Гидроэнергетические ресурсы

Гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются величиной 33 000 ТВт·ч в год, но по техническим и экономическим соображениям из всех запасов доступны 4...25%. Общий гидропотенциал рек России исчисляется 4000 млн МВт·ч (450 тыс. МВт среднегодовой установленной мощности), что составляет приблизительно 10... 12% мирового.

В таблице 1.7 приводятся данные о гидроресурсах в различных странах мира.

Известно, что первоисточником гидроэнергии является солнечная энергия. Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечной радиации, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капелек, собирающихся в облака. Вода облаков выпадает в виде дождя в моря, океаны и на сушу или образует мощный снеговой покров гор. Дождевая вода дает начало рекам, питающимся подземными источниками. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной радиации, благодаря которой появляются начальные процессы круговорота — испарение воды и движение облаков. Таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.

В отличие от невозобновляемой химической энергии, запасенной в органическом топливе , кинетическая энергии движущихся в реках воды возобновляема — на гидроэлектростанциях она превращается в электрическую энергию.

Свойство возобновляемости гидроэнергии является важным преи­муществом ГЭС. К их преимуществам относятся также:

•небольшая стоимость эксплуатации и отсюда низкая себестоимость энергии, вырабатываемой на ГЭС;

• большая надежность работы, объясняемая отсутствием высоких температур и давлений в гидротурбинах и относительно невысокими скоростями вращения этих турбин и гидрогенераторов;

• высокая маневренность, определяемая небольшим временем, .■ требующимся для включения в работу и набора нагрузки, а так- ! же останова ГЭС (это время составляет всего несколько минут). '

Строительство ГЭС во многих случаях решает также задачи снабжения водой городов, промышленности и сельского хозяйства (орошение).

Работа ГЭС в отличие от ТЭС не ухудшает санитарного состояния воздушной среды и качество воды в водоемах. Недостатками ГЭС являются их более высокая стоимость и большой срок строительства в сравнении с ТЭС. Однако эти недостатки обычно компенсируются преимуществами ГЭС.

Энергия приливов и отливов.К использованию этих видов энергии, в последнее время проявляется значительный интерес.

Наибольшей высоты приливы достигают в некоторых заливах и окраинных морях Атлантического океана – 14….18м. В Тихом океане у побережья России максимальные приливы бывают в Пенжинской губе Охотского моря — 12,9 м. У берегов Кольского полуострова в Баренцевом море они не превышают 7 м, но в Белом море, в Мензенской губе, достигают Юм. В окраинных морях Северного Ледовитого океана приливы не велики — 0,2...0,3 м, редко 0,5 м. Во внутренних морях —Средиземном, Балтийском, Черном — приливы почти незаметны.

Доступный для использования потенциал приливов в европейской части России оценивается в 40 млн МВт (16 тыс. МВт среднегодовой установленной мощности), а на Дальнем Востоке — в 170 млн МВт.

Течения и волнения в Мировом океане велики и чрезвычайно разнообразны. Скорости течений достигают высоких значений, например

у Гольфстрима 2,57 м/с (9,2 км/ч) при глубине 700 м и ширине 30 км.Правда, чаще они не превышают нескольких сантиметров в секунду.

Максимальные параметры волнений — 800 м, скорость 38 м/с, период — 23 с. В толще вод возникают внутренние волны, обнаруженные впервые Ф. Нансеном в 1902 г., их амплитуда составляет 35...200 м. При амплитуде внутренней волны в 1 м, ширине 5 м и скорости распространения 10 м/с энергия волны достигает 267 кВт. Отсюда видно, как велики запасы энергии в этих источниках энергии.

В настоящее время сооружено несколько мощных электростанций, спользующих энергию приливов. Однако большая стоимость сооружения таких станций, трудности, связанные с неравномерностью их работы (пульсирующий характер выдачи мощности), не позволяют пока считать приливные станции достаточно эффективными, в связи с чем распространение их идет медленно. Общая мощность приливных волн оценивается в 2...3 ТВт, однако мощность приливов в местах, удобных для ее использования, значительно меньше.

