Цивилизация на путях поиска идеальной энергетики будущего
Цивилизация
на путях поиска идеальной энергетики
будущего
Новосибирск 2008
Оглавление
- Введение С.3
- Источники энергии в XXI веке С.4
- Альтернативные источники энергии. С.6
- Энергия солнца. С.6
- Ветряная энергия. С.6
- Управляемый термоядерный синтез. С.7
- Гидроэнергия. С.8
- Энергия приливов и отливов. С.8
- Геотермальная энергия. С.9
- Гидротермальная энергия С.10
- Заключение С.11
- Библиографический список С.12
Введение
В современный период энергетика играет важную роль в развитии человечества. Энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. Значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой, и только часть ее превращается в электрическую.
От энергетики также зависит экономический потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом. Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством или с использованием энергии. Так высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, а, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду. Это показывает неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии, так как они экологичны и возобновляемы.
Перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены некоторые видов топлива, которые можно было бы назвать безотходными и неисчерпаемыми.
Источники энергии в XXI веке
В XXI в., по крайней мере в первые его десятилетия, энергопотребление будет расти, а доля различных стран и источников энергии в мировом топливно-энергетическом балансе будет изменяться. Но в долгосрочной перспективе прогнозируется замедление темпов роста энергопотребления, вызванное технологическими, коммерческими, демографическими и ресурсными причинами. Согласно прогнозам, к 2100 г. произойдет почти двукратное увеличение уровня использования энергии до отметки около 22 млрд т у. т.5
Расширение выработки гидро- и геотермальной энергии, увеличение ресурсной базы горючих полезных ископаемых зависит, прежде всего, от технических решений, коммерческих и экологических ограничений. Уровень использования ветровой и солнечной энергии определяется наличием соответствующих природных площадок и технико-экономическими параметрами.
В структуре энергопотребления во второй половине XXI в. снизится доля углеводородных энергоносителей и вновь возрастет роль угля, но уже на базе новых технологических коммерчески эффективных и экологически чистых решений.
Потребление угля в конце XXI столетия достигнет согласно прогнозам, 6,5 млрд т у. т., что составит около 30% всей используемой первичной энергии. С 2040-х годов будет наблюдаться устойчивое возрастание объемов выработки и использования неисчерпаемой и возобновляемой энергии.
Доля гидроэнергии будет возрастать за счет использования потенциала крупных равнинных рек Южной Америки, Азиатско-Тихоокеанского региона, Африки, Сибири, а также в результате расширения строительства ГЭС и совершенствования технологических систем на горных и малых реках во всех регионах мира. При этом роль гидроэнергии будет оставаться незначительной, увеличившись в структуре энергопотребления с 2,7% в 2000 г. до 4% в 2100 г.
Согласно прогнозу Института геологии нефти и газа СО РАН, потребление энергоресурсов в мире к 2030 г. возрастет с 12,0 до 16,7 млрд т у. т. в год. При этом потребление нефти вырастет с 4,9 млрд т у. т. в 2000 г. до 7,1 млрд т у. т. в 2020 г., а в следующие десять лет - снизится до 6,9 млрд т у. т., за счет вытеснения нефтепродуктов из энергетических и транспортных систем сжиженным природным газом и синтетическим угольным топливом.
Потребление газа возрастет с 2,8 млрд т у. т. в 2000 г. до 4,0 млрд т у. т. в 2030 г., потребление угля - с 3,0 млрд т у. т. до 4,0 млрд т у. т. Баланс энергопотребления по энергоносителям в ближайшие 30 лет принципиальных изменений не претерпит. Ожидается, что в первые десятилетия XXI в. роль нефти в мировом топливно-энергетическом балансе будет оставаться определяющей. Прогнозируемый рост потребления газа не приведет к коренной диверсификации энергоносителей, как это случилось в XX веке.
В
связи с ограниченностью
Альтернативные источники энергии.
Энергия Солнца
Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказывать от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на большой территории земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок).
Ведутся
работы по созданию солнечных электростанций,
по использованию солнечной
Ветряная энергия
Потенциал энергии ветра подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной метеорологической организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где постоянно дуют сильные ветры, вносящих тоже свой немаловажный “процент” в мировой энергобаланс.
У энергии ветра есть несколько существенных недостатков. Необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер часто меняет направление. Ветроэнергостанции они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но эти недостатки можно уменьшить и даже устранить.
В настоящее время разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.
Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные “ветряные фермы”. Такие “фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они занимают много места; в Дании “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше.
Управляемый термоядерный синтез.
Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд.
