Когда Возрожденье стряхнуло Средневековье и глянуло вокруг себя незамутнённым взором, оно увидело безграничные просторы познанья, просторы развития науки, техники, географии, медицины, искусства… Иди, куда хочешь, конца не будет. Открывай новые земли, новые элементы, новые законы, хочешь – будет тебе вакуум любой глубины, а хочешь – давление любой силы, можешь создавать любые машины и они понесут тебя по земле, под землёй, по воде, под водой, в воздухе, в космосе – где угодно, уничтожай любые вредные растения и животных, изведи все болезни –природа дозволяет. Был бы настрой, здоровье, время, деньги…
И действительно, практика показала, что научно-техническая революция может всё.
Показать-то она показала, но лишь на первых порах.
Через двести лет бурного развития науки и техники вдруг оказалось, что можно не всё. Далеко не всё. Возник ЗАПРЕТ, причём в виде законов. Неумолимые законы, запретили делать необходимые нам и, казалось бы вполне достижимые вещи.
Человек так и не научился летать, левитация ему не светит. Даже в нирване. Мы не можем проходить сквозь стены и тем более – мгновенно перемещаться из одной точки пространства в другую, не можем передавать свои мысли на расстояния, тем более – читать чужие мысли, мы так и не стали бессмертными, не перестали болеть, не можем обходиться без пищи, без воды и без воздуха (окислительной атмосферы, кстати). Машины времени нет – ни тебе в прошлое смотаться, ни в будущем погулять! Да что там машина времени – дирижабля и того нет!!! И скорость распада радионуклидов мы не можем ни ускорить, не замедлить. А так хочется порой….
Это как понимать? Недоработка учёных-инженеров, или есть законы, объективные законы природы, запрещающие нам движенье в каких-то привлекательных направлениях?
Прежде всего, нам запретили вечные двигатели, причём любые. Сказали – нельзя, т.к. трение есть. Казалось бы, подумаешь трение, убрать его и дело с концом. Однако французская академия даже не рассматривает проекты вечных двигателей и она ни одинока …
Сначала нам пообещали, что можно безнаказанно один вид энергии превращать в другой, а потом невзначай добавили – кроме тепловой, т.е. механическую энергию в тепловую трансформируй сколько хочешь, а в обратно – только часть. Ничего себе добавок! Теперь энерия от холодного тела к тёплому сама собой не потечёт?! Выдумали какой-то второй закон термодинамики, ввели какую-то энтропию, которая всё растёт да растёт, как очумелая. И ведь, похоже, не зря ввели – миллионы попыток было опровергнуть закон этот, а ничего не вышло. Запрет – есть запрет. Потом появились законы Фредгольма и оказалось, что познание конечно, что зная следствия явления, я никогда не найду их причину, что видя какой-то предмет я никогда не узнаю, что он представляет собой на самом деле. Конечно, философ Э.Кант предсказал это давно, но одно дело философствованье, а другое – математическая теорема, строго доказанная. Обидно, очень обидно.
Дальше пошло-поехало. Неравенство Гейзенберга – нельзя одновременно точно померить координату частицы и её импульс, принцип Паули – нельзя, сколько хочешь загнать электронов на одну орбиту, принцип Эйнштейна – нельзя сохранить время при больших скоростях движения, и т.д. и т.п.
Обложили! Что б не захочешь – ничего нельзя! Никакой свободы, одни заборы, да барьеры…
Дирижабли не летают, ибо ветер дует. Солнечной и ветроэнергетики нет, ибо нет аккумуляторов, а аккумуляторов нет ибо есть диффузия, а она медленна. Эволюции видов (по Дарвину) никогда не было, нет и не будет – кошки никогда не превратятся в собак, а ужи – в орлов. Можете сколь угодно скрещивать лошадей с ослами, тигров с львами – потомство у них будут, но оно будет бесплодным! Можете как угодно воздействовать на кого угодно – биологически, химически, механически, радиационно – никогда и не при каких обстоятельств один вид не перейдёт в другой. Так что теория эволюции видов – хорошая теория, хорошо объясняющая почему собаки разные, но в целом – враньё, причём полное враньё. Нет ни одного доказательства, что когда-либо один вид животного превратился в другой. Нельзя, ребята, природа не допускает. С какой стати не знаю, но ввела она на это дело запрет.
В мире полно рассеянной энергии, но её не собрать – нет тепловых насосов. Нет водородной энергетики, и нет её по смехотворному поводу – водород взрывается. За время развития автотранспорта созданы безопасные автомобили, безопасные дороги, достигнут медицинский прогресс в лечении травм. Но! За сто лет число гибнущих на дорогах не уменьшилось ни на один процент. Почему? Гомеостаз риска водителей не дозволяет.
Нам нужна энергия, мы сжигаем ископаемое топливо, делим уран, загрязняя пространство, а кругом халявная энергия – солнце светит, ветер дует, приливы-отливы чередуют друг друга, в центре земли котёл кипит. И всё вечно, всё бесплатно. Бери, пользуйся!
А нельзя! Принцип запрета, будь он неладен.
И вроде не ахти какой суровый, названье только противное – «вектор Умова – Пойнтинга».
Да! Какой-то вектор УП преградил нам дорогу. Преградил, и не видать вам теперь, друзья мои, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии как своих ушей: ни солнечной, ни ветровой, ни геотермальной, ни водородной, ни биологической, ни термоядерной. Даже энергии океана, и той вам не обломится. Так, где-то как-то по мелочам – возможно. Но в больших количествах – ни боже мой! Даже не думайте! Конечно, если у вас здоровья много и денег некуда девать, вы можете посвятить альтернативной энергетике остаток жизни. Но запрет вектора Умова-Пойтинга вам не преодолеть. Нет, не преодолеть!
Штанга!
Сразу начнём с цитат из газет.
«К нетрадиционным источникам электроэнергии, относится энергия ветра, приливов, солнечная энергия, тепло Мирового океана и горячих подземных вод. Работа этих электростанций не наносит значительного экологического ущерба как в месте их расположения, так и глобального».
«Работы в области использования солнечной энергии в сфере электроэнергетики ведутся во всём мире. Достаточно сказать, что в 68 странах приняты национальные программы по использованию энергии Солнца. Учёными установлено, что средняя интенсивность по отношению к поверхности Земли составляет 160 Вт/м2, что в 4 тысячи раз превышает потребности человечества в энергии на 2020 год
Преимущества солнечная энергии очевидны:
Она имеется повсюду
Она практически неисчерпаема
Доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени
Чтобы обеспечить свои потребности в 2100 году, человечеству достаточно использовать менее 0,1% солнечной энергии или 1/40 часть солнечной энергии, падающей на пустыни.»
Нечто аналогичное можно прочитать и про другие альтернативные источники энергии, будь то энергия ветра, водорода или какого-нибудь термояда. Автор публикации буквально захлебывается от восторга.
Между тем, неумолимая наука давно (очень давно) вынесла вердикт: этому не бывать. Никогда альтернативной энергетике не потеснить традиционную.
Вердикт основательный, вынесен давно – в 1874 году (!), против вектора Умова-Пойтинга не попрёшь. Впрочем, откройте газеты-журналы: вновь и вновь читаем мы призывы выбросить деньги на альтернативную энергетику. И добро бы - от зеленых и журналистов – с болезных что взять – у них образование – три класса церковноприходской школы. От серьёзных (вроде) учёных такое слышать приходится! А ведь вектор Умова-Пойтинга они в Вузе проходили. Мимо видать…
В своё время разговоры о блестящем будущем альтернативной энергетики настолько достали академика, лауреата нобелевской премии П.Л.Капицу, что он в 1975 г. сделал специальный доклад на сессии академии наук СССР, который потом был опубликован. В нём он поставил жирный крест на всю альтернативную энергетику вместе взятую. И проклятье это никто до сих пор не снял!
П.Л. Капица // ЭНЕРГИЯ И ФИЗИКА // Доклад на научной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР, Москва, 8 октября 1975 г. См.: Вестник АН СССР. 1976. № 1. С. 34-43.
Но! Нет пророков в своём отечестве.
Понимая всю справедливость этого утверждения, я всё же повторю доводы Капицы: кажется он что-то понимал в физике, может кто к нему и прислушается. Цитирую доклад:
... «Я уже сказал, что предсказания предстоящего энергетического кризиса делаются на основе закона сохранения энергии. Как известно, большую роль в ограничении возможности использования энергетических ресурсов играет также закон, требующий во всех процессах преобразования энергии возрастания энтропии. Оба эти закона накладывают «вето» на преодоление кризиса путем создания «перпетуум мобиле». Закон сохранения энергии накладывает «вето» на «перпетуум мобиле» 1-го рода. Энтропия накладывает «вето» на «перпетуум мобиле» 2-го рода. Интересно отметить, что этот второй род «перпетуум мобиле» и по сей день продолжают предлагать изобретательные инженеры, и часто опровержение такого рода устройств связано с большими хлопотами. Эта область относится к термодинамике, она хорошо изучена, и я на ней останавливаться не буду. Я ограничусь рассмотрением закономерностей, которые определяют развитие энергетики больших мощностей и связаны с существованием в природе ограничений для плотности потока энергии. Как будет видно, часто эти ограничения не учитываются, что ведет к затратам на проекты, заведомо бесперспективные. Это и будет основной темой моего доклада.
