Альтернативные источники энергии. 35

РЕФЕРАТ   

По  дисциплине: «Экология»                                                     

на  тему:

«Альтернативные источники энергии»                                                                                
 

Выполнил:    
 
 

Принял:   
 
 
 
 
 
 
 

Владимир, 2012  г. 
 

План. 

Введение                                                                                                                   3

I Проблемы энергетики.                                                                                         3

1.1 Атомная  энергетика                                                                                          4

1.2 Нефть  и уголь                                                                                                     6

2 Проблемы развития традиционной энергетики                                                 8

II Основные причины перехода к альтернативным источникам энергии      10

1.Виды альтернативных источников.                                                                  11

1.1 Энергия  солнца.                                                                                               11

1.2 Энергия  ветра.                                                                                                  11

1.3 Возможности использования Водорода                                                        13

1.4 Гидроэнергетика.                                                                                             17

1) Энергия  приливов и отливов.                                                                          18

2) Энергия  приливных волн.                                                                               19

1.5 Геотермальная  энергия.                                                                                  20

- Гидротермальная  энергия.                                                                                21

III Заключение.                                                                                                      22

Список  литературы.                                                                                              24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

На пороге ХХI века человек все чаще и чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать. Homo Sapiens прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоил добычу основных традиционных энергетических ресурсов - угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”, но все активнее обсуждаются вопросы использования новых нетрадиционных, альтернативных видов энергии.

I  Проблемы энергетики.

Современный период развития человечества иногда характеризуют через: энергетику, экономику, экологию. Энергетика в этом ряду занимает осо-бое место. Она является определяющей и для экономики, и для экологии. От нее в решающей мере 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, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем. Энергетика - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно уве-личивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

Нет основания  ожидать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей  перспективе существенно изменятся (некоторое замедление их в промышленно развитых странах компенсируется ростом энерговооруженности стран третьего мира), поэтому важно получить ответы на следующие вопросы:

- какое  влияние на биосферу и отдельные  ее элементы оказывают основные  виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в ближайшей и отдаленной перспективе;

- можно  ли уменьшить отрицательное воздействие  на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;

- каковы  возможности производства энергии  за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра, термальных вод и других  источников, которые относятся к  неисчерпаемым и экологически  чистым.

В настоящее  время 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. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой, и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива свя-зано с его сжиганием, а, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду. Познакомимся с основными экологическими последствиями современных способов получения и использования энергии.

1.1 Атомная энергетика.

Энергия - это основа основ. Все блага цивилизации, все материальные сферы деятельности человека - от стирки белья до исследования Луны и Марса - требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше.

На сегодняшний  день энергия атома широко используется во многих отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии, сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.

Значение  атомных электростанций в энергобалансе любой страны трудно переоценить. Гидроэнергетика требует создания крупных водохранилищ, под которые затапливаются большие площади плодородных земель. Вода в них застаивается и теряет свое качество, что, в свою очередь, обостряет проблемы водоснабжения, рыбного хозяйства и индустрии досуга.

Теплоэнергетические станции в наибольшей степени  способствуют разрушению биосферы и  природной среды Земли. Они уже  израсходовали десятки тонн органического  топлива (угля). Для его добычи в  сельском хозяйстве и других сферах экономики изымаются огромные земельные площади. В местах открытой добычи угля образуются «лунные ландшафты», а повышенное содержание золы в топливе является основной причиной выброса в воздух десятков миллионов тонн SO₂. Тепловые энергетические установки во всем мире выбрасывают в атмосферу за год до 250 млн. тонн золы и около 60 млн. тонн сернистого ангидрида.

Атомные электростанции (АЭС) - это третий «кит»  в системе современной мировой  энергетики. Техническая обеспеченность АЭС, бесспорно, являются крупнейшим достижением научно-технического прогресса (НТП). В случае их безаварийной работы не производится практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда, в результате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность для всего живого. Обнадеживает тот факт, что объем радиоактивных отходов довольно мал, они весьма компактны, и их можно хранить в таких условиях, которые гарантируют отсутствие утечки. АЭС много экономичнее обычных тепловых электростанций, а, самое главное, при их правильной эксплуатации - это чистые источники энергии.

