Современный мир меняется очень динамично. Еще полгода назад казалось, что поступательное движение мира к экономическому процветанию необратимо, все новые и

Скачать 4.85 Mb.

Название	Современный мир меняется очень динамично. Еще полгода назад казалось, что поступательное движение мира к экономическому процветанию необратимо, все новые и
страница	2/44
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 44

Мировое потребление и производство электроэнергии (млрд. кВт/ч)^²

Таблица 1.

Динамика цен на основные виды топлива в 2003 – сентябре 2008 г.

	2003 г.	2004 г.	2005 г.	2006 г.	2007 г.	2008 г., I полугодие	2008 г., июль	2008 г., август	2008 г., сентябрь
Нефть средневзвешенная (APSP)*, (долл./барр.)	28,90	37,73	53,39	64,29	71,12	108,14	132,83	114,57	99,66
Природный газ, средняя импортная, Европа, франко – граница, (долл./млн. БТЕ)	3,91	4,28	6,33	8,47	8,56	11,63	14,37	14,64	14,85
Уголь, фоб Ньюкасл, Австралия, (долл./т)	27,84	52,95	47,62	49,09	65,73	126,33	180,00	158,40	150,00
Урановый концентрат U₃O₈, (долл./фунт) **	11,2	18,0	27,9	47,7	99,2	71,25	61,80	64,50	63,00
На базе средних ежедневных котировок: Брент, Дубай и западнотехасской средней в равных долях. * По разовым сделкам американской компании «Nuexco».

Кроме того, увеличивается число стран и регионов мира, развитие которых не обеспечено собственными энергоресурсами, т.е. происходит углубление региональных энергетических диспропорций. В 1990 году эти страны производили 87 % мирового ВВП, в начале ХХI века - 90%. Наибольший рост зависимости от энергического импорта при этом демонстрируют самые быстро развивающиеся страны (Китай, Индия и др.) (см. Рис. 2. и 3)^³.

Рис. 2

Рис. 3

Таким образом, перед большинством стран мира в той или иной степени стоит проблема устойчивого обеспечения энергоснабжения. На упоминавшемся уже саммите «Большой Восьмерки» в Санкт-Петербурге был предложен ряд подходов к решению этой задачи, одним из которых является масштабное развитие атомной энергетики.

На современном научно-техническом уровне решение вопроса государственной энергобезопасности за счет развития ядерной энергетики – наиболее очевидный путь, особенно, как будет показано далее, с учетом таких глобальных проблем как изменение климата и исчерпаемость ресурсов (см. 2-3). О намерении идти по этому пути уже заявили многие страны мира, а.и. Китай, Индия, Белоруссия, Аргентина, США, Финляндия, Болгария, Турция, Словакия и др., в т.ч. и такие, которые являются крупнейшими экспортерами энергоресурсов – Иран и Россия. При этом следует отметить, что реализуемая в России программа модернизации и развития энергетического сектора опирается на комплексный подход, предусматривающий, наряду с серийным строительством АЭС, ввод в эксплуатацию генерирующих мощностей на основе традиционных и альтернативных источников энергии.

Принятие любого решения, особенно такого масштаба как решение о начале реализации собственной ядерно-энергетической программы, требует тщательного анализа с позиций концепции риск/выгода на основании изучения опыта стран, уже имеющих опыт реализации подобных программ. В данной работе представлены результаты анализа российского, и, там где это было оправдано, мирового опыта развития атомной энергетики с оценкой их по 10 основным параметрам.

Глава 1. Энергетические ресурсы

1.1. Энергетические ресурсы. Общий обзор

Имеющиеся в настоящее время в распоряжении человечества источники энергии можно разбить на четыре основные категории:

Возобновляемые органические источники энергии: древесина, торф, биогаз и некоторые зерновые культуры, пригодные для производства топлива, например, этилового спирта или метанола.
Невозобновляемые источники энергии: уголь, газ и нефть (органические топливные ресурсы);
Возобновляемые естественные источники энергии: солнечное тепло и свет, энергия ветра, энергия океанских волн, течения рек, геотермальное тепло, океанские температурные градиенты.
Сырье для производства ядерного топлива: уран, плутоний и торий (энергия расщепления ядер атомов).

Источниками индустриальной энергии в современном мире являются: нефть, газ, каменный уголь, ядерное топливо, гидроэнергия, солнце и ветер (см. Рис. 1.1.)^⁴.