Все интересующие нас энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой, и это происходит согласно закону сохранения энергии. Наиболее употребительные виды энергии - электрическая, тепловая, химическая, механическая, а теперь и так называемая ядерная. Трансформацию энергии обычно можно рассматривать как происходящую в некотором объеме, в который через поверхность поступает один вид энергии, а выходит преобразованная энергия. Плотность поступающей энергии ограничена физическими свойствами той среды, через которую она течет. В материальной среде плотность потока энергии U ограничивается следующим выражением:
|
U < vF, |
(1) |
где v - скорость распространения деформации, обычно равная скорости звука, F -плотность энергии, которая может быть либо упругой, либо тепловой, U есть вектор. (При стационарных процессах div U определяет величину преобразования энергии в другой вид.)
Замечание автора байки. Всё! Мы написали всё, что нужно, чтобы доказать бесперспективность альтернативной энергетики. На этом можно поставить точку и замолчать. П.Капица, однако, продолжает, в попытке достучаться до олигофренов. Последуем за ним.
…Вектор U оказывается весьма удобным для изучения процессов преобразования энергии. Впервые он был предложен в 1874 г. русским физиком Н.А. Умовым. Десятью годами позже такой же вектор для описания энергетических процессов в электромагнитном поле был дан Дж. Пойнтингом. Поэтому у нас принято называть его вектором Умова-Пойнтинга.
Если выражение (1) применить для газовой среды, то оно приобретет следующий вид:
|
U =A T1/2p, |
(2) |
где А - коэффициент, зависящий от молекулярного состава газа, Т - температура и р - давление газа.
Выражение такого вида определяет, например, ту предельную мощность, которую может передать горючая среда на единицу поверхности поршня мотора или лопаток турбины. Как видно, эта мощность падает с давлением; поэтому такое же выражение определяет ту предельную высоту, на которой может летать турбореактивный самолет. Используя вектор Умова-Пойнтинга, можно описывать даже процессы, когда энергия передается ременной передачей. Тогда произведение скорости ремня на его упругое напряжение дает мощность трансмиссии. Таким же путем можно определить предельную мощность, передаваемую лентой в генераторе типа Ван-де-Граафа. Мне пришлось на практике встретиться с технической проблемой, когда недостаточная плотность потока электрической энергии ограничивала осуществление решения этой проблемы на практике. Это произошло при следующих поучительных обстоятельствах.
В 40-х годах мой учитель А.Ф.Иоффе занимался разработкой оригинального электростатического генератора, который питал небольшую рентгеновскую установку. Этот генератор был прост по своей конструкции и неплохо работал. Тогда у Иоффе возникла идея заменить в широком масштабе электромагнитные генераторы на электростатические и перевести на них всю большую электроэнергетику страны. Главным основанием было то, что электростатические генераторы не только проще по своей конструкции, но могут сразу давать высокое напряжение для линий передач. Мне пришлось тогда опровергать осуществимость этого проекта, исходя из оценки плотности потока электроэнергии при трансформации ее в механическую.
Определим, согласно выражению (1) для U, плотность потока энергии, которая в зазоре между ротором и статором генератора преобразуется из механической в электрическую или обратно. Тогда v будет равна окружной скорости ротора генератора. По конструктивным соображениям эта скорость обычно берется около 100 м/с. Тангенциальные силы взаимодействия между статором и ротором в электромагнитном генераторе определяются энергией магнитного поля, поэтому мы имеем для плотности потока энергии:
|
U = a(H2/4p)v, |
(3) |
Коэффициент a определяется конструкцией генератора и характеризуется косинусом угла, образованного силой F и скоростью v. Обычно a имеет величину, равную нескольким десятым долей единицы. Магнитное поле Н определяется насыщением железа и не превышает 2 x 104 Э. При этом плотность потока электроэнергии (которая трансформируется в механическую или обратно) получается около 1 кВт на см2. Таким образом, для генератора мощностью 100 МВт ротор будет иметь рабочую поверхность примерно около 10 м2. Для электростатического генератора плотность потока энергии U будет равна
|
UU = a(E2/4p)v, |
(4) |
где электростатическое поле Е ограничивается электрической прочностью воздуха и не превышает 3x104 В/см. Поэтому, чтобы получить ту же мощность в 100 МВт потребуется ротор с поверхностью в (Н/Е)2 = 4x105 раз большей, т.е. равной 4x105 м2, или примерно половине квадратного километра. Таким образом, электростатический генератор больших мощностей получается практически неосуществимых размеров.
Аналогичный анализ показывает, что ограничение плотности потока энергии приводит к тому, что для энергетики больших мощностей приходится отказываться от ряда весьма эффективных процессов трансформировании энергии. Так, например, в газовых элементах, где происходит прямое превращение химической энергии окисления водорода в электроэнергию, этот процесс уже сейчас может осуществляться с высоким КПД, который достигает 70%. Но возможность применения газовых элементов для энергетики больших мощностей ограничивается весьма малой скоростью диффузионных процессов в электролитах; поэтому, согласно выражению (1), на практике плотность потока энергии очень мала, и с квадратного метра электрода можно снимать только 200 Вт. Для 100 мегаватт мощности рабочая площадь электродов достигает квадратного километра, и нет надежды, что капитальные затраты на построение такой электростанции оправдаются генерируемой ею энергией.
Другое, тоже, казалось бы, очень перспективное направление, но на которое по той же причине нельзя возлагать надежды, - это прямое превращение химической энергии в механическую. Как известно, такие процессы широко осуществляются в живой природе, в мускулах животных. К стыду биофизиков, эти процессы еще по-настоящему не поняты, но хорошо известно, что их КПД весьма высок. Однако эти процессы, даже если со временем они будут воспроизведены не на живой природе, не смогут быть применены для энергетики больших мощностей, так как и здесь плотность потока энергии будет мала, поскольку она ограничивается скоростью диффузионных процессов, происходящих через мембраны или поверхность мускульных волокон. Скорость диффузии здесь не выше, чем в электролитах, поэтому плотность энергетического потока не может быть больше, чем в газовых элементах.
Сейчас главный интерес привлекают те методы генерирования энергии, которые не зависят от количества энергии, запасенной в прошлом в топливе различного вида. Здесь главным из них считается прямое превращение солнечной энергии в электрическую и механическую, конечно, в больших масштабах. Опять же осуществление на практике этого процесса для энергетики больших мощностей связано с ограниченной величиной плотности потока энергии. Оптимальный расчет сейчас показывает, что снимаемая с одного квадратного метра освещенной Солнцем поверхности мощность в среднем не будет превышать 100 Вт. Поэтому, чтобы генерировать 100 МВт, нужно снимать электроэнергию с площади в 1 км2. Ни один из предложенных до сих пор методов преобразования солнечной энергии не может этого осуществить так, чтобы капитальные затраты могли оправдаться полученной энергией. Чтобы это было рентабельно, надо понизить затраты на несколько порядков, и пока даже не видно пути, как это можно осуществить. Поэтому следует считать, что практическое прямое использование солнечной энергии в больших масштабах нереально. Но по-прежнему это остается возможным через ее превращение в химическую энергию, как это испокон веков делается при содействии растительного мира. Конечно, не исключено, что со временем будет найден фотохимический процесс, который откроет возможность более эффективно и проще превращать солнечную энергию в химическую, чем это происходит сейчас в природе. Такой процесс химического накопления будет иметь еще то большое преимущество, что даст возможность использования солнечной энергии вне зависимости от изменения ее интенсивности в продолжение дня или времен года.
Сейчас также идет обсуждение вопроса использования геотермальной энергии. Как известно, в некоторых местах мира на земной поверхности, где имеется вулканическая деятельность, это успешно осуществляется, правда, в небольших масштабах. Преимущество этого метода для энергетики больших мощностей, несомненно, очень велико, энергетические запасы здесь неистощимы, и, в отличие от солнечной энергии, которая имеет колебания не только суточные, но и в зависимости от времен года и от погоды, геотермальная энергия может генерироваться непрерывно. Еще в начале этого века гениальным изобретателем современной паровой турбины Ч.Парсонсом разрабатывался конкретный проект использования этой энергии. Конечно, он не мог предвидеть тех масштабов, которых достигнет энергетика теперь, и его проект имеет только исторический интерес. Современный подход к этой проблеме основывается на том, что в любом месте земной коры на глубине в 10-15 км достигается температура в несколько сот градусов, достаточная для получения пара и генерирования энергии с хорошим КПД. При осуществлении этого проекта на практике мы опять наталкиваемся на ограничения, связанные с плотностью потока энергии. Как известно, теплопроводность горных пород очень мала. Поэтому при существующих внутри Земли градиентах температур для подвода необходимого тепла нужны очень большие площади, что весьма трудно выполнимо на глубине в 10-15 км. Вот почему возможность нагрева необходимого количества воды сомнительна.