В 1990 году атомными электростанциями мира производилось 16% всей электроэнергии. Такие электростанции работали в 31 стране и строились еще в 6 странах. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС. США производят на АЭС только восьмую часть своей электpоэнеpгии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.

Вместе  с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать и о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям. Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957 г. - в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. - в Санта-Сюзанне (США), в 1961 г. - в Айдахо-Фолсе (США), в 1979 г. - на АЭС Три-Майл-Айленд (США), в 1986 г. - на Чернобыльской АЭС (бывший СССР, сейчас Украина) [5; стр. 15].

Атомная энергетика по-прежнему остается предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме того, широко pаспpостpанено мнение о возможной утечке ядерного топлива из сферы выработки электpоэнеpгии и его использовании для создания ядерного оружия. 

1.2 Нефть и уголь.

Доказанные  запасы нефти в мире оцениваются  в 140 млрд. тонн, а ежегодная добыча составляет около 3,5 млрд. тонн. Однако вряд ли стоит предрекать наступление через 40 лет глобального кризиса в связи с исчерпанием нефти в недрах Земли, ведь экономическая статистика оперирует цифрами доказанных запасов, то есть запасов, которые полностью разведаны, описаны и исчислены. А это далеко не все запасы планеты. Даже в пределах многих разведанных месторождений сохраняются неучтённые или не вполне учтённые нефтеносные секторы, а сколько месторождений ещё ждёт своих открывателей.

За последние  два десятилетия человечество вычерпало  из недр более 60 млрд. тонн нефти. Вы думаете, доказанные запасы при этом сократились на такую же величину? Ничуть не бывало. Ситуация парадоксальна: чем больше добываем, тем больше остаётся. Между тем этот геологический парадокс вовсе не кажется парадоксом экономическим. Ведь чем выше спрос на нефть, чем больше её добывают, тем большие капиталы вливаются в отрасль, тем активнее идёт разведка на нефть, тем больше людей, техники, мозгов вовлекается в разведку и тем быстрее открываются и описываются новые месторождения. Кроме того, совершенствование техники добычи нефти позволяет включать в состав запасов ту нефть, наличие (и количество) которой было ранее известно, но достать которую было нельзя при техническом уровне прошлых лет. Конечно, это не означает, что запасы нефти безграничны, но очевидно, что у человечества есть ещё не одно сорокалетие, чтобы совершенствовать энергосберегательные технологии и вводить в оборот альтернативные источники энергии.

Наиболее  яркой особенностью размещения запасов  нефти является и сверхконцентрация  в одном сравнительно небольшом регионе - бассейне Персидского залива. Здесь, в арабских монархиях Иране и Ираке, сосредоточено 2/3 доказанных запасов, причём большая их часть (более 2/5 мировых запасов) приходится на три аравийские страны с немногочисленным коренным населением - Саудовскую Аравию, Кувейт и Объединённые Арабские Эмираты. Даже с учётом огромного количества иностранных рабочих, наводнивших эти страны во второй половине 20 века, здесь насчитывается немногим больше 20 млн. человек - около 0,3% мирового населения.

Среди стран, обладающих очень большими запасами (более 10 млрд. тонн в каждой или более 6% мировых),- Ирак, Иран и Венесуэла. Эти страны издавна имеют значительное население и, более или менее  развитую экономику, а Ирак и Иран - и вовсе старейшие центры мировой цивилизации.

Во всех крупных регионах мира, кроме Зарубежной Европы и территории Российской Федерации, отношение запасов нефти по состоянию  на 1997 г. составляет более 100%. Даже Северная Америка, несмотря на «консервирование запасов» в США, значительно увеличила общие доказанные запасы благодаря интенсивной разведке в Мексике.

В Европе исчерпание запасов связано со сравнительно небольшой природной нефтеносностью региона и очень интенсивной  добычей в последние десятилетия: форсируя добычу, страны Западной Европы стремятся разрушить монополию ближневосточных экспортёров. Однако шельф Северного моря - главная нефтяная бочка Европы - не бесконечно нефтеносен.