Рис. 1.1 - Рост энергопотребления в мире

Энергетические ресурсы как основа производства электроэнергии c точки зрения риск/выгода должны отвечать следующим критериям:

Экономическая привлекательность, т.е. топливо должно быть по возможности дешевым и, соответственно, производить дешевую энергию.
Ресурсная обеспеченность, т.е. запасы топлива должны быть достаточно велики, чтобы обеспечивать потребности устойчивого развития на долгосрочную перспективу.
Транспортная доступность. Электростанции не всегда строят рядом с месторождениями топлива, следовательно, топливо должно быть таким, чтобы его было экономически выгодно транспортировать и надежно запасать.
Промышленная целесообразность, т.е. желательно, чтобы топливо годилось только для реакции горения и ни для чего другого. Так, например, природный газ и нефть, а также продукты переработки нефти – слишком ценные вещества, чтобы использовать их как котельное топливо. Даже применение торфа для этих целей с каждым годом сокращается, так как он является хорошим удобрением и веществом, благоприятно влияющим на структуру почвы.
Технологическая безопасность, т.е. современный уровень развития технологии топливо должен обеспечивать безопасность применения топлива, как при обычной эксплуатации, так и в аварийных ситуациях.
Экологичность, т.е. отходы от применения топлива должны перерабатываться с минимальным загрязнением окружающей среды. В последнее десятилетие сюда же добавляется требование об исключении влияния на глобальное потепление планеты.

Рис. 1.2 - производство первичной энергии и энергоснабжение в мире в 2004 г.^⁵

1.2. Органические невозобновляемые топливные ресурсы

1.2.1. Уголь

В среднем при сгорании одного килограмма различных сортов угля выделяется 20-34 МДж тепловой энергии. Это немного по сравнению с нефтью и природным газом (см. далее). Однако из всех видов топлива для производства электроэнергии в настоящее время наиболее важен именно уголь. В настоящее время уголь дает 40% всей электроэнергии в мире, его разведанные запасы при этом составляют четверть мировых энергетических ресурсов (см. Рис. 1.1. выше).

Уникальность угля как топлива заключена в его универсальности: его можно использовать в любых климатических условиях на электростанциях различной мощности, вплоть до индивидуальных котлов. Кроме того, разработаны и практически испытаны новейшие технологии сжигания угля. В этом случае окружающей среде наносится минимальный вред. Эффективность современных угольных электростанций значительно повысилась. При дополнительных затратах их влияние на окружающую среду, вызванное выбросом в атмосферу серы и углекислого газа, может быть уменьшено.

Добыча угля из больших карьеров обходится довольно дешево, но затраты на транспортировку на большие расстояния увеличивают стоимость топлива. Если большие количества угля перевозить на большие расстояния, стоимость транспортировки сильно удорожает стоимость получаемой из него электроэнергии (см. Рис. 1.3).

Природные запасы угля хоть и велики, но не настолько, чтобы сейчас не, думать о вопросах его сохранения. Кроме того, распределение залежей угля на планете достаточно неравномерно (см. Таблицу 1.1.)^⁶

Таблица 1.1

Географическое распределение резервов угля и добыча

Страна	% подтвержденных резервов	% добычи в 2005 г
Австралия Польша США Всего ОЭСР	8,5 1,5 27 4	7 2,5 20 35
ЮАР	5,5	5
Китай Индия	12,5 10	38,5 7
Казахстан Российская Федерация Украина	3,5 17,5 4	1,5 4,5 1,5

Уголь имеет важные применения не только в качестве топлива. Углерод, например, содержащийся в угле, необходим в больших количествах для выплавки металлов.

Рис. .1.3.^⁷

1.2.2. Природный газ

Природный газ – очень значимый ресурс для мировой электроэнергетики. В 2004 году его доля в глобальном производстве электроэнергии составляла около 20 %, и этот вклад непрерывно увеличивается (см. Рис. 1.1).

Использование газа приводит к меньшим выбросам углекислого газа в атмосферу, чем использование угля. Поэтому, совершенно очевидно, что в некоторых странах он будет постепенно замещать угольное топливо для производства электричества (см. Табл.1.2).

Природный газ – незаменимый ресурс. Его можно выкачивать из земли, легко и экономно транспортировать по трубопроводам на большие расстояния, подводить к отдаленным населенным пунктам. Использование природного газа может быть очень эффективным (до 90% с учетом потерь при транспортировке).