Сейчас тут выдвигается ряд интересных предложений. Например, на этой глубине взрывать атомные бомбы и этим создавать либо большую каверну, либо большое количество глубоко проникающих трещин. Осуществление такого проекта будет стоить очень дорого; но, ввиду важности проблемы и больших преимуществ геотермального метода, я думаю, что, несмотря на эти расходы, следует, по-видимому, рискнуть осуществить этот проект.
Кроме солнечной и геотермальной энергий, не истощающих запасы, есть еще гидроэнергия, получаемая при запруживании рек и при использовании морских приливов. Накопленную таким образом гравитационную энергию воды можно весьма эффективно превращать в механическую. Сейчас в энергетическом балансе использование гидроэнергии составляет не более 5%, и, к сожалению, дальнейшего увеличения не приходится ждать. Это связано с тем, что запруживание рек оказывается рентабельным только в горных местах, когда на единицу площади водохранилища имеется большая потенциальная энергия. Запруживание рек с подъемом воды на небольшую высоту обычно экономически не оправдывает себя, в особенности когда это связано с затоплением плодородной земли, так как приносимый ею урожай оказывается значительно более ценным, чем получаемая энергия. Опять тот же недостаток плотности потока энергии.
Использование ветра, также из-за недостаточной плотности энергетического потока, оказывается экономически неоправданным. Конечно, использование солнечной энергии, малых водяных потоков, ветряков часто может быть полезным для бытовых нужд в небольших масштабах. Из приведенного анализа следует, что нужно искать новые источники энергии для энергетики больших мощностей взамен истощающихся в природе запасов химической энергии. Очевидно, можно и следует более бережно относиться к использованию энергетических ресурсов. Конечно, желательно, например, не тратить их на военные нужды. Однако все это только отсрочит истощение топливных ресурсов, но не предотвратит кризиса. Как это уже становится общепризнанным, вся надежда на решение глобального энергетического кризиса - в использовании ядерной энергии. Физика дает полное основание считать, что эта надежда обоснованна.
Как известно, ядерная физика дает два направления для решения энергетической проблемы. Первое уже хорошо разработано и основывается на получении цепной реакции в уране, происходящей при распаде его ядер с выделением нейтронов. Это тот же процесс, который происходит в атомной бомбе, но замедленный до стационарного состояния. Подсчеты показали, что при правильном использовании урана его запасы достаточны, чтобы не бояться их истощения в ближайшие тысячелетия. Электростанции на уране уже сейчас функционируют и дают рентабельную электроэнергию.
Следует признать, однако, что лучшим выходом из создавшегося положения нужно считать получение энергии путем термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития. Но трудности осуществления управляемой термоядерной реакции пока еще не преодолены. Я буду говорить о них в своем докладе, потому что, как теперь оказывается, эти трудности в основном также связаны с созданием в плазме энергетических потоков достаточной мощности. На этом я останавливаюсь несколько подробнее.
Хорошо известно, что для полезного получения термоядерной энергии ионы в плазме должны иметь очень высокую температуру - более 108 К. Главная трудность нагрева ионов связана с тем, что нагрев плазмы происходит в результате воздействия на нее электрического поля, и при этом практически вся энергия воспринимается электронами, которые благодаря их малой массе при соударениях плохо передают ее ионам. С ростом температуры эта передача становится еще менее эффективной. Расчеты передачи энергии в плазме от электронов к ионам при их кулоновском взаимодействии теоретически были надежно описаны еще в 30-х годах. Л.Д. Ландау дал выражение для этого взаимодействия, которое до сих пор остается справедливым.
Мощность Рa, передаваемая электронами с температурой Te ионам с температурой Тi в объеме V, равна
|
Рa = Vnk((Te - Тi) / teq), |
(5) |
где k - постоянная Больцмана, n - плотность плазмы. Время релаксации teq вычисляется по формуле Ландау, основанной на учете кулоновских взаимодействий. Согласно этой формуле при тех высоких ионных температурах Тi = 108-109 К, при которых термоядерная реакция может давать полезную мощность, поток энергии, переданный от электронов к ионам, очень мал. Изучение выражения (5) приводит нас к тому, что когда температура ионов Тi = 0,6 Te, передаваемая мощность имеет максимум значения. Максимальная величина мощности, переносимая от электронов к ионам дейтерия, будет равна
|
Рmax = 1.57∙10-34V( n2 / (Тi)1/2 ) Вт. |
(6) |
В плазме при 1 атм и температуре электронов Te = 109 К в объеме кубического метра передаваемая электронами ионам мощность будет около 400 Вт. Это небольшая величина, так как нетрудно подсчитать, что для того, чтобы нагреть кубометр плазмы до 6∙108 К при подводе такой мощности, потребуется около 300 секунд.
Малость величины передаваемой ионам энергии в особенности проявляется при осуществлении наиболее широко разрабатываемых теперь термоядерных установок Токамак. В них ионы удерживаются в ограниченном объеме сильным магнитным полем и процесс нагрева производится электронами, которые вначале коротким импульсом тока нагреваются до очень высоких температур, потом путем кулоновских столкновений передают свою энергию ионам. В условиях, принимаемых в современных проектах Токамака, время, за которое электроны передадут свою энергию ионам, достигает 20-30 с. Оказывается, за это время большая часть энергии электронов уйдет в тормозное излучение. Поэтому сейчас изыскиваются более эффективные способы подвода энергии к ионам. Это может быть или высокочастотный нагрев, или инжекция быстрых нейтральных атомов дейтерия, или диссипация магнитоакустических волн. Все эти методы нагрева ионов, конечно, значительно усложняют конструкцию реакторов типа Токамак. Из выражения для Рa видно, что эффективность энергетической передачи между электронами и ионами растет с плотностью. Поэтому предположим, что при нагреве лазерным импульсом твердого конденсированного трития или дейтерия начальная плотность будет очень велика (на несколько порядков выше, чем в Токамаке) и импульсами удается нагреть ионы в короткий промежуток времени. Но подсчеты показали, что, хотя время нагрева и сокращается до 10-8 с, все же оно недостаточно, так как за это время ничем не удерживаемый плазменный сгусток уже разлетится на значительное расстояние».
-*-*-*-
В небольшой байке, я, естественно, не могу привести всю статью П.Капицы. Настоятельно советую её найти и прочитать, тем более, что она висит в Интернете. Однако, я думаю понятно, почему установки типа Токамак (ИТЭР, ДЕМО и др.) абсолютно бесполезны для энергетики, чтобы не врали по этому поводу разработчики. Понятно так же, что низкая плотность энергии и низкая скорость диффузии приводят к низким значениям вектора Умова-Пойтинга, а, следовательно, к гигантским размерам электростанций, стоимость которых отобьют охоту к их строительству у любого любителя халявных энергоносителей.
Источник электроэнергии у нас на метеостанции Кёстер, что в предгорьях Верхоянского хребта, был экологически чистым. Ни бензина, ни солярки. Когда приходила пора включать рацию и передавать на материк данные о температуре, давлении, скорости ветра, влажности атмосферы в наших краях, Васька-дебил взбирался в велосипедное седло и начинал бешено крутить педали. Цепь передавала усилие на динамо-машину, с неё – в аккумулятор. Не проходило и получаса, как лампочка на панели радиостанции загоралась, и я начинал стучать ключом, как дятел.
Но этот источник энергии был капризным и затратным (работал на спирту), он был ненадёжен (в критический момент впадал в запой и был недвижим). Важно, также что при ближайшем знакомстве он оказался экологически не чистым. Васька никогда не мылся (вонял козлом), от безделья был толст, страшно потел и громко пердел, крутя педали и матерясь. Изо рта шёл перегар в виде изоамиловой сивухи, плохо переработанной махорки и чеснока. Короче, к концу связи в атмосфере радиорубки можно было вешать топор – кислорода в ней не было.
Пора было задуматься об охране труда: метеоролог – часть природы, а биоразнообразие надо беречь. Решил я биологический источник энергии удалить, заменив его на что-то другое – вечное, не капризное, не пьющее и не воняющее…
Ветер! Нас спасёт свежий ветер!
…Ветер, ветер, ты – могуч, ты гоняешь стаи туч…
Сказано – сделано. Прилетел к нам волшебник и привёз ветряк.
Месяц мы монтировали его на скале-утёсе, что торчал над нашим балком.
И вот настал миг торжества. Ветряк завертелся, гирлянда новогодних лампочек засветилась, в бараке стало светло, как днём, Васька лёг спать, а я включил рацию.
Но только я установил связь, как всё погасло. Настал штиль! Полный штиль. Т.е. ещё вчера ветер сбил меня с ног и утащил выстиранную рубашку, а сегодня он дуть перестал. Сачок! И не дул шесть дней и шесть ночей. Пришлось опять вернуться к источнику биоэнергии, заправить его стаканом водки, и водрузить на велосипед. Поехали!
