Энергетика будущего

Термоядерное оружие, имея те же поражающие факторы что и  у ядерного оружия, имеет намного  большую мощность взрыва. Теоретически она ограничена только количеством  имеющихся в наличии компонентов. Создание термоядерного оружия стало возможным только благодаря разновидности гидрида лития — дейтериду лития-6. Это соединение тяжёлого изотопа водорода — дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6. Дейтерид лития-6 — твёрдое вещество, которое позволяет хранить дейтерий (обычное состояние которого в нормальных условиях — газ) при плюсовых температурах, и, кроме того, второй его компонент — литий-6 — это сырьё для получения самого дефицитного изотопа водорода — трития.

Для того, чтобы создать  необходимые для начала термоядерной реакции нейтроны и температуру (порядка 50 млн. градусов), в водородной бомбе сначала взрывается небольшая  по мощности атомная бомба.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных  ядер из более лёгких с целью получения  энергии, который носит управляемый  характер в отличие от взрывного  термоядерного синтеза (используемого  в термоядерном оружии). Управляемый  термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в  последней используется реакция  распада, в ходе которой из тяжёлых  ядер получаются более лёгкие ядра.

В настоящее время управляемый  термоядерный синтез ещё не осуществлён  в промышленных масштабах. Однако, строительство  международного исследовательского реактора ITER уже находится в начальной  стадии.

Физики мечтают о получении  неограниченной энергии с минимальным  количеством вредных отходов. Однако политики бледнеют, когда слышат, во что обойдутся первые киловатт-часы такой энергии.

Высотный ветер

Мы читаем о новых способах выявить энергию от возобновляемых ресурсов. Иногда эти альтернативные энергетические ресурсы кажутся  довольно странными и непрактичными. Но мы никогда не знаем, как они  разовьются в будущем или как  они выступят в будущем.

Ветра, дающие наибольшее количество энергии, дуют гораздо выше того уровня, на котором находятся турбины  современных ветровых электростанций. Новые проекты метят в заоблачные выси, возможно, даже в высотные ветровые потоки.

Ученые из Института Карнеги  и Университета штата Калифорния исследуют вышеупомянутую возможность. Они рассматривают Нью-Йорк как главное местоположение для того, чтобы эксплуатировать высотные ветры. Их оценка — то, что высотные ветры содержат достаточно энергии удовлетворить мировому требованию 100 раз. Исследователи отметили восточные США и Восточную Азию как лучше всего удовлетворено для сбора урожая ветра. Хотя, они должны думать о колебаниях ветра.

Ученые Института Карнеги  и Университета штата Калифорния брали помощь двадцати восьми лет  данных из Национального Центра Экологического Предсказания и Министерства энергетики. Кен Колдеира Отдела Института Карнеги  Глобальной Экологии и Кристина Арчер  Университета штата Калифорния, Чико, собирали первый глобальный обзор энергии  ветра, доступной на больших высотах  в атмосфере. Исследователи оценили потенциал для энергии ветра с точки зрения “плотности энергии ветра.” Плотность энергии ветра принимает во внимание и скорость ветра и воздушную плотность в различных высотах.

“Есть огромное количество энергии, доступной на высотных ветрах,”  сказал соавтор Кен Колдеира. “Эти ветры дуют намного более сильно и устойчиво чем поверхностные  ветры, но Вы должны пойти, будят мили, чтобы получить большое преимущество. Идеально, Вы хотели бы бодрствовать около  реактивных струй, приблизительно 30 000 футов.”

Кен Колдеира говорит о  реактивных струях. Реактивные струи  — относительно узкие группы сильного ветра в высотах между 20 и 50 000 футов в верхних уровнях атмосферы. Реактивные ветры переходят в  сезон. Но они — постоянные особенности  в атмосфере. Ветры реактивной струи  обычно более устойчивы и в 10 раз  быстрее чем ветры около земли. Таким образом, мы можем благополучно прийти к заключению, что они —  хороший источник экологически чистой энергии и природосберегающей возобновляемой энергии.