Удельная теплота сгорания газа так же высока, как у нефти (44-46 МДж/кг). Газ может быть превращен в жидкость для отгрузки морским транспортом. В Японию и Корею газ доставляют именно таким способом.
Таблица 1.2 - Географическое распределение резервов газа и добыча^⁸

Страна	% подтвержденных резервов	% добычи в 2005 г
США Всего ОЭСР	3 8,5	19 39
Венесуэла	2,5	1
Алжир Нигерия	2,5 3	3 1
Иран Катар Саудовская Аравия	15 14,5 4	3 1,5 2,5
Российская Федерация	26,5	21,5

Рис. 1.2.4 - Динамика цен на природный газ ^⁹

Однако при этом газ - ценное химическое сырье, используемое для производства различных товаров. Это означает что крупномасштабное использование этого топлива для производства электроэнергии там, где менее доступны другие способы, может привести к серьезным проблемам.

Возможно, уже в недалеком будущем человечество будет сожалеть, что не смогло ограничить в свое время использование газа на планете.

Рис. 1.5. Динамика цен на газ

Кроме того, весьма вероятно, что исключительная роль природного газа как топлива для производства энергии приведет к повышению его цены в будущем. В этом случае он станет менее конкурентоспособным для производства электроэнергии (см. Рис. 1.4 – 1.5)^¹⁰.

1.2.3. Нефть

В 2004 нефть обеспечивала 6 % всего производства электроэнергии в мире, и значительное количество нефти все еще используется сегодня для этой цели в некоторых странах (см. Рис. 1.1.1). Достоинства нефти как топлива состоят в ее высокой удельной теплоте сгорания – 44-46 МДж/кг и сравнительной простоте транспортировки. Однако нефть, как и газ, важна как исходное сырье для производства пластических масс и фармацевтических изделий. Поэтому в регионах, где есть экономически оправданная возможность использования иных топливных ресурсов, продукты переработки нефти не используют для производства электроэнергии (см. Табл. 1.3).

Несмотря на текущую нисходящую ценовую динамику, общемировые тенденции показывают, что нефть становится все более дорогой и постепенно должна вытесняться другими видами топлива с рынка энергоресурсов (см. Рис. 1.6).

Таблица 1.3

Географическое распределение резервов нефти и добыча

Страна	% подтвержденных резервов	% добычи в 2005 г
США Всего ОЭСР	2,5 6,5	3 24
Венесуэла	6,5	4
Ливия Нигерия	3,5 3	2 3
Иран Ирак Кувейт Саудовская Аравия ОАЭ	11,5 9,5 8,5 22 8	5 2,5 3,5 13,5 3,5
Казахстан Российская Федерация	3,5 6	1,5 12

Несмотря на то, что с 1970-х годов и проводится политика сохранения природных запасов сырой нефти, прогноз показывает, что лет через 50-80 все ресурсы органического топлива, кроме угля, будут исчерпаны. По ряду прогнозов, уголь к тому времени может занять ту же нишу, какую нефть занимает сегодня, особенно в качестве ценного химического сырья (см. Табл. 1.4)^¹¹.

Рис. 1.6.Динамика мировых цен на нефть^¹²

В этой связи особую актуальность приобретает вопрос о величине ресурсов органического топлива на нашей планете. В настоящее время ежегодно расходуемая всеми странами мира энергия (полученная из всех доступных источников) составляет всего 0,1% от возможных для использования запасов органического топлива. Но потребление всех видов энергетических ресурсов быстро растет (см. Рис. 1.7).

Рис.1.7. Сценарий эволюции мировой добычи нефти, конденсата и газа^¹³

По структуре ресурсов органического топлива на Земле они разделяются на общие и извлекаемые. Практически невозможно добыть и использовать все топливо, имеющееся в месторождениях. Коэффициент извлечения зависит от вида топлива, характера месторождения и техники добычи: для нефти – в пределах 0.3-0.4, для природного газа – 0.5-0.8, для угля – 0.25-0.5 (среди месторождений угля имеется много тонких пластов, лежащих глубоко под землей). Общая величина извлекаемых ресурсов органического топлива Земли (угля, нефти и природного газа, вместе взятых) оценивается как 4 х 10¹² Тт, или 4000 млрд.Тт.