На седьмой день иллюминация вспыхнула вновь. Да так, что половина лампочек сходу сгорела. Но главное – вибрация и звук. Дикий визг оглашал окрестности, что, впрочем, можно было терпеть. Однако тональность менялась, возник инфра-звук. Вот это, скажу я вам, нечто. Наши тела начали вибрировать, резонировали все пустоты в башке. Сильнейшее беспокойство охватило нас. В панике мы выскочили из спальников и бросились вон из балка. Правильно сделали!
Дул ветер, сильный и порывистый, с резкой сменой направлений. Ветряк наш крутился, как бешеный, крутился не только пропеллер, но и его хвост, так что избушка поворачивалась к нам, то передом, то задом. Мачта раскачивалась во все стороны, тросы трещали. Мощнейшие потоки воздуха обрушились на скалу. За миллионы лет скала повидала многое, но раньше на ней не было ветряка. Теперь она не выдержала. Раздался скрежет и треск. Скала треснула. Верхняя часть её отделилась, слегка воспарила, и всей массой, усиленной мачтой, тросами, движком, генератором, рухнула на наш несчастный балок.
На этом освоение дармовой энергии ветра нами закончилось. Вернулись к естественному источнику энергии, в конце концов, стакан самогонки – это не так много. А генераторную мы отделили от радиорубки, построив Ваське отдельный барак. Теперь он – в своей атмосфере. Экологически ему комфортной.
Там русский дух, там Русью пахнет….
Хороши природные источники энергии – солнце, ветер, приливы-отливы. Один недостаток – действуют не всегда. То солнце светит – в тени место себе не найдёшь, а то зайдёт за тучи, или вообще за горизонтом скроется. Причём, аккурат, когда тебе приспичило футбол посмотреть. Ночь настала – пора включать фонари, а солнце село и ветер стих.
В этом смысле – луна лучше. Ведь солнце светит днём, когда и так светло, а луна – ночью, когда темно. Но Луну в энергетику пока никто не звал… Разве что косвенно – через отливы-приливы.
Чтобы развивать альтернативную энергетику нужны аккумуляторы.
А их нет и не будет!
Т.е. термин такой сейчас встречается, но то дерьмо, которое у нас так называется, не достойно такого названья. Нет! Не достойно.
Откройте капот своей машины, что вы там видите? Видите вы там коробку с клеммами. Тяжёлую коробку – свинец и серная кислота. Это и есть «аккумулятор». Беда в том, что такая же коробка была 50 лет назад, 100 лет назад, 150 лет назад, и, надо полагать, будет ещё стоять в этом месте 50 лет и 100 лет в будущем. Дед мой, кряхтя и отдуваясь, таскал эту радость на четвёртый этаж, отец таскал, я таскаю, и внук таскать будет. Много чего произошло и произойдёт за двести лет, были и будут созданы сотни институтов Источников тока, в них будут работать десятки тысяч учёных-инженеров, будут затрачены миллиарды долларов, а свинцовый аккумулятор как был, так и останется главной деталью автомобиля. Не странно ли это…
В своё время я в своей лаборатории попытался преломить ситуацию. Свинец – тяжёл? Да! Плотность 11,34 г/см3. Выбросим его. Возьмём полимерные плёнки (Плотность 1 г/см3, почувствуй разницу). Сделали мы аккумулятор на базе твёрдых электролитов – две полимерных плёнки, между ними – тонкая прослойка. Общая толщина сэндвича – 200 микрон. Выбросили мы из машины свинцовый аккумулятор, разместили свою пленку в крыше и дверях машины, и поехали. Всё нормально!
Думаете нас начали носить на руках, купили наш патент? Ничуть не бывало!
Тут всё просто.
Хотя плотность полимера в 11 раз меньше свинца, ёмкость нашего аккумулятора в расчёт на единицу веса оказался на 20% выше. Выше, но всего на 20%! А кто из-за такой малости будет менять технологию? Никто!
Да я и сам вернул на место старый аккумулятор – у него ресурс выше.
Друзья мои! Есть простой критерий, по которому вы узнаете, что настала эра альтернативной энергетики, эра электромобилей (я имею в виду настоящие машины, а не инвалидные коляски, что колесят сейчас по центру Лондона). Когда аккумулятор примет вид английской булавки, когда вы в него за 10 мин закачаете мощность районной электростанции, а будете пользоваться им всем домом в течение пяти лет без подзарядки, т.е. когда емкость аккумулятора увеличится (не в разы, и не на порядки), а в миллион (лучше, конечно, в миллиард) раз, тогда да! Тогда альтернативная энергетика может быть на коне.
Только, ребята, спите спокойно! В этом веке вам такой аккумулятор не создать. Вектор Умова-Пойтинга, вялая диффузия, принцип запрета – не дадут вам здесь развернуться. А без него – в большую энергетику соваться нечего. В среднюю энергетику может 1% чего альтернативного и проникнет. Ваш удел – малая энергетика. Да и то процентов 10 и то – к концу 21-го века.
Овладейте фригидной бабой – диффузией, тогда посмотрим. А так?! Грех один…
Откроешь газету и узнаешь, что природа приготовила нам платные, экологически неприемлемые источники энергии и бесплатные, экологически безопасные источники энергии. Платные – это газ, нефть, уголь, уран, а бесплатные – солнечная энергия, энергия ветра, морских приливов, геотермальная, энергия океанских течений, энергия биомассы. А есть ещё гидроэнергия, термоядерная, водородная. Столько всего хорошего, дешёвого, неисчерпаемого (возобновляемого), экологически чистого и безопасного. Зелёные бьют в барабаны, политики кричат на всех перекрёстках, журналисты строчат – вот она – альтернативная энергетика!!! Бери! А энергетики нос воротят, будто оглохли и ослепли. Знай себе строят станции на газе, угле, мазуте, да на уране с плутонием. Почему?!
Что ж, поговорим о «бесплатных», «безопасных» и «неисчерпаемых» источниках энергии. Правда ли, что они такие идеальные? Есть у них недостатки, пусть - мелкие?
Прежде всего введём некую единицу Q, которая заменит нам понятие «условное топливо». Теплотворная способность одной единицы условного топлива равна: 1 т.у.т.=7000000 ккал. 1Q = 252000000000000000 ккал=36000000000 т.у.т. = 33500000000 кВт(тепла) в год
Суммарные мировые потребности в энергии в год в 2000 году составляли 12,5 Q, а её производство достигло 1,5 Q в год. Для сравнения – в самом начале девяностых годов прошлого века суммарное энергопотребление составляло от 0,3 до 0,5Q.
Средняя интенсивность по отношению к поверхности Земли составляет 160 Вт/м2, что соответствует тепловому потоку в 2000Q в год. Это огромная величина! Для всей поверхности Земли она составляет 1014 кВт. Такая мощность, и даже в тысячи раз меньше, может полностью обеспечить все потребности человечества в энергии. Она в 4 тысячи раз превышает потребности человечества в энергии на 2020 год. Эта энергия расходуется на нагрев поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а также на образование волн, воздушных и океанских течений и ветра. Около 35% энергии, достигающей Земли, отражается в космическое пространство.
Солнечная энергия имеется везде, практически неисчерпаема, доступна в одной и той же форме длительное время. Она используется для производства электроэнергии и для отопления.
В первом случае основные усилия сосредоточены на двух направлениях:
использование полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), способных превращать энергию Солнца в электрическую;
создание пар
осиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий на органическом топливе, заменяется «солнечным» паровым котлом.
Солнечные электростанции сейчас строятся в различных регионах мира. Как правило - в тех районах, где не существует местных ресурсов для развития традиционной энергетики (т. е. нет месторождений горючих полезных ископаемых для тепловых электростанций и быстрых рек для строительств ГЭС), или отсутствуют возможности для транспортировки энергетических материалов в этот район.
Рис.1. Зона наиболее выгодного использования солнечной энергии
Преобразование солнечной энергии в электроэнергию можно вести как термодинамическими методами (получением пара высокого давления), так и прямым преобразованием с помощью фотоэлектрических панелей (ФЭП).
Принцип работы солнечных теплоэнергостанций (СТЭС) заключается в поглощении сравнительно большими по площади пластинами-энергонакопителями энергии солнечных лучей с последующим преобразованием тепловой энергии и энергии солнечной радиации в электрическую. Фотогальванические элементы (солнечные батареи), производят электрическую энергию непосредственно от солнечного света. Солнечный свет доступен в большей части земного шара. Однако есть некоторые исключения - это области на экстремальных широтах, типа Аляски, Норвегии, Финляндии или Антарктиды. Солнечные элементы преобразуют примерно десять процентов энергии солнечного света в электрическую. Средняя энергия солнечного света, падающего на землю - 1000 Ватт на квадратный метр. Поэтому, с квадратного метра солнечной панели можно получить не более чем 100 Ватт. Чтобы производить электроэнергию в количестве, сравнимом с производством на обычной электростанции, необходимая площадь солнечных батарей составила бы около 300 квадратных километров (!).
