Нетрадиционные источники энергии

Содержание: 
 

1.Введение

2.Альтернативная  энергетика-миф или реальность?

3.Потребление  природных ресурсов

4.Энергетическая  проблема

5.Плюсы и минусы  нетрадиционных возобнавляемых  источников энергии

6.Альтернативная  энергетика

7.Подводя итоги

8.Выводы

9.Литература. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

НЕТРАДИЦИОННЫЕ  ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ 
 
 
 

      Не  панацея и не блажь 
 
 

     Сейчас, как никогда остро встал вопрос, о том, каким будет будущее  планеты в энергетическом плане. Что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? В газетах и различных журналах все чаще и чаще встречаются статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства.

     Сейчас  многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в деньгах, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы могут иссякнуть. Что же произойдет тогда, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     В современной системе «человек - окружающая среда» существует созданная длительным историческим развитием подсистема «Человеческое общество- производство - природа». Актуальность изучения проблемы «Человек - среда» связана с тем, что на современной стадии развития человечество переживает эпоху бурного демографического роста, научно-технического и социально-экономического развития. Человек стал мощным, социально-организованным фактором природы, эффективность воздействия которого на окружающую среду и самого человека растет в геометрической прогрессии по мере социально-экономического развития. Современный мир отличается необычайной сложностью и противоречивостью событий, он пронизан противоборствующими тенденциями, полон сложнейших альтернатив, тревог и надежд.

     Конец XX века характеризуется мощным рывком в развитии научно-технического прогресса, ростом социальных противоречий, резким демографическим взрывом, ухудшением состояния окружающей человека природной среды. Поистине наша планета никогда ранее не подвергалась таким физическим и политическим нагрузкам, какие она испытывает на рубеже XX – XXI в. в. Человек раннее никогда не взимал с природы столько дани и не оказывался столь уязвимым перед мощью, которую сам же создал.

     Что же несет нам век грядущий –  новые проблемы или безоблачное будущее? Каким будет человечество через 150, 200 лет? Сможет ли человек своим разумом и волей спасти себя самого и нашу планету от нависших над ней многочисленных угроз? Какое влияние оказывают экологические катастрофы на состояние окружающей среды и здоровье людей? Каковы их действительные и возможные последствия? Эти вопросы, несомненно, волнуют многих людей.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Альтернативная  энергетика – миф  или реальность? 

     Грядет  ли кризис углеводородной энергетики? Альтернатива в виде ядерной энергетики существует давно. Энергию атома, производящуюся на АЭС, вовсю используют на атомных ледоколах, атомных подводных лодках и т.д. Однако ту же энергию можно использовать и для создания ядерного оружия. Да и споры вокруг безопасности и экономической выгодности применения энергии, высвобождающейся при цепной ядерной реакции деления ядер урана, не угасают очень давно. Последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС мы помним.

       ХVIII век был веком просвещения, ХIХ - веком натурализма и честных войн, ХХ-й стал веком войн за энергию, и так как все, возможно, идет по кругу, не станет ли ХХI век началом нового средневековья или и того хуже – не вернет ли человечество к первобытным основам?

        Население земли растет, и к середине нынешнего столетия составит 9 миллиардов человек (для сравнения: сейчас на планете проживает чуть больше 6 миллиардов). И всю эту массу народа необходимо обеспечить комфортными условиями жизни, теплым жилищем, удобными средствами передвижения, образованием, медицинской помощью и т.д. Где взять энергию, необходимую для нормального существования человечества, без снижения материального благосостояния, если углеводородных источников топлива по самым оптимистичным прогнозам осталось на полвека, а по самым удручающим еще лет на 10-15?

        Конечно, альтернатива в виде ядерной энергетики существует давно. Энергию атома, производящуюся на АЭС, вовсю используют на атомных ледоколах, атомных подводных лодках и т.д. Однако ту же энергию можно использовать и для создания ядерного оружия. Да и споры вокруг безопасности и экономической выгодности применения энергии, высвобождающейся при цепной ядерной реакции деления ядер урана, не угасают очень давно. Последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС мы помним.