В 1980 г. потребление всех видов энергетических ресурсов всеми странами мира составило примерно 10 млрд.Тт, а в 2000 году - около 20 млрд.Тт. Согласно прогнозам запасов органического топлива при существующих темпах его потребления человечеству хватит на весьма ограниченный в исторической перспективе промежуток времени (см. Табл. 1.4).

Таблица 1.4 - Соотношение ресурсы/потребление в 2005 году ^¹⁴

Уголь	Нефть	Газ
155	41	65

1.3. Возобновляемые естественные источники энергии

Технологии, обращающие силы природы на службу человеку, известны очень давно (достаточно вспомнить парусное судно и ветряную мельницу).

По распространенному мнению, использование естественных природных источников энергии абсолютно безопасно для окружающей среды, поскольку не связано с горением органического топлива и не сопровождается радиоактивным излучением. Энергия солнечного излучения, энергия ветра, волн, речной воды, биомассы, потоков геотермального тепла Земли доступна в любое время. Ее запасы, в общем, не зависят от деятельности человека.

Однако если рассмотреть все этапы производства электроэнергии с использованием естественных источников, а не только эксплуатацию электростанции, то вредные воздействия окажутся не меньше, чем у традиционных технологий. Причина в том, что возобновляемые источники имеют относительно низкую плотность энергии по сравнению с концентрированными ископаемыми видами топлива и ядерным топливом. Сбор этих источников и их преобразование требуют на единицу произведенной электроэнергии больше технических устройств и крупных сооружений, которые, в свою очередь, нуждаются в дополнительной энергии для их изготовления и строительства. Крупные проекты гидроэнергетики связаны с переселением, потерей мест обитания, изменением уровня грунтовых вод и т.д. В фотоэлектрических батареях и аккумуляторах значительная часть используемых материалов токсична. Геотермальные источники нередко сопровождаются выбросами тяжелых металлов, которые могут попасть в грунтовые воды. Ветроэнергетические установки создают мощные акустические колебания, небезвредные для здоровья и создающие помехи для радиосвязи. Известны случаи, когда шум ветроагрегатов приводил к миграциям птиц и, как следствие, к резкому снижению урожаев в регионе.

Из всех известных естественных источников энергии в достаточно больших, значимых для промышленности масштабах для производства электроэнергии используется только энергия падающей речной воды.

Солнечная энергия. Ее все чаще используют для отопления. Использование энергии Солнца для крупномасштабного и производства электроэнергии на современном уровне развития технологий вряд ли целесообразно.

Биомасса (например, остатки сахарного тростника) сжигается для получения энергии. Из некоторых видов зерна получают автомобильное топливо.

Все остальные способы дают малый вклад в мировое производство электроэнергии, а некоторые из них пока остаются экзотикой.

При относительной доступности и широкой распространенности возобновляемых источников энергии, они почти всегда нестабильны и недостаточно предсказуемы. Это означает, что для надежного применения нужны либо дублирующие источники электроэнергии, либо методы создания ее больших запасов. Однако, кроме накопления гидроэнергии в водохранилищах и энергии сжатого воздуха в резервуарах, в настоящее время никакого другого способа крупномасштабного накопления энергии не существует.

1.3.1. Солнечная энергия

«Solar – no nuclear»: популярный лозунг различных «зеленых» организаций, ратующих за прямое использование солнечного тепла. Конечно, хочется, чтобы было так, однако пока это только перспективы далекого будущего. Хотя стоимость электроэнергии, производимой солнечными элементами, снижается, но на пути повышения их эффективности до экономически приемлемого уровня пока, к сожалению, весьма далеко. Причины этого весьма серьезны, и преодолеть их пока никак не удается и неизвестно – удастся ли вообще. Тем более что для выработки электричества в промышленных масштабах возможности солнечной энергетики ограничены.

В среднем на 1 м² поверхности (суши и океана) Земли приходится около 0,16 кВт солнечной радиации, что весьма значимая величина. Для всей поверхности Земли она составляет приблизительно 10¹⁴ кВт. Такая мощность, и даже в тысячи раз меньше, может полностью обеспечить все потребности человечества в энергии.

Солнечная энергия 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. Коэффициент преобразования пока не превышает 12-16%, и его до сих пор его не удается увеличить.
создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий на органическом топливе, заменяется «солнечным» паровым котлом.

