Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Презентация представляет собой дополнительный материал к урокам, посвящённым развитию энергетики. Энергетика любой страны является основой развития производительных сил, создания материально – технической базы общества. В презентации отражены проблемы и перспективы всех видов энергетики, перспективные (новые) виды энергетики, используется опыт музейной педагогики, самостоятельные поисковые работы обучающихся (работа с журналом «Япония сегодня»), творческие работы обучающихся (плакаты). Презентацию можно использовать на уроках географии в 9 и 10 классах, во внеурочной деятельности (занятиях на факультативах, элективных курсах), в проведении Недели географии «22 апреля – День Земли», на уроках экологии и биологии «Глобальные проблемы человечества. Сырьевая и энергетическая проблема».
В своей работе я использовала метод проблемного обучения, который заключался в создании перед обучающимися проблемных ситуаций и разрешении их в процессе совместной деятельности учащихся и учителя. При этом учитывалась максимальная самостоятельность обучающихся и под общим руководством учителя, направляющего деятельность обучающихся.
Проблемное обучение позволяет не только сформировать у обучающихся, необходимую систему знаний, умений и навыков, достигать высокого уровня развития школьников, но, что особенно важно, оно позволяет сформировать особый стиль умственной деятельности, исследовательскую активность и самостоятельность обучающихся. При работе с данной презентацией у обучающихся проявляется актуальное направление – исследовательская деятельность школьников.
Отрасль объединяет группу производств, занятых добычей и транспортировкой топлива, выработкой энергии и передачей её потребителю.
Природные ресурсы, которые используют для получения энергии – это топливные ресурсы, гидроресурсы, ядерная энергия, а также альтернативные виды энергии. Размещение большинства отраслей промышленности зависит от развития электроэнергии. Наша страна располагает огромными запасами топливно – энергетических ресурсов. Россия была, есть и будет одной из ведущих энергетических держав мира. И это не только потому, что в недрах страны находится 12% мировых запасов угля, 13% нефти и 36% мировых запасов природного газа, которых достаточно для полного обеспечения собственных потребностей и для экспорта в сопредельные государства. Россия вошла в число ведущих мировых энергетических держав, прежде всего, благодаря созданию уникального производственного, научно – технического и кадрового потенциала ТЭК.
Сырьевая проблема
Минеральные ресурсы – первоисточник, исходная основа человеческой цивилизации практически во всех фазах ее развития:
– Топливные полезные ископаемые;
– Рудные полезные ископаемые;
– Нерудные полезные ископаемые.
Современные темпы энергопотребления растут в геометрической прогрессии. Если даже учесть, что темпы роста потребления электроэнергии несколько сократятся из-за совершенствования энергосберегающих технологий, запасов электрического сырья хватит максимум на 100 лет. Однако положение усугубляется ещё и несоответствием структуры запасов и потребления органического сырья. Так, 80% запасов органического топлива приходится на уголь и лишь 20% на нефть и газ, в то время как 8/10 современного энергопотребления приходится на нефть и газ.
Следовательно, временные рамки ещё более сужаются. Однако лишь сегодня человечество избавляется от идеологических представлений о том, что они практически бесконечны. Ресурсы минерального сырья ограничены, фактически невосполнимы.
Энергетическая проблема.
Сегодня энергетика мира базируется на источниках энергии:
– Горючих минеральных ископаемых;
– Горючих органических ископаемых;
– Энергия рек. Нетрадиционные виды энергии;
– Энергия атома.
При современных темпах подорожания топливных ресурсов Земли проблема использования возобновляемых источников энергии становится всё более актуальной и характеризует энергетическую и экономическую независимости государства.
Преимущества и недостатки ТЭС.
Преимущества ТЭС:
1. Себестоимость электроэнергии на ГЭС очень
низкая;
2. Генераторы ГЭС можно достаточно быстро
включать и выключать в зависимости от
потребления энергии;
3. Отсутствует загрязнение воздуха.
Недостатки ТЭС:
1. Строительство ГЭС может быть более долгим и
дорогим, чем других энергоисточников;
2. Водохранилища могут занимать большие
территории;
3. Плотины могут наносить ущерб рыбному
хозяйству, поскольку перекрывают путь к
нерестилищам.
Преимущества и недостатки ГЭС.
Преимущества ГЭС:
– Строятся быстро и дешево;
– Работают в постоянном режиме;
– Размещены практически повсеместно;
– Преобладание ТЭС в энергетическом хозяйстве
РФ.
Недостатки ГЭС:
– Потребляют большое количество топлива;
– Требует длительной остановки при ремонтах;
– Много тепла теряется в атмосфере,
выбрасывают много твердых и вредных газов в
атмосферу;
– Крупнейшие загрязнители окружающей среды.
В структуре выработки электроэнергии в мире
первое место принадлежит тепловым
электростанциям (ТЭС) – их доля составляет 62%.
Альтернативой органическому топливу и
возобновляемым источником энергии является
гидроэнергетика. Гидроэлектростанция (ГЭС)
- электростанция, в качестве источника энергии
использующая энергию водного потока.
Гидроэлектростанции обычно строят на реках,
сооружая плотины и водохранилища.
Гидроэнергетика – это получение электроэнергии
за счет использования возобновляемых речных,
приливных, геотермальных водных ресурсов. Это
использование возобновляемых водных ресурсов
предполагает управление паводками, укрепление
русла рек, переброс водных ресурсов в районы,
страдающие от засухи, сохранение подземных
токовых вод.
Однако и здесь источник энергии достаточно
сильно ограничен. Это связано с тем, что крупные
реки, как правило сильно удалены от промышленных
центов либо их мощности практически полностью
использованы. Таким образом, гидроэнергетика, в
настоящий момент обеспечивающего около 10%
производства энергии в мире, не сможет
существенно увеличить эту цифру.
Проблемы и перспективы АЭС
В России доля атомной энергии достигает 12%.
Имеющиеся в России запасы добытого урана
обладают электропотенциалом в 15 трлн. кВт.ч,
это столько сколько смогут выработать все наши
электростанции за 35 лет. На сегодня только
атомная энергетика
способна резко и за короткий срок ослабить
явление парникового эффекта. Актуальной
проблемой является безопасность АЭС. 2000 год стал
началом перехода принципиально новые подходы к
нормированию и обеспечению радиационной
безопасности АЭС.
