Источники энергии

Введение
Энергия– не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своегоосновного физического (а в более широком смысле – естественнонаучного)содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические ииные аспекты.
Человечествунужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе стем запасы тради­ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны.Конечны также и запасы ядерного топлива — урана и тория, из которого можнополучать в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасытермоядерного топли­ва – водорода, однако управляемые термоядерные реак­циипока не освоены и неизвестно, когда они будут использова­ны для промышленногополучения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторовделения. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов ииспользование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Даннаядипломная работа является кратким, но обширным обзором современного состоянияэнергоресурсов человечества. В работе рассмотрено развитие энергетики, какотрасли народного хозяйства, эволюция источников энергии, а также проблемыосвоения и использования новых ресурсов энергии (альтернативные источникиэнергии). Цель работы – прежде всего ознакомиться с современным положением делв этой необычайно широкой проблематике, анализ новых путей полученияпрактически полезных форм энергии.
Кновым формам первичной энергии, рассмотренным в нашей дипломной работе в пер­вуюочередь относятся: солнечная и геотермальная энергия, приливная, атомная,энергия ветра и энергия волн. В отличие от ископаемых топлив эти формы энергиине ограниче­ны геологически накопленными запасами (если атом­ную энергиюрассматривать вместе с термоядерной). Это означает, что их использование ипотребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.
Рассмотренные в работе новые схемы преобразования энергии можно объединить единым термином«экоэнергетика», под которымподразумеваются любые методы по­лучения чистой энергии, не вызывающиезагрязнения окружающей среды.

Раздел 1.
Мирищет энергию

Предисловие
 
 
 
 
 
 
 
Никакой вид энергии не обходитсятак дорого, как её недостаток.
Гоми Баба, 1964.
Этовысказывание известного индийского ученого никогда не звучало столь актуально,как в наши дни, когда человечество, не считаясь с огромными финансовымирасходами, прилагает все уси­лия к поиску новых путей получения энергии.
Проблемы,связанные с происхождением, экономичностью, тех­ническим освоением испособами использованияразличных источни­ков энергии, были и будут неотъемлемойчастью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно сними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения при­обретающих все большую остроту проблемсовременности и в еще большей степени – ближайшего будущего.
Мир,в котором мы живем, можно изучать с самых разных то­чек зрения. Новые знанияведут к постоянному их сужению, ко все большей дифференциации научных дисциплин исоответствующих им областей человеческой деятельности. Результаты объективнойоцен­ки «состояния дел»в этих областях весьма различны. Если говорить осуществующей и понынеугрозе войн, о миллионах недоедающих и голодных, о все возрастающем загрязнениижизненной среды, то приходится констатировать наличие серьезнейших проблем,решение которых не терпит отлагательства. Проблемыэти тревожат весь про­грессивный мир и не позволяют человечеству удовлетвориться до­стигнутым.Если же оценивать развитие пауки и техники само по себе, в самомшироком смысле слова, то здесь успехи весьма велики изаслуживают высочайшего уважения.
Почемуже именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет человечество — энергетический голод или энергетичес­кое изобилие? Не сходят со страниц газет ижурналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны,расцвета­ют и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетныхсенсаций стали относить сообщения о запуске новых ус­тановок или о новыхизобретениях в области энергетики. Разра­батываются гигантские энергетическиепрограммы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальныхзатрат.
Еслив конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия — энергетическая — играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, тоуже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часовэлектроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будетпроизведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! Гигант­ские цифры, небывалыетемпы роста! И все равно энергии будет мало, а потребности в ней растут ещебыстрее.
Уровеньматериальной, а в конечном счете и духовной куль­туры людей находится в прямойзависимости от количества энер­гии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добытьруду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израс­ходоватьэнергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится всебольше.
Такза чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленныеспособы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогдастроить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько по­надобится!Такое, казалось бы, очевидное решение сложной зада­чи, оказывается, таит в себенемало подводных камней.
Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию,пригодную для использования, можно только за счет ее пре­образований из другихформ. Вечные двигатели, якобы производя­щие энергию и ниоткуда ее не берущие, ксожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему днюсложи­лась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловаттполучаются в принципе тем же способом, которым поль­зовался первобытный человекдля согревания, то есть при сжига­нии топлива, или при использовании запасеннойв нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых элект­ростанциях.
Конечно,способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.
Новыефакторы — возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики,возрастание требований к защите окружающей среды, потребовали нового подхода кэнергетике.
Вразработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые нашейстраны, специалисты различных минис­терств и ведомств. С помощью новейшихматематических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколькосотен вариантов структуры будущего энергетического баланса страны. Были найденыпринципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики страны нагрядущие десятилетия.
            Хотя в основеэнергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, струк­тура ее изменится. Должно сократитьсяиспользование нефти. Су­щественно возрастет производство электроэнергии наатомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантскихзапасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канс­ко-Ачинском, Экибаcтузскомбассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в страненамного превосходят запасы в других странах.
Энергетическаяпрограмма страны — основа нашей техники и экономики в канун 21 века.
Ноученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, уста­новленных Энергетическойпрограммой. На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет в реальностяхтретьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь небесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет,израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумыватьсянад тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишьпри этом условии запа­сов топлива может хватить на века. К сожалению, многиенефте­добывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходу­ютподаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно врайоне Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь, чточерез несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда –, аэто рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будутисчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не толькоэнергетике, но и транспорту, и химии, заставило заду­маться о других видахтоплива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались тогда тестраны, где нет собс­твенных запасов нефти и газа и которым приходится ихпокупать.
Апока в мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых,нетрадиционных источников, которые могли бы взять на себя хотя бы часть заботпо снабжению человечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут наразных пу­тях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных,возобновляемых источников энергии-энергии текущей воды и вет­ра, океанскихприливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяетсяразвитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Землепроцессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