Рис.1.8 - Зона наиболее выгодного использования солнечной энергии

Ни в одном из этих направлений не достигнута эффективность, достаточная для того, чтобы энергия Солнца обеспечивала базисный уровень производства электроэнергии даже в самых выгодных зонах (см. рис.1.8).

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%.

Гелиоустановки на основе ФЭП успешно и широко используются в космических аппаратах в качестве источников электроэнергии для бортовых нужд. Так как требуется сравнительно небольшая мощность, низкий КПД ФЭП в этом случае не имеет большого значения. Зато надежность работы такого рода гелиоустановок, их вес и габариты вполне приемлемы. Популярность фотоэлементов была бы тем выше, чем выше была бы их эффективность и ниже стоимость, которая пока все еще слишком высока для бытового использования.

Автономные 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.

Принципиальная схема солнечной паросиловой установки приведена ниже (рис.1.9). Она отличается от схемы ТЭС на органическом топливе только устройством котла. Для фокусирования солнечных лучей используется так называемый гелиоконцентратор – набор зеркал или линз. Он предназначен для фокусировки солнечных лучей на котел.

Рис.1.9 - Принципиальная схема солнечной паросиловой установки

Как правило, 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-х годов такие станции с суммарной мощностью более 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.

Наибольшая бытовая энергетическая потребность людей - это потребность в тепле, например, в горячем водоснабжении с температурой воды 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.

1.3.2. Энергия ветра

Около 2 % поступающей на Землю солнечной энергии превращается в энергию ветра. Ветер – очень большой возобновляемый источник энергии. В течение 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.

Рис.1.10 - Ветроагрегат

Мощность электроэнергии, производимая ветряной турбиной, пропорциональна скорости ветра в третьей степени, поэтому их использование наиболее эффективно при скорости ветра 7–20 м/с (или 25–70 км/час). На земном шаре не так много районов, где постоянно дуют столь сильные ветры.

Использование энергии ветра (как и энергии Солнца), 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.

В настоящее время работающие в различных частях мира ветряные турбины имеют суммарную мощность ~15000 МВт и являются ценным дополнением к крупным базисным электростанциям, особенно, при их размещении в удаленных регионах. Наиболее экономичны и практичны ветряные коммерческие модули мощностью более 1 МВт, которые могут группироваться в небольшие ветряные станции.

Тем не менее, при использовании ветра в качестве источника электроэнергии существует ряд серьезных вопросов, решение которых на современном уровне развития технологии не представляется возможным:

Генерирование радиопомех оказывает неблагоприятное влияние на работу теле- и радиосетей. Это негативное явление изначально зафиксировано в Великобритании, где жители Оркнейских островов стали жаловаться на перебои с приемом телепередач. Ветровая энергетическая установка мощностью 0,1 МВт может вызвать искажение радиосигналов сигналов на расстоянии до 0,5 км.
Другая особенность ветровых установок проявляется в генерации интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно воздействующего на человеческий организм, включая постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт. По опыту ветровых установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции, т.е. территории самой ветровой станции и примыкающие становятся непригодными для жизни людей, животных и птиц.
Однако главный недостаток этого вида энергии наряду с изменчивостью скорости ветра - это низкая интенсивность, что требует значительной территории для размещения ветровой установки. Из проведенных специалистами расчетов следует, что оптимальным для ветрового колеса является диаметр 100 м. При таких геометрических размерах и плотности энергии на единицу площади ветрового колеса 500 Вт/м² (скорость ветра 9,2 м/с) из ветрового потока можно получить электрическую мощность, близкую к 1 МВт. На площади 1 км² можно разместить 2-3 установки указанной мощности с учетом того, что они должны находиться одна от, другой на расстоянии, равном трем их высотам, чтобы не мешать друг другу, и не снижать эффективности своей работы.

Примем для оценки, что на площади 1 км² размещено 3 установки, т.е. с 1 км² можно снять 3 МВт электрической мощности. Это означает, что для размещения ветровой станции электрической мощностью 1000 МВт нужна площадь ~330 км². Если сравнивать ветровые и тепловые электростанции по энерговыработке в течение года, то полученное значение следует увеличить не менее чем в 2-3 раза. Для сравнения, площадь Курской АЭС мощностью 4000 МВт вместе с вспомогательными сооружениями, водоемом-охладителем и жилым поселком составляет 30 км², т.е. на 1000 МВт электрической мощности приходится 7,5 км². Следовательно, площадь отчуждаемой для ветровой станции территории на 2 порядка превышает площадь современной АЭС такой же мощности.