За 40 лет развития атомной энергетики в мире
построено около 400 энергоблоков в 26 странах мира.
Основными преимуществами атомной энергетики
являются высокая конечная рентабельность и
отсутствие выбросов в атмосферу продуктов
сгорания, основными недостатками является
потенциальная опасность радиоактивного
заражения окружающей среды продуктами деления
ядерного топлива при аварии и проблема
переработки использованного ядерного топлива.
Нетрадиционная (альтернативная энергетика)
1. Солнечная энергетика . Это использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой.
Преимущества солнечной энергии:
– Общедоступность и неисчерпаемость
источника;
– Теоретически, полная безопасность для
окружающей среды.
Недостатки солнечной энергии:
– Поток солнечной энергии на поверхности
Земли сильно зависит от широты и климата;
– Солнечная электростанция не работает ночью и
недостаточно эффективно работает в утренних и
вечерних сумерках;
Фотоэлементы содержат ядовитые вещества,
например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а
их производство потребляет массу других опасных
веществ.
2. Ветроэнергетика . Это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра - кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Так как энергия ветра является следствием деятельности солнца, то её относят к возобновляемым видам энергии.
Перспективы ветроэнергетики.
Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2007 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 94,1 гигаватта, увеличившись впятеро с 2000 год. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии. Прибрежная ферма ветроэнергетических установок Миддельгрюнден, около Копенгагена, Дания. На момент постройки она была крупнейшей в мире.
Возможности реализации ветроэнергетики в России. В России возможности ветроэнергетики до настоящего времени остаются практически не реализованными. Консервативное отношение к перспективному развитию топливно-энергетического комплекса практически тормозит эффективное внедрение ветроэнергетики, особенно в Северных районах России, а также в степной зоне Южного Федерального Округа, и в частности в Волгоградской области.
3. Термоядерная энергетика. Солнце - природный термоядерный реактор. Ещё более интересной, хотя и относительно отдалённой перспективой выглядит использование энергии ядерного синтеза. Термоядерные реакторы, по расчётам, будут потреблять меньше топлива на единицу энергии, и как само это топливо (дейтерий, литий, гелий-3), так и продукты их синтеза нерадиоактивны и, следовательно, экологически безопасны.
Перспективы термоядерной энергетики. Данная область энергетики имеет огромный потенциал, в настоящее время в рамках проекта "ITER", в котором участвуют Европа, Китай, Россия, США, Южная Корея и Япония во Франции идет строительство крупнейшего термоядерного реактора, целью которого является вывести УТС (Управляемый термоядерный синтез) на новый уровень. Строительство планируется завершить в 2010 году.
4. Биотопливо, биогаз. Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель) и газообразное (биогаз, водород).
Виды биотоплива:
– Биометанол
– Биоэтанол
– Биобутанол
– Диметиловый эфир
– Биодизель
– Биогаз
– Водород
На данный момент самые развитые – биодизель и водород.
5. Геотермальная энергия. Под вулканическими островами Японии скрыты огромные количества геотермальной энергии, этой энергией можно воспользоваться извлекая горячую воду и пар. Преимущество: выделяет примерно в 20 раз меньше углекислого газа при производстве электричества, что снижает ее влияние на глобальную окружающую среду.
6. Энергия волн, приливов и отливов. В Японии важнейший источник энергии волновые турбины, которые преобразуют вертикальное движение океанских волн в давление воздуха вращающего турбины электрогенераторов. На побережье Японии установлено большое количество буев, использующих энергию приливов и отливов. Так используют энергию океана для обеспечения безопасности океанского транспорта.
Огромный потенциал энергии Солнца мог бы теоритически обеспечить все мировые потребности энергетики. Но КПД преобразования тепла в электроэнергию всего 10%. Это ограничивает возможности Солнечной энергетики. Принципиальные трудности возникают и при анализе возможностей создания генераторов большой мощности, использующих энергию ветра, приливы и отливы, геотермальную энергию, биогаз, растительное топливо и т.д. Всё это приводит к выводу об ограниченности возможностей рассмотренных так называемых «воспроизводимых» и относительно экологически чистых ресурсов энергетики, по крайней мере, в относительно близком будущем. Хотя эффект от их использования при решении отдельных частных проблем энергообеспечения может быть уже сейчас весьма впечатляющим.
Конечно, существует оптимизм по поводу возможностей термоядерной энергии и других эффективных способов получения энергии, интенсивно исследуемых наукой, но при современных масштабах энергопроизводства. При практическом освоении этих возможных источников потребуется несколько десятков лет из-за высокой капиталоёмкости и соответствующей инерционности в реализации проектов.
Исследовательские работы обучающихся:
1. Спецрепортаж «Зеленая энергия» для будущего: «Японии является мировым лидером по производству солнечной электроэнергии. 90% солнечной энергии, производимой в Японии, вырабатывается солнечными панелями в обычных домах. Японское правительство поставило цель в 2010 году получить примерно 4,8 млн. кВт энергии от солнечных батарей. Производство электроэнергии из биомассы в Японии. Из кухонных отходов выделяют газ метан. На этом газе работает двигатель, который генерирует электричество, также создаются благоприятные условия для защиты окружающей среды.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Основы современной энергетики
Энергемтика - область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной, энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:
Получение и концентрация энергетических ресурсов, примером может послужить добыча, переработка и обогащение ядерного топлива;
Передача ресурсов к энергетическим установкам, например доставка мазута на тепловую электростанцию;
Преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную, например химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию;
Передача вторичной энергии потребителям, например по линиям электропередачи.
Современная энергетика. Проблемы и перспективы.
В чем проблемы современной энергетики? Каковы пути и перспективы ее развития? Во времена Советского союза ответ на эти вопросы был бы однозначным и не подлежащим обсуждению: “Догнать, перегнать и оставить далеко позади государство-соперника (например, США, а тем самым и весь мир) по производству и потреблению энергии”. Такой позиции правительство придерживалось и в промышленности, где оно в отличие от гонки вооружений, преуспело, и Союз действительно далеко обогнал США и весь мир в тяжелой промышленности. Теперь мы видим перед собой результат такой политики - Россию, такую, какая она есть сейчас: с бедным народом и разрушенной экономикой. Посмотрим, к чему привели подобные действия в энергетике. Специалисты подсчитали, что в США потребление энергии в 6 раз превосходит среднемировой уровень и в 30 раз - уровень развивающихся стран. Чтобы подтянуться к уровню хотя бы современных Соединенных Штатов, этим странам нужно каждые несколько лет удваивать производство и потребление энергии, тем более что население этих стран стремительно растет, и для их индустриализации, для переселения новых и новых миллиардов латиноамериканцев, африканцев, арабов, индийцев, китайцев, индонезийцев и т.д. из хижин в благоустроенные жилища рост потребности энергии составляет 6-9% в год!