При учете затрат на регулярное обслуживание элементов солнечных батарей, стоимость электроэнергии, произведенной таким образом, составила бы, примерно, десять долларов за каждый «Пиковый Ватт». «Пиковый Ватт» - количество электричества, произведенного в полдень, когда солнце самое высокое и самое сильное. Более того, производство электроэнергии таким способом останавливается в темное время суток и становится неэффективным при облачной погоде или при сезонных изменениях климата.
Солнечные элементы требуют для своего производства большого разнообразия активных и ядовитых химических веществ и компонентов (различные кислоты, мышьяк, кадмий, теллур, бор и проч.). Поэтому не исключены различные несчастные случаи, связанные с процессом изготовления солнечных элементов.
 |
 |
 |
Рис.2. Энергию Солнца используют по-разному. На снимках: параболические зеркала-концентраторы в калифорнийской пустыне, предназначенные для нагрева воды; солнечные преобразователи снабжают электроэнергией коттеджи в голландском посёлке; портативные фотоэлектрические панели дают возможность индийским крестьянам слушать радио и смотреть телевизор.
Проще всего с помощью солнечной энергии получать тепло в плоском коллекторе для горячего водоснабжения. Суммарная площадь коллекторов, установленных сегодня в мире, оценивается в 50–60 млн м2, что обеспечивает производство тепловой энергии, эквивалентное 5–7 млн тонн условного топлива в год. Сегодня в США работают семь электростанций общей мощностью 354 МВт, использующие цилиндрические отражатели света и термодинамический метод преобразования. Фотоэлектрические преобразователи, используют не только прямое, но и рассеянное излучение и не требуют дорогостоящих устройств слежения за Солнцем. Суммарная мощность всех установленных в мире фотоэлектрических преобразователей превысила 500 МВт; в ряде стран приняты национальные программы по широкому их внедрению (100 тысяч «солнечных крыш» в Германии и в Японии, 1 млн «солнечных крыш» в США). При хорошем освещении стоимость выработанной преобразователями электроэнергии не превышает 15–20 центов за киловатт. Установки небольшой мощности, в единицы киловатт, дают сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население развивающихся стран к современной цивилизации.
Автономных солнечные системы нуждаются в хранилище собранной днем энергии на темное время суток или при облачности. Это могут быть или аккумуляторные батареи, или водород, произведенный электролизом, или сверхпроводники. В любом случае, требуются дополнительные стадии превращения энергии с неизбежными энергетическими потерями, понижающие общий КПД, и значительно увеличивающие затраты. Несколько экспериментальных солнечных электростанций мощностью от 300 до 500 кВт включены в электросети Европы и США. В научных учреждениях продолжаются исследования в направлении уменьшения размеров фотоэлементов и увеличения их эффективности.
Рассмотрим принципиальную схему солнечной паросиловой установки (Рис. 3). Для фокусирования солнечных лучей используется так называемый гелиоконцентратор – набор зеркал или линз. Он предназначен для фокусировки солнечных лучей, на котел.
Рис. 3. Принципиальная схема солнечной паросиловой установки
Похожее явление можно наблюдать, если заставить вспыхнуть спичку, помещенную в фокусе собирающей линзы, на которую падают солнечные лучи. Обычно гелиоконцентратор – это параболический отражатель, который прослеживает путь Солнца в течение дня. В фокусе этого отражателя расположен поглотитель, который использует солнечную энергию для нагревания специальной жидкости (обычно это синтетическое масло) до температуры порядка 400 градусов Цельсия. Эта жидкость далее управляет турбиной и генератором. В настоящее время несколько таких электростанций с мощностью энергоблоков 80 МВт находятся в эксплуатации. Каждый такой модуль занимает площадь примерно в 50 гектаров и требует очень точных систем управления. Солнечные электростанции дополняются модулями, работающими на газе, которые производят около четверти полной вырабатываемой мощности и сохраняют рабочий режим ночью.
В середине 1990-ых годов такие станции с суммарной мощностью более чем 350 МВт произвели во всем мире примерно 80% электроэнергии, полученной на гелиоустановках. В будущем основная роль солнечной энергии будет состоять в ее прямом использовании для отопления.
Несмотря на положительные тенденции мирового рынка, высокая стоимость электроэнергии фотопреобразователей сдерживает их более широкое применение. Она обусловлена дороговизной и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты), и технологического процесса его получения. Одно из перспективных направлений — создание высокоэффективных преобразователей с концентраторами солнечного излучения. КПД солнечных элементов на основе монокристаллов кремния достигает 20–25% при концентрации в 10–100 солнц и рабочей температуре 25°С. Для работы при концентрации в 300–1000 солнц более перспективны элементы на основе системы арсенид галлия — арсенид алюминия: их КПД около 30% при концентрации в 500–1000 солнц и рабочей температуре 60–80°С.
Что же препятствует широкому распространению СТЭС?
Главными препятствиями в применении всех способов преобразования энергии Солнца является очень большая рассеянность солнечной энергии на Земле и неравномерность поступающей на земную поверхность солнечной радиации. Потоки солнечной энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это приводит к низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15%.
Интенсивность солнечной радиации сравнительно мала и не может обеспечить большой мощности.
В связи со строительством солнечных электростанций встаёт проблема отчуждения земли – как для строительства энергосборников солнечного излучения, так и для промышленных предприятий, изготавливающие материалы для СТЭС.
Под солнечными батареями, занимающими площадь в несколько гектар, наблюдается нарушение экологического равновесия.
Большая материалоёмкость производства электроэнергии на СТЭС. При этом возможно интенсивное загрязнение биосферы при производстве солнечных батарей, особенно если они изготовлены из арсенида галлия, т.е. содержат мышьяк.
Оценки показывают, что в настоящий момент для производства 1МВт (Эл) в год в солнечной энергетике потребуется затрат времени и людских ресурсов в сорок раз больше, чем традиционной энергетике на органическом топливе (уголь, мазут, природный газ).
Наибольшая бытовая энергетическая потребность людей - это потребность в тепле, например, в горячем водоснабжении водой с температурой не выше 60°С. Эта потребность уже сегодня может быть частично удовлетворена в некоторых областях за счет использования солнечного света и тепла.
Поскольку интенсивность солнечного излучения сильно зависит от времени суток и погодных условий, в отопительных гелиоустановках необходимо иметь аккумулятор тепла. Роль таких аккумуляторов могут играть баки с водой, нагретой за счет излучения Солнца. Однако полностью солнечная отопительная установка заменить обычную отопительную установку в большинстве случаев не может. Тем не менее, ее использование выгодно, так как позволяет сэкономить значительное количество органического топлива.
По-видимому, в недалеком будущем будет возможно коммерческое использование солнечной энергии для снабжения теплом промышленных объектов. Практическая реализация такого подхода снизит потребление электроэнергии, уменьшит расход органического топлива и благоприятно скажется на охране окружающей среды. А если использовать тепловые насосы и трубопроводы с надежной теплоизоляцией, то можно с небольшими потерями энергии отапливать здания. В конечном счете, до десяти процентов полной потребляемой энергии в индустриальных странах может быть получено при рациональном использовании энергии Солнца. Это позволит снизить объемы производства электроэнергии другими способами.
Потенциальные ресурсы энергии ветра в мире оцениваются в 1,6Q в год. Однако непостоянство характера действия ветра, а также сравнительно небольшие его скорости в некоторых районах позволяют надеяться на использование лишь небольшой части ветровой энергии – приблизительно 0,04Q в год. Цифра не велика.
Около 2% поступающей на Землю солнечной энергии превращается в энергию ветра. Ветер – очень большой возобновляемый источник энергии. В течении многих десятилетий в отдаленных районах используются ветряные турбины, вырабатывающие электроэнергию для бытовых нужд и подзарядки аккумуляторных батарей. Генерирующие модули мощностью больше чем 1 МВт теперь функционируют во многих странах.
Мощность электроэнергии, производимая ветряной турбиной, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Их использование наиболее эффективно при скорости ветра 7 – 20 м/с (или 25 – 70 км/час). К сожалению, на земном шаре не так много районов, где есть такие сильные ветры, дующие постоянно. Оптимальные по производству ветроэнергии станции (ВЭС) должны иметь гигантские размеры – на 90-метровых башнях вращаются пропеллеры с размахом лопастей 80-100 метров.
Рис 4. Ветроагрегат
Использование энергии ветра требует дополнительных дублирующих источников электроэнергии или систем аккумулирования энергии на случай безветренной погоды.
В использовании энергии ветра существуют два основных направления:
сооружение относительно небольших установок (мощностью до 15 кВт), предназначенных главным образом для подъема и перекачки воды, а также для подзарядки электрических аккумуляторов
разработка и создание более мощных ветродвигателей для производства электроэнергии
Степень доступности ветра "бесконечна". В областях, где средняя скорость ветра составляет, по крайней мере, двадцать километров в час, способ получения электроэнергии с помощью ветряных турбин может конкурировать с другими способами производства, например, угольным или ядерным. Так как ветер свободен и всегда существует, то нет никаких проблем с воспроизводимостью этого источника энергии. Однако ветер очень непредсказуем, и периоды необычайно хорошей погоды, могут сменяться полным штилем.