Приведенная оценка расхода земельных ресурсов для размещения мощной ветровой электростанции, во-первых, свидетельствует о необходимости тщательного выбора площадки для нее, имея в виду использование бросовых земель, не пригодных для сельскохозяйственного оборота; во-вторых, ставит вопрос о целесообразности сооружения менее мощных ветровых станций для снабжения энергией небольшого района или населенного пункта. Создание таких электростанций (вместе с аккумулятором энергии) может оказаться полезным для электрообеспечения отдаленных поселков и деревень, а также различных сельскохозяйственных работ.

Несмотря на это, есть мнение о необходимости развития крупномасштабной ветроэнергетики. В СССР в 1991 г. работало более 18 000 ветровых установок. Еще в 1930 г. на базе отдела ветродвигателей ЦАГИ был создан Центральный ветроэнергетический институт, в 1938 г. было организовано конструкторское бюро по ветровым энергетическим установкам.

Таким образом, можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую), но при этом отмечается низкая плотность энергии, приходящейся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о технической осуществимости и целесообразности сооружения и эксплуатации ветровых энергетических установок небольшой мощности в удаленных от пролегания ЛЭП районах.

1.3.3. Энергия воды

1.3.3.1. Энергия рек

Гидроэлектроэнергия, которая является преобразованной потенциальной энергией воды в реках, в настоящее время составляет 19% мирового производства электроэнергии.

Первоначально энергию потока воды использовали в приводах рабочих машин - мельниц, станков, молотов воздуходувок и т.д. С изобретением гидравлической турбины, электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния гидроэнергетика приобрела новое значение уже как направление электроэнергетики, связанное с освоением водной энергии путем преобразования ее в электрическую на гидроэлектрических станциях (ГЭС). ГЭС являются мобильными энергетическими установками, выгодно отличающимися от тепловых электростанций в отношении регулирования частоты, покрытия пиковых нагрузок и обеспечения аварийного резерва энергосистемы.

Технический потенциал гидроэнергетических ресурсов крупных и средних рек России оценивается мощностью в 240 млн. кВт или 2100 млрд. кВт/ч годовой выработки электрической энергии, а экономически эффективные гидроэнергетические ресурсы составляют около 125 млн.кВт или 1095 млрд.кВт/ч. ГЭС удовлетворяют около 15% общей потребности в электроэнергии. В ряде районов России (особенно в азиатской части) ГЭС составляют основу энергетического хозяйства.

Рис.1.11 - Схема устройства ГЭС

Схема устройства гидроэлектростанции показана на рис.1.11.

Создание разности уровней воды достигается сооружением плотины – самого важного и дорогостоящего элемента в ГЭС. Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний, приобретает большую скорость. Быстрые струи воды поступают далее на лопасти турбины и вращают ее ротор.

Преимущество многих гидросистем состоит в их способности компенсировать сезонные и ежедневные пиковые нагрузки в потреблении электроэнергии. Иногда использование запасов воды усложняется запросами на ирригацию, которые могут поступать одновременно с пиковыми нагрузками. В некоторых областях использование гидроэлектроэнергии ограничивается в периоды сезонных дождей.

По-видимому, увеличить производство гидроэлектроэнергии в будущем не удастся, поскольку большинство районов мира, где возможно использовать потенциальную энергию воды, уже или находятся в эксплуатации, или недоступны по другим причинам (например, из соображений охраны окружающей среды).

1.3.3.2. Энергия приливов

Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях рек было осуществлено во Франции и в России (начиная с 1966 года). 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.

Во время прилива уровень морской воды повышается, и этим можно воспользоваться для заполнения какого-либо резервуара. На пути потока воды можно поставить турбину, которая будет вырабатывать электроэнергию. Обратный поток воды во время отлива также может вращать турбину, если ее конструкция обеспечивает возможность прямого и обратного вращения и выработки при этом электроэнергии.

