Подсчитано, что на глубине до 5 км количество сосредоточенной теплоты многократно превышает энергию, заключенную во всех видах ископаемых энергоресурсов. В отдельных регионах, например, на Камчатке, в Исландии горячие воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Ныне признается, что геотермальная энергия, получаемая за счет использования природного тепла земных недр, является наиболее перспективной и экологически безопасной среди возобновляемых энергетических источников.
В настоящее время во многих странах мира (США, Россия, Исландия и др.) для выработки электроэнергии и отопления зданий, подогрева теплиц и парников используется тепло горячих источников. Теплоснабжение столицы Исландии Рейкьявика начиная с 1930 г. в основном осуществляется на основе геотермального тепла. Важно подчеркнуть при этом, что геотермальные электростанции (ГеоТЭС) по компоновке, оборудованию, эксплуатации мало отличаются от традиционных теплоэлектростанций.
Различают геотермальные источники с естественными и искусственными теплоносителями. В первом случае в качестве рабочего тела в энергетических установках используют термальные воды или пароводяные смеси естественного происхождения.
В основном используют термальные воды неглубокого залегания с температурой 50—100°С. Так, скважина с суточным дебитом 1500 м3 термальной воды (60°С) обеспечивает нужды в горячей воде поселка с населением 14 тыс. жителей. В северных широтах подземные термальные воды используются для отопления жилищ, для лечебных целей, для выращивания овощей и даже фруктов в специальных оранжереях.
В искусственных геотермальных источниках в качестве рабочего тела применяют жидкость или газ, которые по пробуренным скважинам циркулируют в толще горных пород, имеющих высокие температуры.
Например, в США проводятся эксперименты по закачке холодной воды в скважины, пробуренные до глубины 4 км в зону горячих, но трещиноватых и потому безводных пород. Примерно 3/5 закачиваемой воды через другие скважины поступает на поверхность, но уже в виде горячего пара. Этот пар может не только вырабатывать электроэнергию, приводя в движение турбины, но и использоваться для центрального отопления. Подобные эксперименты проводятся и в других странах.
Ветроэнергетика
Энергия ветра в конечном итоге есть результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Причина активных процессов перемещения воздушных масс заключается в различии плотностей нагретого и холодного воздуха. Таким образом, первоначальным источником энергии ветра является энергия солнечного излучения, которая переходит в одну из своих форм — энергию воздушных потоков.
Запасы энергии ветра на Земле чрезвычайно велики: по некоторым оценкам они превышают 80 трлн. кВтч, что существенно больше современного потребления энергии человечеством.
Ветряные мельницы когда-то были привычным элементом пейзажа в любой стране. Так, в России в XIX веке функционировало почти 250 тыс. мельниц с суммарной мощностью около 1,5 млн кВт. Однако в дальнейшем ветряные мельницы были вытеснены энергетическими установками, работающими на ископаемом топливе.
Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. Было установлено, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Первая в мире ветровая электростанция (ВЭС) с диаметром рабочего колеса 30 м и мощностью 100 кВт была построена в СССР в 1931 г. Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом, особенно в США. Еще в 1941 г. там была построена ВЭС мощностью 1250 кВт, ныне общая мощность всех ВЭС в этой стране превышает 1,3 млн кВт, причем среди них есть и весьма крупные — с мощностью до 4 тыс. кВт.
Современная ветроэнергетика — преобразование энергии ветра во вращательное движение лопастного колеса, в колебания, которые воспринимаются пьезоэлектрическими преобразователями, или в поступательное движение объекта с помощью ветродвигателей (парусов, роторов). КПД ветроустановок достигает относительно больших значений: 0,2—0,5.
Кроме того, размещение ВЭС в морских акваториях позволяет обеспечить энергией добывающие платформы и использовать земельные участки для выращивания сельскохозяйственной продукции. В Швеции на расстоянии 250 м от берега строится ВЭС мощностью 200 кВт, которая будет передавать энергию по подводному кабелю. В этой стране разработан проект, предусматривающий установку 300 ветряков в течение 20 лет, что в перспективе должно обеспечить производство 2 % электроэнергии от уровня современного потребления. Размеры ветроустановок поражают: на их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. В то же время экологичность проекта вызывает определенные сомнения: возможны помехи рыболовству, судоходству, отрицательные последствия на развитие гидробионтов.