А теперь обратим внимание на информацию, которую предлагают нам ученые:
1. Если бы развивающиеся страны сумели добиться роста потребления минеральных ресурсов до уровня Соединенных Штатов, то разведанные запасы нефти истощились бы через 7 лет, природного газа - через 5 лет, угля - через 18 лет. Если учесть еще и потенциальные запасы, до которых пока не добрались геологи, то природного газа должно хватить на 72 года, нефти в обычных скважинах на 60 лет, а в сланцах и песках, откуда ее чрезвычайно трудно и дорого выкачивать, - на 660 лет, угля на 350 лет.
2. Предположим, что на нужды энергии можно использовать, как нефть, всю массу нашей планеты. Если скорость увеличения потребления энергии останется такой же, как сегодня, это “горючее” будет сожжено целиком всего за 342 года.
Допустим далее, что мы располагаем запасами горючего, скажем, на миллион лет. Если мы станем увеличивать размеры его потребления всего на 2% в год (а это - приблизительный темп роста мирового народонаселения), то запасов хватит на 501 год.
3. При современных темпах развития техники производство энергии на Земле через 240 лет превысит количество солнечной энергии, падающей на нашу планету, через 800 лет - всю энергию, выделяемую солнцем, а через 1300 лет - полное излучение всей нашей галактики.
Однако, главная проблема современной энергетики - не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка: еще задолго до того, как будут использованы все мыслимые ресурсы, разразиться экологическая катастрофа, которая превратит Землю в планету, совершенно не приспособленную для жизни человека.
Энергия будущего: Cолнце, воздух и вода - наши лучшие друзья.
Нефть дорожает, и перспектива ее как источника энергии в будущем весьма неопределенна. Пять новых методов добычи энергии - от волновых электростанций, способных отнимать энергию у морских волн, до бактерий, выделяющих электричество из сточных вод, - могут вдохнуть новые силы в наш старый мир.
Представьте себе, что вы месяцами катаетесь на машине, не доливая в бак бензина, обеспечиваете дом энергией океанских волн или подключаете ваш ноутбук к розетке прямо на пиджаке. Впрочем, глядя на ценник на бензоколонке (18 рублей за литр 95-го), можно подумать, что эта энергетическая утопия - совсем уж далекая сказка. С другой стороны, нынешняя мрачная ситуация в энергетике имеет и утешительную сторону. Растущие цены, общая тревога и озабоченность, новая политика правительства - все это, хочешь не хочешь, подталкивает нас к новым усилиям, направленным на обновление всей энергосистемы. Для полномасштабного внедрения некоторых из этих идей потребуются годы и годы. Другие прямо сейчас можно брать на вооружение. Доживем ли мы когда-нибудь до эпохи с бездонными источниками энергии? Строго говоря, вряд ли. Запасы нефти на Земле безусловно ограниченны. Даже водород, которым питается ядерная реакция на Солнце, и тот - увы! - когда-нибудь закончится. До этого страшного мига осталось всего-то миллиардов пять лет. Если не брать в расчет шансов на неожиданный прорыв в технологиях ядерного синтеза, никакой другой источник не обещает в мановение ока решить все наши проблемы. Скорее, энергетические запросы человечества будут удовлетворяться путем объединения различных передовых технологий. В этом союзе сыграют свою роль энергия солнца, ветра, морских волн и другие альтернативные источники. Промышленность как потребитель тоже сделает шаг навстречу - современная технология успешно учится делать больше, потребляя меньше. Очерченные в этой статье пять генеральных идей должны облегчить бремя, которое человечество возлагает на ископаемые виды горючего. Каждая из этих идей подошла вплотную к этапу внедрения, а вместе они должны вымостить дорогу для дальнейших прорывов в производстве и энергосбережении. Не надейтесь, что завтра мы проснемся в новом мире, но сейчас, когда эти проблемы привлекают все более пристальное внимание со стороны ученых, промышленности и потребителей, темпы прогресса растут не по дням, а по часам. В конце концов, смиримся с тем, что запасы всех энергоресурсов ограниченны, зато безграничной остается способность человека порождать новые идеи.
Перспективными считаются реакторы на быстрых нейтронах. Они работают без замедлителя, но требуют несколько иного топлива - произведенного в обычных (тепловых) реакторах плутония. Главное их достоинство с точки зрения энергетики - способность в процессе работы не только производить электроэнергию, но и утилизировать непригодный в качестве ядерного горючего уран-238 для получения новых порций плутония. Фактически появляется возможность организовать так называемый «замкнутый топливный цикл». Впрочем, пока природный уран сравнительно дешев и доступен, эти технологии мало привлекают инвесторов, и за редким исключением реакторы на быстрых нейтронах - это просто реакторы для производства плутония и потенциальные установки для сжигания ядерных отходов. энергия хозяйственный экономический
Человек использует энергию атомного ядра уже 50 лет. Это до сих пор гораздо сложнее, чем топить печку углем или сжигать бензин в двигателе внутреннего сгорания. Начинка ядерных электростанций сделана из того же материала, что и атомная бомба, и все эти годы нас не покидает интуитивное ощущение тревоги и недоверия.
Возможно, еще лет через сто, когда подойдут к концу обычные источники энергии, а возобновляемой замены им так и не найдется, у человечества не будет иного выбора, кроме ядерной энергетики. И будучи реалистом, генеральный директор МАГАТЭ Мохаммед эль Барадеи, выступая в июне 2004 года на конференции в Москве, осторожно сказал так: «сейчас, когда атомная энергетика отмечает свое 50-летие, ее будущее - хоть оно, возможно, и становится многообещающим - все же остается неопределенным».
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Энергетика как совокупность естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Структура энергетики современной России, ее элементы и значение, перспективы развития.
