Цивилизация в поисках идеальной энергетики будущего

Концепции современного естествознания

«Цивилизация  в поисках идеальной  энергетики будущего»

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

 
 

      Ученые  предупреждают о возможном исчерпании известных и доступных для использования запасов нефти и газа, об истощении других важнейших ресурсов: железной и медной руды, никеля, марганца, алюминия, хрома и т.д. За 40 лет после второй мировой войны было использовано столько минерального сырья, сколько за всю предыдущую историю человечества. Конечно, о полном (или абсолютном) исчерпании ресурсов говорить еще рано (по мере расширения поисковых работ достоверные запасы отдельных ресурсов даже возросли), но это слабое утешение.

      Сегодня энергетика мира базируется на невозобновляемых источниках энергии. В качестве главных энергоносителей выступают нефть, газ и уголь. Ближайшие перспективы развития энергетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоносителей и, прежде всего с тем, чтобы попытаться уменьшить долю жидкого топлива. Но можно сказать, что человечество уже сегодня вступило в переходный период - от энергетики, базирующейся на органических природных ресурсах, которые ограничены к энергетике на практически неисчерпаемой основе.

      Большие надежды в мире возлагаются на так называемые альтернативные источники энергии, преимущество которых заключается в их возобновимости и в том, что это экологически чистые источники энергии.

      Истощение ресурсов заставляет вырабатывать ресурсосберегающую политику, широко использовать вторичное сырье. Во многих странах прилагаются огромные усилия для экономии энергии и сырья. Сегодня уже около 1/3 всей массы используемых в мире металлов - алюминия, меди, цинка, свинца и олова - добывается из отходов и вторичного сырья. В ряде стран приняты государственные программы экономии энергии.

      Энергетическая  и сырьевая проблемы становятся все  более острыми в России, хотя ее доля в мировой добыче нефти, газа, в производстве металлов, минеральных  удобрений значительна. Это объясняется, в частности, тем, что наша страна в расчете на единицу национального дохода расходует слишком много топлива, электроэнергии, металла. Металла, например, расходуется в 2,4 раза больше, чем в США. На выплавку 1т. меди расходуется в 3 раза больше энергии, чем в ФРГ. А из вторичных ресурсов производится примерно 1/3 черных и цветных металлов. Тогда как в ФРГ соответствующая доля равна 60%.

      Для решения этих проблем требуются  усилия всех стран.

      Итак, цель данной контрольной работы: рассмотреть одну из глобальных  проблем человечества  - поиск  идеальной энергетики будущего. Исходя из  цели работы,  перед нами были поставлены следующие задачи:

      1. Исследовать проблему поиска идеальных источников энергии.

      2. Изучить энергию  солнца как  альтернативный источник энергии.

      3. Раскрыть понятие и сущность  ветровой энергии.

      4. Рассмотреть биотопливо как идеальный  источник энергии.

 

1. Поиск идеальных источников энергии

 

      В настоящее время большая часть  вырабатываемой электроэнергии и тепла  в мире происходит за счет использования угля, гидроэнергии, атомной энергии, газа и нефти. Однако, как известно, ресурсы на нашей планете истощимы. Новые месторождения углеводородов еще, конечно, открывают, но они не столь богаты, как уже существующие. Как сообщается в ежегодном отчете компании BP, запасов нефти при современных темпах добычи хватит на 40 лет, природного газа на 60, каменного угля на 200 с небольшим лет. Энергопотребление же в мире только растет, а значит, запасов останется на еще меньший срок, несмотря на внедрение новых технологий добычи ресурсов. Более того, уже сейчас многие страны испытывают нехватку углеводородов. Что же делать, когда час «икс» настанет? Готово ли к этому человечество? Как будем жить мы с вами всего через несколько десятков лет?

      Итак, первой закончится нефть, потом газ. В России, например, газификация страны до сих пор не завершена. Да и стоит ли ее завершать, тянуть трубопроводы, когда следующим поколениям уже нечего будет по ним поставлять? ТЭЦ же, работающие на угле, считаются неэкологичными, и строить их, когда во всем мире пытаются сократить вредные выбросы в атмосферу, – нецелесообразно. Даже Китай, так активно внедряющий угольные электростанции в последнее время, заявил о своем намерении снизить выбросы CO2 и переходить на другие энерготехнологии.

