ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ
В §1.5 было показано, что удельное энергопотребление в расчете на одного жителя в XX в. значительно увеличилось. Учитывая рост народонаселения планеты (§ 1.6) стоит задуматься о том, к каким последствиям это может нас привести и смогут ли сохраняться эти тенденции в будущем. Для того чтобы рассмотреть эту проблему, прежде всего, следует оценить, какими энергетическими ресурсами располагает наша планета и как мы должны использовать эти ресурсы сегодня.
На рис. 1.8 показаны доступные на нашей планете источники энергии. Они делятся на возобновляемые и невозобновляемые.
Прямое преобразование
Геотермальная энергия Гравитационная энергия
Возобновляемые Невозобновляемые
Рис. 1.8. Энергетические ресурсы Земли
Геотермальная энергия достаточно давно стала использоваться в таких странах, как Исландия, Новая Зеландия, США и Россия. Однако, к большому сожалению, её значительный вклад в общую выработку энергии в глобальных масштабах не представляется технически возможным.
Гравитационная энергия — это энергия, которую несут в себе приливы и отливы (см. гл. 16). Установки для её преобразования построены во Франции, России и в других странах. Недостатком этого источника является то, что энергия приливов и отливов эффективно может быть использована лишь в ограниченном количестве географических точек на земном шаре, где высота приливов достигает нескольких метров.
Среди возобновляемых источников энергии (ВИЭ) лидирующее место занимает энергия солнечного излучения. Солнечная энергия доступна повсеместно в достаточно больших суммарных количествах, однако, к сожалению, при относительно небольшой плотности излучения в расчете на единицу площади приемника, что затрудняет ее экономически эффективное практическое использование. Небольшую часть солнечного излучения, поступающего на Землю, поглощают растения для фотосинтеза. Из перегнивших растений в течение миллиардов лет образуются уголь, нефть и газ. Оценки запасов органических топлив (так же как и ядерного топлива) чрезвычайно неопределенны и, безусловно, запасы недооценены в связи с недостаточными геологическими изысканиями. В табл. 1.5 приведены данные о разведанных запасах ископаемого органического топлива, а в табл. 1.6 показаны разведанные запасы материалов, из которых энергия может быть получена путем ядерного деления. В эти оценки не включены запасы бывшего СССР и Китая.
|
Таблица 1.5. Разведанные запасы ископаемого углеводородного топлива, ЭДж
|
Метан (гидраты)
|
Более 100 000 (1998 г.)
|
|
Уголь
|
39 000 (2002 г.)
|
|
Нефть
|
18 900 (2002 г.)
|
|
Газ
|
15 700 (2002 г.)
|
|
Сжиженные газы
|
2 300 (2002 г.)
|
|
Горючие сланцы
|
16 000
|
|
|
Таблица 1.6. Разведанные запасы материалов, которые могут быть использованы в ядерных реакторах деления (без учета запасов бывшего СССР и Китая), ЭДж
|
235и
|
2 600
|
|
238и
|
320 000
|
|
232Th
|
11 000
|
|
Величины, приведенные в табл. 1.5 и 1.6, возможно, далеки от истины, однако их можно использовать для оценки нижнего предела запасов ископаемого топлива. Специалисты, которые занимались оценкой этих величин, старались быть достаточно консервативными и оперировали только проверенными дан-
|
ными. В качестве примера можно сказать, что утвержденные запасы природного газа в 1976 г. оценивались в 2200 ЭДж, тогда как в 2002 г. эта оценка возросла более чем в 2 раза и составила 5500 ЭДж.
|
|
|
Метановые клатраты Clathra — от лат. клеть.
Атомы в молекулах некоторых веществ могут группироваться определенным образом, образуя замкнутые структуры с внутренней полостью. Наиболее распространенной структурой являются так называемые «глобулы» (бакиболы) молекул, содержащих в себе 60 атомов углерода, которые группируются в полые сферы, способные присоединять к себе некоторое количество других веществ. Они были открыты в 1980 г. при изучении различных «полых» молекул. При определенных условиях вода может замерзать, формируя замкнутую решетку, содержащую иногда 20, а чаще 46 молекул. Эта структура является нестабильной, если в полой центральной части «большой молекулы» не будет присутствовать некоторое количество молекул газа (именно поэтому кристаллы льда легко разрушаются). Бакиболы могут захватывать молекулы таких газов, как метан, этан, пропан, изобутан, и-бутан, азот, углекислый газ и сероводород.
Кристалл льда, содержащий в себе 46 молекул воды, способен захватить до 8 «гостевых» молекул газа (соотношение вода : газ равно 5,75 : 1). В природных месторождениях метан является наиболее распространенным газом и представляет наибольший интерес с энергетической точки зрения. Практически 96 % всех имеющихся на Земле бакибул полностью заполнены газом. Эти твердые гидраты называются еще клатратами. Разработка способов извлечения газа из клатрат, которые имеют достаточно широкое распространение, вызывает особый интерес для перспективной энергетики. Плотность клатрат составляет около 900 кг/м3. Метан в них находится под довольно большим давлением (см. задачу 1.27). Большое количество клатратных образований находится на дне Мирового океана. Хотя они и обладают невысокой плотностью, они не всплывают на поверхность, поскольку находятся под морскими донными отложениями и сдерживаются ими.
Клатратные образования формируются при высоком давлении и низких температурах в морских глубинах и находятся в стабильном состоянии при таких условиях. Метан образуется в них в результате анаэробного сбраживания падающих на дно моря остатков органических веществ (см. гл. 13).
На данный момент какой-либо приемлемой технологии извлечения метана из клатратных образований не разработано. Предлагаемые способы ориентированы на дестабилизацию клатратных структур следующими методами:
1) увеличением температуры клатратного образования;
2) уменьшением давления;
3) введением метанола или других клатратных ингибиторов.
Последний процесс вряд ли приемлем с точки зрения сохранения окружающей среды. Существует ряд опасностей, связанных с извлечением метана из донных клатратных образований и другими методами. Наиболее существенной из них является опасность вероятных утечек метана в атмосферу, что приведет к усилению парникового эффекта на Земле.
|
|
Информация об утвержденных запасах органических топлив периодически публикуется, например, в журнале Oil and Gas Journal.
Реальные запасы нефти, природного газа и угля, безусловно, существенно больше, чем приведено в таблице. Разведочные работы ведутся на всех континентах, что время от времени приводит к открытию новых крупных месторождений.
Отдельной строкой в табл. 1.5 показаны запасы гидратного (связанного) метана (methane clathrate), оценка которых является весьма приближенной. Существует мнение, что реальные запасы такого метана на несколько порядков больше, однако мы пользуемся консервативными оценками.
Выше мы говорили о том, что газ, находящийся в цилиндрическом сосуде с поршнем, может совершать работу. Какова эта работа? Сила, действующая на поршень со стороны газа, равна рА, где А …
Подведем некоторое количество Q теплоты к газу, находящему- ■ : цилиндре с адиабатическими стенками и поршнем внутри, который может ■сремещаться без трения. Наличие адиабатических стенок означает, что тепло - р …
При изменении температуры некоторого фиксированного количества газа будет меняться его внутренняя энергия. Если при этом объем газа остается постоянным (например, газ помещен в сосуд с жесткими стенками), то изменение его …