презентация , добавлен 07.10.2013
Основы энергосбережения, энергетические ресурсы, выработка, преобразование, передача и использование различных видов энергии. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Структура производства и потребления электрической энергии.
реферат , добавлен 16.09.2010
История развития энергетики как науки, общая и вторичная энергетика, понятие "энергия", пути решения энергетических проблем. Электроэнергетика как самостоятельная отрасль. Технологии, используемые в процессе получения, передачи и использования энергии.
курсовая работа , добавлен 03.02.2012
Генерация электроэнергии как ее производство посредством преобразования из других видов энергии, с помощью специальных технических устройств. Отличительные признаки, приемы и эффективность промышленной и альтернативной энергетики. Типы электростанций.
презентация , добавлен 11.11.2013
Изучение мирового топливно-энергетического баланса, определение потенциальных энергоресурсов Земли. Анализ создания комфортных условий жизнедеятельности человека посредством преобразования разных видов энергии. Обзор основных свойств систем энергетики.
реферат , добавлен 03.02.2012
Описания отрасли энергетики, занимающейся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. Обзор работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным реактором. Вклад ядерной энергетики Украины в общую выработку.
реферат , добавлен 28.10.2013
Проблемы современной российской энергетики, перспективы использование возобновляемых источников энергии и местных видов топлива. Развитие в России рынка биотоплива. Главные преимущества использования биоресурсов на территории Свердловской области.
контрольная работа , добавлен 01.08.2012
Характеристика видов и классификации топливно-энергетических ресурсов или совокупности всех природных и преобразованных видов топлива и энергии. Вторичные топливно-энергетические ресурсы - горючие, тепловые и энергоресурсы избыточного давления (напора).
контрольная работа , добавлен 31.01.2015
Обзор развития современной энергетики и ее проблемы. Общая характеристика альтернативных источников получения энергии, возможности их применения, достоинства и недостатки. Разработки, применяемые в настоящее время для нетрадиционного получения энергии.
реферат , добавлен 29.03.2011
Типовые источники энергии. Проблемы современной энергетики. "Чистота" получаемой, производимой энергии как преимущество альтернативной энергетики. Направления развития альтернативных источников энергии. Водород как источник энергии, способы его получения.
В течение следующих десятилетий ожидается значительное увеличение энергопотребления, связанное с развитием экономики и приростом населения. Это приведет к росту давления на систему энергоснабжения и потребует повышенного внимания к эффективности использования энергии. Это проблемы современной энергетики, которые надо решать прямо сейчас. Доступность энергоресурсов является ключевым фактором для развития экономики и способствует улучшению качества жизни. Как правило, в основе прогнозов энергопотребления лежат такие факторы, как рост мировых экономик и увеличение численности населения, которые выступают в качестве основной движущей силы непрерывного роста энергопотребления. Эти достижения обеспечили возможность роста экономической активности опережающими темпами по отношению к росту энергопотребления.
Например, несмотря на то, что количество автомобилей в Китае за 2000¬2006 гг. увеличилось более чем в 2 раза, один автомобиль там приходится на 40 человек, в то время как в США данный показатель равен одному автомобилю на двух человек. Исходя из этого, можно с уверенностью прогнозировать дальнейший стремительный рост продаж автомобилей и объемов потребления топлива в Китае. Ускоряющиеся темпы потребления в сочетании с большой численностью населения, которая продолжает расти, позволяют сделать вывод о том, что новая волна роста энергопотребления в значительной степени придется на развивающиеся страны.
Человек только начинает осознавать ограниченность ископаемых ресурсов, в условиях необходимости рационального их использования. Нефти с 1960 по 1970 год было израсходовано столько же, сколько за предыдущие 100 лет. К 2030 году доля нефти как энергоносителя сократится до 16 %. Между тем из разведанных и эксплуатируемых скважин извлекалось до недавнего времени всего 30 % нефти. Уголь может снова стать важнейшим источником энергии. Другой альтернативой всё чаще называется - атомная энергия.
Плодами экономического роста пользуется порядка 15 % населения Земли (в основном, страны Запада), а энергетические ресурсы сосредоточены преимущественно в развивающихся странах. США, ЕЭС, Канада, Япония потребляют 1/2 всей мировой энергии, 1/3 удобрений, 2/3 всех металлов, 2/3 деловой древесины. Они же производят более 2/3 мирового валового продукта, обеспечивают 2/3 мировой торговли, выбрасывают 3/4 всех загрязнителей. Вложение энергии на 100 000 человек в Нидерландах составляет 914 пентаджоулей, Германии - 418, Великобритании - 355, Японии - 352, США - 74, в России - только 16. Борьба за обладание энергоресурсами часто кончается военными конфликтами. В современных условиях усилия в этих конфликтах все чаще направляются не на захват территорий противника, а на подавление военно-экономического потенциала - устранение «конкурента» и обеспечение господства победителя на рынках сырья и сбыта. Это мнение особенно актуально для сегодняшней ситуации в мире.
В настоящее время основными источниками энергии являются углеводороды и урановые руды. Их мировые запасы примерно уже известны, и, даже по самым оптимистическим оценкам, вряд ли разведка даст увеличение их объемов в разы. Поскольку известен и уровень потребления этих ресурсов, то уже подсчитан и срок, после которого они будут полностью исчерпаны. Очевидно, что никакой режим экономии невозобновляемых источников энергии не в состоянии исключить того момента в будущем, когда они будут полностью исчерпаны. Ситуация усугубляется при этом еще несколькими факторами.
Во-первых, экспоненциальным ростом промышленного производства. Так, в прошлом столетии совокупный объем промышленного производства в мире увеличивался в среднем каждые 20 лет. Если эта тенденция сохранится в ХХI в., то через 20 лет потребность в энергоресурсах вырастет в 2 раза, через 40 лет - в 4, к концу ХХI в. - в 32, к концу ХХII в. - в 1024 раза. А поскольку даже при сохранении потребления ресурсов на сегодняшнем уровне их хватит не более чем на несколько десятков лет, то прирост промышленности катастрофически ускоряет приближение всемирной ресурсной катастрофы.
В этом отношении переход к термоядерной энергии (возможно, и в более широком смысле - к плазменной энергетике вообще) - единственный из реально известных выходов из грядущего тупика. Но даже если термоядерные реакции в будущем удастся обуздать, останутся нерешенными другие проблемы современной энергетики.