На практике чаще всего выделяют несколько более или менее однородных форм энергии: механическую, химическую, тепловую, ядерную, световую (или лучистую) и электрическую.

Механическая кинетическая энергия присуща движущимся предметам. Ею обладают такие природные явления, как течение рек, ветер, морские приливы.

Механической потенциальной энергией обладают предметы и объекты, расположенные выше уровня поверхности (т.e. такие, которым есть, куда падать). К этому виду можно отнести водные массивы, расположенные в горах или накопленные в водохранилищах.

Химическая энергия содержится в топливе и пище и предназначена для превращения в другие формы.

Тепловой энергией обладают хорошо нагретые предметы. Этот вид, энергии широко используется в производстве и в быту. Источники тепла могут быть найдены и в природе — это термальные источники, использовавшиеся еще древними римлянами.

Ядерная энергия, или энергия атома, — это то, ч то удерживает ядра| атомов, оставляя их такими, как они есть.

Лучистая энергия, называемая также электромагнитным излучением, не только "оживляет" наши приемники и телевизоры, делает возможным беспроволочную связь, но и, в виде солнечного излучения, является главным источником энергии, движения и жизни на Земле.

Электроэнергия, как правило, генерируется на электрических станциях (хотя ее можно получить при помощи аккумуляторов, электрических батареек, разряда молнии или удара электрического ската). Ее роль в экономике и обществе трудно переоценить. Именно она представляет собой основу всей современной жизни.

Энергия, обеспечивающая конечные процессы производства! нематериальной сферы, представляет собой конечную энергию. Все такие процессы можно разделить на несколько агрегированных групп, так как:

- освещение и передача информации;

- электрофизические процессы;

- механические процессы, как стационарного (например, кузнечный пресс, металлорежущий станок и пр.), так и мобильного (например, транспорт) характера;

- тепловые процессы высокого, среднего и низкого потенциала.

Если количество конечной энергии нельзя непосредственно измерить можно лишь вычислить, используя теоретические данные об энергоемкости отдельных процессов, то количество так называемой подведенной энергии можно определить, используя, например, счетные устройства. Подведенная энергия — это та энергия, которая обеспечивает работу конечных энергетических установок и содержится в энергоносителях - физичеких субстанциях, содержащих потенциальную энергию и достаточно легко преобразуемых в конечные виды. В качестве таких энергоносителей могут выступать разные факторы — различные виды топлива и электроэнергия.

Основой энергетического хозяйства общества, источником и энергоносителей, и следовательно собственно энергии являются энергоресурсы, что, очевидно означает краткое название энергетических ресурсов. Все энергоресурсы делятся на первичные и вторичные. Первичные ресурсы есть результат природных процессов. К ним относится природное топливо, а также энергия солнца, ветра, водных ресурсов, биомассы и др. К вторичным энергетическим ресурсам относятся все переработанные иные или преобразованные виды топлива, а также побочная энергия производственных процессов или процессов в сфере потребления может быть утилизирована и использована вторично. Эта категория включает продукты нефтепереработки, облагороженное топливо, а также отработанный пар, отходы тепла, горячие газы. Следуя этой логике, ко вторичным энергоресурсам следует отнести также сберегаемую энергию.

Энергоресурсы можно разделить на топливные и нетопливные. Первичные энергоресурсы могут быть возобновляемые и невозобновляемые. Возобновляемые природные ресурсы это такие объекты, о восстановлении запаса которых заботится сама природа. Многие из них практически не зависят от того, в какой мере общество вовлекает их в хозяйственный оборот: солнечная энергия, гидроресурсы, ветер. Есть и другие — такие, использование которых ведет к уменьшению их запаса в краткосрочном и даже достаточно длительном времени. Пример — биомасса. Они, однако, могут рассматриваться как возобновляемые в длительной перспективе. Невозобновляемые энергоресурсы это такие ресурсы, запас которых принципиально исчерпаем, - минеральное топливо, уран.

