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.

I Прямое преобразование Геотермальная энергия

Гравитационная энергия

|___________________________

Возобновляемые 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.

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 дан­ными. 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.