Введение. Энергия - проблемы роста потребления
Энергетический кризис - явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Его причины могут находиться в области логистики, политики или физического дефицита.
Потребление
энергии является обязательным условием существования человечества.
Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо
для удовлетворения потребностей человека, увеличения
продол-жительности и улучшения условий его жизни.
История
цивилизации - история изобретения все новых и новых методов
преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном
итоге увеличения энергопотребления.
Первый
скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился
добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева
своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и
мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением
колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного
производства. К XV
веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и
ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял
приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно
заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за
последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, -
оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн
условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет
в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.
В
современном мире энергетика является основой развития базовых
отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного
производства. Во всех промышленно развитых странах темпы
развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.
В
то же время энергетика - один из источников неблагоприятного
воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на
атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых
частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных
водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких
отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив,
изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).
Несмотря
на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на
окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги
у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов,
когда в руках специалистов оказались многочисленные данные,
свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую
систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом
росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не
привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих,
а в особенности предстоящих изменений климата.
Считается,
что одной из главных причин этого изменения является энергетика.
Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой
деятельности, связанная с производством и потреблением энергии.
Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением
энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого
топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к
выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ.
Такой
упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может
нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не
достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития
уровня потребления энергии, в том числе России. В
действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового
эффекта, ответственность за который, частично лежит на
энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных
причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность,
вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в
системе атмосфера-океан. Корректный анализ проблемы возможен лишь с
учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести
ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в
ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить
жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать
катастрофы глобального потепления.
Современные тенденции развития энергетики
Общепринятая классификация подразделяет источники первичной энергии на коммерческие и некоммерческие .Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и первичное электричество (электроэнергия, произведенная на ядерных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых станциях).
К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека).
Мировая энергетика в целом на протяжении всей индустриальной фазы развития общества основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (около 90% общего потребления энергии). Хотя следует отметить, что существует целая группа стран (экваториальная зона Африки, Юго-Восточная Азия), многочисленное население которых поддерживает свое существование почти исключительно за счет некоммерческих источников энергии.
Различного рода прогнозы потребления энергии, базирующиеся на данных за последние 50-60 лет предполагают, что примерно до 2025 г. ожидается сохранение современного умеренного темпа роста мирового потребления энергии - около 1.5% в год и проявившая себя в последние 20 лет стабилизация мирового душевого потребления на уровне 2.3-2.4 т усл.топл./(чел.-год). После 2030 г. по прогнозу начнется медленное снижение среднемирового уровня душевого потребления энергии к 2100 г. При этом общее потребление энергии обнаруживает явную тенденцию к стабилизации после 2050 г. и даже слабого уменьшения к концу века.
Одним из важнейших факторов, учитывавшихся при разработке прогноза, является обеспеченность ресурсами мировой энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого органического топлива.
В рамках рассматриваемого прогноза, безусловно, относящегося к категории умеренных по абсолютным цифрам потребления энергии, исчерпание разведанных извлекаемых запасов нефти и газа наступит не ранее 2050 г., а с учетом дополнительных извлекаемых ресурсов - после 2100 г. Если принять во внимание, что разведанные извлекаемые запасы угля значительно превосходят запасы нефти и газа, вместе взятые, то можно утверждать, что развитие мировой энергетики по данному сценарию обеспечено в ресурсном отношении более чем на столетие.
Вместе с тем, результаты прогнозов дают значительный разброс, что хорошо видно из подборки некоторых опубликованных данных прогнозов на 2000 г.
Таблица
5.7. Некоторые недавние прогнозы энергопотребления на 2000 г.
(в
скобках - год публикации) и его действительное значение.
| Прогностический центр |
Потребление
первичной энергии, Гт усл.топл./год |
|---|---|
| Институт атомной энергии (1987) | 21.2 |
| Международный институт прикладного системного анализа (IIASA) (1981) | 20.0 |
| Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) (1981) | 18.7 |
| Окриджская национальная лаборатория (ORNL) (1985) | 18.3 |
| Международная комиссия по изменению климата (IPCC) (1992) | 15.9 |
| Лаборатория глобальных проблем энергетики ИБРАЭ РАН-МЭИ (1990) | 14.5 |
| Действительное энергопотребление | 14.3 |
Уменьшение
энергопотребления по отношению к прогнозируемому связаны, прежде
всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от
энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на
повышении эффективности использования энергии и всемерной ее
экономии.
Поводом для этих изменений
стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, стабилизация
запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить
обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от
политической нестабильности в мире.
Современное общество, не решившее эту проблему или, по крайней мере, не предпринимающее усилий для ее решения, не может считаться ни развитым, ни цивилизованным, поскольку совершенно очевидно, что бесконтрольный рост населения ставит непосредственную угрозу существования человека как биологического вида.
Итак, потребление энергии на душу населения в мире обнаруживает явную тенденцию к стабилизации. Следует отметить, что этот процесс начался еще около 25 лет тому назад, т.е. задолго до нынешних спекуляций на глобальном изменении климата. Такое явление в мирное время наблюдается впервые с начала индустриальной эпохи и связано с массовым переходом стран мира в новую, постиндустриальную стадию развития, в которой потребление энергии на душу населения остается постоянным. Указанный факт имеет весьма важное значение, поскольку в результате и величина общего потребления энергии в мире растет гораздо более медленными темпами. Можно утверждать, что серьезное замедление темпов роста энергопотребления оказалось полной неожиданностью для многих прогнозистов.
Кризис топливных ресурсов
В
начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками:
«Энергетический кризис!», «Надолго ли хватит
органического топлива?», «Конец нефтяного века!»,
«Энергетический хаос». Этой теме до сих пор большое
внимание уделяют все средства массовой информации - печать,
радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо
человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного
развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто
расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы
современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и
развивать новые способы её преобразования.
Прогнозов
о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на
улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся
прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных
оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого
временного интервала, каким являются 40-50 лет.
Человек
всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством
энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника
дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах.
Но, как показывает историческое развитие, обязательно будут
появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству
сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям ещё
более быстрыми шагами.
Тем
не менее, пока проблема истощения энергетических ресурсов остается.
Ресурсы, которыми обладает Земля, делятся на возобновляемые
и
невозобновляемые
.