        Последние десятилетия у людей возник интерес к альтернативной энергетике. Этот острый интерес основывается на идее: если ничего не взять от возобновляемых энергоресурсов (солнце, ветер, биомасса, геотермальная энергия), то если не для нас, то для наших детей, ну для внуков-то уж точно земля превратиться в кошмар, с непрекращающимися войнами за ресурсы, с недоеданием, с дарвинистской борьбой за выживание.

        Сейчас человечество пытается делать ставку на альтернативную энергетику в общем и на энергосберегающие технологии в частности. Сильна и надежда оттянуть энергетический коллапс при помощи альтернативных источников энергии. Разработок в области альтернативной энергетики огромное количество. И все ради энергосбережения и энергоэффективности. Уже в 1957 году Советский Союз вывел на орбиту искусственный спутник на солнечных батареях, что сократило стоимость одного киловатт-часа энергии. В середине восьмидесятых гг. прошлого века в Калифорнии устанавливались уличные фонари, которые в течение дня аккумулировали солнечную энергию, на которой работали в вечерние и ночные часы.

       В девяностые проблема энергосбережения и энергоэффективности встала как никогда остро. Ядерная энергетика еще не исчерпала свой потенциал, но стало очевидно, что ядерная энергетика не способна решить все нужды человечества в дешевой энергии. В странах Европы и США обратились к тщательному изучению проблемы солнечной энергии, общей целью стало увеличение коэффициента полезного действия солнечных элементов и максимальное снижение стоимости этого вида энергии. Как следствие – множество различных разработок, которые, однако, до сих пор не получили массового распространения из-за нерентабельности.  

     Проблема  широкого внедрения разработок в  солнечной энергетике заключается  еще и в том, что на различных  широтах количество поступаемой  солнечной энергии различно. К примеру, на широте Московской области за один июльский теплый день на каждый квадратный метр придется примерно 3 кВт/ час энергии солнца. А сколько у нас в году по-настоящему солнечных дней? То есть солнечные батареи экономически рентабельно внедрять только в самых южных регионах России – в Ставпропольском и Краснодарском краях, в Астраханской области.

     Еще один альтернативный источник энергии  – ветер. Ветряная электростанция –  установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. С одной стороны, постройка и содержание таких ветряных установок довольно дешевы, с другой – эти электростанции маломощны, а в безветренные дни от них и вовсе мало толку. Огромные поля, «засеянные» крутящимися лопастями вентиляторов, возможно, способствуют энергосбережению (ведь электричество производится не от органических источников топлива), но назвать их энергоэффективными тоже пока нельзя.

     Существуют  геотермальные электростанции, работающие на преобразование внутреннего тепла  Земли, перерабатывающие энергию горячих водных источников. Да, энергоэффективность этого источника уступает многим другим, но это нужно учитывать, что это восполняемый источник энергии. Для постройки подобной станции необходимы определенные геологические условия, так что геотермальные электростанции не могут быть повсеместными. Один из серьезных минусов при использовании геотермальных источников в целях получения энергии – возможная просадка грунта и даже землетрясения.

     Автомобили  можно «кормить» не только нефтепродуктами, но и биотопливом, в качестве которого предлагается использовать и куриный жир, и кукурузу, и рапс, и сою, и даже жареную картошку. Первый двигатель Рудольфа Дизеля в конце 19 веке работал отнюдь не на солярке, а на арахисовом масле. Солярку в него начали заливать только после смерти изобретателя – экономически это было более выгодно. Но сейчас, в начале третьего тысячелетия общественный интерес снова обращен на разработки в области альтернативного топлива для автомобилей.

     Но  и тут не все просто. Для того чтобы выращивать необходимое количество продуктов для биотолива, при условии, что и людям должно что-то остаться для прокормления, придется потратить в несколько раз больше драгоценной энергии, чем тратиться теперь. 

