Альтернативные источники энергии. 9

Содержание

Введение

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей  воды и воздуха. Перечень таких загрязнителей  удивительно длинен, а их количества чрезвычайно огромны. Вполне естественно возникает вопрос, всегда ли использование энергии и производство электроэнергии должно сопровождаться разрушением окружающей среды. И если правда, что любой вид человеческой деятельности неизбежно оказывает вредное воздействие на природу, то степень этого вреда различна. Мы не можем не влиять на среду, в которой живем, поскольку для поддержания жизненных процессов как таковых необходимо поглощать и использовать энергию.

Человек, безусловно, оказывает влияние на окружающую его среду, однако в природе существуют естественные уравновешивающие механизмы, которые  поддерживают среду и обитающие в ней сообщества в состоянии равновесия, когда все изменения происходят достаточно медленно. Тем не менее во многих случаях хозяйственная деятельность человека нарушает равновесие, создаваемое этими механизмами, что приводит к быстрым изменениям условий окружающей среды, с которыми ни человек, ни природа не могут успешно справиться.    

Традиционное производство энергии, дающее огромные количества загрязнителей воды и воздуха - один из видов такой деятельности человека.

Удивительно, что всего  двести лет назад человечество помимо энергии самого человека и животных располагало только тремя видами энергии. И источником этих всех трех видов энергии было Солнце. Энергия ветра вращала крылья ветряных мельниц, на которых мололи зерно или ткали. Для того чтобы можно было воспользоваться энергией воды, необходимо, чтобы вода бежала вниз к морю от вышерасположенного истока, где река наполняется за счет выпадающих дождей.

За последнее десятилетие  интерес к этим источникам энергии  постоянно возрастает, поскольку  во многих отношениях они неограниченны. По мере того как поставки топлива  становятся менее надежными и  более дорогостоящими, эти источники становятся все более привлекательными и более экономичными.

1.  Источники энергии сегодня их значение

Становление и развитие человеческой цивилизации всегда было связано с развитием и совершенствованием энергетики и зависело от нее. Практически электротеплоэнергетика является системообразующей отраслью любой экономики, а значит и государства. От ее состояния зависят уровень и темпы социально–экономического развития любой страны.

Энергию, которую мы используем сегодня, получают, в основном, из ископаемых видов топлива. Уголь, нефть и природный газ - ископаемые виды топлива, созданные в течение миллионов лет в процессе распада растений и животных. Месторасположение этих ресурсов - недра Земли. Под воздействием высокой температуры и давления, процесс образования ископаемых видов топлива продолжается и сегодня, однако их использование происходит намного быстрее, чем образование.

Сегодня ископаемые виды топлива, такие как каменный уголь, нефть и природный газ составляют 90% общих первичных энергоресурсов. Разведанные запасы традиционных углеводородных ресурсов в России пока позволяют обеспечивать текущие потребности национальной экономики и получать существенные доходы от экспорта энергоносителей. В то же время с каждым годом наблюдается ухудшение горно-геологических условий добычи горючих полезных ископаемых. С начала 90-х годов прошлого века восполнение запасов углеводородных ресурсов отстает от темпов роста их добычи. Например, в 1994-2000 гг. отношение суммарного объема добычи к суммарному приросту запасов составило по нефти - 1,31 и по газу - 2,1.

 Большую роль в общем балансе энергий играет также электроэнергия, получаемая на гидроэлектростанциях, а в последние 50 лет атомная энергетика.

По официальным оценкам  мировые объемы энергопотребления будут расти и в будущем, также как и в предыдущие годы. Все это ведет к увеличению количества различных проблем, связанных с энергопоставками и защитой окружающей среды.

Одной из основных причин роста энергопотребления является рост населения. В 2000 году население планеты составляло около 6 млрд. человек. По оценкам экспертов ООН к 2025 году мировое население достигнет почти 8 млрд. человек, однако ближе к 2100 году стабилизируется на уровне 10-12 млрд. человек. Основной прирост населения придется на менее развитые страны.

