Электростанции: какую предпочесть

Использование различных источников энергии связано с рядом неудобств. Так, например, ветряная или водяная мельница может совершать работу только там, где построена, тепло молено передать на некоторое расстояние, но с очень большими потерями, атомная станция нуждается в надежной защите и поэтому может быть размещена только на специально выбранной территории.

С тех пор как было обнаружено, что в металлах может протекать электрический ток, а в проволочной рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает напряжение, стало ясно, что получен прекрасный способ преобразования, передачи и распределения энергии. Затем в названиях всех станций по производству энергии стало обязательно употребляться слово «электро». Это означает, что независимо оттого, что мы подаем «на вход» такой станции — тепло, ветер, воду, свет, расщепленный атом, «на выходе» неизменно получается энергия в виде электричества.

В наши дни выработка электроэнергии покрывает приблизительно четверть мирового потребления энергии. Основную часть электроэнергии дают тепловые электростанции, остальную — гидроэлектростанции и электростанции, работающие на атомном топливе, а также электроустановки, преобразовывающие энергию ветра и Солнца.

Самые популярные, но и самые экологически опасные

Первые коммерческие (производившие электрическую энергию для продажи потребителям) теплоэлектростанции начали строить в 80-х гг. XIX в. Принцип их действия был относительно простым: сгорая, топливо (уголь, нефть, газ) превращало воду в пар, который вращал турбину, соединенную с ротором электрогенератора. В начале XX в. мощность таких станций достигала 1 млн ватт (МВт), а уже к концу столетия была доведена до нескольких тысяч МВт.

Современные тепловые электростанции чаще всего являются теплоэлектроцентральными (ТЭЦ) и производят не только электроэнергию, но и служат источником тепловой энергии для централизованных системам теплоснабжения, для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и промышленных объектов.

Несмотря на свою популярность, тепловые электростанции являются самыми опасными для экологии. Основной их вред состоит в выбросе в атмосферу большого количества углекислого газа — неизбежного продукта сгорания ископаемых топлив. Именно углекислый газ является главной причиной парникового эффекта.

Эволюция гидроэлектростанций

Гидроэлектростанция (ГЭС) для выработки электричества использует энергию движущейся воды. Она состоит из двух основных частей: энергоблока (турбогенератор — генератор, ротор которого вращает турбина) и плотины или дамбы, позволяющих накапливать воду, чтобы не зависеть от колебаний уровня воды.

Самая первая гидроэлектростанция, способная вырабатывать промышленный ток, была построена в Нортумберленде (Великобритания) в 1880 г. Ее мощность была относительно небольшой. Однако уже к концу XIX в. по всему миру начали строить станции мощностью в несколько МВт. В дальнейшем их мощность постоянно увеличивалась и через несколько десятилетий достигла 100 МВт, а к середине XX в. появились ГЭС мощностью 1 тыс. МВт. Мощность современных гидроэлектростанций обычно достигает 10 тыс. МВт.

Самые дешевые и экологичные

Ветроэлектроустановки (ВЭУ) работают по такому же принципу, как и гидроэлектростанции, только вал генератора здесь вращает не вода, а ветер. Первая ВЭУ, или как ее тогда называли — ветрогенератор, была построена в Дании еще в 1890 г. С этого времени популярность данного экологически чистого и дешевого способа получения электричества в мире постоянно растет. По использованию ВЭУ в мире лидируют США, в Европе — Германия, Англия, Дания и Нидерланды. Большая часть установок находится в частном владении, т.е. питают электричеством индивидуальные дома или небольшие хозяйства.

Мощность современной ВЭУ обычно не превышает нескольких сотен кВт. Наращивание мощности установки сверх этого показателя не целесообразно, так как ветер дует с непостоянной силой и часто меняет направление. Поэтому на площадке устанавливается достаточно большое количество «маломощных» ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю такой «фермы» может дуть ветер, на другом в это время будет затишье, но при этом вся система постоянно будет давать электроэнергию. Одна из крупнейших «ветряных ферм» находится в Калифорнии (США) — на огромной территории размещено около тысячи ВЭУ, суммарная мощность которых превышает 100 МВт.

Это интересно!

Совсем недавно был разработан проект заоблачной ветроэлектростанции. Ее генератор должен подняться на высоту 8—10 км на огромном аэростате, соединенном с землей прочнейшими тросами. На такой высоте почти непрерывно дует ветер, а его скорость может достигать 100 м/с. Производимая такой ветряной установкой электроэнергия будет передаваться на наземную станцию по кабелю.

Солнце не только светит, но и греет

Солнечную энергию тоже можно преобразовывать в электричество. А так как Солнце дает нам и тепло, и свет, это можно сделать двумя способами. Тепловые солнечные электроустановки по принципу действия мало чем отличаются от тепловых электростанций. Основная разница состоит в том, что рабочим телом здесь служит не вода, а инертный газ, который разогревают сконцентрированными солнечными лучами до температуры, превышающей тысячу градусов. Далее горячий газ подается на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока.

Некоторые ученые вполне справедливо считают, что гораздо проще превращать солнечную энергию в электричество с помощью солнечных батарей. Способ получения электроэнергии из солнечного света был предложен французским физиком Александром Эдмоном Беккерелем {1820—1891) еще в 1839 г. Однако это открытие оставалось незамеченным до XX в., пока в лабораториях фирмы «Бэлл компани», которую еще 1897 г. организовал известный американский ученый шотландского происхождения Александр Грэм Белл (1847—1922), не был изобретен кремниевый солнечный элемент.

У солнечных электростанций есть несколько существенных проблем — их работоспособность полностью зависит от смены светлого и темного периода суток, и на их эффективность очень влияет атмосфера нашей планеты. Ведь даже внезапно набежавшее облако может снизить выходную мощность установки более чем на 50%. Поэтому пока солнечные батареи эффективно работают лишь только в качестве источников питания космических станций и спутников.

Первый в мире космический преобразователь солнечной энергии в электрическую был установлен на третьем искусственном спутнике Земли, запущенном в 1958 г. в Советском Союзе.

Тепло земли — геотермальная энергия

Еще один крупный источник энергии, подаренной нам природой, скрыт глубоко под землей. Там, на глубине нескольких километров, существуют целые моря, заполненные горячей водой. Подземная вода не только имеет высокую температуру, но и находится под колоссальным давлением. Поэтому достаточно пробурить к такому «морю» скважину, чтобы вода хлынула фонтаном. На некоторых территориях вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, проявляя себя в виде гейзеров. Такие источники энергии называют геотермальными (от греческих слов «гео» — «земля» и «термо» — «тепло», «жар»).

Подземный кипяток можно использовать по-разному, например, для обогрева производственных или жилых помещений. С его помощью можно добывать и электричество.

Первая такая геотермальная электростанция была сооружена в 1913 г. в Лардерелло (Италия) и действует до сих пор. 5 настоящее время подобные электростанции строятся во многих странах мира. Есть в этом виде энергетики и свои лидеры. Например, в Исландии на геотермальных станциях производится столько электроэнергии, что ее излишки намерены транспортировать по подводному кабелю в Европу.