Несколько технологических  проектов были запланированы, чтобы  собрать эту энергию. Ученые думают, что ограниченный, подобный бумажный змею ветрогенератор мог быть использован, чтобы произвести энергию. Используя современную технологию мы можем произвести до 40 мегаватт электричества и передать это к земле через привязь.

Ведущий автор Арчер сообщает нам, “Мы нашли самые высокие  удельные веса энергии ветра на высоте по Японии и восточному Китаю, восточному побережью Соединенных Штатов, южной Австралии, и северо-восточной Африке. Средние ценности в этих областях больше чем 10 киловатт за квадратный метр. Это невероятно около земли, где даже у лучших местоположений обычно есть меньше чем один киловатт за квадратный метр.”

Токио, Нью-Йорк, Сан-Паулу, Сеул, и Мехико падают в категории высотного  пояса ветра. Стрелец уточняет, “Для городов, которые затронуты полярными  реактивными струями, такими как  Токио, Сеул, и Нью-Йорк, высотный ресурс феноменален. У Нью-Йорка, у которого есть самая высокая средняя высотная плотность энергии ветра любого американского города, есть средняя  плотность энергии ветра до 16 киловатт за квадратный метр.”

Токио и Сеул могут быть подвергнуты области плотности  энергии сильного ветра, потому что  они находятся под влиянием восточноазиатской  реактивной струи. Мехико и Сан-Паулу  расположены в тропических широтах, таким образом, они находятся  в невыгодном положении. Они редко  затрагиваются полярными реактивными  струями. Иногда они затронуты более  слабыми субтропическими самолетами. Поэтому у них есть более низкие удельные веса энергии ветра чем  другие три города.

“В то время как есть достаточная энергия на этих высотных ветрах, чтобы обеспечить всю современную цивилизацию, в любом определенном местоположении есть все еще времена, когда ветры не дуют. Даже по лучшим областям, ветер, как могут ожидать, подведет приблизительно пять процентов времени. Это означает, что Вы или нуждаетесь в резервном питании, массивном количестве аккумулирования энергии, или континентальной или даже сети электричества глобального масштаба, чтобы гарантировать наличие энергии. Так, в то время как высотный ветер, может в конечном счете оказаться, главный источник энергии, он требует существенной инфраструктуры.”

Волны и приливы

Известно, что запасы энергии  в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая  перегреву поверхностных вод  океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако пока что люди умеют утилизировать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений.

Наиболее очевидным способом использования океанской энергии  представляется постройка приливных  электростанций (ПЭС).

Приливы обусловлены силами притяжения Луны и Солнца в сочетании  с центробежными силами, развивающимися при вращении систем Земля-Луна и  Земля-Солнце. Движение этих тел относительно друг друга порождает различные  приливные циклы: полусуточный, весенний квадратурный, полугодовой и другие более длительные циклы. Все оказывают  влияние на уровень подъема воды, и знание этих колебаний необходимо для правильного проектирования приливных энергетических систем.

Амплитуда приливов может  значительно увеличиваться за счет таких факторов, как склоны, воронки, характерное отражение и резонанс. Наиболее часто такие условия  наблюдаются в устьях рек.

Теоретически приливные  электростанции могли бы производить  в целом 635 тыс. ГВт*ч/год электроэнергии, что является энергетическим эквивалентом более чем 1 млрд баррелей нефти. Наиболее перспективными в этом отношении  районами являются залив Фанди в  Канаде и США, залив Кука на Аляске, Шозе в бухте Мон-Сен-Мишель во Франции, Мезенский залив в России, устье р. Северн в Великобритании, залив Уолкотт в Австралии, Сан-Хосе в Аргентине, залив Асанман в Южной Корее.

С незапамятных времен человек  стремился использовать энергию  приливов. Первые приливные мельницы появились на побережье Бретани, Андалузии и Англии еще в ХII в. В более поздние времена  сотни таких устройств приводили  в движение лесопильные и мукомольные  машины в британских владениях на территории Новой Англии (США).