В
настоящее время ведется
Существуют огромные запасы топлива для
термоядерной энергетики. Дейтерий - это
широко распространенный в природе изотоп,
который может добываться из морской воды.
Тритий будет производиться в самом реакторе
из лития. Запасы дейтерия и лития достаточны
для производства энергии в течение многих
тысяч лет и это топливо, как и продукт
реакций синтеза - гелий - не радиоактивны.
Радиоактивность возникает в термоядерном
реакторе из-за активации материалов первой
стенки реактора нейтронами.
Несмотря на большие успехи, достигнутые в этом направлении, термоядерным реакторам предстоит еще пройти большой путь прежде, чем будет построен первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики требует больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная энергетика не будет готова раньше, чем 2020-2040 г.
Но
некоторые исследователи
Гидроэнергия.
Гидроэнергостанции - один из источников энергии, претендующих на экологическую чистоту. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими баснословно дешевую энергию. Но это привело к огромному ущербу для сельского хозяйства и природы вообще: земли выше плотин подтоплялись, ниже - падал уровень грунтовых вод, терялись огромные пространства земли, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, падали рыбные запасы и т.п. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми. Минусы ГЭС породили идею “мини-ГЭС”, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.
Еще
одной очень перспективной
Энергия приливов и отливов.
Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС): накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.
Для сооружения ПЭС даже в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, или даже столетия. И все же процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м.ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и в настоящее время эффективно используется.
Существуют также проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м .
Геотермальная энергия.
Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже применяемый источник “чистой” энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии, Мексики и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников. Но потенциальная мощность геотермальной энергетики намного выше.
Геологи
открыли, что раскаленные до 180-200оС
массивы на глубине 4-6 км занимают большую
часть территории нашей страны, а с температурой
до 100-150С встречаются почти повсеместно.
Кроме того, на нескольких миллионах квадратных
километров располагаются горячие подземные
реки и моря с глубиной залегания до 3.5
км и с температурой воды до 200С - естественно,
под давлением, - так что, пробурив ствол,
можно получить фонтан пара и горячей
воды без всякой электротеплоцентрали.
Гидротермальная энергия.
Активно используется тепло воды. Вода - это всегда хотя бы несколько градусов тепла, а летом она нагревается до 25 С. Почему бы не использовать часть этого тепла? Для этого необходима установка, действующая по принципу “холодильник наоборот”. Известно, что холодильник “выкачивает” из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110С, а затем его можно пускать либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 С. На каждый киловатт-час затрачиваемой на это энергии природа дает 3 киловатт-часа. По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде.
Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур, как, например, в морях: на глубине вода очень холодна - около 4С, а на поверхности нагревается до 25 С, что составляет 20 градусов разницы! Все необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально (например, у атолла Каваратти в Лаккадивском архипелаге около юго-западного побережья Индии), осталось только претворить их в жизнь везде, где имеются подходящие природные условия.
Заключение
Энергия - это движущая сила любого производства. Большое количество относительно дешевой энергии в значительной степени способствовало индустриализации и развитию общества. В настоящее время при огромной численности населения и производство, и потребление энергии становится потенциально опасным. Наряду с локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха и воды, эрозией почвы, существует опасность изменения мирового климата в результате действия парникового эффекта.
Сегодня около половины мирового энергобаланса приходится на долю нефти, около трети - на долю газа и атома (примерно по одной шестой) и около одной пятой - на долю угля. На все остальные источники энергии остается всего несколько процентов. Совершенно очевидно, что без тепловых и атомных электростанций на современном этапе человечество обойтись не в состоянии, и все же по возможности там, где есть, следует внедрять альтернативные источники энергии, чтобы смягчить неизбежный переход от традиционной энергетики к альтернативной.
Первая
половина 20 века ознаменовалась крупнейшей
победой науки - техническим решением
задачи использования громадных
запасов энергии тяжелых
Вторая половина 20 века стала веком термоядерной энергии. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах.
Главной
проблемой современной
В
решении экологической проблемы
должны участвовать все члены
мирового сообщества, так как все
процессы, происходящие на нашей планете
взаимосвязаны. Нарушение элемента
системы природы ведет к
Библиографический список
- Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. М., 1984
- Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. Кн. 3. М., 1985
- Ф. Н. Мильков Общее землеведение
- Б. С. Залогин Океаны
- М. Р. Плоткин Основы промышленного производства
- Д. Массер, «В мире науки», н.1,2008.-с.38-47
- Солнечная
энергетика и солнечные батареи (http://solar-battery.narod.ru
) - Интернет версия журнала «Наука и жизнь»