Что же касается заметного уменьшения доказанных запасов на территории Российской Федерации, то это связано не только с физическим исчерпанием недр, как в Западной Европе, и несколько с желанием попридержать свою нефть, как в США, сколько с кризисом отечественной геологоразведочной отрасли. Темпы разведки новых запасов отстают от темпа других стран.

Уголь.

Единой  системы учёта запасов угля и  его классификации не существует. Оценки запасов пересматриваются как  отдельными специалистами, так и  специализированными организациями. На 10 сессии Мировой энергетической конференции (МИРЭК) в 1983г. достоверные запасы углей всех видов были определены в 1520 млрд. тонн. Извлекаемыми с технико-экономической точки зрения признаются пить 2/3 достоверных запасов. На начало 90-х годов, по оценке МИРЭК, около 1040 млрд. тонн.

Небольшими  за пределами территории Российской Федерации достоверными запасами располагают США (1/4 мировых запасов), КНР (1/6), Польша, ЮАР и Австралия (по 5-9% мировых запасов), более 9/10 достоверных запасов каменного угля, извлекаемых с использованием существующих в настоящее время технологий (оцениваемых в целом по миру примерно 515 млрд. тонн) сосредоточено, по оценке МИРЕК 1983г., в США (1/4), на территории Российской Федерации (более 1/5), КНР (около 1/5), ЮАР (более 1/10), ФРГ, Великобритании, Австралии и Польши. Из других промышленно развитых стран значительными запасами каменного угля располагают Канада и Япония, из развивающихся - в Азии - Индия и Индонезия, в Африке - Ботсвана, Свазиленд, Зимбабве и Мозамбик, в Латинской Америке - Колумбия и Венесуэла.

Наиболее  экономична разработка месторождений каменного угля открытым способом - карьерами. В Канаде, Мозамбике и Венесуэле этим способом могут разрабатываться до 4/5 всех запасов, в Индии - 2/3, в Австралии - около 1/3, в США - более 1/5, в Китае - 1/10. Эти запасы используются более интенсивно, и доля угля, разрабатываемого открытым способом, составляет, например, в Австралии более 1/2, в США более 3/5.

Из общей  мировой добычи каменного угля на экспорт идёт около 11%, из которых  более 4/5 отправляется морским транспортом. Основные направления вывоза угля: из Австралии и Канады - в Японию, из США и ЮАР - в Западную Европу. ФРГ, в 70 - 80-е годы была крупным нетто - экспортёром коксующегося угля и крупнейшим в мире экспортёром кокса, превратилась в нетто - импортёра угля с неуклонно сокращающимися мощностями и добычей угля. Почти на нет, сошёл экспорт угля и из Великобритании - страны, которая в начале 20 века была крупнейшим поставщиком угля на мировой рынок.

Подавляющая часть разведанных запасов бурого угля и его добычи сосредоточена  в промышленно развитых странах. Размерами запасов выделяются США, Германия и Австралия, а наибольшее значение добычи и использование бурого угля имеют в энергетике Германии и Греции. Большая часть бурого угля (более 4/5) потребляется на ТЭС, расположенных вблизи разработок. Дешевизна этого угля, добываемого почти исключительно открытым способом, обеспечивает, несмотря на его низкую теплотворную способность, производство дешёвой электроэнергии, что привлекает к районам крупных буроугольных разработок электроёмкие производства. В капитале, инвестируемом в буроугольную отрасль, велика доля средств электроэнергетических компаний.

2. Проблемы развития традиционной энергетики.

Развитие  индустриального общества опирается  на постоянно растущий уровень производства и потребления различных видов энергии.

Как известно, в основе производства тепловой и  электрической энергии лежит  процесс сжигания ископаемых энергоресурсов - угла, нефти или газа, а в атомной  энергетике - деление ядер атомов урана  и плутония при поглощении нейтронов.

Масштаб добычи и расходования энергоресурсов, металлов, воды и воздуха для производства необходимого человечеству количества энергии огромен, а запасы ресурсов стремительно сокращаются. Особенно остро  стоит проблема быстрого исчерпания запасов органических природных энергоресурсов.