Энергия – счего все началось
Сегоднянам может казаться, что развитие и совершенствование человека происходилоневообразимо медленно. Ему в буквальном смысле слова приходилось ждать милостейот природы. Он был практически беззащитен передхолодом, ему непрестанно угрожали дикие звери, егожизнь постоянно висела на волоске. Но постепенночеловек развился настолько, что сумел найти оружие, которое в сочетании соспособностью мыслить и творить окончательно возвысило его над всем живымокружением. Сначала огонь добывали случайно – например, из горящих деревьев, вкоторые ударила молния, затем стали добывать сознательно: за счет трения друг одруга двух подходящих кусков дерева человек впервые зажег огонь 80–150 тысячлет назад. Животворный, таинственный, вселяющий уверенность и чувство гордостиОГОНЬ.
Послеэтого люди уже не отказывались от возможности использовать огонь в борьбепротив суровых холодов и хищных зверей, для приготовления с трудом добытойпищи. Сколько ловкости, настойчивости, опыта да и просто везения это требовало!Представим себе человека, окруженного нетронутой природой – без построек,которые бы его защищали, без знания хотя бы элементарных физических законов, сзапасом слов, не превышающим нескольких десятков. (Кстати, многие ли из нас,даже обладающие солидной научной подготовкой, смогли бы зажечь огонь, неприбегая к каким-либо техническим средствам–хотя бы спичкам?) К этому открытиючеловек шел очень долго и распространялось Оно медленно, но ознаменовало собойодин из важнейших переломных этапов в истории цивилизации.
Шловремя. Люди научились получать тепло, но ста ре располагали никакой силой,кроме собственных мускулов, которая помогала бы им подчинить себе природу. Ивсе же постепенно, мало-помалу они стали использовать силу прирученныхживотных, ветра и воды. По данным историков, первые тягловые животные былазапряжены в плуг около 5000 лет назад. Упоминание о первом использовании воднойэнергии – запуске первой мельницы с колесом, приводимым в движение водянымпотоком,– относится к началу нашего летосчисления. Однако потребовалась ещетысяча лет, прежде чем это изобретение получило распространение. А древнейшиеиз известных сегодня ветряных мельниц в Европа были построены в XI в.
Напротяжении столетий степень использования новых источников энергии — домашнихживотных, ветра и воды – оставалась очень низкой. Главным же источникомэнергии, при помощи которой человек строил жилье, обрабатывал поля,«путешествовал», защищался и нападал, служила сила его собственных рук и ног. Итак продолжалось примерно до середины нашего тысячелетия. Правда, уже в 1470 г.был спущен на воду первый большой четырехмачтовый корабль; около 1500 г.гениальный Леонардо да Винчи предложил не только весьма остроумную модельткацкого станка, но и проект сооружения летающей машины. Ему же принадлежатмногие другие, для того времени просто фантастические идеи и замыслы,осуществление которых должно было способствовать расширению знаний ипроизводительных сил. Но подлинный перелом в технической мысли человечестванаступил сравнительно недавно, немногим более трех столетий назад.
Однимиз первых гигантов на пути научного прогресса человечества, несомненно, был Исаак Ньютон. Этот выдающийся английскийестествоиспытатель всю свою долгую жизнь и незаурядный талант посвятил пауке:физике, астрономии и математике. Он сформулировалосновные законы классической механики, разработал теорию тяготения, заложил основы гидродинамики и акустики, в значительной мере способствовал развитию оптики, вместе сЛейбницем создал началатеории исчислениябесконечно малых и теории симметричных функций.Физику XVIII и XIX столетий по праву называют ньютоновской.Труды Исаака Ньютона во многом помогли умножить силу человеческих мускулов и творческие возможностичеловеческого мозга.
Вслед за кембриджскими исследованиями Ньютона в Лондоне в 1633 г. выходит книга «Сто примеров изобретений». Ее автором был малокому известный сегодня лорд Эдвард Сомерсет (маркизВустер). Один из примеров, приведенных в этойкниге под номером 68,настолько напоминает водяной насос с паровым приводом, что многие специалистыприписывают Сомерсету честь изобретения паровоймашины.
Промышленнаяреволюция – так мы часто называем эту эпоху великих открытий – существенноизменила течение жизни на нашей планете. Одним из ее последствий былоокончательное падение феодализма, который уже не мог приспособиться к развитиюновых производительных сил, и упрочение капиталистических производственныхотношений. Джеймс Уатт изобрел паровую машину, которая раскрутила колесоистории до небывалых прежде оборотов.
Паровуюмашину низкого давления Уатта совершенствовали многие мастера и инженеры. Среди них следует выделить американцаОливера Эванса. Преодолев многие препятствия, этот талантливый механик, полныйэнтузиазма и смелых идей, в 1801 г, приступил к сооружению малой паровоймашины, в которой давление пара в десять раз превышало атмосферное. Уже первыедве машины получились необычайно удачными, и в 1802 г. Эванс открыл вФиладельфии первый завод паровых машин высокого давления. Он поставилзаказчикам до 50 машин мощностью от 7,4 до 29,4 кВт (10–40 л. с.).
В1807 г. американский изобретатель Роберт Фултон сконструировал первый пароход«Клермонт», который совершал регулярные рейсы по реке Гудзон между Нью-Йорком иОлбани. Успех «Клермонта» оказался настолько убедительным, что в 1819 г. в СШАбыл спущен на воду морской пароход.
Английскийтехник Джордж Стефенсон в 1823 г. основал завод по изготовлению подвижногосостава для общественного транспорта, и в 1825 г.– через шесть лет после смертиУатта – на трассе Стоктон – Дарлингтон начала действовать первая железнаядорога.
Внаши дни паровую машину скоро можно будет увидеть только в технических музеях,но и там мы будем смотреть на нее с уважением.
Итальянскийфизик Алессандро Вольта родился в 1745 г. Он продолжил эксперименты своегоземляка Луиджи Гальвани и прославился изобретением электрической батареи(1800). В его честь мы называем основную единицу электрического напряжениявольтом. (В). Вольтову батарею–так называемый элемент–составляли два разныхпроводника электрического тока (электроды), погруженные в жидкость(электролит), через которую протекал электрический ток. В качестве электродовВольта использовал медь и цинк, а электролитом служила соленая вода. Долгим итрудным был путь от этого первого источника постоянного тока до современнойэлектрификации большей части нашей планеты. Остановимся на некоторыхзнаменательных событиях из истории электричества.
Первымубедительным доказательством полезности вольтова элемента было изобретениеэлектрического телеграфа, которое чаще всего приписывают немецкому врачу инатуралисту Самуэлю Земмерингу (1809). Через два года английскому физику ихимику Гемфри Дэви удалось получить между двумя угольными электродамиэлектрическую дугу–светящуюся струю электрически заряженных частиц необычайновысокой температуры. Дэви был автором и ряда других открытий в зарождающейсяобласти науки–электрохимии, изучающей связь между электрическими и химическимипроцессами и явлениями.
Затемпоследовало множество открытий, связанных с магнитными свойствамиэлектрического тока. Французский физик Андре Амперстал основоположником новой науки – учения об электромагнетизме. Отсюда оставался один шагдо создания электродвигателя, Этот решающий шаг помогли сделать великий английский физик и химик, бывший ученикпереплетчика Майкл Фарадей, немецкий физик, жившийи работавший в России, Герман Якоби и многие другие известные и неизвестные механики, физики и химики. Первые электродвигатели работали от усовершенствованныхвольтовых элементов. Они обладали малой мощностью ипостепенно были вытеснены двигателями переменного тока. Для этого потребовалось создать новые источники такого тока – генераторы, а затем турбины,чтобы приводить их в движение.
Путьк всеобщей электрификации проходил через множество крупных и мелких открытий иизобретений. Но это был логичный и целенаправленный путь. Электрическую энергиюлегко можно передавать на большие расстояния и непосредственно использовать длясамых разнообразных целей. Все прежние машины и механизмы требовали «топлива»,т. е. источника энергии, непосредственно на месте: паровая машина не всостоянии работать без достаточного количества топлива, ветряная мельница – безветра, водяная мельница – без потока воды. А электрический двигатель работает иза сотни километров от источника потребляемой им энергии.