      И может, это и к лучшему, что  век углеводородов подходит к  концу? Лучшие умы человечества будут  заняты поиском новых идей, разработкой  новейших технологий, малозатратных, эффективных  и чистых, в общем, тех, которые  можно было бы назвать идеальной энергетикой. Как бы там ни было, обратить взгляд к другим источникам энергии стоит уже сейчас.

      Атомная и гидроэнергетика считаются  наиболее экологичными из традиционных видов энергетики. Оба вида станций  не выбрасывают в атмосферу вредных  веществ. Однако строительство и АЭС, и ГЭС – долгое и весьма затратное дело, к тому же, как показывает недавняя трагедия, связанное с риском техногенных катастроф. Кроме того, с АЭС связаны проблемы захоронения ядерных отходов и утилизации старого оборудования. А проблемы ГЭС заключаются в затоплении больших площадей и в некоторых случаях в зависимости от количества вырабатываемого электричества от количества воды, имевшейся в водохранилище. К гидроэнергетике относятся также волновые и приливные электростанции (ПЭС). Недостатками последних являются высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность.

      Перспективными  на сегодняшний день являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Они считаются  экологически чистыми, плюс используемые для производства тепла и электричества солнце, ветер и тепло земли – неисчерпаемые ресурсы. Чем не идеальная энергетика? Однако на сегодняшний день доля альтернативной энергетики в мире не превышает 1%, кроме того, и у этих видов энергии есть свои проблемы.

      Потенциал использования энергии ветра в сто с лишним раз превосходит потенциал энергии всех рек в мире. Но вместе с тем мощность ветровых потоков непостоянна. А иногда ветра может не быть совсем. Таким образом, выработка ветровой энергии имеет большую неравномерность уже в суточном разрезе, а введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует дестабилизации последней. Выходом из такой ситуации несомненно является увеличение ветропарков и строительство их в местах, где ветер обладает изрядным постоянством. Почти фантастическим решением является строительство плавающих ветряных турбин. 5 июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт.

      Солнечная энергетика тоже имеет свои проблемы. Строительство гелиостанций предусматривает использование больших площадей земли, хотя надо заметить, что строительство гидростанции аналогичной мощности потребует вывода из пользования гораздо большие участки земли. Решением этой проблемы являются установка солнечных панелей на высоте до 2,5 м и использование земель под электростанцией для, например, выращивания сельскохозяйственных культур. Кроме того, большие площади фотопанелей и зеркал требуют ухода – их поверхность необходимо очищать от пыли. Эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться спустя 30 лет эксплуатации, а в отработавших фотоэлементах содержатся вещества, которые необходимо утилизировать.

      Геотермальная энергетика может широко применяться в вулканических зонах, например, на нашей Камчатке. Этот вид энергии почти неиссякаем и полностью независим от условий окружающей среды, его можно использовать как для теплоснабжения, водонагрева, так и для выработки электричества. Недостатком же является высокое содержание солей токсичных металлов и химических соединений, а потому отработанную воду нельзя сбрасывать в поверхностные водные системы, а необходимо обратно закачивать в подземный водоносный горизонт.

      Что касается биотоплива, то вряд ли его  можно отнести не то чтобы к идеальной энергетике, но и к альтернативной – слишком много негативных факторов пока с ним связано. Во-первых, посевные площади под продовольственные культуры перераспределяются в пользу топливных, из-за чего, по расчетам экономистов Университета Миннесоты, число голодающих на планете к 2025 году вырастет до 1,2 млрд. человек. Во-вторых, под поля вырубаются леса, нанося урон экологии.

      На  сегодняшний день альтернативная энергия  пока дороже традиционной. Однако уже  были случаи, когда все оказывалось наоборот. Например, в 2005 году в США из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости обычной электроэнергии. И чем больше возобновляемая энергетика будет развиваться, тем дешевле будет в дальнейшем энергия.

      Итак, идеальная энергетика должна быть эффективной, малозатратной, чистой. Что говорить, до этого человечеству еще далеко. Но мы уже делаем первые шаги к этому. Например, покупая энергосберегающие лампочки, поддерживаем новые технологии и прогресс.

      Итак, ниже мы подробно рассмотрим альтернативные источники энергии. Их преимущество заключается в возобновимости энергетических ресурсов. К таким источникам можно отнести:

  • энергию солнца,
  • энергию ветра,
  • энергию приливов,
  • глубинное тепло Земли,
  • топливо из биомассы.