Рис. 5. Мощная ветроэлектростанция в Калифорнии занимает площадь несколько гектаров.
Использование энергии ветра — динамично развивающаяся отрасль мировой энергетики. Если суммарная мощность всех ветроэнергетических установок в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигла уже 31,1 ГВт, а мощность серийной установки — около мегаватта. При благоприятных характеристиках ветра стоимость «ветровой» электроэнергии приближается к стоимости электроэнергии «топливной».
Энергия ветра – безопасна в том смысле, что нет никаких вредных выбросов в атмосферу, способ абсолютно экологически чист. Единственная опасность при производстве электроэнергии таким способом может исходить только при эксплуатации и обслуживании ветряных турбин.
Самый большой недостаток энергии ветра - эстетический. Для размещения ветряной электростанции необходимы громадные площади земли. Чтобы производить такое же количество электроэнергии, как производят угольные или атомные электростанции, в районах со средней скоростью ветра двадцать километров в час, потребовалось бы занять около сотни квадратных километров земли с тысячью опор не менее чем пятьдесят метров высотой. Башни ветровойЭС должны отстоять друг от друга на расстоянии не менее трёх высот башен, отсюда – территориальная проблема. В областях с меньшим количеством ветра, их число увеличивается пропорционально. Тысячи опор с вращающимися лопастями были бы опасны для многих птиц, и являлись бы причинами радиопомех. Более того, ветряные турбины производят значительный шум. Одна тысяча действующих ветряных турбин звучала бы подобно торнадо или большой ракете при запуске. ВЭС генерирует инфразвуковой шум, вызывающий постоянное угнетённое состояние, дискомфорт и беспокойство. Этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, а потому территории, где размещаются ВЭС, оказываются практически непригодными для проживания.
В настоящее время ветряные турбины, работающие в различных частях мира, имеют общую мощность около 15000 МВт. Они являются ценным дополнением к крупным базисным электростанциям. Наиболее экономичными и практичными являются ветряные коммерческие модули мощностью более 1 МВт, которые могут группироваться в небольшие ветряные станции.
Небольшая зарисовка. Аэропорт Амстердама – большое здание. Очень большое. Одних бегущих дорожек – десяток километров. Замаешься мотаться, когда рейс переносят с одного гейта в другой (любимое их занятие, кстати). Полно лавочек-магазинчиков с сувенирами (нам, впрочем, не по карману) да полчище воров, готовых облегчить вам карман или багаж, снуёт по переходам. Но есть достопримечательность – большая палатка, разбитая на бойком месте. Там – борцы, не важно против чего, главное – бороться и искать, найти и не сдаваться! Они борются с модницами, укутанными в меха, не разрешают нам есть мясо, воюют с атомной энергетикой, – с поливинилхлоридом и т.д. и т.п. Ребята, видать, живут хорошо, проблем нет, заняться нечем. Почему бы тогда и не повоевать против чего-то, или за что-то? Битва безопасна - закон дозволяет.
Но на этот раз они меня удивили. Отряд воевал с ветряными мельницами, точнее – с ветряными электростанциями. Лично я к ним отношусь лояльно. Когда летишь над Голландией они прекрасно видны - выстроились вдоль моря. Даже красиво как-то. Правда, насколько я знаю электричества они не производят (аккумуляторов нет), но они качают воду – земля тут ниже уровня моря, морская вода просачивается сквозь дамбы и заливает поля. Надо её обратно откачивать, вот ветряки и трудятся. Предки их зерно мололи, а они вот воду качают. С ветром проблем тут нет, они и стараются. Пусть себе…
Я даже как-то в лекции брякнул, что хорошо бы и в России нечто подобное соорудить.
Зря я это. В зелёной палатке мне популярно объяснили, что большей гадости, чем ветровая электростанция, мир не ещё выдумал. Экологи против. Категорически!
Оказалось – станция воет, как лайнер на старте, с выходом в инфразвук. Так что население разбегается в радиусе 10 км. Потоки воздуха засасывают стаи перелётных птиц, а лопасти перемалывают их в фарш. Радио не послушаешь, телевизор не посмотришь – сплошные помехи. Если башня стоит на холме (а она там и стоит, где же ещё?!) то потоки воздуха, направленные вниз размывают холм. Так что станция постоит, постоит, поработает, да и рухнет вниз. Сама себя уничтожив.
Туда ей и дорога….
Из недр Земли на поверхность непрерывно поступает тепловой поток, интенсивность которого составляет в среднем около 0,03 Вт/м2. Под его воздействием возникает вертикальный градиент температуры — так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2–3 градусов на 100 метров. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры, порой уже на глубине нескольких сотен метров залегают либо сухие горные породы, нагретые до 100°С и выше, либо запасы воды или пароводяной смеси такой же температуры, пригодные для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). Менее горячую воду целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура воды слишком низка для непосредственного использования, её можно повысить, применяя тепловые насосы. Если обычным путём тепло переходит от нагретого тела к более холодному, выравнивая разность температур, то тепловой насос «перекачивает» его в обратном направлении, от холодного тела к нагретому, повышая его температуру. Примером служит обычный холодильник: он забирает тепло из морозильной камеры и отдаёт его в комнату.
В некоторых районах горячий подземный пар может достигать поверхности земли и его можно использовать для производства электроэнергии. Такие геотермальные источники энергии получили распространение в Новой Зеландии, в США, на Филиппинах, в Исландии и Италии. В общей сложности эти источники энергии сегодня вырабатывают мощность до 6000 МВт. Для использования этого метода в других районах иногда возможно перекачивать горячую подземную воду в те места, где ее нет.
Рис 6. «Твердая сфера» Земли
В настоящее время суммарная электрическая мощность действующих в мире ГеоЭС составляет около 10 ГВт, а тепловая мощность геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт.
Запасы геотермальной энергии в России чрезвычайно велики: практически всюду есть запасы подземного тепла с температурой от 30 до 200°С. Сегодня на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5 км, которые позволяют перейти к широкомасштабному внедрению современных технологий для местного теплоснабжения на всей территории нашей страны. Построены Верхнемутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт и первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских островах сооружены геотермальные станции теплоснабжения.
Миф о высокой экологической чистоте ГеоТЭС просуществовал ровно до того момента, как их начали строить и вводить в эксплуатацию. Выделение геотермальных вод и газов сопровождается загрязнением атмосферы парами ртути, сероводородом, аммиаком, диоксидом углерода, угарным газом и метаном, а главное – радионуклидами, среди которых на первом месте – изотопы радона и продукты их распада. Так что опасность для человека и объектов окружающей живой природы есть. И не малая…
Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях рек было осуществлено во Франции и в России. Приливно-отливная вода, движущаяся в обоих направлениях, используется для вращения турбин. Этот вид энергии может использоваться там, где есть значительные области с приливно-отливными потоками.
В 1967 году во Франции в устье реки Ла-Ранс была введена в эксплуатацию первая промышленная приливная электростанция мощностью 240МВт (Эл.). В Канаде в 1984 году построена ПЭС мощностью 20МВт. Первая аналогичная станция на территории Российской Федерации – это первая опытная Кислогубская приливная электростанция, действующая на Кольском полуострове.
Рис. 7. Упрощенная схема приливной электростанции (ПЭС)
Распространению приливных электростанций препятствуют, по крайне мере, два момента:
Как известно, сила приливов имеет суточную и месячную неравномерность, связанную с чисто астрономическими особенностями (суточные вращение Земли и вращение Луны вокруг Земли). Эта неравномерность ведёт к переменной мощности приливных станций.
У приливных электростанций сравнительно небольшой технический потенциал (приблизительно 0,014Q в год).
Данный источник энергии может представлять лишь региональный интерес.
Использование энергии движения волн может дать гораздо больший эффект, чем приливно-отливная энергия.
Возможности практического использования энергии волн в свое время исследовалась в Великобритании. Генераторы электроэнергии в этом случае должны располагаться на плавающих платформах или в полостях прибрежных скальных пород.
Рис. 8. Схема воздушного двигателя, использующего энергию морских волн
Привлекательность идеи использования разности температур в 25 градусов Цельсия между поверхностными и глубинными слоями океана повлекла разработку сразу несколько проектов термогидроэлектростанций (ТГЭС). Принцип работы таких станций заключается в том, что через теплообменник прокачивают теплую воду с поверхности океана. В этом теплообменнике прокачивают тёплую воду с поверхности океана. Рабочая жидкость испаряется, и пары направляются на турбину, а затем – в конденсатор, который охлаждается холодной водой, подаваемой из глубины океана.
