность; изменение традиционных морских перевозок, неблагоприятные воздействия на морских животных.

Возможные экологические проявления геотермальной энергетики Основное воздействие на окружающую среду геотермальные электростанции оказывают в период разработки месторождения, строительства паропроводов и здания станций, но оно обычно ограничено районом месторождения.

Потенциальными последствиями геотермальных разработок являются оседание почвы и сейсмические эффекты.

Оседание возможно всюду, где нижележащие слои перестают поддерживать верхние слои почвы и выражается в снижении дебитов термальных источников и гейзеров и даже полном их исчезновении. Так, при эксплуатации месторождения Вайрокей (США) с 1954 по 1970 гг. поверхность земли просела почти на 4 м , а площадь зоны, на которой произошло оседание грунта, составила около 70 км 2 , продолжая ежегодно увеличиваться.

Высокая сейсмическая активность является одним из признаков близости геотермальных месторождений, и этот признак используется при поисках ресурсов.

Однако интенсивность землетрясений в зоне термальных явлений, вызванных вулканической деятельностью, обычно значительно меньше интенсивности землетрясений, вызванных крупными смещениями земной коры по разломам.

Поэтому нет оснований считать, что разработка геотермальных ресурсов увеличивает сейсмическую активность. На ГеоТЭС не происходит сжигания топлива, поэтому объем отравляющих газов, выбрасываемых в атмосферу, значительно меньше, чем на ТЭС, и они имеют другой химический состав по сравнению с газообразными отходами станций на органическом топливе. Одно из неблагоприятных проявлений ГеоТЭС – загрязнение поверхностных и грунтовых вод в случае выброса растворов высокой концентрации при бурении скважин. Сброс отработанных термальных вод может вызвать заболачивание отдельных участков почвы в условиях влажного климата, а в засушливых районах – засоление.

Опасен прорыв трубопроводов, в результате которого на землю могут поступить большие количества рассолов.

Неблагоприятные экологические воздействия геотермальной энергетики на эколгию : отчуждение земель; изменение уровня грунтовых вод, оседание почвы, заболачивание; подвижки земной коры, повышение сейсмической активности; выбросы газов (метан, водород, азот, аммиак, сероводород) ; выброс тепла в атмосферу или в поверхностные воды; сброс отравленных вод и конденсата, загрязненных в небольших количествах аммиаком, ртутью, кремнеземом; загрязнение подземных вод и водоносных слоев, засоление почв; выбросы больших количеств рассолов при разрыве трубопроводов.

Экологические последствия использования энергии океана При преобразовании любых видов океанической энергии неминуемы определенные изменения естественного состояния затрагиваемых экосистем. К отрицательным последствиям работы установок, использующих термальную энергию океана, можно отнести возможные утечки в океан аммиака, пропана или фреона, а также веществ, применяемых для промывки теплообменников (хлор и др.). Возможно значительное выделение углекислого газа из поднимаемых на поверхность холодных глубинных вод из-за снижения в них парциального давления СО 2 и повышения температуры.

Строительство ПЭС сказывается неблагоприятно на состоянии прибрежных земель, самого побережья и аквальной вдольбереговой полосы: изменяются условия подтопления, засоления, размыва берегов, формирование пляжей и т. д.

Изменение движения грунтовых вод влияет на динамику засоления прибрежных земель. При установке преобразователей вблизи побережья возникают проблемы эстетического характера, так как они видны с берега.

Цепочка устройств типа ныряющих уток Солтера длиной в несколько километров выглядит эстетически менее привлекательно, чем группа продуманно размещенных отдельно стоящих преобразователей энергии. Кроме того, непрерывная линия преобразователей в отличие от отдельно расположенных установок может стать препятствием для навигации и оказаться опасной для судов во время сильных штормов. Один из важных вопросов влияния на окружающую среду преобразования энергии волн в прибрежной зоне – это воздействие на процессы в ее пределах.

Вещества, перемещаемые волнами, называются прибрежными наносами.

Движение их необходимо для стабилизации береговой полосы, т. е. баланса между эрозией и отложениями. В связи с этим цепь из преобразователей энергии волн целесообразно устанавливать в местах намечаемых волноломов, чтобы они выполняли двойную функцию: использование энергии волн и защиту побережья.

Неблагоприятные экологические последствия в гидротермальной энергетике: утечки в океан аммиака, фреона, хлора и др.; выделение СО 2 из воды; изменение циркуляции вод, появление региональных и биологических аномалий под воздействием гидродинамических и тепловых возмущений; изменение климата.

Неблагоприятные экологические последствия в приливной энергетике: периодическое затопление прибрежных территорий, изменение землепользования в районе ПЭС, флоры и фауны акватории; строительное замутнение воды, поверхностные сбросы загрязненных вод.

Неблагоприятные экологические последствия в волновой энергетике: эрозия побережья, смена движения прибрежных песков; значительная материалоемкость; изменение сложившихся судоходных путей вдоль берегов; загрязнение воды в процессе строительства, поверхностные сбросы.

Заключение Рост потребления энергии в современном мире привел к ускоренному загрязнению окружающей среды. Это послужило толчком к началу поиска альтернативных источников энергии.

Человечество научилось использовать энергию солнца, ветра, земли, океанов, но, к сожалению, ни один из этих источников энергии не обладает свойством экологической «чистоты». Плюс к этому, все нетрадиционные источники энергии обладают географической специфичностью.

Энергию приливов мы можем получать в основном на океанских побережьях, энергия ветра может быть использована только в регионах с повышенной ветровой нагрузкой, солнечную - только в тропической и субтропической зонах Земли. Кроме того, использование нетрадиционных источников энергии сдерживается невысоким КПД установок. На мой взгляд, прорыв в области нетрадиционных источников энергии возможен только при одновременном сочетании двух действующих факторов: сохранение высоких темпов мировой экономики и сохранение высоких цен на первичные источники энергии и как следствие исчерпание традиционных источников энергии.

Данная тема вызвала мой интерес в силу того, что решение проблемы с энергообеспечением человечества является одной из основных проблем в новом тысячелетии. Также я считаю, что существующий у нас потребительский подход к природе не позволит достичь нам устойчивого развития даже при решении проблем с использованием альтернативных источников энергии. Какую бы энергию мы не использовали, мы нарушаем существующий в природе баланс.

оценка ущерба от залива квартиры в Курске
оценка стоимости дачи в Твери
оценка объектов незавершенного строительства в Орле