Сколько людямнужно энергии
Рождениеэнергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научилисьиспользовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения иопти­мизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством,помощником в земледелии, консервантом продук­тов, технологическим средством ит.д.
Напротяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей(древесины, кустарни­ков, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем былаобнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества:каменный уголь, нефть, сланцы, торф.
Прекрасныймиф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в древней Греции значительнопозже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренно­гообращения с огнем, его получением и тушением, сохранени­ем огня и рациональнымиспользованием топлива.
Сейчасизвестно, что древесина — это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечнаяэнергия. При сгорании каждо­го килограмма сухой древесины выделяется около 20000 кДж тепла (эта величина в теплотехнике именуется теплотой сгора­ния).Напомним также, что теплота сгорания бурого угла равна примерно 13000 кДж/кг,антрацита 25000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42000 кДж/кг, а природного газа45000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород -120000 кДж/кг.
Пришловремя объяснить, что же такое энергия, т.е. величи­на, измеряемая килоджоулями.Известна и другая физическая величина — работа, имеющая ту же размерность, чтои энергия, Зачем нужны два разных понятия?
Оказывается,вопрос имеет принципиальное значение. Энер­гия — слово греческое, означающее впереводе деятельность… Термином «энергия» обозначают единуюскалярную меру раз­личных форм движения материи. Энергию можно получить присгорании 1 кг угля или 1 кг нефти, которые называются энерго­носителями. Законыфизики утверждают: та работа, которую можно получить в реальных машинах ииспользовать на наши нужды, будет всегда меньше энергии, заключенной в энергоно­сителе.Энергия — это, по сути дела, энергетический потенциал (или просто потенциал), аработа — это та часть потенциала, которая дает полезный эффект. Разницу междуэнергией и работой называют диссипированной (или рассеявшейся) энергией. До сихпор по традиции еще применяют понятия потен­циальной и кинетической энергии,хотя в действительности из-за огромного разнообразия видов энергии было быцелесооб­разно пользоваться единственным термином — энергия. Таким образом,работа совершается в процессе преобразования одних видов энергии в другие ихарактеризует полезную ее часть, полученную в процессе такого преобразования.Рассеянная в процессе совершения работы энергия неизменно превращается в тепло,которое сообщается окружающему пространству. По­скольку процессы преобразованияодних видов энергии в другие бесконечны, любая работа в конце концов переходитв тепло, т.е. обесценивается. Это означает, что чем больше чело­вечестводобывает угля, нефти и других энергоресурсов, тем больше оно в конечном итогенагревает окружающую среду.
Прогнозроста потребности в энергии чаще всего связывают с ростом численности населенияЗемли. При этом предполагают, что на каждого жителя уровень полученной энергиибудет также увеличиваться. 15 июля 1987 года численность населения Землиперешла 5-миллиардный рубеж (прогнозы 1975 года утверждали, что это произойдеттолько после 1990 года!). Ожи­дается, что к 2000 году население составит не меньше6 млрд. человек, а на каждого жителя будет приходиться в год в сред­нем около29 МВт·ч получаемой энергии, в то время как общая годовая потребность в нейсоставит 20-200 млрд. МВт·ч.
/> Таким образом, можно сказать, что на одного человека в 2000 году будетприходиться  29МВт·ч всех видов вырабатываемой энергии. Каждый житель Земли втом же 2000 году  будет потреблять мощность 3 кВт. Надо заметить, что вразвитых странах это значение уже достигнуто, а в США, СССР и ря­де другихстран на одного человека приходится до 10 кВт энергии всех видов. Развивающиесястраны потребляют значительно меньше, так что среднее мировое значение внастоящее время не превышает 2 кВт на человека.
Предполагается,что к 2000 году общая потребляемая электриче­ская мощность должна удвоиться поотношению к нынешнему уровню и составить (1,8-2,0) 1010кВт (или 20млрд. кВт). Были предприняты и более глобальные оценки энергопотребления землянв следующем тысячелетии. Большинство экспертов предполагают, что численностьнаселения Земли и потребление энергии должны стабилизироваться на каком-то одномуровне и что произойдет это в середине или конце XXI века. Диапазон оценоктакого «стабиль­ного» потребления электрической мощности довольноширок: от 3-1010 до 1011 кВт, что всего в 3-10 раз большенынешнего уровня. Соответствующие зависимости приведены на рис. 1,откуда видно, что стабилизация на уровне 3·1011 кВт еще мо­жет бытьпонятна, в то время как другая оценка (1011 кВт) весь­ма сомнительнадаже для ориентировочного прогноза.
Очевидно,при этом учитывались результаты существующих прогнозов по истощению к середине– концу следующего столе­тия запасов нефти, природного газа и другихтрадиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которо­го, порасчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбро­сов в атмосферу, атакже употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развитияреакторов-раз­множителей хватит не менее чем на 1000 лет (из-за трудностей судалением радиоактивных отходов и захоронением отработав­ших агрегатов АЭС).
Втаблице 1 приведена приближенная оценка процентной доли отдельных источниковэнергии в различные периоды развития человечества.
Доля отдельных источниковэнергии (%)
Таблица 1.Период Мускульная энергия человека Органические вещества Древесина Уголь Нефть Природный газ Водная энергия Атомная энергия 500 000 лет до н. э. 100 – – – – – – – 2000 г. до н. э. 70 25 5 – – – – – Около 1500 г. н. э. 10 20 70 – – – – – 1910 г. – 16 16 65 3 – – – 1935 г. – 13 7 55 15 3 5 – 1972 г. – – 10 32 34 18 5 1 1990 г. – – 1 20 33 26 4 16
 
Итак,ресурсы практически неисчерпаемы! А потребности? По-видимому, они должнысоответствовать не только земным нуждам, но и нуждам космическогостроительства, космических сообщений по трассе Земля – орбита, межорбитальныхсообще­ний, освоения Луны, планет и астероидов. В дальнейшем, по-видимому,потребуются огромные энергетические затраты на обнаружение и установление связис другими цивилизациями Вселенной.
  Мирнаполнен энергией, которая может быть использована для совершения работыразного характера. Энергия может находиться и находится в людях и животных, вкамнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах,а мы, в свою очередь, рассмотрим способы извлечения этой энергии и еепреобразования.

 
Раздел 2.
Альтернативные источники энергии
Ветровая энергия
Мыживем на дне воздушного океана, в мире ветров. Люди давно это поняли, онипостоянно ощущали на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяс­нитьмногие явления. Наблюдением за ветрами занима­лись еще в Древней Греции. Уже вIII в. до н. э. было известно, что ветер приносит ту или иную погоду. Правда,греки определяли только направление ветра. В Афинах около 100 г. до н. э.построили так называе­мую Башню ветров с укрепленной на ней «розой вет­ров»(башня существует по сей день, нет только «розы»). В Японии и Китае также былиизвестны розы ветров: изготовленные в виде драконов, они указывали направлениеветра. Но главное назначение их было иное: отпугивать злых духов – чужие ветры.
Огромнаэнергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто разпревышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земледуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, домогучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоенвоздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашейстраны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии!Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории– от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северныерайоны страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особеннонеобходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же стольобильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабоиспользуется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего однутысячную мировых потребностей в энергии.
Пооценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районахЗемли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м надповерхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушногопотока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальноесечение, достигала значения, приемлемого для преобразования.Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодоваяудельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скоростьвоздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергиюоколо 175 из этих 500 Вт/м2.
Энергия,содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра.Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощьюидеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ)энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласноопубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегатеравен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всехскоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Крометого, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механическойэнергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75–95 %. Учитываявсе эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальнымветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушногопотока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей,предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую запределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, чтоветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегатнеобходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скоростьветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механическойэнергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальнойэлектрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработкаэлектрической энергии в течение года, видимо, составляет 15–30% энергии ветра,или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.
Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрическойэнергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетическихмашин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из нихдостигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли быобразовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегатыпредназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.
Сооружаютсяветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесоприводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, которыйодновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторнаябатарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжениена его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и такжеавтоматически отключается при противоположном соотношении.
Внебольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколькодесятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сетьэлектроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г.Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали ремонтировать,поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. Поэкономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и вевропейских странах.
Сегодняветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешноработают в труднодоступных  районах,  на  дальних  островах, в Арктике, натысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенныхпунктов и электростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэнпостроил две мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами. 20аккумулятором по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестверезерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз получает от своихветроэлектрических агрегатов 250 кВт·ч энергии; этого ему хватает для освещениявсего хозяйства, питания бытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя,пылесоса, электрической пишущей машинки), а также для водяного насоса и хорошооборудованной мастерской.
Широкомуприменению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует ихвысокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить ненужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятсяслишком дорого.
/>Сейчас созданы самые разнообразные прототипыветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами).Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие – на велосипедное колесос алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели илиже в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговыхветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя илипятьюдесятью лопастями.
На рис.2. схематически показана ветроэлектрическая установка, построеннаяНациональным управлением по аэронавтике и исследованию космическогопространства (НАСА) в штате Огайо. На башне высотой 30,5 м укреплен генератор вповоротном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумяалюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Агрегат начинает работатьпри скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигаетпри 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин.
Впроектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы приразной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь приподключении к сети генератор должен давать не просто rкакую-то электрическую энергию, а только переменный ток сзаданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 60 Гц. Поэтомуугол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет попорота ихвокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный потоксвободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помиморегулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачтепротив ветра.
 
