Основные первичные источники энергии Земного шара

Источники энергии	Теоретический запас (уровень) энергии	Оценка технического потенциала, кВт.109	Оценка использования в 2000 г., кВт.109
выработка энергии, кВт.ч.1012или кВт.ч/г.1012	условная мощность, кВт.109
НЕВОЗОБНОВЛЯЮЩИЕСЯ (технического потенциала, кВт.ч.1012)
ТЕРМОЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО (энергия синтеза)
АТОМНОЕ ТОПЛИВО (энергия распада)				6,20–7,11
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ		15,3		0,00925–0,02283
ИЗВЛЕКАЕМОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО (всего)
ИЗ НЕГО (достоверные запасы): Каменные угли Торф Нефть свободная Нефть в битуминозных песках и сланцах Природный газ	730			4,45–5,19 0,069–0,083 6,006–6,85   0,185–0,276 6,20–7,11
ВОЗОБНОВЛЯЮЩИЕСЯ (кВт∙ч/год^.10^12)
Полная энергия солнечного излучения на поверхности земли				0,0091–0,0185
Ветер	175–219	19,8–24,8	0,5
НА СУШЕ: Гидравлическая энергия рек	32,7	3,73	1,12	0,6–0,685
В ОКЕАНЕ: Механическая: приливы приливные течения непериодические течения ветровые волны Тепловая: градиент температур тро­пический градиент температур полярный Химическая: градиент солености биомасса	17,5–44 26,3 23,6     438–1314   —   22,78 236,6	2–5 2,7     50–150   —   2,6	0,027   0,06–0,3 0,3       —   0,3 2,6	0,00925–0,02283     0,00031     —

Установки для преобразования энергии потоков в трубопроводах. Наличие большого числа таких систем, постоянный во времени режим их работы, близость потребителей энергии и разнообразие возможных схем применения этой энергии делают целесообразным создание энергоустановок, преобразующих энергию течений в напорных трубопроводах.

Гидравлическая энергия рек издревле использовалась человеком и была одним из первых источников энергии, который применялся для удовлетворения хозяйственных и промышленных задач. Водяные мельницы были одними из первых механизмов, изобретенных человеком; сотни тысяч их исправно мололи зерно в течение тысячелетий, а в последние столетия снабжали механической энергией самые разнообразные промышленные предприятия. Сегодня на реках земного шара построены десятки тысяч малых, средних и крупных гидроэлектростанций, которые вырабатывают экологически чистую электроэнергию и обеспечивают надежность функционирования крупных электроэнергетических систем.

Скоростной напор речных потоков. Энергия скоростного напора речных потоков утилизируется с помощью "бесплотинных" или "свободнопоточных" гидроэнергетических установок. В текущую воду погружается водяной двигатель, и он работает только "на скоростном" напоре.

Энергия течения (кинетическая энергия) в сечении водотока равна

,

где Q — расход воды в рассматриваемом сечении; Н — скоростной напор, равный

,

где a — коэффициент кинетической энергии (Кориолиса); V — средняя скорость потока в сечении водотока.

Без дополнительных преобразований использовать энергию течения открытого потока невозможно. Свободнопоточные турбины берут энергию не непосредственно от скоростного напора потока, а из промежуточного источника, которым является местное повышение давления в потоке (подпор) в области перед преобразователем энергии, реализуемое в виде более высоких скоростей потока в пределах преобразователя.

В случае расположения установки на поверхности воды или близко к ней этот подпор будет иметь форму поднятия свободной поверхности потока перед установкой. При размещении гидродвигателя глубоко под уровнем воды подпор примет форму местного повышения давления в потоке перед рабочим колесом двигателя.

Теоретический (полный) потенциал энергии скоростного напора речного потока, реализуемый свободнопоточными двигателями, в точности равен потенциалу, реализуемой напорными установками. Технический потенциал участка реки, реализуемый свободнопоточными установками гораздо меньше. Тем не менее, потребитель всегда найдет в реке необходимый источник энергии для удовлетворения его нужд — привода в действие свободнопоточного гидродвигателя.