Биоэнергетика
Биоэнергетика основана на получении биомассы, которая используется в качестве топлива непосредственно или после соответствующей переработки. При этом выделяют три направления получения тепловой энергии: 1) непосредственное сжигание биомассы; 2) брожение биомассы, при котором выделяется теплота; 3) использование таких энергоносителей, как биогаз или спирты, которые извлекаются в процессе образования биомассы.
Первое направление (сжигание растений) используется человеком более ста тысяч лет. И ныне во многих странах с населением около 2,5 млрд человек ежедневно пользуются дровами для отопления, освещения и приготовления пищи. Даже в столь развитой стране, как США, сейчас сжигается больше древесины, нежели ее идет на строительство и на производство бумаги.
Особенностью в настоящее время является то, что источником древесного топлива служит не только дикорастущий лес, но и специальные плантации быстрорастущих видов деревьев, например, тополя, ивы, ольхи, осины. Так, в Швеции, которая постепенно отказывается от атомной энергетики, в ближайшие годы планируется ежегодно засаживать не менее 10 тыс. га так называемого энергетического леса. Во избежание недостатков, присущих древесному топливу (относительно большой объем, большой процент влаги), проводят обработку, например, брикетирование.
Второе направление состоит в использовании теплоты, которая выделяется при брожении органических отходов (навоза, помета, опилок и т. п.); ее можно применить для обогрева парников, теплиц и других объектов.
Третье направление — извлечение из биомассы (отходов растениеводства и животноводства) таких энергоносителей, как биогаз или спирты.
Считалось еще недавно, что горючее из навоза и других отходов не может конкурировать с природным газом и нефтепродуктами. Но в последние годы эту точку зрения начали пересматривать, причем не столько с энерго-экономических, сколько с экологических позиций.
Тысячи крупных животноводческих комплексов и птицефабрик построены по всему миру, сотни их размещены и в нашей стране. Их функционирование сопровождается образованием огромных количеств навоза и растительных остатков. Так, на свиноводческом комплексе, где содержится 108 тыс. свиней, ежегодно образуется более 1 млн м3 жижи, что соответствует объему стоков города с населением 250 тыс. человек. Поскольку комплексы размещали подчас недалеко от городов, это усугубляло их отрицательное воздействие.
Для переработки стоков животноводческих комплексов часто применяют так называемое анаэробное сбраживание, в результате которого резко ускоряется природный процесс выделения метана СН4 (биогаза). Из 1 т органического сухого вещества навоза и помета получают 450—660 м3 биогаза, который по своей теплотворной способности соответствует 320—430 кг условного топлива. Кроме того, в России ежегодно остаются неиспользованными миллионы тонн соломы, каждая тонна которой при метановом брожении дает 350—500 м3 биогаза, а 1 м3 последнего эквивалентен почти 1 л жидкого топлива. Между тем солому и другие растительные остатки до сих пор предпочитают сжигать, не заботясь об экологических последствиях. Подсчитано, что отходы сельскохозяйственного производства во всем мире составляют более 4 млрд. т. Их переработка в метан может удовлетворить не менее 10% современных мировых энергетических потребностей.
Биологическая переработка органических отходов (биоконверсия) промышленности, сельского и жилищно-коммунального хозяйства — сложный микробиологический процесс. В нем принимают участие несколько взаимодействующих групп бактерий: 1) бактерии I группы (гидролитические) гидролизуют углеводы, белки, липиды и другие компоненты биомассы с образованием Н2, С02, жирных кислот, спиртов и других продуктов брожения; 2) бактерии II группы (ацетогенные) разлагают определенные жирные кислоты и нейтральные продукты до ацетата, Н2, С02 в условиях полного отсутствия кислорода; 3) бактерии III группы (гомоацетатные) синтезируют ацетат из смеси Н2+С02, метанола и других соединений, в том числе углеводов; 4) бактерии IV группы (метанообразующие) используют Н2+С02, ацетат или одноуглеродные соединения для синтеза метана.