 

2. Солнечная  энергия

 

      Часто говорят, что новое - хорошо забытое  старое. Как ни странно, к солнечной  тепловой энергии эти слова тоже относятся. Раскопки археологов показали, что в стенах бань и некоторых  других построек Древнего Рима были проложены каналы, по которым проходил теплый воздух от нагреваемой солнечным излучением части зданий и создавал комфортную температуру во всех помещениях.1

      Хотя  многие из нас этого и не подозревают, способ получения электроэнергии из солнечного света известен более ста лет. Явление фотоэлектричества впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Проводя серию экспериментов по электричеству, он погрузил 2 металлических электрода в проводящий раствор и подвергал установку воздействию солнечного света. Между электродами возникло небольшое электрическое напряжение. Появление в начале 50-х годов солнечных элементов, разработанных в лаборатории Белла, произвело революцию в электронной промышленности. Космическая индустрия была бы без них практически беспомощна. Легкие солнечные генераторы энергии позволили совершенно по-иному подойти к проблеме создания искусственных спутников Земли. Кроме того, солнечная энергия может использоваться в солнечных домах. 2

      Солнечные установки могут быть предназначены  для отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Солнечные энергетические установки способны сэкономить дорогостоящее минеральное топливо, благодаря разумному использованию энергии солнечного излучения.

      Представление о солнечном доме (доме, в котором теплохладоснабжение и горячее водоснабжение, осуществляемое при помощи солнечной энергии) стало широко известно. Наверное, самым идеальным примером такого дома является традиционный японский дом. Что летом, что зимой там всегда вполне приемлемая температура для проживания. Но настоящих солнечных домов, где полностью отработана система отопления и охлаждения, еще сравнительно немного, и сделать их экономически оправданными совсем не просто. Однако очевиден тот факт, что природных запасов нефти и угля на земном шаре не хватит на длительный срок и дальнейшая техническая программа неразрывно связана с необходимостью экономии энергии.3

      В конце 80-х годов наиболее распространенными  предметами личного обихода, в которых  использовалась солнечная энергия, были "солнечные кухни". Даже существовали специальные портативные солнечные кухни, которые можно было брать с собой в морское путешествие или в экскурсию в горы (производили Франция, Швейцария). В это же время в Японии были созданы электрические панели, солнечные фотоаппараты, радиоприемники, портативные солнечные батареи, "солнечные светильники.

      В префектуре Агава, в городе Нои появилась  солнечная тепловая электростанция, производящая электроэнергию.

      Известно, что еще в 1979г. легкий одноместный  самолет, оснащенный солнечными батареями, который назывался "Солар Челленджер" и был изготовлен в США, благополучно пересек морской пролив между Францией и Англией, Кроме того, на электрическом автомобиле с солнечными батареями был совершен автопробег через весь материк Австралии. 4

 

3. Ветровая  энергия

 
 

      Впервые энергия ветра была использована, по-видимому, для передвижения парусных судов, а позднее - для подъема  воды и размола зерна. Считается, что в Китае, Японии и Тибете первые ветряные двигатели были построены  более 2 тысяч лет назад. Древние вавилоняне использовали их для осушения болот. В Египте и на Ближнем Востоке строили ветряные водоподъемники и мельницы.5

      Но  толком ветряной энергией стали заниматься гораздо позже. В России этот вид  энергии стал объектом для исследований только после революции. В связи с началом электрификации сельского хозяйства была организована работа по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). Уже в 1930г. была спроектирована, а в 1931г. сооружена в Крыму первая в мире ВЭС Д30 мощностью 100кВт. Станция проработала до 1942г. и давала энергию в электрическую сеть Севастопольэнерго. А в 1956г. было произведено более 9 тысяч ветродвигателей.

      За  рубежом наиболее широкое применение ветроустановки нашли в Австралии, Новой Зеландии, Латинской Америке, Греции и др.6

      Ветер - 1 из наиболее мощных энергетических источников, который при благоприятных  условиях может быть широко использован  в народном хозяйстве. Он возникает  вследствие постоянной циркуляции перемещения  воздушных масс в атмосфере, вызванной неравномерным нагревом солнцем земной поверхности.