Хранениеветряной энергии.
При использовании ветра возникает серьезная про­блема: избыток энергии вветреную погоду и недоста­ток ее в периоды безветрия. Как же накапливать исохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряноеколесо движет насос, кото­рый накачивает воду в расположенный выше резервуар, апотом вода, стекая из него, приводит в действие во­дяную турбину и генераторпостоянного или перемен­ного тока. Существуют и другие способы и проекты: отобычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантскихмаховиков или нагнета­ния сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть допроизводства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляетсяпоследний способ. Элек­трический ток от ветроагрегата разлагает воду на кис­лороди водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловыхэлектростанций по мере надобности.
Американскийученый Уильям Херонимус считает, что производить водород за счет энергии ветралучше всего па море. С этой целью он предлагает установить у берега высокиемачты с ветродвигателями диаметром 60 м и генераторами. 13 тысяч такихустановок могли бы разместиться вдоль побережья Новой Англии (се­веро-востокСША) и «ловить» преобладающие восточ­ные ветры. Некоторые агрегаты будутзакреплены на дне мелкого моря, другие будут плавать на его поверх­ности.Постоянный ток от ветроэлектрических генераторов будет питать расположенные надне электролизные установки, откуда водород будет по подводному трубо­проводуподаваться на сушу.

Энергия рек.
Многиетысячелетия верно служит человеку энергия, заключенная в текущей воде. Запасыее на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученые считают, что нашу планетуправильнее было бы называть не Земля, а Вода – ведь около трех четвертейповерхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служитМировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Здесьплещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения.Рождаются могучие реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно,что человечество в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских еезапасов. Раньше всего люди научились использовать энергию рек.
/>Вода была первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, вкоторой человек использовал энер­гию воды, была примитивная водяная турбина.Свыше 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже поль­зовались водяным колесомв виде вала с лопатками (рис. 3). Суть устройства сводилась кследующему. Поток воды, отведенный из ручья или речки, давит на лопатки,передавая им свою кинетическую энергию. Лопатки приходят в движение, апоскольку они жестко скреплены с палом, вал вращается. С ним в свою оче­редьскреплен мельничный жернов, который вместе с валом вращается по отношению кнеподвижному ниж­нему жернову. Именно так работали первые «механи­зированные»мельницы для зерна. Но их сооружали только в горных районах, где есть речки иручьи с большим перепадом и сильным напором. На медленно текущих потокахводяные колеса с горизонтально размещенными лопатками малоэффективны.
/>Шагом вперед было водяное колесо Витрувия (1 в. н. э.), схема которогопоказана на рис. 4. Это вертикальное колесо с большими лопатками и гори­зонтальнымвалом. Вал колеса связан деревянными зубчатыми колесами с вертикальным валом,на кото­ром сидит мельничный жернов. Подобные мельницы и сегодня можновстретить на Малом Дунае; они пере­малывают в час до 200 кг зерна.
Почтиполторы тысячи лет после распада Римской империи водяные колеса служилиосновным источником энергии для всевозможных производственных процес­сов вЕвропе, заменяя физический труд человека.
Устройства,в которых энергия воды используется для совершения работы, принято называтьводяными (или гидравлическими.) двигателями. Простейшие и са­мые древние из них– описанные выше водяные колеса. Различают колеса с верхним, средним и нижнимпод­водом воды.
Всо­временной гидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется налопатки турбин. Вода из-за плотины течет – через защитную сетку и регулируемыйзатвор – по стальному трубопро­воду к турбине, над которой установленгенератор. Механическая энергия воды посредством турбины пере­даетсягенераторам и в них преобразуется в электриче­скую. После совершенияработы вода стекает в рекучерез постепенно расширяющийсятуннель, теряя при этом свою скорость.
Гидроэлектростанцииклассифицируются по мощно­сти на мелкие (с установленной электрической мощ­ностьюдо 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (свыше 20 МВт).Второй критерий, по которому разделяются гидроэлектростанции, –  напор.Различают низконапорные ГЭС (напор до 10 м), сред­него напора (до 100 м) и высоконапорные (свыше 100 м). В редких случаях плотины высоконапорных ГЭСдостигают высоты 240 м. Такие плотины сосредо­точиваютперед турбинами воднуюэнергию, накапливая воду и поднимая ее уровень.
Затратына строительство ГЭС велики, но они ком­пенсируютсятем, что не приходится платить (во вся­ком случае, в явной форме) за источникэнергии– воду.Мощность современных ГЭС, спроектированных навысоком инженерном уровне, превышает 100 МВт, а К.П.Д. составляет 95% (водяныеколеса имеют К.П.Д. 50–85%).Такая мощность достигается при доволь­но малых скоростях вращения ротора (порядка 100 об/мин), поэтому современные гидротурбины пора­жают своими размерами.Например, рабочее колесотурбины Волжской ГЭС им. В. И. Ленина имеет высо­ту около 10 м ивесит 420 т.
Турбина– энергетически очень выгодная машина, потому что вода легко и просто меняет поступательное движение на вращательное. Тот жепринцип часто используют и в машинах, которые внешне совсемне по­хожи на водяное колесо (если на лопатки воздействует пар, то речь идет опаровой турбине).
Преимуществагидроэлектростанций очевидны – постоянно возобновляемый самой природой запасэнергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да иопыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощьгидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанцииоказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды длявращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины,нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуетсяуложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид посравнению с ним покажется ничтожным.
Поэтомув начале XX века было построено всего несколькогидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной рекеПодкумок успешно действовала довольно крупная электростанция смногозначительным названием «Белый уголь». Это было лишь началом.
          Уже висторическом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупныхгидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем –началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическаяполитика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни водной стране мира, развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одногосударство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, какВолжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающиебуквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились мощныепромышленные комплексы.
  Нопока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли.Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов,стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощьюплотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