Скоростной напор естественных потоков (рек) и искусственных (каналов) очень невелик. Притом чем больше скорость потока, тем обычно меньше его глубина, что мешает помещению в него двигателя достаточных размеров. То и другое являются причиной, почему мощность таких двигателей измеряется обычно несколькими киловаттами.

Другим недостатком русловых двигателей являются почти непреодолимые затруднения при их эксплуатации на покрытой льдом реке и обеспечении их безопасности во время паводков и ледохода.

Источники энергии прибрежных вод. Источники энергии водных масс морей и океанов интересуют человека вблизи тех мест, где он обитает, то есть в достаточно узкой прибрежной зоне. Здесь расположены следующие источники энергии водных масс: осмотическое давление при впадении пресных вод рек в соленые воды океана (моря); ветровые разбитые волны; приливно-отливные колебания уровня воды.

Энергия осмотического давления в устьях рек. Явление осмоса — проникновение (диффузия) молекул воды через полупроницаемую мембрану, отделяющую пресную воду от морской и имеющую отверстия такого размера, что молекулы воды могут проходить через них, а более крупные молекулы соли — нет. Если в сосуд поместить такую полупроницаемую мембрану между пресной и соленой водой, то осмотические силы начнут "перекачивать" пресную воду в соленую, и этот процесс прекратится тогда, когда давление столба воды в "соленом" отсеке сосуда станет равным давлению осмоса П, эквивалентному для обычной морской воды (с соленостью 35%) напору в 220–240 м, а для более насыщенных растворов, как в лиманах с интенсивным испарением, — до 3000–5000 м. Расход пресной воды, проходящей через мембрану, пропорционален разности давлений П–Р, где Р — давление со стороны "соленого" отсека.

При Р = 0,5П КПД 65%. 1 м³ пресной воды в процессе смешения с соленой морской водой дает около 0,15 кВт ∙ ч. Общий гидроосмотический энергетический потенциал рек мира равен ориентировочно 700 млрд. кВт ∙ ч/год.

Возможная схема гидроосмотической электростанции с плотиной в устье реки показана на рис. 6.1.

 

Рис. 6.1. Гидроосмотическая электростанция с плотинным водозабором в устье реки:

1 — плотина; 2 — водоприемник пресной воды; 3 — насосная станция подкачки соленой морской воды; 4 — резервуар высокого давления; 5 — полупроницаемая мембрана; 6 — демпфирующая воздушная прослойка; 7 — энергетический водоприемник; 8 — слив излишков пресной воды; 9 — здание ГЭС; 10 — водоприемник соленой морской воды

Энергия приливно-отливных колебаний уровня воды морей Мирового океана огромна, однако для ее использования необходимо сооружение плотины, которая позволила бы изменить во времени уровенный режим в прибрежном бассейне и в единый момент времени создать перепад уровней, то есть напор. Сооружения и оборудование приливных ГЭС и ПЭС практически не отличаются от традиционных речных ГЭС.

Энергетический потенциал ПЭС характеризуется выработкой энергии в год Э, кВт∙ч/г; и средней мощностью N_ср, кВт; и для нормального полусуточного прилива рекомендуется определять по формулам:

;

,

в которых А_ср — среднеквадратическая за лунный месяц амплитуда; F_б — средняя площадь зеркала бассейна в пределах приливных колебаний уровня, м².

ПЭС целесообразно сооружать, если напор (полная амплитуда колебаний уровня воды) составляет более 3–5 м.

Важнейшей особенностью ПЭС является то, что изменение во времени их энергетического ресурса подчиняется лунным суткам (24 часа 50 минут), а не солнечным, поэтому график выработки электроэнергии на ПЭС "скользит" относительно графика потребления электроэнергии в энергосистеме. Поэтому совмещение ПЭС с ГЭС позволяет удачно решить эти проблемы; к тому же имеется достаточно много мест (устья рек, впадающих в моря и океаны), где это совмещение может быть реализовано не только энергетически, но и компоновочно-конструктивно.

В 1967 г. во Франции было завершено строительство крупной ПЭС на р. Ранс (24 агрегата общей мощностью 240 МВт). В СССР в 1968 г. в Кислой Губе (Кольский полуостров) вступила в строй первая опытная ПЭС мощностью 0,4 МВт, на которой ныне проводятся экспериментальные работы для будущего строительства ПЭС.