      Ветер - даровой энергетический источник. Поэтому у некоторых еще бытует мнение, что и энергия, полученная с помощью ветродвигателей тоже практически "дешевая". Особенность  ветра как энергетического источника заключается в его непостоянстве, большой изменчивости скорости, а отсюда и энергии (в силу ряда метеорологических факторов (возмущение атмосферы, изменение солнечной активности и количество тепловой энергии, поступающей на землю), а также из-за влияния рельефных условий в данной местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону).7

      Несмотря  на несколько большие капитальные  вложения ветроустановки экономичнее  тепловых установок вследствие низкой эксплуатации расходов (затраты на них меньше в 6 раз). Отсюда затраты окупаются за 1-1,5 года. Кроме того, срок службы ветроагрегатов (относительно тихоходных машин) значительно больше, чем у тепловых двигателей. Поэтому удельные затраты метала на единицу выработки за весь срок службы, а также амортизационные отчисления у них меньше.

      Развитие  ветроэнергетики путем строительства  ВЭС зависит от того, как быстро удастся снизить стоимость и  металлоемкость двигателей, повысить их надежность. Для этого применяются  железобетонные опоры, неметаллические лопасти, легированная сталь и легкие сплавы. Чтобы ВЭС стали выгоднее конкурирующих установок капиталовложения в их строительство нужно снизить на 25-30%.

      Большое государственное значение имеет  экономия минерального топлива и  охрана окружающей среды от загрязнений.

      В числе причин, обусловивших стремление к расширению использования энергии  ветра:

  • быстрый рост потребности в энергии при ограниченных запасах жидкого и твердо топлива и потенциальных гидроэнергетических ресурсов;
  • резкое повышение цен на минеральное топливо;
  • большие капиталовложения при сооружении тепловых и гидравлических электростанций (возрастают с учетом затрат на передачу энергии, которые весьма значительны потому, что приходиться обеспечивать энергией все более удаленные от линий передач, рассредоточенные и менее мощные потребителей);
  • расширение возможностей использования угля, нефти и газа (в химической промышленности для получения синтетических материалов);
  • значительные достижения в области аэродинамики и механики, самолетостроения и химии, электротехники и др. позволяют создать более совершенные и экономичные ветроагрегаты.

      Наиболее  широко ветроустановки могут применяться  в сельском хозяйстве для зарядки  аккумуляторных батарей, опреснения минерализованных вод, откачки воды для питьевых нужд, аэрации водоемов.

      Кроме того, электрические ветроустановки малой мощности, наряду с зарядкой аккумуляторов, могут питать энергией маяки и бакены, защищать от коррозии газа - и нефтепроводы. Автономные ВЭС, работающие изолированно, могут использоваться ограниченно и только для питания энергией водоподъемных и мелиоративных установок.

      Установки предохраняют от замерзания в зимнее время поверхность водоемов, используемых для скота. Также существуют районы, где в хозяйствах ветроустановки экономичнее использовать (пустыни, полупустыни, засушливые зоны).8

 

4. Биотопливо

 
 

      Этот  вид энергии имеет большие  преимущества перед другими видами, поскольку он относительно дешевый  и практически безвреден для  окружающей среды. Естественно, что  это не могло остаться незамеченным и многие страны уже активно занимаются исследованиями в этой области:

      Кипр.

      В связи с непрерывным ростом цен  на нефть, на Кипре все активнее обсуждалась  возможность использования в  качестве альтернативы нефти биодизельное или другие разновидности топлива, получаемые из биомассы. Уже к концу 2005г. был подготовлен план поставок такого топлива и частичный перевод на него автомобилей с дизельным двигателем. Его станут получать из кукурузы, сои, хлопка, жмыха, остающегося после отжима масла из оливок. Кроме того, в стране разрабатывается программа, направленная на внедрение электромобилей и "гибридов". Одной из мер должно стать предоставление значительных субсидий (1700 евро->2000$) всем гражданам, желающим приобрести такой автомобиль. 9

      Япония.

      В Токийском технологическом институте недавно запатентован метод преобразования растительного масла в биодизельное топливо с использованием катализаторов, в десятки раз гораздо более дешевых, чем применяемые ныне. Любое растительное масло может служить автомобильным топливом, но для этого входящие в его состав жирные кислоты надо превратить в эфиры. До сих пор необходимые для этого катализаторы оставались очень дорогими.

      Японские  ученые получили пригодный для много  кратного использования катализатор - твердую кислоту из обычного сахара. Теперь, по мнению авторов открытия, наладив промышленный выпуск катализатора, можно будет приступать к массовому производству дизельного топлива из возобновляемого сырья.

      США.