Будучи разнообразными по качеству, энергоресурсы обладают определенной взаимозаменяемостью; вместо угля может быть использован мазут или газ, вместо урана — солнечная энергия и т.д. Как правило, обществу не безразлично, какие виды ресурсов или энергоносителей применить для достижения поставленных целей. При выработке решений об их наилучшем использовании все энергоресурсы важно сопоставить количественно. Наиболее удобным принципом такого соизмерения окозалось сравнение их теплотворных способностей, т.е. потенциального объема теплоты, выделяемой при сжигании единицы данного топлива. Для нетопливных энергоресурсов сначала, как правило, оценивается возможность выработки с их помощью электрической энергии, которая гм также сводится к единицам теплотворной способности.

Теплотворная способность может измеряться Джоулях (Дж), калориях (кал) или англо-американских единицах (Btu), т у.т.

Энергоресурсы и энергоносители можно измерять в натуральных физических единицах и неких условных единицах. В отечественной системе в качестве натуральных измерителей используются весовые единицы тонны (а также соответственно килограммы, граммы), а для измерения количества газообразного топлива - метрические - кубические (м³).

Условное топливо играет ту же роль, что и единицы способности: позволяет соизмерять разные виды топлива. Отечественная система берет за основу так называемый "угольный эквивалент" — такое топливо, тонна которого при сжигании выделяет 7000 килокалорий тепла, т.е. как высококачественный уголь. Любое количество топлива можно свести к условному топливу, зная его теплотворную способность. Например, тонна сырой нефти выделяет примерно 10000 ккал. Это означает, что для перевода нефти в угольный эквивалент следует указанные объемы умножить на коэффициент 1,43. Другие виды топлива имеют другие перерасчетные коэффициенты.

Таблица 1 - Перевод в у.т., ккал, кДж

1 т у.т. = 7000 ккал, 1 кДж = 0,24 ккал

Качество используемых видов топлива, очевидно, зависит от их теплотворной способности, хотя это и не единственный фактор, его опре­деляющий. Наивысшая из всех первичных видов топлива теплотворная способность — у нефти, обладающей коэффициентом перевода в условное топливо более 1,4. Высококачественным энергоресурсом является природный газ с коэффициентом перевода 1000 м³ на уровне 1,15— 1,2. Газ к тому же сгорает полнее других топлив и более экологичен. Ка­менные угли, как правило, имеют коэффициенты пересчета ниже 1, бу­рые угли, или лигниты, — порядка 0,5. Сланцы, торф — еще ниже.

Как уже утверждалось, при различном качестве энергоресурсов большинство из них обладают, по крайней мере, частичной взаимозаме­няемостью. Это значит, что они конкурируют друг с другом, если такая конкуренция допускается, т.е. если конкурентными являются рынки. В таких условиях цены на более качественные ресурсы должны чаще всего устанавливаться выше, чем на менее качественные. Вместе с тем на дос­таточно коротких отрезках времени, когда воздействие чисто конъюнк­турных факторов ощутимо, возможно всякое. Действительно, на миро­вых рынках, как и в большинстве стран, наиболее дорогим из первичных видов топлива постоянно является нефть. На втором месте — газ, цена на сопоставимое количество которого не менее постоянно отстает от нефти на 15—20%. Наибольший разброс в ценах наблюдается науголь­ных рынках, что вызвано не только большими различиями в качестве отдельных марок и сортов, но и тем, что правительства некоторых стран, например Германии, проводят политику субсидирования добычи или использования отечественных углей. Однако в целом имеется очень же­сткая взаимосвязь между теплотворной способностью ресурса и его ценой, которая не меняется, если рассматривать не только первичные виды топлива, но и вторичные.