К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов,
леса. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля.
Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются
очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость
образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить
довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов различаются более
чем в 50 раз. Если даже принять самое большое это число, то все равно
скорость накопления топлива в недрах Земли в тысячу раз меньше
скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют
невозобновляемыми. Оценка запасов и потребления основных из них
приведена в табл.5.44. В таблице приведены потенциальные ресурсы.
Поэтому при существующих сегодня методах добычи из них можно извлечь
только около половины. Другая половина остается в недрах. Именно
поэтому, часто утверждают, что запасов хватит на 120-160 лет. Большую
тревогу вызывает намечающееся
истощение нефти и газа, которого (по имеющимся оценкам) может
хватить всего на 40-60 лет.
С
углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка - дело
весьма трудоемкое. Так в России, основные запасы угля сосредоточены
на востоке, а основное потребление - в европейской части.
Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным
загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением
почвы.
В
разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но
решение их почти везде было одно - внедрение атомной
энергетики. Запасы уранового сырья тоже ограничены. Однако если
говорить о современных тепловых реакторах усовершенствованного типа,
то для них, вследствие достаточно большой их эффективности, можно
считать запасы урана практически безграничными.
Так
почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов
только органического топлива хватит на сотни лет, а в резерве ещё
ядерное?
Весь
вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно
рассматривать сейчас энергетическую проблему. в недрах земли ещё
много, но их добыча Нефти, газа стоит все дороже и дороже, так как
эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих
пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых,
труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется
вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические
последствия использования органического топлива.
Атомная
энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на
столетия и тысячелетия, а, скорее из-за экономии и сохранения на
будущее нефти и газа, а также из-за возможности уменьшения
экологической нагрузки на биосферу.
Существует
распространенное мнение, что стоимость электроэнергии АЭС значительно
ниже стоимости энергии, вырабатываемой на угольных, а в перспективе -
и газовых электростанциях. Но если подробно рассмотреть весь цикл
атомной энергетики (от добычи сырья до утилизации РАО, включая
расходы на строительство самой АЭС), то эксплуатация АЭС и
обеспечение ее безопасной работы оказываются дороже, чем
строительство и работа станции такой же мощности на традиционных
источниках энергии (табл.5.8 на примере экономики США).
Поэтому
в последнее время все больший акцент делается на энергосберегающих
технологиях и возобновляемых источниках
- таких как солнце, ветер, водная стихия. Например, в
Европейском союзе поставлена цель к 2010-2012 гг. получать 22%
электроэнергии с помощью новых источников. В Германии, например, уже
в 2001 г. энергия, производимая от возобновимых источников, была
равносильна работе
8 атомных реакторов, или 3.5% всей электроэнергии.
Многие
считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Однако, оказывается и
здесь все не так просто. Пока стоимость получения электроэнергии с
применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100
раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты,
занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им
удастся существенно снизить их стоимость.
Точки
зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых
источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в
Англии, проанализировав перспективы освоения таких источников
энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных
технологий пока минимум в два-четыре раза дороже строительства АЭС.
Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже
в недалеком будущем. По-видимому, источники возобновляемой энергии
будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их
эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных
масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества
должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет
настолько дешевого источника, который позволил бы развивать
энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
Сейчас
и на предстоящие десятилетия наиболее экологичным источником
энергии
представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные
редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням
технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и
не освоит какой-либо другой, более удобный источник энергии.
На
рис.5.38 приведен график роста мощности АЭС в мире и производства
электроэнергии за 1971-2006 гг., и прогнозы развития на 2020-30 гг.
Помимо упомянутых выше, несколько развивающихся стран, таких, как
Индонезия, Египет, Иордания и Вьетнам, заявили о возможности создания
АЭС и сделали первые шаги в этом направлении.
Рис.5.38. (наверху ) Рост мощности АЭС и производства электроэнергии за 1971-2006 гг. по данным МАГАТЭ и прогнозы мощности АЭС в Мире на 2020-2030 гг. (внизу )
Экологический кризис энергетики
Основные формы влияния энергетики на окружающую среду состоят в следующем.
- Основной объем энергии человечество пока получает за счет использования невозобновимых ресурсов.
- Загрязнение атмосферы: тепловой эффект, выделение в атмосферу газов и пыли.
- 3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов, выбросы загрязняющих веществ.
- Загрязнение литосферы при транспортировке энергоносителей и захоронении отходов, при производстве энергии.
- Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами окружающей среды.
- Изменение гидрологического режима рек гидроэлектростанциями и как следствие загрязнение на территории водотока.
- Создание электромагнитных полей вокруг линий электропередач.
Согласовать постоянный рост энергопотребления с ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива, можно, по-видимому, двумя способами
- Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70 годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
- Развитие экологически более чистых видов производства энергии. Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, особенно базирующихся на использовании возобновляемых источников. Однако пути реализации данного направления пока не очевидны. Пока возобновимые источники дают не более 20 % общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика.
Экологические проблемы традиционной энергетики
Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). Далее обычно идут гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).
Некоторые пути решения экологических проблем
В ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран.
Существенно уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду позволяют следующие пути и способы использования топлива (базирующиеся в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов):
1. Использование и совершенствование очистных устройств (улавливание твердых выбросов и окислов серы (96 %) и азота (80 %) и получение аммиачной селитры – удобрения и раствора сульфата натрия для химической промышленности).
2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу путем предварительной десульфурации углей (снижения в них содержания серы) и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива до 50 – 70 % серы до момента его сжигания.
3. Экономия электроэнергии – снижение энергоемкости изделий (в США на единицу получаемой продукции расходовалось в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР, в Японии – в 3 раза меньше), снижение металлоемкости продукции, повышение качества и, как следствие, увеличение срока службы.
4. Экономия энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Отказ от использования электроэнергии в качестве источника тепла, так как потери при производстве ее на ТЭС больше на 60 – 65 %, чем при получении тепловой энергии, а на АЭС больше 70 %.
5. Повышение КПД топлива при использовании его вместо ТЭС на ТЭЦ за счет приближения объектов получения энергии к потребителю и снижения теплового загрязнения водной среды при использовании на ТЭЦ тепла, улавливаемого охлаждающими агентами. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (когенерирование) непосредственно в зданиях.