Наиболее важный момент преобразования сложного сырья — разложение целлюлозы. Бактерии, вызывающие это разложение, делятся на два класса в зависимости от температуры протекания процесса: мезофильные и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40°С, для термофильных от 50 до 60°С.
Деятельность бактерий и, соответственно, объем метана зависят от многих факторов: температуры, кислотности среды, соотношения между углеродом и азотом (C/N), наличия летучих кислот, питательных веществ и токсичности материалов. Процесс биоконверсии может происходить при низких (до 30°С), средних (35—40°С) и высоких (свыше 50°С) температурах. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс ферментации, больше выделяется газа, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Наиболее производительный (в смысле получения биогаза) термофильный процесс требует дополнительной энергии.
Естественно, что для функционирования бактерий их необходимо обеспечивать питательными веществами (азотом, фосфором, серой, различными микроэлементами). Биогаз, получаемый при биоконверсии отходов, содержит от 55 до 70% метана СН4, остальное — оксид углерода (IV). Присутствие С02 снижает теплоту сгорания биогаза и увеличивает объем газа, подлежащего обработке и хранению. Биогаз рассматривают как локальное топливо, достаточно эффективно используемое на месте его производства.
Другой продукт биоконверсии — остаток (шлам) — обеззараженное высокоэффективное удобрение, по своим свойствам приближающееся к минеральному удобрению типа нитрофоски: 1 т сухого остатка (по содержанию питательных веществ) эквивалентен 3—4 т нитрофоски. Органические удобрения, получаемые в результате анаэробной ферментации отходов, значительно лучше в агрономическом отношении, нежели полученные обычным методом компостирования.
Широкое внедрение биоконверсии органических отходов решат несколько важнейших задач — сохранение окружающей среды, снабжение энергией, а также снижение риска распространения различных эпидемий у животных (при анаэробной ферментации уничтожаются яйца гельминтов, вредная микрофлора и семена сорняков).
Водородная энергетика
Огромный интерес к водороду как к перспективному топливу обусловлен рядом неоспоримых его преимуществ, главные из которых таковы: 1) экологическая безопасность водорода в отличие от других топлив, так как продуктом сгорания его является водяной пар; 2) очень высокое значение теплоты сгорания (вчетверо больше, чем у каменного угля); 3) высокая теплопроводность; 4) низкая вязкость, что очень важно при необходимости его транспортировки по трубопроводам, особенно на большие расстояния; 5) практически неограниченные запасы сырья, если в качестве такового рассматривать воду; 6) возможность многостороннего применения водорода: он может быть использован как топливо во многих химических и металлургических процессах, в авиации и автотранспорте, а также в виде добавок к моторным топливам.
Вышеизложенное дало толчок к созданию т.н. водородной энергетики, в которой водород используется как носитель энергии. Водородная энергетика включает следующие стадии: получение водорода из различного сырья; хранение его в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например, гидридов (NaH); транспортирование водорода к потребителю.
Получение водорода. Для промышленного производства водорода используют в основном природный газ, жидкие и твердые горючие ископаемые, воду.
В настоящее время наибольшее количество водорода получают паровой конверсией природного газа. Указанный процесс включает следующие стадии:
1. Каталитическая конверсия метана с водяным паром:
СН4 + Н20 -> СО + ЗН2 - 206 кДж.
Реакция осуществляется в присутствии Ni — катализатора при 750-870 °С.
2. Конверсия СО с водяным паром:
СО + Н20 -> С02 + Н2 + 41 кДж.
Процесс проводят при 370—440°С в присутствии железохромоксидного катализатора (первая ступень) и при 230—260°С в присутствии цинкхром-медного катализатора (вторая ступень).
3. Выделение водорода из газовой смеси.
Процесс проводят путем последовательной очистки газовой смеси от С02 и остатков непрореагировавших СО, СН4 и Н20.
Получение водорода из твердых горючих ископаемых (например, угля) включает переработку последних с водяным паром и воздухом или кислородом (газификацию):
С + Н20 -> СОТ + Н2Т - 118,9 кДж
2С + 02 -> 2СОТ + 230 кДж.