     Более выгодным кажется предложение использовать вместо бензина в двигателях жидкий водород. Этот легкий газ, имеющий наибольшую теплоту сгорания, лучше всего подходит для экологически чистого получения энергии. При разложении воды электролитическим способом высвобождается кислород и водород. Последний, сжигаясь в двигателе, соединяется с кислородом из атмосферного воздуха и вновь получается вода.

        Водорода много на планете, перекачать этот газ к месту сжигания в десять раз дешевле, чем транспортировать электричество. В качестве топлива водород очень эффективен и не создает загрязнения окружающей среды. Однако трудности его получения, хранения и эксплуатации препятствуют развитию водородной энергетики. В частности, в так называемом «водородном двигателе» немалую роль играют такие дорогостоящие материалы как палладий и платина.  

     Сколько же путей у энергетики? И какой  из них выбрать, в то время как  на земле подходят к концу запасы углеводородов? Станут ли альтернативные пути основными? Вопросов много. Во всяком случае, хорошо только одно: что альтернатива есть. 
 
 
 

Потребление природных ресурсов 

     Сегодня «больной» вопрос – использование  исчерпаемых ресурсов.

     Дело  в том, что человек столь активно  и нерационально использует ресурсы, что даже некоторые возобновляемые ресурсы восстановить стало невозможно. Несмотря на всю ценность естественной биоты, на нее ведется стремительное наступление. Это еще при жизни нашего поколения может привести к почти полному ее уничтожению. Главные удары здесь следующие:

     — разрушение местообитаний в результате отчуждения земель человеком;

     — загрязнение;

     — чрезмерная эксплуатация;

     — интродукция новых видов;

     — сочетание вредных факторов и  деградация среды.

     Так, например, за период 2000 лет с лица земли навсегда исчезло 106 форм млекопитающих (т. е. видов и разновидностей), не считая птиц и других животных. И если первые 33 формы млекопитающих исчезли за период в 1800 лет, то следующие 33 — за 100 лет, последние 40 — всего за полвека.

     В настоящее время физическое уничтожение  грозит существованию 280 видов млекопитающих  животных, 350 видов птиц и 30 тыс. сортов растений. Не менее ярким примером нерационального использования человеком возобновляемых природных ресурсов является лес. В настоящее время на поверхности земли осталось всего 2/5 лесов, некогда покрывавших сушу. Причем 1/3 лесов была уничтожена в последние 300 лет. Лес — это сложная экологическая система, ценнейший вид ресурсов. Но лес — это еще и жизнь. Известно, что именно «представитель» леса — «зеленый лист», в котором совершается удивительный процесс — фотосинтез, дает атмосфере нашей планеты углерод и кислород.

     Вместе  с тем мы наблюдаем развитие двух явлений: с одной стороны, сокращение площади лесов, а с другой —  сокращение количества кислорода в  атмосферном воздухе, что может  привести к серьезному нарушению  газового состава атмосферы. Именно лес служит тем уникальным насосом, который перерабатывает и «перекачивает» «огрехи» человеческой деятельности.

     Вместе  с тем лес — это незаменимый  строительный материал, сырье для  целлюлозно-бумажной и химической промышленности.

     Поэтому масштабы использования леса все  возрастают, а соответственно будет  и дальше сокращаться лесной покров на планете. И вот здесь должен сработать механизм восстановления потребляемого ресурса, т. е. восстановления лесов. Но это очень сложная проблема, поскольку вырубка леса идет гораздо быстрее, чем его восстановление. Для того чтобы срубить дерево с помощью современной техники, требуется всего несколько минут работы. А чтобы вырастить «спелый», пригодный для народного хозяйства лес, понадобится не менее 80-100 лет.

     Значит, к вопросу использования леса необходимо подходить с рациональных, научно обоснованных позиций, понимая  при этом, что никакие хозяйственные  интересы сегодняшнего дня не могут  заменить интересы охраны и рационального  использования природы, поскольку природа — это не только определенный «набор» различного вида ресурсов, но живая природа — это еще и основа жизни человека.

     Не  менее сложная ситуация сложилась  в отношении невозобновляемых природных  ресурсов — полезных ископаемых, в  том числе нефти, газа, железа, олова, цинка и пр.

