Запасы и ресурсы источников энергии.

НВИЭ

Лекции для заочников

Традиционные и нетрадиционные источники энергии

В индустриальном обществе ископаемое углеводородное топливо стало преобладающим источником энергии. Все без исключения страны в стадии индустриализации традиционно используют ископаемое углеводородное топливо для привода тепловых машин и получения тепла в широком диапазоне температур.

Другие источники энергии, солнечное излучение, ветер (кинетическая энергия движущихся воздушных масс), биотопливо (поглощенная в процессе фотосинтеза солнечная энергия) в процессе индустриализации постепенно вытеснялись традиционными источниками энергии, и в этой связи получили название нетрадиционных источников энергии. Исключение составляет гидроэнергия, то есть, энергия рек. Гидроэнергия, вначале используемая для привода водяных мельниц, в индустриальную эпоху стала использоваться в гидроэлектростанциях для привода генераторов электроэнергии. Во многих странах (включая и Россию) гидроэлектростанции составляют достаточно большую часть электростанций, а гидроэнергия (возобновляемый формально нетрадиционный источник энергии) используется почти так же интенсивно, как и традиционные источники энергии. Этому факту есть свои причины, которые будут рассмотрены в соответствующем разделе.

Как вы уже заметили, нетрадиционные виды энергии присущи возобновляемым источникам энергии, а традиционные – не возобновляемым источникам энергии. По этому признаку традиционными источниками энергии можно считать не возобновляемые ресурсы ископаемого углеводородного топлива, а нетрадиционными источниками энергии – возобновляемые, или восполняемые, источники энергии (ВИЭ).

В последнее время исследуются и частично применяются и неизвестные ранее такие ВИЭ, как приливы, океанические градиенты температур и океанические волны, геотермальные источники.

Запасы и ресурсы источников энергии.

Запасы ископаемого топлива в земной коре конечны, и можно обсуждать лишь время их истощения. Например, запасы сырой нефти, залегающей в осадочных породах, оцениваются в 180…290 млрд. тонн. До настоящего времени уже потреблено 72 млрд. тонн, и если сохранятся тенденции добычи и потребления нефти, она будет выкачена из недр Земли к 2040 году, а потреблена к 2080 году. Если же принять, что после добычи 80% мировых запасов нефти дальнейшее извлечение станет неэффективным, то её добыча будет прекращена к 2020 году, а потребление к 2060 году /1/.

Аналогичная ситуация и в отношении газа. Это объясняется тем, что газ, в основном метан, в большинстве случаев обнаруживается вместе с месторождениями нефти в пропорции приблизительно 1300 м³ на одну тонну сырой нефти. Хотя существуют и чисто газовые месторождения. Немного лучше прогнозы по запасам угля. Его мировые запасы по многим оценкам составляют 7700 трлн. тонн (в том числе в России более 3000 трлн. тонн, при годовой добыче примерно 25 млрд. тонн). Сегодня уголь стал труднодоступен, а его добыча в последнее время заметно дорожает, хотя он до сих пор является основным источником для выработки электроэнергии, особенно в России. Кроме того уголь залегает глубоко под землей, а его добыча требует присутствия человека в месте залегания. Это обусловливает чрезвычайно высокую опасность добычи угля, связанною с гибелью людей.

Анализ ресурсов возобновляемых источников энергии начнем с запасов гидроэнергии, которая хоть и относится к возобновляемым (гидроэнергия солнечного происхождения), но используется достаточно широко и достаточно долго. В силу этого обстоятельства она занимает некое промежуточное положение между традиционными и нетрадиционными источниками энергии. Здесь следует заметить, что по прогнозам возобновляемые источники энергии в будущем должны стать преобладающими, а затем и безальтернативными, то есть, согласно принятой терминологии перейдут в разряд традиционных. Существуют и другие (пессимистические) прогнозы, в которых ВИЭ в составе используемых энергоносителей отводится не более 30% /9, 11/.

Мировые запасы гидроэнергии, то есть, та ее часть, использование которой оправдано экономически, составляют 10 млрд. тонн условного топлива в год, что примерно равно всему мировому энергопотреблению в настоящее время. Запасы гидроэнергии в России составляют около 1 млрд. тонн условного топлива, то есть, около 10% мировых запасов.

Наиболее мощным источником возобновляемой энергии является Солнце. Мало того, все остальные источники энергии (традиционные и нетрадиционные) обязаны своим существованием Солнцу.