Однако здесь встречается немало проблем, в частности:
В первую очередь это весьма высокая стоимость строительства таких объектов. В связи с малой разностью температур поверхностных и глубинных вод требуется создание гигантских по размеру теплообменников, что требует немалых затрат – как финансовых, так и материальных (сырьё, перевозка, комплектующие и обслуживание энергетических установок). Необходимо создание систем откачки океанской воды с больших – до пятисот метров – глубин с единичной производительностью 1,5 тонн (кубических метров) в секунду. Отвод больших количеств тепла из океана может иметь отрицательные последствия для экологии. Может сильно ослабеть тепловая мощность тёплых океанических течений, многие из которых, как, например, Гольфстрим, влияют на климатические условия целых стран.
По некоторым данным, вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет 12%, хотя значительная её доля, используемая для энергетических нужд, не учитывается официальной статистикой.
Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счёт которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический КПД фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от вида растений и зоны их произрастания продуктивность в расчёте на единицу площади, занятой растениями, различна. Для медленно растущих северных лесов она составляет тонну прироста древесины в год на гектар. Для сравнения: на этой же площади в штате Айова, США, урожай кукурузы (вся зеленая масса) в 1999 году составил около 50 тонн.
Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, причём речь, как правило, идёт об отходах полеводства (солома, сено), лесной и деревоперерабатывающей промышленности. Сжигание биомассы обычно требует либо её предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.
В России использование отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока незначительно. По некоторым данным, в стране ещё недавно имелось 27 малых ТЭЦ общей мощностью 1,4 ГВт, использовавших их совместно с традиционным топливом (мазут, уголь, газ). При этом собственно на биомассе выработано 2,2 млрд кВт·ч электроэнергии и 9,7 млн Гкал тепла.
Значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твёрдых бытовых отходах и отходах различных отраслей промышленности. Используют их с помощью термохимических и биохимических методов. В первом случае речь идёт в основном о твёрдых бытовых отходах, которые либо сжигают, либо газифицируют на мусороперерабатывающих фабриках. Во втором случае сырьё — навоз или жидкие бытовые стоки — перерабатывают в биогаз, состоящий из 70% метана и 30% диоксида углерода.
Разработаны технологии производства биогаза и эталона, которые можно использовать как топливо и компост из органических отходов животноводческих комплексов, птицефабрик, городских сточных вод, бытовых отходов, отходов деревообрабатывающей промышленности
Термин «водородная энергетика» предполагает широкое использование водорода в энергетических системах и во многих других секторах экономики ближайшего будущего. Сегодня водород для целей энергетики практически не применяется.
Важным аргументом внедрения водорода в энергетику служит охрана окружающей среды: при сжигании водорода в атмосферу выбрасывается только водяной пар. Особенно активно в последнее время водород предлагают как топливо для автомобилей – он не только не загрязняет атмосферу, но и приводит к экономии первичного топлива.
 |
 |
| Первые шаги водородной энергетики: автозаправочная станция в Исландии и серийный автомобиль с водородным двигателем |
Водород, однако, нельзя называть источником энергии. Он в связанном виде входит в состав воды, ряда природных углеводородов, биомассы, различных органических отходов. Получение водорода из них требует затрат энергии. Поэтому водород следует рассматривать как промежуточный энергоноситель, и для его широкого применения нужно решить задачи эффективного производства, методов хранения и транспортировки, высокоэкономичного использования водорода для получения тепла, электрической и механической энергии.
Повсеместное внедрение водородной энергетики требует разработки новых методов эффективного и экологически чистого производства водорода из углеводородного сырья, органических отходов и воды. Сегодня водород из углеводородов и органических отходов чаще всего получают термохимическими методами; при его производстве из воды традиционно применяют электролиз или различные высокотемпературные термохимические циклы.
 |
|
Углеродные нанотрубки — перспективный материал для безопасного хранения водорода. |
Аккумулирование и хранение водорода в твёрдофазном связанном состоянии: в металлогидридах и композитных наноструктурных материалах, в том числе металлуглеродных и каталитических, — наиболее безопасно и для многих приложений наиболее эффективно. Исследования и разработки таких технологий охватывают создание и исследование как новых металлогидридных систем, так и систем на основе новых материалов с улучшенной кинетикой сорбции и повышенной ёмкостью по водороду. Их появление может радикально расширить практическое использование аккумулирующих водород устройств на автотранспорте и в автономной энергетике. Особенно важно это для безопасного хранения газа на борту транспортных средств. Водород, как экологически чистый энергоноситель для производства электроэнергии, можно использовать и в топливных элементах, и в энергетических установках.
В отличие от тепловых электростанций, которые химическую энергию топлива вначале преобразует в тепло, а уж затем в электроэнергию, в топливном элементе происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Теоретически вся химическая энергия топлива может быть превращена им в электроэнергию. Однако при всей заманчивости идеи использования топливных элементов в энергетике её реализация наталкивается на серьёзные трудности. Именно поэтому их практическое применение и по сей день весьма ограничено, хотя принцип работы известен уже более полутораста лет. Основная сложность состоит в том, что и топливо и окислитель должны быть вначале превращены в ионы. В топливных элементах ионизация происходит при умеренных температурах в присутствии катализаторов, включающих металлы платиновой группы. Сегодня применительно к энергетике рассматривают несколько типов топливных элементов с КПД от 40% до 70%, различающихся прежде всего типом электролита — переносчика ионов и характером промежуточных реакций. Топливом для них служит водород, а окислителем - либо кислород, либо воздух. Принципиальная схема включает водородный анод, кислородный катод и электролит, проводящий те или иные ионы. Теоретическая ЭДС элемента пристандартных условиях составляет 1,23 В.
Для примера рассмотрим топливный элемент со щелочным электролитом, который служит источником энергии для космических аппаратов. На его аноде происходят диссоциация и ионизация молекулярного водорода:
H2 →2H+ + 2e–.
В качестве электролита обычно используется раствор щелочи КОН. Ионы водорода под действием разности потенциалов между анодом и катодом диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде, при замыкании внешней электрической цепи перетекают к катоду, совершая полезную работу. На катоде происходит реакция
4H+ + 4e– + O2 → 2H2O,
то есть единственным продуктом реакции оказывается водяной пар.
Каждый тип топливных элементов имеет свою предпочтительную область использования. Однако для их широкого применения требуется не менее чем на порядок снизить стоимость элементов. Именно в этом направлении, по-видимому, будут развиваться в ближайшие годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Многие исследования показали, что по термодинамической эффективности паротурбинные и парогазовые водородсжигающие электроустановки мощностью 1–10 МВт близки к топливным элементам, а по удельной мощности (на единицу реакционного объёма) превышают их. При мощностях до 0,1–1,0 МВт для автономных потребителей более эффективными могут оказаться топливные элементы.
Как показал технико-экономический анализ различных вариантов использования водорода в энергоустановках, наиболее целесообразно, в том числе и с точки зрения безопасности, производить водород в одном блоке с электрохимическим генератором. В качестве его источника можно использовать алюминий, боро-, алюмогидриды и другие соединения, которые при химическом и электрохимическом окислении дают наибольший выход газа.
Среди запретов природы на развитие новых технологий, запрет на промышленное использование водорода занимает важное место.
Запрет простой – с воздухом водород образует гремучую смесь, каковая взрывается.
Казалось бы: ну и что?! Очень даже что, ребята!
…Взрывать я начал рано – в шесть лет и взрываюсь до сих пор (до 70-ти мне уже не далеко). Врывал я всё, что может врываться и всё, что врываться не может. От толовых шашек до сахарной пудры, от нитроглицерина до азотных удобрений, от вакуумной бомбы до водородной. Хобби у меня такое. Опыт у меня большой и, видать, положительный, раз я жив, руки-ноги целы и глаза на месте.
Я не боюсь никого и ничего. Кроме водорода!
Водорода я боюсь, боюсь страшно, до дрожи в коленках.
Судите сами. Когда вы взрываете что-то приличное, скажем снаряд от пушки, или мину какую, вы всегда можете залечь в кустах, зайти за бугорок или за экран броневой. Глядишь, осколки мимо пролетят. С водородом у вас такой фокус не пройдёт. Водород не просто взрывается сам – от взрывает всё пространство. Объёмный взрыв называется, в вакуумной бомбе используется. Если вы опрометчиво выпустили водород под тягу, то незамедлительно взорвётся ваш прибор, тяга и вся лаборатория. Огненный вал вырвется в коридор и прокатится по всей окрестной территория, сметая всё на своём пути. Отлежаться за бугром не удастся – кислород сгорит, вы задохнётесь, причём лёгкие ваши будут разорваны и выворочены наружу, даже если вы находились за 100 метров от эпицентра. В помещении возникнет сначала повышенное давление – стёкла полетят наружу, а затем отрицательное, здание рухнет внутрь как яичная скорлупа.
Слышали, наверное, про аварии на подводных лодках. Причины разные называют, а она одна – врыв водорода. Водорода на лодке много – аккумуляторы выделяют, струйные рули на торпедах, перекиси водорода полно, гидридов. Хуже такого взрыва быть не может – перегородки складываются как картонные, врыв захватывает весь объём лодки, кислород исчезает, создаётся вакуум. Экипаж в полном составе погибает за шесть секунд, лодка – за шесть минут.