Согласно официальному прогнозу, подготовленному Международным  энергетическим агентством (IEA) "Мировой  энергетический обзор - 2004", рост объемов  энергопотребления в мире будет  наблюдаться в течение ближайших  двух десятилетий, и, в первую очередь, за счет увеличения энергопотребления в Азии. Ожидается, что объем мирового энергопотребления в 2020 году составит почти 600 000 ПДж (14 400 млн. т. н.э.).

Ожидаемый прирост в  общем объеме энергопотребления  за период с 1995 по 2020 года составит около 230 000 ПДж (5500 млн. т. н.э.), что соответствует суммарному мировому энергопотреблению, отмеченному за 1971 год - как раз на кануне энергетического кризиса, разразившегося в 1973 году. Две трети роста энергопотребления придется на развитые промышленные страны, а также на страны с переходной экономикой, большая часть которых сконцентрирована в Азии.

Согласно Международному энергетическому обзору, подготовленному IEA, потребление нефти превысит 5000 млн. т н.э. в 2020 году, а норма потребления увеличиться практически на 50% по сравнению с 1995 годом. По подсчетам специалистов мировое потребление угля к 2020 году составит 3200 млн. т н.э., что на 50% превышает показатель за 1995 год. Природный газ, по оценкам экспертов, будет демонстрировать наивысшие темпы роста среди всех ископаемых энергоносителей - на уровне 2,3% в год. В результате, доля природного газа в общем объеме потребления энергоносителей максимально приблизится к показателям по нефти и углю. К 2015 году потребление природного газа превысит суммарное потребление нефти, зафиксированное в 1995 году, то есть составит две трети от объема потребления нефти, ожидаемое в 2015 году. Для сравнения, в 1995 году объемы потребления природного газа составлял лишь 55% от объемов потребления нефти. Ожидается, что выработка энергии на атомных станциях останется стабильной, что приведет к уменьшению доли атомной энергетики в общем балансе энергообеспечения.

Важным отрицательным  фактором производства тепла и электроэнергии, связанных с углеводородными энергоносителями, является массовое и все увеличивающееся загрязнение биосферы (воздуха, воды, почвы) опасными химическими отходами в жидкой, твердой, газообразной и аэрозольной формах. Таким образом, всей экосистеме ежедневно наносится прямой, косвенный или потенциальный ущерб, последствия которого мы уже ощущаем сейчас.

Так, тепловая электростанция средней мощности (ТЭС) с коэффициентом  полезного действия 33–39% более половины вырабатываемой энергии возвращает в окружающую среду, поднимая ее температуру. В течение года только одна станция дает до 43 тыс. т золы, 220 тыс. т окиси и закиси серы, около 30–40 тыс. т окислов азота, двуокись углерода и других опасных для живой природы веществ.

Загрязнение атмосферы  химическими веществами – основной фактор неблагоприятного воздействия на экологию. Глобальное загрязнение атмосферы приводит к изменению климата, увеличению потока жесткого ультрафиолетового (УФ) излучения на поверхность Земли, увеличению числа кислотных дождей, усилению парникового эффекта, увеличению числа различных заболеваний среди людей и животных.

Ученые предупреждают  – над человечеством нависла  угроза глобального экологического крушения, когда дальнейшее загрязнение  окружающей среды чревато необратимыми последствиями для человека, подобно ядерной катастрофе. На повестку дня поставлен вопрос – как уберечь планету от грозящей катастрофы.

Ясно, что одному государству  с такой глобальной проблемой  не справиться. Браться за ее решение  надо сообща – всему мировому сообществу. Сюда входит поиски новых (альтернативных) видов топлива и энергоносителей.

К альтернативным или  как их иногда называют возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относят солнечную, ветровую, геотермальную, энергию приливов, волновую, биоэнергетику и энергию  разности температур глубин морей и океанов

2. Альтернативные источники энергии  
2.1. Понятие и классификация альтернативных источников энергии

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.          

 К альтернативным или как их иногда называют возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относят солнечную, ветровую, геотермальную, энергию приливов, волновую, биоэнергетику и энергию разности температур глубин морей и океанов и другие "новые" виды возобновляемой энергии.

Принято условно разделять  ВИЭ на две группы:

Традиционные: гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии ГЭС мощностью более 30 МВт; энергия биомассы, используемая для получения тепла традиционными способами сжигания (дрова, торф и некоторые другие виды печного топлива); геотермальная энергия.