Геотермальная энергия
Земля,эта маленькая зеленая планета,–наш общий дом, из которого мы пока не можем, даи не хотим, ухо­дить. По сравнению с мириадами других планет Землядействительно невелика: большая ее часть покрыта уют­ной и живительной зеленью.Но эта прекрасная и спо­койная планета порой приходит в ярость, и тогда с нейшутки плохи – она способна уничтожить все, что мило­стиво дарила нам снезапамятных времен. Грозные смерчи и тайфуны уносят тысячи жизней, неукротимыеводы рек и морей разрушают все на своем пути, лесные пожары за считанные часыопустошают огромные тер­ритории вместе с постройками и посевами.
Новсе это мелочи по сравнению с извержением про­снувшегося вулкана. Едва лисыщешь на Земле другие примеры стихийного высвобождения природной энергии,которые по силе могли бы соперничать с некоторыми вулканами.
Издавналюди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрахземного шара. Память человечества хранит предания о катастрофическихизвержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемоизменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительнонебольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупныхэнергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственномиспользовании энергии вулканических извержений говорить не приходится – нетпока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью,извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся вземных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находитвыход через огнедышащие жерла вулканов.
Энергетиказемли – геотермальная энергетика базируется на использова­нии природной теплотыЗемли. Верхняя часть земной ко­ры имеет термический градиент, равный 20–30 °С врас­чете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), ко­личество теплоты,содержащейся в земной коре до глу­бины 10 км (без учета температурыповерхности), равно приблизительно 12,6-10^26 Дж. Эти ресурсы эквивалент­нытеплосодержанию 4,6·1016 т угля (принимая среднюю теплоту сгоранияугля равной 27,6-109 Дж/т), что бо­лее чем в 70 тыс. раз превышаеттеплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресур­совугля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10км) слишком рассеяна, что­бы на ее базе решать мировые энергетические проблемы.Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собойотдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступнойдля разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточныедля использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.
Сгеологической точки зрения геотермальные энерго­ресурсы можно разделить нагидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканическогопроисхождения и системы с высоким тепловым потоком.
 
Гидротермальныесистемы
Ккатегории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны параили горячей воды, ко­торые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры,сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование та­ких систем связано сналичием источника теплоты  го­рячен или расплавленной скальной породой,располо­женной относительно близко к поверхности земли. Над этой зонойвысокотемпературной скальной породы на­ходится формация из проницаемой горнойпороды, содержащая воду, которая поднимается вверх в резуль­тате ееподстилающей горячей породой. Про­ницаемая порода, в свою очередь, сверхупокрыта непро­ницаемой скальной породой, образующей «ловушку» для перегретойводы. Однако наличие в этой породе трещин или пор позволяет горячей воде илипароводяной смеси подниматься к поверхности земли. Гидротермальные конвективныесистемы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которымсвойственна вулканическая активность.
Впринципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водойприменяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося прииспарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление,что при приближении го­рячей воды (находящейся под высоким давлением) поскважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкостивскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от водыи направляется в турбину. Вода, выходящая из сепарато­ра, может бытьподвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Этуводу можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если этоэкономически оправдано, с предварительным извле­чением из нее минералов.Примерами геотермальных месторождений с горячей водой являются Уайракей иБродлендс в Новой Зеландии, Серро-Прието в Мексике, Солтон-Си в Калифорнии,Отаке в Японии.
Другимметодом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературныхгеотермальных вод является использование процесса с применением двух­контурного(бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используетсядля нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющегонизкую температуру кипения. Пар, образовав­шийся в результате кипения этойжидкости, использует­ся для привода турбины. Отработавший пар конденси­руется ивновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Установки, исполь­зующие фреон в качестветеплоносителя второго контура, о настоящее время подготовлены для промышленногоосвоения в диапазоне температур 75–150 °С и при еди­ничной электрическоймощности в пределах 10–100 кВт. Такие установки могут быть использованы дляпроиз­водства электроэнергии в подходящих для этого местах, особенно вотдаленных сельских районах.
 
Горячиесистемы вулканического происхождения
/>Ко второму типу геотермальныхресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся маг­ма инепроницаемые горячие сухие породы (зоны за­стывшей породы вокруг магмы ипокрывающие ее скаль­ные породы). Получение геотермальной энергии непо­средственноиз магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая дляиспользования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться.Предварительные технические разработки методов использования этихэнергетических ресурсов предусматри­вают устройство замкнутого контура сциркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу (рис. 5).Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы;затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, чтоприводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную такимобразом зону трещино­ватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец,холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячуюпороду, она нагрева­ется II извлекается через вторую скважину в виде пара илигорячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергииодним из рассмотрен­ных ранее способов.
/> 
 
Системыс высоким тепловым потоком
Геотермальныесистемы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокимизначениями теплово­го потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн.В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды,поступающая из сква­жин, может достигать 100 °С.
Особаякатегория месторождений этого типа нахо­дится в районах, где нормальныйтепловой поток через грунт оказывается в ловушке из изолирующих непрони­цаемыхпластов глины, образовавшихся в быстро опускающихся геосинклинальных зонах илив областях опускания земной коры. Температу­ра воды, поступающей изгеотермальных месторождений в зонах геодавления, может достигать 150–180 °С, адавление у устья скважины 28–56 МПа. Суточная про­изводительность в расчете наодну скважину может со­ставлять несколько   миллионов кубических метров флюида.Геотермальные бассейны в зонах повышенного геодавле­ния найдены во многихрайонах в ходе нефтегазоразведки, например, в Северной и Южной Америке, на Даль­неми Ближнем Востоке, в Африке и Европе. Возмож­ность использования такихместорождений в энергетиче­ских целях пока еще не продемонстрирована.

Энергиямирового океана
Резкоеувеличение цен на топливо, трудности с его полученном, сообщения об истощениитопливных ресурсов – все эти видимые признаки энергетического кризиса вызвали впоследние годы во многих странах значительный интерес к новым источникамэнергии, в том числе к энергии Мирового океана.
 
Тепловаяэнергия океана
Известно,что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земнойповерхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны – акватория Тихогоокеана составляет 180 млн. км2. Атлантического – 93 млн. км2,Индийского – 75 млн. км2.Так, тепловая (внутренняя)энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению сдонными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж.Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии,да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такаяэнергетика до сих пор казалась малоперспективной.
Последниедесятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловойэнергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальныебуквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловойэнергии океана – речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установкамини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло­виной месяцевпоказала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе небыло срывов, если но считать мелких технических неполадок, обычно возникающихпри испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала вовнешнюю сеть на полезную нагрузку, точ­нее – на зарядку аккумуляторов.Остальная вырабаты­ваемая мощность расходовалась на собственные нуждыустановки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери вдвух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.
Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплойвиды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м,третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е.из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяетсяаммиак.
Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинныйтрубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая трубадлиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу суднас помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости ого быстроеотсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякориваниясистемы труба–судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений,поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕСявляются весьма серьезной проблемой.
Впервыев истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузкуполезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученныйпри эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощнуютеплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще болеемощных систем подобного типа.
/>Новые станции ОТЕС на мощностьво много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинныйзал, где размещены все необходимые устройства для преобразованияанергии (рис. 6). Верхний конец трубопровода холоднойводы расположится в океане на глубине 25–50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубинеоколо 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты,работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр,уходящая почти на километр в холодную глубинуокеана, а в ее верхней части что-то вроде маленькогоостровка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых дляобслуживания системы и длясвязи с берегом.
Энергияприливов и отливов.
Векамилюди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достовернознаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызываютсилы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раздальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные поды вдвое сильнее, чеммасса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунныйприлив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой (такназываемая сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, итогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). Когда жеСолнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступаетслабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливычередуются через семь дней.
Однакоистинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенностидвижения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские теченияи ветер.
Самыевысокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьяхрек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катитсяпротив течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волнаАтлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытыхморях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой50-70 см.
Максимальновозможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива додругого, выражается уравнением
/>
где р– плотность воды, g – ускорениесилы тяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разностьуровней при приливе.
Каквидно из (формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящимиможно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большуюамплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые«бассейны».
Мощностьэлектростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт.
Первая морская приливная электростанция мощностью 635кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию началистроить в США. Американцы перегородили часть заливаПассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлосьпрекратить из-за неудобного для строительства,слишком глубокого и мягкого морского дна, а такжеиз-за того, что построенная неподалеку крупная тепловаяэлектростанция дала болеедешевую энергию.
Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волнув Магеллановом проливе, по правительство не утвердило дорогостоящийпроект.
С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливахвысотой до 13 метров работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540тыс. кВт*ч. Советский инженер />Бернштейн разработалудобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, ирассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы ихмаксимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС, построенной в1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт вМезенском заливе на Баренцевом море.
Энергияморских течений
Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений,накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин,погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).
Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км2. Энергию Р,которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (вваттах)
/>
где т–масса воды (кг), р–плотностьводы (кг/м3), А–сечение (м2),v– скорость (м/с). Подставив цифры, получим
/>
Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергииот 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, апрактически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.
Внастоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивныеработы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют оченьдлинную береговую линию, к во многих местах море остается бурным в течениедлительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн з английскихтерриториальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций,принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическомууправлению.
Одиниз проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегосяводяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влияниемволн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетаетего в лопатки турбин. Главную трудность здесьсоставляет согласование инерции рабочих колестурбин с количеством воздуха в коробах, так чтобыза счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов вшироком диапазоне условий на поверхности моря.