При этом образуется водяной газ, который содержит до 40% СО и 50% Н2, а также С02, СН4, N2 и примеси сернистых соединений. В дальнейшем газы очищают от нежелательных компонентов, прежде всего негорючих примесей.
Электролизом воды можно получать водород совместно с кислородом. При этом электролитом служит водный раствор КОН (350— 400 г/л); давление в электролизерах варьируют от атмосферного до 4 МПа (40 атм), расход электроэнергии составляет 5,1—5,6 кВтЧч на 1 м3 водорода (теоретический расход при 25°С 2,94 кВтЧч).
Описанные традиционные методы получения водорода недостаточно экономичны, если речь идет о широкомасштабном его производстве, исчисляемом сотнями млн т (ныне мировое производство водорода на уровне ста млн т). Это связано, прежде всего, с чрезмерными затратами энергии. Поэтому для нужд водородной энергетики предлагается как усовершенствовать традиционные методы, так и разработать новые, причем с использованием преимущественно ядерной и солнечной энергии.
Возможное усовершенствование основного традиционного метода получения водорода — каталитической конверсии природного газа — заключается в том, что процесс проводят в кипящем слое катализатора (газ проходит снизу вверх, взрыхляя последний), а необходимое тепло подводят с высокотемпературного ядерного реактора. При этом возможно снизить затраты на производство водорода на 20—25%.
Другой вариант получения водорода — водно-щелочной электролиз под давлением с использованием относительно дешевой разгрузочной электроэнергии, вырабатываемой в ночное время АЭС.
Установлена возможность электролиза воды с использованием в качестве электролита расплава щелочи, твердого полимера (ТП-электролиз), керамики на основе ZrО2 (высокотемпературный электролиз); процесс требует затрат электроэнергии на 30—40% меньше, нежели традиционный способ. Укажем, что в случае использования расплава щелочи концентрация воды в электролите составляет всего лишь 0,5— 2,0% по массе. Наиболее перспективным считается высокотемпературный электролиз с использованием тепла от АЭС.
В последние годы интенсивно разрабатываются плазмохимические технологии получения водорода, связанные с использованием низкотемпературной (103—105 К) плазмы. Из них наиболее перспективен двухстадийный углекислотный цикл, включающий: 1) диссоциацию (2С02 — > 2СО + 02), осуществляемую в плазмотроне — устройстве для создания плазмы при помощи электрической дуги; 2) конверсию СО с водяным паром (СО + Н20 -> Н2 + С02), после чего образовавшийся диоксид углерода возвращается в плазмотрон для нового цикла.
Имеют перспективу и термохимические циклы получения водорода из воды. Известно, что степень термической диссоциации воды при 2483 °С составляет 11,1%. Указанные термохимические циклы представляют собой совокупность последовательных химических реакций, приводящих к разложению воды при более низкой температуре, чем та, которая требуется для термической диссоциации. В этих циклах все компоненты системы, кроме водородсодержащего сырья (воды), регенерируются.
Среди других исследуемых в последнее время методов получения водорода из воды следует отметить фотоэлектролиз и биофотолиз.
Фотоэлектролиз - метод получения водорода и кислорода из воды при помощи солнечной энергии. Этот процесс осуществлен с КПД
пока около 3—4%; он будет представлять практический интерес, если удастся довести КПД до -10—12%.
Биофотолиз воды основан на том, что определенные микроорганизмы, например, хлорелла, использующие солнечную энергию для своей жизнедеятельности, способны разлагать воду с образованием водорода. При этом КПД трансформации солнечной энергии такими микроорганизмами составляет около 8%.
Хранение и транспортирование водорода. Газообразный водород хранят в специальных емкостях — газгольдерах, а также сосудах высокого давления — баллонах. Существуют проекты подземного хранения больших количеств водорода в выработанных месторождениях нефти и газа, горных выработках, искусственных соляных кавернах. Жидкий водород хранят и транспортируют в специальных герметических резервуарах с эффективной тепловой изоляцией. При этом емкость стационарных хранилищ достигает 3000 м3 и более, железнодорожных цистерн — 100—125 м3, автомобильных — 25—75 м3. Наконец, проводятся исследования в области получения и хранения водорода в твердом и шугообразном (до 50% твердой фазы) состояниях.