Нетрадиционные: солнечная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микроГЭС, энергия биомассы, не используемая для получения тепла традиционными методами, низкопотенциальная тепловая энергия и другие "новые" виды возобновляемой энергии.

2.2.Виды альтернативных  источников энергии и их применение

2.2.1. Энергия  солнечного света

Солнечная энергетика или  гелиоэнергетика представляет собой  использование солнечного излучения  для получения энергии в каком-либо виде; солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и  в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов — производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Выделяют несколько  способов получения электричества и тепла из солнечного излучения: получение электроэнергии с помощью фотоэлементов; преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; двигатель Стирлинга и так далее; гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах); термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор); солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием); преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Солнечная энергия – это кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку её запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам.

Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.      

Солнечная энергия  - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии.

В последнее время  интерес к проблеме использования  солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего  лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности  мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли    когда-нибудь  эти громадные  потенциальные ресурсы  удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1м² освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км². Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким  видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Но, тем не менее, станции-преобразователи  солнечной энергии строят, и они  работают.

В южных районах нашей  страны  созданы десятки солнечных установок  и систем. Они осуществляют горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха жилых и общественных зданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции, термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной воды и так далее.

С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная  электростанция. Она невелика – мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без использования органического топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт электроэнергии.

С начала 50-х годов  в нашей стране космические летательные  аппараты используют в качестве основного  источника энергопитания солнечные батареи, которые непосредственно преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Они являются практически незаменимым источником электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях.

Освоение космического пространства позволяет разрабатывать проекты солнечно-космических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти станции, в отличие от земных, не только смогут получать более плотный поток теплового солнечного излучения, но и не зависят от погодных условий и смены дня и ночи. Ведь в космосе Солнце сияет с неизменной интенсивностью. 

Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых возможностей использования солнечной энергии. Возникают новые идеи, новые проекты.

2.2.2. Энергия ветра.

         В поисках альтернативных источников энергии во многих странах немалое влияние уделяют ветроэнергетике.

Человек использует энергию  ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие  просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле.  Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это  более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный  и экологически чистый источник энергии  так слабо используется?  В  наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. 

Ветровой энергетический потенциал  Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство  ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии.  Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек.,  называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции  преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных  районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Основное направление использования  энергии ветра – получение  электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и так далее.  В местностях,  имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и другое.

По оценкам специалистов, энергию  ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные  перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощные ветровые установки стоят  обычно в районах с постоянно  дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и так далее). Такие установки уже используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

При использовании ветра возникает  серьезная проблема: избыток энергии  в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину  и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном  виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

2.2.3. Геотермальная энергетика (энергия земли).

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Высокие горизонты пород с температурой менее 100°C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.

Издавна люди знают о  стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного  шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях  вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится – нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события.  Но это - проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли  (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты  Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014    млрд. кВт * час. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.

Источники геотермальной  энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местах образования своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100м температура повышается  на  30-40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. В зависимости от  температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с температурой до 1300–150°С) и высокотемпературные (свыше 150°). От  температуры во многом зависит характер их использования.

Можно утверждать, что  геотермальная энергия имеет  четыре выгодных отличительных черты.

Во-первых,  её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.

Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50 подземных бассейнов горячей воды и пара.

В-третьих, использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.

Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

Человек издавна использует энергию внутреннего тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские бани), но её коммерческое использование началось  только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них – станция Гейзерс в США (500 тыс. кВт).

Геотермальную энергию  используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и тому подобное. В качестве теплоносителя используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с низкой температурой кипения (аммиак, фреон и так далее).

2.2.4. Энергия приливов и отливов морей и океанов.

       Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его получением, истощение топливных ресурсов – все эти видимые признаки энергетического кризиса вызывали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км²) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. км²,Атлантического – 93 млн. км²,  Индийского – 75 млн. км². Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж.  Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Энергия океана давно  привлекает к себе внимание человека. В середине 80-х годов уже действовали  первые промышленные установки, а также  велись разработки по следующим основным направлениям: использование энергии приливов, прибоя, волн, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев океана, течений и так далее.