В настоящее время действует  совсем немного приливных станций. Электростанция Ранс является первым и крупнейшим предприятием такого рода в мире. Она была задумана как  прототип более крупных приливных  станций на побережье Бретани. Строительство  началось в 1961 г. и завершилось в 1968 г. Система использует двадцать четыре 10-мегаваттных турбины Каплана, обладает проектной мощностью 240 МВт и ежегодно производит около 50 ГВт*ч электроэнергии. Амплитуда прилива в устье  реки составляет 14 м. Плотина длиной 750 м ограничивает бассейн площадью 22 км², который содержит 180 млн м³ полезной воды.

Другая крупная приливная  электростанция мощностью 20 МВт расположена  в Аннаполис-Ройал, в заливе Фанди (провинция Новая Шотландия, Канада). Она была официально открыта в  сентябре 1984 г. Система смонтирована на о. Хогс в устье р. Аннаполис  на основе уже существующей дамбы, защищающей плодородные земли от затопления морской водой в период штормов. Амплитуда прилива колеблется от 4,4 до 8,7 м.

Стоимость станции Аннаполис-Ройал  составила 53 млн. долл., или 2650 долл. за киловатт мощности. Согласно проекту, цена производимого электричества должна была составлять 2,7 цента за киловатт. Удовлетворительные показатели данной станции подтвердили рентабельность низконапорных гидроресурсов, открыли широкие перспективы строительства крупных приливных станций в Канаде и других частях земного шара.

Возможное воздействие приливных  электростанций на окружающую среду  будет связано с увеличением  амплитуды приливов на океанской  стороне плотины. Это может приводить  к затоплению суши и сооружений при  высоких приливах или во время  штормов и к вторжению солёной  воды в устья рек и подземные  водоносные слои. Водные пищевые цепи и сообщества организмов в приливной  зоне могут пострадать в результате изменения уровня воды и усилившихся  течений как за плотиной, так и  перед ней; для водных организмов небезопасно так же прохождение  через турбины.

Следует так же упомянуть  ещё одну отрицательную черту  приливной энергии - то, что её выработка  непостоянна. При обычной эксплуатации приливной энергии электричество  вырабатывается только в начале прилива (или отлива). Эта циклическая  выработка энергии вряд ли будет  соответствовать суточным циклам потребности  в ней. Пиковая потребность и  пиковая выработка могут иногда совпадать, так как часы приливов сдвигаются по мере смены времён года, но чаще такого совпадения не будет. Это  означает, что выработка энергии  другими, центральными, станциями должна снижаться, когда темп приливной  выработки достигает максимума, и возрастать, когда он падает. На электростанции «Ла-Ранс» эту задачу выполняет компьютер.

Температура воды океана в  разных местах различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность  воды нагревается до 82 градусов по Фаренгейту (27 C). На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2-3.5 С). Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу  температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить  электричество? Да, и это возможно.

В далекие 20-е годы нашего столетия Жорж Клод, одаренный, решительный  и весьма настойчивый французский  физик, решил исследовать такую  возможность. Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он сумел-таки после серии неудачных попыток  получить установку мощностью 22 киловатта. Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими учеными.

Используя теплую воду на поверхности  и холодную на глубине и создав соответствующую технологию, мы располагаем  всем необходимым для производства электроэнергии, уверяли сторонники использования тепловой энергии  океана. "Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах имеются  запасы энергии, которые в 10 000 раз  превышают общемировую потребность  в ней".

"Увы, - возражали скептики, - Жорж Клод получил в заливе  Матансас всего 22 киловатта электроэнергии. Дало ли это прибыль?" Не  дало, так как, чтобы получить  эти 22 киловатта, Клоду пришлось  затратить 80 киловатт на работу  своих насосов.

Сейчас приобрела большое  внимание "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между  поверхностными и засасываемыми  насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в  замкнутом цикле турбины таких  легкоиспаряющихся жидкостей как  пропан, фреон или аммоний.

Последние десятилетия характеризуется  определенными успехами в использовании  тепловой энергии океана. Так, созданы  установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС - начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка  мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки  в течение трех с половиной  месяцев показала ее достаточную  надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если но считать  мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых  новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная -53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка  отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.