Полная мощность солнечного излучения составляет 4·10²⁶ Вт. На верхней границе атмосферы плотность солнечного излучения составляет около 1,4 кВт/м². Зная радиус Земли (6370 км) и площадь поперечного сечения (127,6 ·10⁶ км²), можно подсчитать, что вся поверхность атмосферы за год получает около 1,6·10¹⁸ кВт.час. солнечной энергии.

Солнечная энергия, проходя через атмосферу, частично поглощается, и на поверхности Земли средняя интенсивность солнечного излучения составляет 0,35 кВт/м². Таким образом, на поверхность Земли за год поступает приблизительно 4·10¹⁷ кВт.час. солнечной энергии. Это превышает самые смелые прогнозы мирового энергопотребления в 21 веке в сотни раз.

Для оценки потенциальных возможностей ветра обычно используется удельная мощность, развиваемая воздушным потоком с поперечным сечением 1 м². Эта мощность пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Так как скорость ветра различна по высоте, то различна и его мощность на разных высотах. Суммарная кинетическая энергия ветра на высоте до 100 м, где плотность воздуха можно считать постоянной, оценивается в 1,5·10²¹ Дж или 4·10¹⁵ кВт.час., что составляет примерно 1 % от энергии солнечного излучения.

Результаты исследования ветроэнергетических ресурсов в нашей стране носят противоречивый характер. Так, по зарубежным данным территория бывшего СССР (за исключением Крайнего Севера и Дальнего Востока) малопригодна для использования энергии ветра, а по отечественным данным на территории России для ветроэнергетики пригодно около 8 млн. км² площади. Причем по отечественным данным, только на 1 % этой площади можно построить ветроэлектростанции общей мощностью 300 - 500 тыс. МВт. 

Биотопливо хоть и относится к возобновляемым видам энергии, но требует определенного времени на возобновление. В этом смысле оно качественно не отличается от ископаемого топлива, но скорость его возобновления гораздо выше. Например, что бы восполнить запасы нефти, потребляемые сейчас человечеством в течение года, необходимо миллион лет. Запасы же потребленного за год биотоплива (при его искусственном выращивании) возобновляются не более чем за год. Таким образом, имеется возможность всегда восполнить потребленные запасы биотоплива, и поэтому его считают возобновляемым источником энергии.

Теплотворная способность биотоплива различна и составляет от 10 МДж/кг (сырая древесина) до 55 МДж / кг (метан). Средняя теплота сгорания биомассы 20 МДж/кг /9, 10/.

Энергия приливов обусловлена изменением уровня океана в результате вращения систем Земля – Луна и Земля – Солнце. В открытом океане изменение уровня воды между полным приливом и полным отливом составляет приблизительно 1 метр. В прибрежных зонах под влиянием рельефа и очертаний береговой линии этот уровень может увеличиваться, достигая 18 – 15 м (Атлантическое побережье Канады и некоторые места Ла-Манша). На территории России это побережья Охотского моря (13 м), Белого и Баренцева морей (10 м) /6, 9, 10/.

Принципиально можно использовать энергию океанских волн, причем в открытом океане, а не в полосе прибоя, как считалось ранее. Средняя мощность океанских волн достигает десятков кВт на 1 метр фронта волны. Однако электростанции, использующие энергию волны, не имеют практического применения, и вряд ли будут иметь широкое применение в обозримом будущем, так как трудности транспортировки электроэнергии делают ее наименее выгодной даже по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии.

Геотермальная энергия представляет собой тепловую энергию ядра Земли, нагретого до температур (гипотеза) порядка 2500 - 3000°С. Это тепло под действием градиента температур поступает на поверхность Земли и участвует вместе с теплоотдачей в тепловом балансе земного климата. Геотермальная энергия, поступающая на поверхность земли очень рассеяна и имеет плотность порядка 0,05 Вт/м². Очевидно, что из-за низкой плотности использовать геотермальную энергию повсеместно весьма проблематично. Однако на Земле имеются места с повышенной плотностью геотермальной энергии, точнее, ее разновидностей, гидро- и паротермальной энергии. Это энергия горячих источников воды и пара, относительно близко расположенных к поверхности Земли (до 10 км). Особенно эффективны в этом плане гейзеры, то есть, источники, периодические выбрасывающие над поверхностью фонтаны горячей воды (температура 60 - 70°С) или пара (температура более 100°С) высотой 20 – 40 метров.

Тепло таких источников используется, в основном, для горячего водоснабжения и отопления. Такие источники известны на Камчатке, в Японии, в Новой Зеландии, в Исландии и в других странах.