Мировые запасы энергоресурсов оцениваются  величиной 355 Q, где Q - единица тепловой энергии, равная Q=2,52¹⁰¹⁷ ккал = 36¹⁰⁹ тонн условного топлива /т.у. т./, топлива с калорийностью 7000 ккал/кг, так что запасы энергоресурсов составляют 12,8¹⁰¹² т.у. т.

Из этого  количества примерно одна треть (что  составляет ~ 4,3¹⁰¹² т.у.т.) может быть извлечена с использованием современной техники при умеренной стоимости топливодобычи. С другой стороны, современные потребности в энергоносителях составляют 1,1¹⁰¹⁰ т.у.т./год и растут со скоростью 3-4% в год, то есть удваиваются каждые 20 лет.

Не составляет никакого труда догадаться, что органические ископаемые ресурсы, даже при вероятном  замедлении темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в самом ближайшем будущем.

Отметим также, что при сжигании ископаемых углей и нефти, обладающих сернистостью около 2,5 %, ежегодно образуется до 400 млн. тонн сернистого газа и окислов азота, что составляет 70 кг вредных веществ на каждого жителя Земли в год.

Использование энергии атомного ядра и развитие атомной энергетики частично снимает  остроту этой проблемы. Действительно, открытие деления тяжелых ядер при  захвате нейтронов, сделавшее век  атомным, стало существенным складом к запасам энергетического ископаемого топлива. Запасы урана в земной коре оцениваются огромной цифрой - 1014 тонн. Однако основная масса этого богатства находится в рассеянном состоянии - в гранитах, базальтах. В водах мирового океана количество урана достигает 4¹⁰⁹ тонн. В тоже время богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известно сравнительно немного. Поэтому массу ресурсов урана, которую можно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 108 тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 104 тонны естественного урана. Так что эти запасы позволяют, как сказал академик А.П.Александров, "убрать Дамоклов меч топливной недостаточности практически на неограниченное время"[4; стр.216].

Другая важная проблема современного индустриального общества - обеспечение сохранности природы, чистоты воды и воздуха.

Известна  озабоченность ученых по поводу "парникового  эффекта", возникающего из-за выбросов углекислого газа при сжигании органического  топлива, и соответствующего глобального потепления климата на нашей планете. Проблемы загазованности воздушного бассейна, "кислых" дождей, отравления рек приблизились во многих районах к критической черте.

Атомная энергетика не потребляет кислорода  и имеет ничтожное количество выбросов при нормальной эксплуатации, что позволяет устранить возможность возникновения парникового эффекта с тяжелыми экологическими последствиями глобального потепления.

Чрезвычайно важным обстоятельством является тот  факт, что атомная энергетика доказала свою экономическую эффективность практически во всех районах земного шара. Кроме того, даже при большом масштабе энергопроизводства на АЭС, атомная энергетика не создаст особых транспортных проблем, поскольку требует минимальных транспортных расходов, что освобождает общество от бремени постоянных перевозок огромных количеств органического топлива.

II Основные причины перехода к альтернативным источникам  энергии.

Основные  причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные  ресурсы;

Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;

Социальный: численность и плотность населения  постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность.

Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью  топливных ресурсов на Земле, а также  экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

1. Виды альтернативных  источников энергии.

На протяжении многих лет ученые всего Мира искали источники альтернативной энергии. Мы можем посмотреть на них в нижеприведенных  статьях.

1.1 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, а 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 тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. 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). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

1.2 Энергия ветра.

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 картина и сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских сотнеметровых 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, которые затрудняют ее использование, но отнюдь не умаляют ее главного преимущества - экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, как мы увидим дальше эти недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет.

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.

Разработаны и действуют так называемые циклонные  электростанции мощностью до ста  тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.

Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают  огромные “ветряные фермы”. Ветряки  при этом стоят рядами на обширном пространстве, потому что их нельзя ставить слишком тесно - иначе  они будут загораживать друг друга. 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.