      На  конкурсе экологически чистых транспортных средств "Солнечный тур", прошедший летом 2005г. В штате Нью-Джерси, среди машин на альтернативном топливе победил автомобиль "Вегетарианец", работающий на отходах школьной столовой. Этот автомобиль создали студенты Центральной школы из городка Трентон (штат Нью-Джерси). Точнее они переоборудовали старенький "Фольксваген Гольф" 1985г. Выпуска, приспособив его двигатель к работе на биодизельном топливе собственного рецепта и изготовления. Как выяснилось, технология производства биотоплива, разработанная студентами, безопасна для окружающей среды и безотходна. Даже для перемешивания использованного кукурузного масла из студенческой столовой со щелочью, метанолом и этанолом они приспособили смеситель из солнечной энергии. А из выделенного в процессе производства топлива глицерина получали мыло, которое нашло применение тут же, в студенческом гараже. Как уверяют разработчики, на создание альтернативного авто они затратили меньше 1000 $, включая покупку старого "Гольфа". "Аппетит" же у "Вегетарианца" скромный - около 5,5л. на 100км., что помимо вполне безобидного выхлопа позволяет рассчитывать и на быструю окупаемость затрат.

      Все больше американцев предпочитают следовать  примеру этих студентов. Небольшие  компании уже продают примерно за 800 $ конверсионные комплекты, позволяющие автомобили с дизельным двигателем заправлять обычным растительным маслом. Многие американцы договариваются с расположенными поблизости кафе или ресторанами и забирают у них использованное масло. Во многих ресторанах использованное масло охотно отдают бесплатно, считая этот "симбиоз" весьма выгодным (иначе пришлось бы платить примерно 50 $ в месяц на утилизацию). Правда необходимо лишь изредка заправляться стандартным дизтопливом (оно нужно для запуска холодного двигателя и первых нескольких километров пробега).

      С 2005г. В стране стремительно формируется  рынок альтернативного автомобильного топлива, и в США уже появились  компании, которые оптом скупают  в ресторанах отработанное масло  и продают его автомобилистам, по цене 20-25 центов за литр, что, впрочем, в два с лишним раза дешевле обычного топлива.10

      Россия.

      В Белгородской области весной 2005 г. прошли первые испытания тепловоза с дизельным двигателем, адаптированным и работающем на рапсовом масле. Уже в 2006г., все тепловозы, приписанные к местной железной дороге, рассчитывают перевести на топливо из рапса. 11

      Большие надежды за рубежом возлагают  на получение энергии из биомассы, содержащей различные сахара, путем  ее сбраживания с получением спирта (этанола). В Бразилии разработана  национальная программа использования этанола, полученного из сахарного тростника, для замены почти четверти потребляемого в стране бензина. Уже сегодня около 10% продаваемого там бензина содержит 10% -ную добавку этанола, что заметно снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах.

      Масштабная  программа замены бензина этанолом, получаемым при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур, осуществляется и в США. На долю так  называемого газохола (смеси бензина  с этанолом) уже приходится около 10% топливного рынка страны. Причем, как заключили американские эксперты, если спирта в бензин добавлять не больше 8%, то нет нужды даже в перенастройке карбюраторов или инжекторов.

      Использование спирта в качестве топлива на транспорте получило широкое распространение  во Франции и Швеции.12

 

Заключение

 
 

      Энергия – это движущая сила любого производства. Тот факт, что в распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, в значительной степени способствовало индустриализации и развитию общества. Однако 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.

      Человечество  стоит перед дилеммой: с одной  стороны, без энергии нельзя обеспечить благополучия людей, а с другой –  сохранение существующих темпов ее производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды, серьезному ущербу здоровья человека.

      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.

 

Список литературы

 
 
  1. Байерс  Т. 20 конструкций с солнечными элементами: учебник. - М.: Мир, 1988.
  2. Поедем на биотопливе // Экология и жизнь. - 2006. - 5 (54). - С.63
  3. Пустовалова Л.М. Общая химия: учебник/ Л.М. Пустовалова, И.Е. Никанорова. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2005.
  4. Сюнроку Танака Жилые дома с автономным теплохладоснабжением: учебное пособие / Танака Сюнроку, Суда Рейдзи. - М.: Стройиздат, 1989.
  5. Хлопоты вокруг выхлопов // Экология и жизнь. - 2006. - 2 (51). - С.49-50.
  6. Шефтер И.Я. Использование энергии ветра: учебное пособие. - М.: Энергия, 1975.