Энергиясолнца.
Длядревних народов Солнце было богом. В Верхнем Египте, культура которого восходитк четвертому тысячелетию до н.э., верили, что род фараонов ведет своепроисхождение от Ра – бога Солнца. Надпись на одной из пирамид представляетфараона как наместника Солнца на Земле, «который исцеляет нас своей заботой,когда выйдет, подобно Солнцу, что дает зелень землям. Каждый взор устрашится,когда увидит его в образе Ра, что встает над горизонтом».
Своейжизнетворной силой Солнце всегда вызывало у людей чувства поклонения и страха.Народы, тесно связанные с природой, ждали от него милостивых даров – урожая иизобилия, хорошей погоды и свежего дождя или же кары – ненастья, бурь, града.Поэтому в народном искусстве мы всюду видим изображение Солнца: над фасадамидомов, на вышивках, в резьбе и т. п.
Почтивсе источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначеиспользуют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как«законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе снезапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле рослирастения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессовпревратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечествумиллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов такжепроисходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.
Вовсех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многиепромежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найтиспособ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца,падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за  три  дняСолнце посылает на Землю   столько   энергии, сколько ее содержится во всехразведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 с – 170 млрд. Дж. Большую частьэтой энергии рассеивает или   поглощает атмосфера, особенно облака, и толькотреть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая    Солнцем,больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая«ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальныеисточники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одногоозера, эквивалентна мощности крупной электростанции.
Согласнолегенде Архимед, находясь на берегу, уничтожил неприятельский римский флот подСиракузами. Как? При помощи зажигательных зеркал. Известно, что подобныезеркала делались также в VI веке. А в середине XVIII столетия французскийестествоиспытатель Ж. Бюффон производил опыты с большим вогнутым зеркалом,состоящим из множества маленьких плоских. Они были подвижными и фокусировали водну точку отраженные солнечные лучи. Этот аппарат был способен в ясный летнийдень с расстояния 68 м довольно быстро воспламенить пропитанное смолой дерево.Позднее во Франции было изготовлено вогнутое зеркало диаметром 1,3 м, в фокусекоторого можно было за 16 секунд расплавить чугунный стержень. В Англии жеотшлифовали большое двояковыпуклое стекло, с его помощью удавалось расплавлятьчугун за три секунды и гранит – за минуту.
Вконце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушодемонстрировал инсолятор – в сущности первое устройство, превращавшее солнечнуюэнергию в механическую. Но принцип был тем же: большое вогнутое зеркалофокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движениепечатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет вКалифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор впаре с паровой машиной мощностью 15 л. с.
Ихотя с той поры то в одной, то в другой стране появляются экспериментальныерефлекторы-нагреватели, а в публикуемых статьях все громче напоминают онеиссякаемости нашего светила, рентабельнее они от этого не становятся иширокого распространения пока не получают: слишком дорогое удовольствие этодаровое солнечное излучение.
Сегоднядля преобразования солнечного излучения в электрическую энергию мы располагаем двумявозможностями: использовать солнечную энергию какисточник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или женепосредственно преобразовывать солнечную энергию вэлектрический ток в солнечных элементах. Реализацияобеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно болеешироких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал –для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.
Посколькуэнергия солнечного излучения распределена по большой площади(иными словами, имеет низкуюплотность), любая установка для прямогоиспользования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор)с достаточной поверхностью.
Простейшееустройство такого рода–плоский коллектор; в принципе эточерная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом илипластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода,масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение,проникая через стеклоили пластмассу в коллектор, поглощается чернымитрубками и плитой и нагреваетрабочее вещество втрубках. Тепловое излучение не может выйти изколлектора, поэтому температура в нем значительновыше (па 200–500°С), чем температура окружающеговоздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовыепарники, по сути дела, представляют собой простыеколлекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишкомтрудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.
Болеесложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточиваетпадающее излучение в малом объеме около определенной геометрическойточки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированнойпластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных кбольшому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторытакого типа постоянно повернуты к Солнцу–это позволяет собирать возможнобольшее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространствезеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше.
          Солнечнаяэнергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии.Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантскоеувеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах длядобычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов,коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что дляпроизводства 1 МВт*год электрической энергии с помощью солнечной энергетикипотребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционнойэнергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500человеко-часов.
/>  Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечнымилучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках истанциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят и ониработают.
С1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция.Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такиестанции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха,туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить вчистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистотавоздуха, целебно для человека.
КрымскаяСЭС невелика – мощность  всего 5 МВт. В определенном смысле она – проба сил.Хотя, казалось бы, чего еще надо пробовать, когда известен опыт строительствагелиостанций в других странах.
Наострове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанциямощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечныелучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается парс температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину сподключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципемогут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше,если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.
Несколькоиного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, чтосфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевыйкруговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта рядпреимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывнуюработу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточнуюэнергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеетвсего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока,что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционныхтепловых электростанциях.
Помнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразованиясолнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта вполупроводниках.
Но,для примера, электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточнойвыработкой 500 МВт·ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупнаяГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной поверх­ности около 500000 м2.Ясно, что такое огромное коли­чество солнечных полупроводниковых элементовможет. окупиться только тогда, когда их производство будет действительнодешево. Эффективность солнечных элек­тростанций в других зонах Земли была бымала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно сла­бой интенсивностисолнечной радиации, которую здесь даже в солнечные дни сильнее поглощаетатмосфера, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.
Темне менее солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическоеприменение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрическоготока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле –в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районахили же для малых потребителей тока (радио­аппаратура, электрические бритвы изажигалки и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установленына третьем советском искусственном спут­нике Земли (запущенном на орбиту 15 мая1958 г.).
Идетработа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечныхэлектростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным исамым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии. Нужны новыеварианты, новые идеи. Недостатка в них нет. С реализацией хуже.