Экономическая эффективность освоения энергосберегающих технологий в широких масштабах становится существенной при уровне энергопотребления примерно 10 кВт на одного человека. В России сейчас этот показатель держится на уровне примерно 2 кВт, причем в структуре энергопотребления довлеет промышленная составляющая.
Для примера: если в США на непромышленную сферу (бытовую, социально-культурную и т.п.) приходится более 50 % энергопотребле-ния, то в России - не более 25 %.
2.14.1. Альтернативные источники получения энергии
Основные проблемы современных источников энергии – исчерпаемость и загрязнение среды. Альтернативными источниками являются энергия Солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и др. источников. Хотя использование невозобновимых энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьезные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы природы. Не потому, что они меньше (они намного больше), а потому, что их колоссальная энергия непостоянна, распределена на больших пространствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю.
2.14.2. Энергия Солнца
Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые сможет использовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассивной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеют очень большую перспективу.
Однако больший интерес проявляют к способам концентрирования солнечной энергии и ее прямому преобразованию в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигла 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт.
Энергию солнца можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредованно (через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, обусловленные влияниями солнца.
1. Солнце как источник тепловой энергии.
Использование солнечного тепла – наиболее простой и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжения расходуется около 25 % производимой в стране энергии. В северных странах, в том числе и в России, эта доля заметно выше. Между тем значительная доля тепла, необходимого для этих целей, может быть получена посредством улавливания энергии солнечных лучей. Эти возможности тем значительнее, чем больше прямой солнечной радиации поступает на поверхность Земли.
Способы использования:
а) солнечные коллекторы ;
Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного рода солнечных коллекторов.
В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания. Оба блока могут представлять единое целое.
Коллекторы помещаются в прозрачную камеру, которая действует по принципу парника. Имеются также устройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведения, например, потоками воздуха или воды.
б) нагревательные системы пассивного типа;
Еще более просты, чем коллекторы. Циркуляция теплоносителей здесь осуществляется в результате конвекционных токов: нагретый воздух или вода поднимаются вверх, а их место занимают охлажденные теплоносители. Пример: помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хорошими изоляционными свойствами материалов, способных длительно удерживать тепло. Для уменьшения перегрева днем и теплоотдачи ночью используются шторы, жалюзи, козырьки и другие защитные приспособления.
Проблема наиболее рационального использования солнечной энергии решается через правильное проектирование зданий. Некоторое удорожание строительства перекрывается эффектом использования дешевой и чистой энергии.
В США (Калифорния) имеются строения, которые даже при пассивном типе аккумуляции солнечных лучей позволяют экономить до 75 % расходов на энергию, при дополнительных строительных затратах 5 – 10 %.
На Кипре в 90 % коттеджей, многих отелях и многоквартирных домах проблема теплообеспечения и горячего водоснабжения решается за счет солнечных водонагревателей. В других странах целенаправленное использование солнечной энергии пока не велико, но интенсивно увеличивается производство различного рода солнечных коллекторов. В США сейчас действуют тысячи подобных систем, хотя обеспечивают они пока только 0,5 % горячего водоснабжения.
в) устройства для накопления тепла в солнечное время суток в парниках или других сооружениях;
Для этого в помещениях размещают материал с большой поверхностью и хорошей теплоемкостью. Это могут быть камни, крупный песок, вода, щебенка, металл. Днем они накапливают тепло, а ночью постепенно отдают его. Такие устройства широко используются в тепличных хозяйствах юга России, в Казахстане, Средней Азии.
2. Солнце как источник электроэнергии.
Способы использования:
а) фотоэлементы;
В фотоэлементах солнечная энергия индуцируется в электрический ток без дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей.
Основные трудности применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и потребностями в больших территориях для их размещения. Проблема в какой-то мере решаема за счет замены металлических фотопреобразователей энергии эластичными, синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей в космическое пространство.
В тех случаях, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно (калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы).
В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например, сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами. Солнечные станции привлекательны также возможностью быстрого ввода в строй и наращивания их мощности в процессе эксплуатации простым присоединением дополнительных батарей – солнцеприемников.
б) превращение воды в пар , который приводит в движение турбогенераторы;
В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды , состоящие из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего с прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет солевой раствор. Нагретая вода используется для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах.
3. Солнечная энергия как источник для получения водорода из воды путем электролиза.
Водород называют “топливом будущего”. Разложение воды и высвобождение водорода осуществляется в процессе пропускания между электродами электрического тока, полученного на гелеоустановках. Недостатки таких установок пока связаны с невысоким КПД (энергия, содержащаяся в водороде, лишь на 20 % превышает ту, которая затрачена на электролиз воды) и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости для хранения.
Германией рассматриваются проекты получения жидкого водорода, используя избыточные гидроресурсы Канады или размещения солнечных батарей в пустыне Сахара, а затем транспортировки полученного электролизом жидкого водорода в танкерах либо по сети трубопроводов к месту потребления. Особенно перспективно его применение как топлива для летательных аппаратов, автотранспорта и космической техники. Однако есть трудности для реализации проекта: получаемый водород может находиться в жидком состоянии при атмосферном давлении только при температуре -253 °С и при этом он легко испаряется, поэтому особые требования предъявляются к емкостям для хранения – необходимо сооружение контейнеров в виде сосуда Догоара для обеспечения сверхнизких температур и предохранения от быстрого испарения. Кроме того, цена водорода высока, дороже бензина.
4. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу (биотопливо).
В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1 % потока солнечной энергии. Однако эта энергия существенно превышает ту, которую получает человек из различных источников в настоящее время и будет получать в будущем.
Способы использования:
а) прямое сжигание биомассы ;
Это самый простой путь использования энергии фотосинтеза. В отдельных странах, не вступивших на путь промышленного развития, такой метод является основным.
б) переработка биомассы в другие виды топлива ;
Так можно получать биогаз (путем анаэробного – без доступа кислорода брожения) или этиловый спирт (путем аэробного брожения).
Это более оправданный способ. Имеются данные о том, что молочная ферма на 2 тысячи голов способна за счет использования отходов обеспечить биогазом не только само хозяйство, но и приносить ощутимый доход от реализации получаемой энергии. Большие энергетические ресурсы сосредоточены также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах.