     Ежегодно  человек изымает из недр земли  не менее 100 млрд т различного рода минеральных  и органических продуктов. Потребление  минерального сырья возрастает в  среднем на 5% в год, что означает его удвоение каждые 15 лет. На начало 1990-х годов из недр земли ежегодно в пересчете на каждого из нас изымалось до 20 т минерального сырья.

     Таким образом необходимо полностью пересмотреть наше отношение к полезным ископаемым:

     во-первых, при поисках новых залежей  применяются принципиально новые методы (например, космические съемки);

     во-вторых, по возможности одни виды сырья заменяются другими (вместо металла, например, иногда используется базальт);

     в-третьих, предпринимаются серьезные усилия для максимальной экономии сырья  в производстве;

     и, наконец, все шире используется вторичное  сырье.

     Однако  человек еще не может утверждать, что он научился рационально использовать богатства, данные ему природой. Так, по различным подсчетам, сегодня  из общего количества добытых из недр земли веществ на народнохозяйственные нужды идет всего 20-30% , а остальные 70-80% выбрасываются в виде отходов. 
 
 
 
 
 
 

Энергетическая  проблема 
 

     В сельском хозяйстве с развитием  механизации «гораздо меньшее число  фермеров стали производить гораздо  больше сельскохозяйственной продукции. Но машинам нужно горючее. Поэтому по мере развития механизации сельского хозяйства возрастал расход топлива (энергии) на каждую тонну производимой пищи. К настоящему времени для получения 1 т зерна, кроме человеческих рук и солнечной энергии, требуется баррель нефти (нефтяной баррель составляет 159 л), используемой в виде горючего для сельхозтехники, а также для производства удобрений и пестицидов.

     То  же самое можно сказать по промышленности. Короче говоря, прогресс цивилизации  представляет собой процесс замены человеческого труда другими источниками энергии.

     В настоящее время на долю нефти  приходится 44% общего энергопотребления; доля природного газа в нем составляет 21, а угля — 22%. Ядерное топливо, гидростанции и другие энергоресурсы дают остальные 13%. Существуют четыре основных направления использования энергии, показанные на рис. 17:

     — транспорт - автомобили, автобусы, самолеты, поезда, корабли, трактора, бульдозеры и т. д.;

     — промышленность - металлургия, химический синтез, производство других материалов, изготовление готовых изделий;

     — температурный контроль - отопление  и охлаждение (кондиционирование) помещений, горячее водоснабжение;

     — производство электроэнергии, необходимой  для работы электромоторов, приводящих в действие самое различное оборудование, освещение, бытовой и промышленной электроники.

     Уголь, нефть и природный газ часто  называют ископаемым топливом.

     Хотя  эти ископаемые и образовались в  результате биологических процессов, всякое пополнение их запасов по мере использования исключено по двум причинам. Во-первых, условия на Земле изменились так, что значительного накопления органического вещества уже не происходит. Во-вторых, мы потребляем горючие ископаемые со скоростью, немного превышающей необходимую для их образования. Подсчитано, что количество сырой нефти, расходуемое сейчас в течение дня, формировалось естественным путем в течение тысячи лет. 
 

Загрязнение 

     Загрязнение стало обыденным словом, наводящим  на мысли об отравленных воде, воздухе, земле. Однако на самом деле эта проблема гораздо сложнее. Загрязнению невозможно дать простое определение, так как оно может включать в себя сотни факторов, связанных с самыми разными источниками.

     Загрязнение — это:

     любые изменения воздуха, вод, почв или  пищевых продуктов, оказывающие нежелательное воздействие на здоровье, выживаемость или деятельность человека;

     неблагоприятное изменение нашего окружения, являющееся полностью или в основном побочным результатом деятельности человека;

     привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека;

     поступление любого вещества или материала в  неположенное место. Значит, будучи полезными  в одном месте, они вызывают загрязнение, когда выбрасываются или поступают туда, где никому не нужны, и могут нанести ущерб окружающей среде или здоровью человека.