Атомнаяэнергия.
Приисследовании распада атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чемсумма масс его протонов и нейтронов. Это объясняется тем, что при объединениипротонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 гэквивалентна такому количеству тепловой энергии, какое получилось бы присжигании 300 вагонов каменного угля. Не уди­вительно поэтому, что исследователиприложили все силы, стремясь найти ключ, который позволил бы «открыть» атомноеядро и высвободить скрытую в нем огромную энергию.
Вначалеэта задача казалась неразрешимой. В ка­честве инструмента ученые не случайновыбрали ней­трон. Эта частица электрически нейтральна, и на нее не действуютэлектрические силы отталкивания. По­этому нейтрон легко может проникнуть ватомное ядро. Нейтронами бомбардировали ядра атомов отдельных эле­ментов. Когдаже очередь до­шла до урана, обнаружилось, что этот тяжелый элемент ве­дет себяиначе, чем другие. Кстати, следует  напомнить, что встречающийся в природе урансодержит три изотопа: уран-238   (238U),   уран-235 (235U) и уран-234 (234U), при­чем цифраозначает массовое число.
Атомноеядро урана-235 оказалось значительно менее устойчивым, чем ядра другихэлементов и изотопов. Под действием одного нейтрона наступает деление (расщеп­ление)урана, его ядро распадается па два приблизи­тельно одинаковых осколка, напримерна ядра крипто­на и бария. Эти осколки с огромными скоростями раз­летаются вразных направлениях.
Ноглавное в этом процессе, что при распаде одного ядра урана возникают два-триновых свободных ней­трона. Причина заключается в том, что тяжелое ядро уранасодержит больше нейтронов, чем их требуется для образования двух меньшихатомных ядер. «Строи­тельного материала» слишком много, и атомное ядро должноот него избавиться.
Каждыйиз новых нейтронов может сделать то же, что сделал первый, когда расщепил одноядро. В самом деле, выгодная калькуляция: вместо одного нейтрона получаемдва-три с такой же способностью расщепить следующие два-три ядра урана-235. Итак продолжает­ся дальше: происходит цепная реакция, и, если ею не управлять, онаприобретает лавинный характер и за­канчивается мощнейшим взрывом – взрывоматомной бомбы. Научившись регулировать этот процесс, люди получили возможностьпрактически непрерывно получать энергию из атомных ядер урана. Управление этимпроцессом осуществляют в ядерных реакторах.
Ядерныйреактор – устройство, в котором протекает управляемая цепная реакция. При этомраспад атом­ных ядер служит регулируемым источником и тепла, и нейтронов.
Первыйпроект ядерного реактора разработал в 1939 г. французский ученый ФредерикЖолио-Кюри. Но вскоре Францию оккупировали фашисты, и проект не был реализован.
Цепнаяреакция деления урана впервые была осу­ществлена в 1942 г. в США, в реакторе,который груп­па исследователей во главе с итальянским ученым Энрико Фермипостроила в помещении стадиона Чи­кагского университета. Этот реактор имелразмеры 6х6х6,7 м и мощность 20 кВт; он работал без внеш­него охлаждения.
Первыйядерный реактор в СССР (и в Европе) был построен под руководством акад. И. В.Курчатова и запущен в 1946 г.
          Невиданнымитемпами развивается сегодня атомная энергетика. За тридцать лет общая мощностьядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт! Некоторыеученые высказывают мнение, что к 21 веку около половины всей электроэнергии вмире будет вырабатываться на атомных электростанциях.
          Впринципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто – в нем, так жекак и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию,выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерноготоплива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего изтысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулируетвода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерныйреактор.
/>Атомные реакторы на тепловых нейтронах различаются между собой главнымобразом по двум признакам: какие вещества используются в качестве замедлителянейтронов и какие в качестве теплоносителя, с помощью которого производитсяотвод тепла из активной зоны реактора. Наибольшее распространение в настоящеевремя имеют водо-водяные реакторы, в которых обычная вода служит и замедлителемнейтронов, и теплоносителем, уран-графитовые реакторы (замедлитель – графит,теплоноситель – обычная вода), газографитовые реакторы (замедлитель – графит,теплоноситель – газ, часто углекислота), тяжеловодные реакторы (замедлитель –тяжелая вода, теплоноситель – либо тяжелая, либо обычная вода).
Ни рис.9 представлена принципиальная схема водо-водяного реактора. Активная зонареактора представляет собой толстостенный сосуд, в котором находятся вода ипогруженные в нее сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Тепло, выделяемоеТВЭЛами забирается водой, температура которой значительно повышается.
Конструкторыдовели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Могучие энергетическиеагрегаты установлены на Запорожской, Балаковской и других атомныхэлектростанциях. Вскоре реакторы такой конструкции, видимо, догонят по мощностии рекордсмена — полуторамиллионик с Игналинской АЭС.
          Новсе-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, останется за третьим типомреакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными, — реакторами на быстрых нейтронах. Их называют еще реакторами-размножителями.Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепнуюреакцию в довольно редком изотопе – уране-235, которого в природном уране всегооколо одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, накоторых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одногосорта урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может.Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудьпродолжительное время или же человечество вновь столкнется с проблемой нехваткиэнергетических ресурсов ?
          Болеетридцати лет назад эта проблема была поставлена перед коллективом лабораторииФизико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лабораторииАлександром Ильичом Лейпунским была предложена конструкция реактора на быстрыхнейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка. Преимуществареакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использоватьвсе запасы природных урана и тория, а они огромны – только в Мировом океанерастворено более четырех миллиардов тонн урана.
            Нетсомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическомбалансе человечества. Она безусловно будет развиваться и впредь, без отказанопоставляя столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительныемеры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы,а ученые и инженеры сумеют найти необходимые решения.

Водородная энергетика
Многиеспециалисты высказывают опасение по поводу все возрастающей тенденции ксплошной электрификации экономики и хозяйства: на тепловых электростанцияхсжигается все больше химического топлива, а сотни новых атомных электростанций,как и зарождающиеся солнечные, ветряные и геотермальные станции, будут во всеболее широком масштабе (и в конце концов исключительно) работать дляпроизводства электрической энергии. Поэтому ученые заняты поиском принципиальноновых энергетических систем.
К.п.д.тепловых электростанций относительно низок, хотя конструкторы прилагают всесилы, чтобы его повысить. В современных электростанциях на органическом топливеон составляет около 40%, а в атомных электростанциях – 33%. При этом большаядоля энергии теряется с отходящим теплом (например, вместе со сбрасываемой изсистем охлаждения теплой водой), что приводит к так называемому тепловомузагрязнению окружающей среды. Отсюда следует, что тепловые электростанции нужностроить в тех местах, где имеется а достаточном количестве охлаждающая вода,или же в открытых ветрам местностях, где воздушное охлаждение не будетоказывать отрицательного влияния на микроклимат. К этому добавляются вопросыбезопасности и гигиены. Вот почему будущие крупные АЭС должны располагаться какможно дальше от густонаселенных районов. Но тем самым источники электроэнергииудаляются от ее потребителей, что значительно усложняет проблемуэлектропередачи.
Передачаэлектроэнергии по проводам обходится очень дорого: она составляет около третисебестоимости энергии для потребителя. Чтобы снизить расходы, строят линииэлектропередачи все более высокого напряжения – оно скоро достигнет 1500 кВ. Новоздушные высоковольтные линии требуют отчуждения большой земельной площади, ктому же они уязвимы для очень сильных ветров и иных метеорологических факторов.А подземные кабельные линии обходятся в 10 – 20 раз дороже, и их прокладываютлишь в исключительных случаях (например, когда это вызвано соображениямиархитектуры или надежности).
Серьезнейшуюпроблему составляет накопление и хранение электроэнергии, посколькуэлектростанции наиболее экономично работают при постоянной мощности и полнойнагрузке. Между тем спрос на электроэнергию меняется в течение суток, недели игода, так что мощность электростанций приходится к нему приспосабливать.Единственную возможность сохранять впрок большие количества электроэнергии внастоящее время дают гидроаккумулирующие электростанции, но и они в своюочередь связаны с множеством проблем.
Всеэти проблемы, стоящие перед современной энергетикой, могло бы – по мнениюмногих специалистов – разрешить использование водорода в качестве топлива исоздание так называемого водородного энергетического хозяйства.
Водород,самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальнымтопливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуетсявода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процессне вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяетв атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых другихвидов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа,углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает оченьвысокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Джтепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.
Водородможно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ.Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии.К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта.Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрическиелинии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводудиаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача тогиже количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. Нарасстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чемиспользование воздушной линии электропередачи постоянного тока с напряжением40кВ, а па расстоянии свыше 900 км – дешевле воздушной линии электропередачипеременного тока с напряжением 500 кВ.
Водород– синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газалибо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят ипотребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количестварасходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серыиз газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и другихтоплив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежелиэнергетическим сырьем.
 