Спирт, получаемый из биоресурсов, все более широко используют в двигателях внутреннего сгорания Так, Бразилия с 70-х годов ХХ века значительную часть автотранспорта перевела на спиртовое горючее или на смесь спирта с бензином - бензоспирт. Опыт использования спирта как энергоносителя имеется в США.
Для получения спирта используется разное органическое сырье – сахарный тростник в Бразилии, кукуруза в США, различные зерновые культуры, картофель, древесная масса (опилки) – в других странах. Ограничивающими факторами для использования спирта в качестве энергоносителя являются недостаток земель для получения органической массы и загрязнение среды при производстве спирта (сжигание ископаемого топлива), а также более высокая стоимость (примерно в два раза дороже бензина).
Для России, где большое количество древесины, особенно лиственных пород (береза, осина), практически не используются (не вырубается или остается на лесосеках), весьма перспективным является получение спирта из этой биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. Большие резервы для получения спиртового горючего или тепловой энергии имеются также на базе отходов лесопильных и деревообрабатывающих предприятий.
в) выращивание “энергетических культур” или “энергетических лесов”;
“Энергетические леса” – это фитоценозы, выращиваемые для переработки их биомассы в газ или жидкое горючее. Под “энергетические леса” обычно отводятся земли, на которых по интенсивным технологиям за короткие сроки (5 – 10 лет) выращивается и снимается урожай быстрорастущих видов деревьев (тополя, эвкалипты и другие). В целом же биотопливо можно рассматривать как существенную помощь в решении энергетических проблем в будущем. Основное преимущество этого ресурса – его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.
2.14.3. Ветер как источник энергии
Ветер, как и движущаяся вода, являются наиболее древними источниками энергии. В течение нескольких столетий эти источники использовались как механические на мельницах, пилорамах, в системах подачи воды к местам потребления. Они же используются и для получения электроэнергии, хотя доля ветра в общем объеме производства крайне незначительна (в Дании 3,7 % от общего объема производства электроэнергии).
Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности.
Оправдано использование ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств). Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин, объединенных в одну систему.
В США сооружена ветроэлектростанция на базе объединения большого числа мелких ветротурбин мощностью около 1500 МВт (примерно 1,5 АЭС). Широко ведутся работы по использованию энергии ветра в Канаде, Нидерландах, Дании, Швеции, Германии. Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2-3 раза меньше, чем на ТЭС и АЭС.
Для большинства известных ветрогенераторов расчетная скорость ветра, при которой обеспечивается номинальная мощность, должна составлять 8-14 м/с и по экономическим соображениям должна выдерживаться не менее 2500 часов в год. Такие условия на значительной части территорий РФ отсутствуют.
2.14.4. Использование нетрадиционных гидроресурсов
Гидроресурсы остаются важным потенциальным источником энергии при условии использования более экологичных, чем современные, методов ее получения. Например, крайне недостаточно используются энергоресурсы средних и малых рек (длина от 10 до 200 км). Только в России таких рек имеется более 150 тысяч. В прошлом именно малые и средние реки являлись важнейшим источником получения энергии.
Небольшие плотины на реках не столько нарушают сколько оптимизируют гидрологический режим рек и прилежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обусловленного природопользования, мягкого вмешательства в природные процессы.
Водохранилища, создававшиеся на малых реках, обычно не выходили за пределы русел. Такие водохранилища гасят колебания воды в реках и стабилизируют уровни грунтовых вод под прилежащими пойменными землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и устойчивости как водных, так и пойменных экосистем. Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС.
В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.
2.14.5. Энергетические ресурсы морских, океанических
и термальных вод
Большими энергоресурсами обладают водные массы морей и океанов. К ним относятся энергия приливов и отливов, морских течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля в энергобалансе не будет повышаться.
1. В мире пока действуют три приливно-отливные электростанции. В России возможности приливно-отливной энергии значительны на Белом море. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.
2. В океанических водах для получения энергии можно использовать разность температур на различных глубинах. В теплых течениях, например, в Гольфстриме, они достигают 20 °С. В основе принципа лежит применение жидкостей, кипящих и конденсирующихся при небольших разностях температур.
Теплая вода поверхностных слоев и используется для превращения жидкости в пар, который вращает турбину. Холодные глубинные массы – для конденсации пара в жидкость. Трудности связаны с громоздкостью сооружений и их дороговизной. Установки такого типа находятся пока на стадии испытаний (например, в США).
3. Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются не поверхность в виде гейзеров (например, на Камчатке). Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества.
4. Ведутся также опыты по использованию тепла, содержащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие термальные воды.
Уже в настоящее время отдельные города или предприятия обеспечиваются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии – Рейкъявику. В начале 80-х годов в мире производилось на геотермальных электростанциях около 5000 МВт электроэнергии (примерно 5 АЭС). В России значительные ресурсы геотермальных вод имеются на Камчатке, но используются они пока в небольшом объеме. В бывшем СССР за счет этого вида ресурсов производилось только около 20 МВт электроэнергии.
2.14.6. Термоядерная энергия
Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики.
Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходным элементом для синтеза является водород, конечным – гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния не среду и практически неисчерпаемы. Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно.
Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется.
Ученые пошли по пути поиска возможностей осуществления реакций в среде, не способной к испарению Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле. Установка такого типа получила название ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитным полем), разработана в институте им. Курчатова. Второй путь – использование лазерных лучей, за счет которых обеспечивается получение нужной температуры и в места концентрации которых подается водород.
Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических и экологических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.
ªВопросы для самопроверки
1. Какие новые методы использования топлива позволяют уменьшить воздействие энергетики на ОС?
2. В чем преимущества использования солнечной энергии по сравнению с другими видами энергии?
3. Назовите способы использования солнца как источника тепловой и электроэнергии.
4. Каковы перспективы применения жидкого водорода в энергетике?
5. Что такое биотопливо, как его получают?
6. Что такое “энергетический лес” ?
7. Какие проблемы препятствуют широкому использованию ветра как источника энергии?
8. Сравните воздействие на ОС малых и крупных ГЭС.
9. В чем заключается отрицательное влияние приливно–отливных ГЭС на экосистемы?
10. Каков принцип получения энергии за счет градиентов температур в океане?
11. Каковы условия протекания реакции термоядерного синтеза и какие сложности с этим связаны в настоящее время?