Рис.1.12 - Упрощенная схема устройства приливной электростанции

В мире эксплуатируются несколько экспериментальных приливных электростанций (ПЭС). В России на побережье Баренцева моря с 1968 г. работает Кислогубская ПЭС, на которой установлены 2 турбины по 400 кВт каждая. Большая приливная станция эксплуатируется на реке Ла-Ранс (Франция) мощностью 240 МВт. Имеются проекты сооружения других приливных станций. Например, в устье реки Севери (Англия), имеющей самый высокий уровень прилива на Земле, разработаны различные варианты сооружения станций. Мощность турбогенераторов по проекту этой станции составляет 720 МВт. Правительственный комитет, рассматривающий этот проект, рекомендовал провести изучение возможного влияния ее на окружающую среду, определения ее экономической эффективности и т.д.

В целом в мире эта технология используется редко, т.к. для ее применения требуются особые, уникальные, природные условия, в то время как ее потенциальные возможности для производства электроэнергии незначительны.

1.3.3.3. Энергия волн

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.

Один из вариантов волновой электростанции таков: морские волны периодически сжимают воздух, находящийся внутри вертикально расположенной камеры. Выходя из камеры, воздух приводит в движение лопасти турбины. Опускаясь, волна создает внутри цилиндра вакуум, в результате чего извне засасывается воздух, который продолжает вращать турбину. Главная трудность заключалась в том, чтобы обеспечить вращение турбины в одном и том же направлении при прямом и обратном токе воздуха.

В другой конструкции используется резервуар, размещаемый выше уровня моря и соединенный наклонным каналом с его поверхностью. При волнении морская вода заполняет резервуар, вытекая из него, она вращает турбину. Такая волновая электростанция небольшой мощности была сдана в эксплуатацию в Норвегии в 1985 г.

Рассматривая волновую энергию в качестве одного из возможных энергоресурсов, следует указать на значительную ее неравномерность, связанную с изменением интенсивности воздушного потока над поверхностью морских вод. Тем не менее имеющийся способ эксплуатации волновых электростанций небольшой мощности свидетельствует о полезности их применения.

В настоящее время в ряде зарубежных стран ведутся поисковые работы по изучению возможности использования тепловой энергии океана. По результатам этого изучения можно будет судить обо всех достоинствах и недостатках этого вида энергоресурса.

Рис.1.13 - Схема воздушного двигателя, использующего энергию волн

Высокая стоимость требуемых устройств и многочисленные проблемы их практической реализации делают такие проекты труднореализуемыми при современном уровне развития технологий.

1.3.4. Геотермальное тепло

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 ~6 ГВт. Для использования этого метода в других районах иногда возможно перекачивать горячую подземную воду в те места, где ее нет.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. Устройство станции зависит от того, какой источник геотермальной энергии используется.

Рис.1.14 - Литосфера Земли

При использовании подземных термальных вод возникает ряд проблем, главная из которых заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает возможность сброса этих вод в поверхностные природные водоемы. Например, термальные воды Большебанного месторождения (на реке Банная в 60 км от Петропавловска-Камчатского) имеют суммарное солесодержание до 1,5 г/л, включая до 9 мг/л фтора, а также до 300 мг/л кремниевой кислоты. Термальное воды Паужетского месторождения в том же регионе (температура 144-200°С, давление на устье скважины 2-4 атм.) содержат от 1,0 до 3,4 г/л различных солей, 250 мг/л кремниевой кислоты, 15 мг/л борной кислоты, а также растворенных газов: углекислого - 500 мг/л, сероводорода - 25 мг/л, аммиака -15 мг/л. Каждый м³ геотермальной воды Тарумовского месторождения в Дагестане (температура 185°С, давление 150-200 атм.) содержит до 200 г/л солей и 3,5-4 м³ метана в пересчете к нормальным условиям.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения. С 1967 г. на Камчатке эксплуатируется экспериментальная Паужетская геотермальная электростанция (ГеоТЭС) электрической мощностью 11 МВт, однако ее роль в энергообеспечении региона была незначительной. Кроме неё в 1967 году была введена в эксплуатацию экспериментальная ГеоТЭС мощностью 0,75 МВт на низкопотенциальном геотермальном месторождении (температура воды 80°С).

Таким образом, достоинствами геотермальной энергии являются практическая неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатками являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы.

Создание таких электростанций связано со значительными инвестициями, однако их использование, по сравнению с другими видами возобновляемых источников энергии, имеет преимущество в том, что их можно использовать практически 90 % времени (т.к. отсутствуют ограничения по продолжительности светового дня, наличия ветра и т.п.)

1.4. Сырье для производства ядерного топлива

1.4.1 Анализ ограничений по сырьевым ресурсам