Современные иперспективные методы производства водорода
Сейчасводород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичныйдля энергети­ки процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода,обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому жесебестоимость такого во­дорода постоянно возрастает по мере повышения цен нанефть.
Небольшоеколичество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методомэлектро­лиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будетрасширяться и с развитием атом­ной энергетики станет дешевле. Вблизи атомныхэлек­тростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия,выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованиемводорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше ценыэлектрического тока, зато расходы на тран­спортировку и распределение водороданастолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлемапо сравнению с ценой электроэнергии.
Сегодняисследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессовкрупнотон­нажного производства водорода за счет более эффек­тивного разложенияводы, используя высокотемпера­турный электролиз водяного пара, применяякатализа­торы, полунепроницаемые мембраны и т. п.
Большоевнимание уделяют термолитическому мето­ду, который (в перспективе) заключаетсяв разложе­нии воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такойтемпературный предел инженеры еще не освоили в больших технологическихагрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высо­котемпературныхреакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтомуисследовате­ли стремятся разработать процессы, протекающие в не­сколько стадий,что позволило бы вырабатывать водо­род в температурных интервалах ниже 1000°С.
В1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установкадля термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% притемпературе 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Водав установке разлагается на водород и кислород, а остальные реаген­тыциркулируют в повторных циклах. Другие – скон­струированные установки работали– при температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реак­торыпозволят поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точнопредсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всехсовременных видов энергии проявляют тен­денцию к росту, можно предположить, чтов долго­срочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле,чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.
 
Использование водорода
Когдаводород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, онсможет всюду его заме­нить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, вводонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти илисовсем не будут отли­чаться от современных горелок, применяемых для сжи­ганияприродного газа.
Какмы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктовсгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов дляотопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся пригорении водяной пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет воздух (какизвестно, в современных квартирах с цен­тральным отоплением воздух слишкомсух). А отсут­ствие дымоходов не только способствует экономии строительныхрасходов, но и повышает к. п. д. отопле­ния на 30%.
Водородможет служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, напримерпри про­изводстве удобрений и продуктов питания, в металлур­гии и нефтехимии.Его можно использовать и для вы­работки электроэнергии на местных тепловыхэлектро­станциях.

Заключение.
Неоспоримароль энергии в поддержании и дальней­шем развитии цивилизации. В современномобществе трудно найти хотя бы одну область человеческой дея­тельности, котораяне требовала бы – прямо или кос­венно – больше энергии, чем ее могут датьмускулы человека.
Потреблениеэнергии – важный показатель жизнен­ного уровня. В те времена, когда человекдобывал пи­щу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось всутки около 8 МДж энергии. После овла­дения огнем эта величина возросла до 16МДж: в при­митивном сельскохозяйственном обществе она составля­ла 50 МДж, а вболее развитом – 100 МДж.
Завремя существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционныхисточников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старыйисточник был исчерпан.
Солнцесветило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручилиогонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю.Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали болеекалорийного «корма».
          Но иэто был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынкенефти.
          И вотновый виток в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но закаждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на северили восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут скаждым годом стоить нам все дороже.
          Замена?Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.
          Запасыурана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж ивелики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы разбольше, чем уголь.
          Аитог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, всто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. Иядерное горючее приходит на смену нефти и углю… Всегда было так: следующийисточник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться,«воинствующая» линия энергетики.
          Впогоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мирприродных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своихдел и поступков.
          Новремена изменились. Сейчас, в конце 20 века, начинается новый, значительныйэтап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая». Построеннаятак, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране ужесильно поврежденной биосферы.
          Несомненно,в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкиеправа гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии неслишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные вобращении.
          Яркийпример тому — быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее,видимо, дополнит энергетика солнечная. Энергетика очень быстро аккумулирует,ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижениянауки. Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется кэнергетике, зависит от нее.
            Поэтомуэнергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия,запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, — этовсего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария,который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним ДнемЭнергетики.
            Лабиринтыэнергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок,препятствий, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости ипобед. Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим,что мы на пути к Эре Энергетического Изобилия и что все препоны, преграды итрудности будут преодолены.
Рассказоб энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ееиспользования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные иэкономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, обисточниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому. следуетлишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталосьнеизвестным: «Нет простых решений, есть только разумный выбор».

Списоклитературы
1.   1.    Аугуста Голдин. Океаны энергии. –Пер. с англ. – М.: Знание, 1983. – 144 с.
2.   2.    Баланчевадзе В. И., Барановский А. И.и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. – М.:Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.
3.   3.    Более чем достаточно. Оптимистическийвзгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.:Энергоатомиздат, 1984. – 215 с.
4.   4.    Бурдаков В.П… Электроэнергия изкосмоса. –  М.: Энергоатомиздат, 1991. – 152 с.
5.   5.    Вершинский Н. В. Энергия океана. –М.: Наука, 1986. – 152 с.
6.   6.    Гуревич Ю. Холодное горение. //Квант.– 1990 г. — №6. – ст. 9-15.
7.   7.    Источники энергии. Факты, проблемы,решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с.
8.   8.    Кириллин В. А. Энергетика. Главныепроблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1990. – 128 с.
9.   9.    Кононов Ю. Д… Энергетика иэкономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 1981. –190 с.
10.10. Меркулов О. П. У пошуках енергіїмайбутнього. – К.: Наукова думка, 1991. – 123 с.
11.11. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г./ Пер. с англ.под ред. Ю. Н. Старшикова. – М.: Энергия, 1980. – 256 с.
12.12. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120с.
13.13. Подгорный А. Н. Водородная энергетика. – М.: Наука, 1988.– 96с.
14.14. Соснов А. Я. Энергия Земли. – Л.: Лениздат, 1986. – 104 с.
15.15. Шейдлин А. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 1987. – 463 с.
16.16. Шульга В. Г., Коробко Б. П., ЖовмірМ. М. Основні результати та завдання впровадження нетрадиційних тавідновлюваних джерел енергії в Україні.// Энергетика и электрификация. – 1995 г. — №2. – ст. 39-42.
17.17. Энергетика мира: Переводы докладов XI конгресса МИРЭК/ Под ред. П. С. Непорожнего. – М.:Энергоатомиздат, 1982. – 216 с.
18.18. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И.Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.
19.19. Ю. Тёльдеши, Ю. Лесны. Мир ищет энергию. – М.: Мир, 1981. –440 с.
20.20. Юдасин Л. С… Энергетика: проблемы и надежды. – М.:Просвещение, 1990. – 207с.