     Загрязнение — это нормальные побочные продукты жизнедеятельности человека как  чисто биологического вида и как социального, творческого существа. Они представляют собой органические и неорганические отходы метаболизма и пищеварения, а также деятельности по выращиванию и защите урожая, обогреву домов, производству одежды, овладению атомной энергией... Решить эту проблему невозможно простым устранением ее причин, так как, пока существует человек, будут и побочные продукты его жизнедеятельности.

     Действительно, каждый организм в естественной экосистеме производит потенциально загрязняющие среду отходы. Устойчивость экосистемы обусловлена тем, что отходы одних организмов становится пищей и/или «сырьем» для других. В сбалансированных экосистемах отходы не накапливаются до уровня, вызывающего «неблагоприятные изменения», а разлагаются и рециклируются.

     Однако  человек часто стал превышать способность природы растворять и разлагать вещества. Мы научились получать нужные нам продукты из различного сырья новыми способами. Тысячи синтетических материалов заменяют нам природные продукты. 
 

     Всего в мире в повседневном пользовании находится около 70 тыс. различных синтетических химических веществ. Каждый год к ним добавляется 1500 новых. Мы мало знаем о потенциально вредном воздействии 80% этих новых химических веществ на людей, животных и растения. По данным Агентства охраны окружающей среды, до 3500 из 70 тыс. химических веществ, находящихся в продаже, вредны или потенциально вредны для человека 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Плюсы и минусы нетрадиционных возобновляемых источников энергии 

     В последние годы как в научно-технической литературе, так и в популярных изданиях появляются многочисленные публикации о нетрадиционных возобновляемых источниках энергии (НВИЭ). Оценки возможностей их широкого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических. «Зеленые» призывают вообще заменить всю традиционную топливную и атомную энергетику на использование НВИЭ. Мнения специалистов гораздо более осторожны.

       Каковы же эти нетрадиционные и возобновляемые источники энергии? К ним обычно относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн,  биомассы (растения, различные виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды. К НВИЭ также принято относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые отличаются от традиционных - более крупных - ГЭС только масштабом.

     Указанные источники энергии имеют как  положительные, так и отрицательные  свойства. К положительным относятся  повсеместная распространен-ность  большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

     Отрицательные качества - это малая плотность  потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ.    

     Больше  неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Альтернативная  энергетика. 
 

 —  совокупность перспективных способов  получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии района. 
 

     Альтернативный  источник энергии — способ, устройство или сооружение, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле. Цель поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность. 
 

     Основным  видом "бесплатной" неиссякаемой энергии по справедливости считается  Солнце. 

     Оно ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U2351. Самый простой способ использования энергии Солнца - солнечные коллекторы, в состав которых входит поглотитель (зачерненный металлический, чаще всего алюминиевый лист с трубками, по которым протекает теплоноситель). Коллекторы устанавливаются неподвижно на крышах домов под углом к горизонту, равным широте местности или монтируются в кровлю2. В зависимости от условий инсоляции в коллекторах теплоноситель нагревается на 40-50° больше, чем температура окружающей среды3. Такие системы применяются в индивидуальном жилье, практически полностью покрывая потребность населения в горячей воде; в районных отопительных установках, а также для получения технологической тепловой энергии в промышленности. Солнечные коллекторы производятся во многих городах России, и стоимость их вполне доступна. 

     Электроэнергия  от светового потока может производиться  двумя путями: путем прямого преобразования в фотоэлектрических установках, либо за счет нагрева теплоносителя, который производит работу в том  или ином термодинамическом цикле.3 Прямое фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию используется на фотоэлектрических или солнечных станциях, работающих параллельно с сетью, а также в составе гибридных установок для автономных систем ("экодомов" и пр.). Возможно также комбинированное производство электрической и тепловой энергии4. В перспективе предполагается, что солнечной энергии будет придаваться большое значение вследствие ее щадящего воздействия на окружающую среду по сравнению с большинством других источников энергии. Это со временем выльется в относительную экономичность, однако пока удельные капитальные вложения в фотоэлектрические установки превышают традиционные в пять и более раз.