Мне случалось видеть испуганного мужика. Ну, там раненный медведь на него выскочит, вулканическая лава прольётся, гадюка за пазуху заползёт… Мало ли что может с мужиком случиться? Но коллективный страх, ужас, когда у людей глаза круглыми становятся, волосы встают дыбом и седеют, челюсти клацают, я видел только однажды. Случилось это на Чернобыльской АЭС. Задолго до известного инцидента.
В то время мы решили бороться за стабильность работы атомной электростанции. Дело в том, что в электросети имеют место крупные суточные колебания: днём предприятия работают и требуют большой энергии, а ночью отдыхают и энергия им особо не нужна. В результате в сети при пиковых нагрузках напряжение падает, а при сбросе нагрузки растёт. Теплоэлектростанции это как-то переживают – сбрасывают поток природного газа, и все дела. А АЭС так не может, не способна она регулирующие стержни вверх вниз перемещать (ксеноновая яма не дозволяет). Короче, АЭС должна работать при постоянной нагрузке. Вот мы и подумали – ночью, когда избыток энергии девать некуда, направить ток на электролиз воды. В времена затишья будем нарабатывать водород, а при пиковой нагрузке сжигать, получая дополнительное электричество для ненасытного потребителя. Поди плохо?!
Вооружившись передовыми идеями, во главе с известным академиком, явились мы на Чернобыльскую АЭС соединять атомную энергетику с водородной.
Вот тут-то и попал на сеанс коллективного ужаса.
А чтобы, действительно, было, успей мы внедрить свои технологии.
Вы, наверное, знаете, что при чернобыльской аварии запоздали с эвакуацией жителей окрестных городов. Так вот, если бы на АЭС находилось производство водорода, то эвакуировать никого бы не пришлось вообще. Взрыв водорода мгновенно уничтожил бы всю АЭС (не только 3-й корпус), разрушил бы города Припять и Чернобыли (равно как все окрестные деревни-посёлки), отправив на тот свет всех жителей и прочих обитателей окрестных лесов и полей (включая червей в почве и птиц в небе).
Фейерверк был бы знатным!
Вывод простой: никогда не при каких обстоятельствах на АЭС не появится никакое химическое производство, тем более водородное. Даже не мечтайте!
Я застал ещё времена, когда химический факультет располагался в старом здании на Моховой. Тогда с водородом работали прямо на рабочем месте, кое-где баллоны с ним стояли прямо в лаборатории! Когда переехали на Воробьёвы горы, водород с химфака выкинули, баллоны разместили в специальных железных ящиках вдоль наружных стен. Теперь и этого нет – работать с водородом можно только в специальном, отдельно стоящем корпусе, с прочными стенами и легким потолком (это чтобы при взрыве водорода крыша легко снялась с места и унеслась вдаль, не причинив сильного вреда злосчастному экспериментатору).
От чего такие строгости? Жизнь заставила, однако. Надоело телами студентов стены-окна пробивать.
Есть большие умы, которые предлагают перекачивать водород по трубам или хранить в баллонах при больших давлениях. Не вздумайте!
Какой бы длины трубопровод не был, в какой бы точке не произошёл взрыв – он охватит весь трубопровод – взрыв побежит по всему ему и трубы будут вскрыты по всей длине. И не думайте, что взрыв стимулирует гроза, дурной бульдозерист или какой заезжий террорист. Взрыв произойдёт сам собой! Во-первых, водород – газ с малым диаметром молекулы, он легко просачивается сквозь любые несплошности, легко диффундирует сквозь уплотняющие прокладки, норовя покинуть отведенный ему объём. Во-вторых, водород – химически агрессивное вещество, особенно – в атомарной форме. Он взаимодействует с дефектами конструкционных материалов, накапливается в них и создаёт так называемую газовую пористость. Эта пористость имеет привычку быстро размножаться (особенно – при нагреве) с ростом внутренних напряжений и охрупчиванием. Кроме того, водород реагирует с лигирующими добавками в сталях (титан, никель и др.), образуя с ними гидриды. В результате труба с водородом, прочная на вид, превращается в пыль. Мельчайшую пыль. Водород устремляется наружу и пошло, поехало….
Водород следует хранить в химически связанной форме, например, в виде гидридов. Но! Хорошие гидридобразующие вещества (например, лантан-никель-5) безумно дороги, емкость их хоть и велика, но недостаточна, и хранят они водород только при комнатной температуре. Не дай Бог нагреть гидрид, водород попрёт с редкой энергией.
Сторонники водородных автомобилей доказывают их безопасность, показывая фильм об аварийных испытаниях. Вот сталкиваются два обычных авто – бензин вспыхивает, машины сгорают. А вот сталкиваются два водородных авто, водород в которых – на гидридах. И ничего страшного: удар, и ни взрыва, ни пожара. Благодать!
В чём здесь подлог?
Действительно, водород в 14 раз легче воздуха, поэтому он быстро улетает в пространство, не успев образовать с воздухом гремучую смесь, и не успев взорваться.
Но это – только на свежем воздухе, в степи, где ветер дует.
А что получится в гараже, если в вашей машине начнётся утечка водорода, и если этот водород сумеет скопиться где-то в укромном уголке? Ответ прост – вакуумная бомба, объёмный взрыв. Повторяться не буду…
Вот вы бодро въезжаете на подземную стоянку ближайшего универсама. Тормоза горячие, колесо слегка о что-то трётся. Вы двинули за покупками. А тепло пошло внутрь машины, нагрело баллон в водородом, давление возросло, водород стал потихоньку утекать. С начала в машину, затем – в гараж. А там таких водородных машин – пара сотен. Искра – и нет машин, нет стоянки, нет универсама, да и небоскрёба нет, их приютившего.
Так что с водородным транспортом с баллонным или гидридным водородом всё ясно: нет его и не будет. Если и появится, то сотня-другая взрывов машин, десяток взорванных гаражей, пара торговых центров и всё – вымрут, как дирижабли…
Другое дело, если водород задействован в дело, но задействован исключительно в виде протона. Это возможно в топливных элементах.
Тут идея проста: водород производится прямо на транспортном средстве из чего-то дешёвого и безопасного; ни на одной стадии не существует он в виде молекулы Н2, и передаваёт энергию не виде тепла, а в виде электричества. То есть водород как элемент (исключительно в виде протона) может участвовать в процессе, но водорода, как химического вещества, нет вообще!
Схема устройства такова. Камера делится перегородкой (мембраной) на два объёма. Поверхности мембраны покрыты катализаторами (на одной стороне – один тип катализатора, на другой – совершенной иной). В одну камеру запускается углеводород (например, метан), во вторую – окислитель (например, воздух). Водород отрывается от молекулы углеводорода, в виде протона растворяется в материале мембраны и диффундирует к противоположной поверхности. Кислород с противоположной поверхности проникает в мембрану и движется с небольшой скоростью навстречу протону. Прямо в мембране происходит синтез молекулы воды, которая выходит из перегородки и удаляется. Поскольку в реакции синтеза возникают электроны, они накапливаются на перегородке. Если каким-либо проводом заземлить перегородку, то по нему потечёт электрический ток. Его можно использовать для питания электромотора. И никаких АЭС, электролизов воды, производства токсичного синтез-газа, водородопроводов, баллонов с водородом и других элементов традиционной водородной энергетики!
Самое замечательное – что и от углеводородов можно отказаться. Вместо них подавать пары воды, которые будут каталитически разлагаться с отрывом протонов. Тогда будет полный цикл: вода и воздух на входе, вода и азот на выходе. Плюс электричество. Такой автомобиль вообще ничем заправлять не надо – пары воды и воздух автомобиль будет просто качать из атмосферы.
Правда сейчас такой автомобиль на основе топливных элементов стоит как Мерседес из чистого золота. Но беда в другом: топливный элемент управляется диффузией, она медленна, энергия рассеянна, вектор Умова-Пойтинга мал.
Запрет природы…
Топливный элемент – химический источник тока, в котором окислительно-восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей реагентов (топлива, например, водорода, и окислителя (например, кислорода) из специальных резервуаров). Важнейшая составная часть электрохимического генератора, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии в электрическую. Используется в автономных энергетических установках, например, на космических аппаратах.
Электрохимический генератор (ЭХГ) – химический источник тока, в котором реагенты в ходе электрохимической реакции непрерывно поступают к электродам. Состоит из батареи топливных элементов, а также систем хранения и подачи реагентов, отвода продуктов реакции, контроля и управления. Используются, например, в системах энергопитания космических аппаратов. КПД до 80%.
Примечание.
Некоторые иллюстрации к данному тексту оформлены в виде баек. Так, ограничения на воздухоплаванье описано в байке «Дирижабль» (См. Профессорские байки), а геотермальная энергия – цикле «Камчатка».
