Современная энергетика и перспективы ее развития. Современная энергетика, ее проблемы и перспективы развития в научных проектах школьников. Экологические проблемы традиционной энергетики

1

В статье показано значение и практическая ценность научных проектов, которая необходима будущим специалистам для формирования научно-исследовательских навыков и совершенствования знаний. Наряду с этим, рассмотрены различные энергетические установки и их принцип работы. В статье отмечено, что при бурном развитии научно-технического процесса человечество естественным образом должно придти к потреблению альтернативных источников энергии, энергии Солнца, воды, ГЭС, гетермальной энергетики, энергии ветра и т.д. Все эти виды энергии относятся практически к неисчерпаемым источникам энергии, если смотреть на будущее стратегически, она имеет древнюю историю, альтернативная энергетика станет в перспективе первой необходимостью. Поэтому рассмотрение современной энергетики, рассмотрение проблем и перспектив развития в научных проектах школьников имеет большое познавательное значение.

современная энергетика

геотермальная станция

ядерная энергетика

Управляемый Термоядерный Синтез

энергия Солнца

энергия ветра

физика полупроводников

1. Аметистов Е.В. Основы современной энергетики. – М.: Изд-во МЭИ, 2004.

2. Басов Н.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б. Физика лазерного термоядерного синтеза. – М.: Знание, 1988. – 36 с.

4. Макарова А.А. //Российский энергетический форум. – 2005. – 93 с.

5. Норенков И.П., Зимин А.М. Информационные технологии в образовании. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 48 с.

Современное общество живет в нестабильном неспокойном мире. XXI век поставил ряд сложных глобальных проблем, от решения которых зависит будущее человечества. Эти проблемы часто называют вызовами XXI века.

Первый вызов - энергетический. Не за горами истощение ресурсов традиционных источников энергии в недрах земли. В то же время потребление энергии, особенно в индустриально развитых странах, продолжает расти. в такой ситуации остается надеется только на труды ученых, на то, что учеными, с одной стороны, будут открыты новые пока неизвестные источники энергии, с другой стороны, разработаны новые энергосберегающие технологии.

Второй вызов - экологический. Человечество хотя и осознало необходимость охраны окружающей среды и использования экологически безопасных технологий, но разработка природоохранных мероприятий и безвредных технологий пока существенно отстает от потребностей экосистемы.

Для решения этих проблем наметились следующие тенденции. Первая тенденция - постепенный переход к постиндустриальному обществу на основе развития и широкого применения информационных технологий. Вторая тенденция - повышение культурного и профессионального уровня большинства жителей Земли на основе развития и распространения методик, средств и технологий образования.

Следовательно, в современных условиях существенно возрастает роль образования, растут потребности общества в образовательных услугах.

Итак, информационные технологии и образование - эти две тенденции в совокупности становятся теми сферами человеческих интересов и деятельности, которые знаменуют эпоху XXI века и должны стать основой для решения стоящих перед человечеством проблем .

Очевидно, что круг вопросов, составляющих предмет информационных технологий в образовании,школьных проектов чрезвычайно широк и попытка изложить все аспекты проблемы в одной статье чрезвычайно сложно. Поэтому в данной статье сделан акцент на вопросы научно-исследовательских навыков и совершенствований знаний учеников на основе подготовки научных проектов, научных докладов .

При бурном развитии общества, в век научно-технического прогресса,в век стремительного компьютерного развития, в век прогресса нанотехнологии молодежь должна интенсивно заниматься основными энергетическими проблемами. Так как современное общество представить без энергетики практически невозможно. На смену традиционным источникам несомненно придут альтернативные источники энергии. Природные запасы сырьевых ресурсов нефть,газ, другие источники все таки рано или поздно будут исчерпаны. Но самое главное не это, в любом случае человечество естественным образом должно придти к потреблению альтернативных источников энергии, энергии Солнца, воды, ГЭС, гетермальной энергетики,энергии ветра и т.д.

Все сказанное относится практически к неисчерпаемым источникам энергии, если смотреть на будущее стратегически, альтернативная энергетика имеет историю в миллионы лет. Данный период в жизни человечества имеет просто определенный исторически этап, к альтернативным источникам энергии без никаких обсуждений мы придем в перспективе в ближайшие 30-50 лет несомненно. Этот исторически этап человечеством тоже будет пройден, независимо от того, когда закончится уголь, нефть и т.д., ведь каменный век закончился не из-за того что закончились камни.

В свете выше сказанного, обсуждение вопросов альтернативных источников энергии, подготовка к научным проектам, научно-исследовательским работам среди школьников для совершенствования своих знаний и своего творческого развития представляет большой интерес.

Известно, что ученики старших классов школы занимаются научными проектами, различными научно - исследовательскими работами, все это формирует определенные навыки для дальнейшей научной работы. Занятия научными проектами также служит мотивационным фактором при изучении основных закономерностей современной физики. Здесь можно привести такой пример: допустим, что ученик старшего класса готовит доклад на тему «Современная энергетика, ее возможности и перспектива будущей энергетики». Для подготовки такого доклада требуются знания из области ядерной физики, атомной физики, термодинамики и молекулярной физики, оптики и других разделов физики. Помимо этого школьник должен разбираться в технических вопросах проекта, во многих характеристиках энергетических установок, расчетах и формулах различных ветряных, геотермальных и других установок, схемах энергоблоков и системы безопасности энергоустановок.

Теперь попытаемся разобраться принципом действия различных установок, видами современной энергетики, использованием этих энергий в производственной сфере, промышленности и т.д.

Ясно, что с геотермальными установками школьники никогда не сталкивались, но и не слышали об этом. Естественно чтобы знать об этом кое-какую информацию,они должны искать соответствующий материал об этом в справочнике или в интернете. После таких поисков они уже будут знать об этом виде энергии.

В целом здесь возникает множество вопросов,например что такое геотермальная энергия, где она используется? Геотермальная станция (ГеоТЭС) это вид электрической станции, которая вырабатывает электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например гейзеров). Эта энергия является возобновляемым ресурсом. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции .

Недостатками геотермальной энергии являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы.

В некоторых европейских странах на производственной сфереуже используют геотермальную энергию, т.е. энергию подземных источников. Крупнейшими производителями геотермальной энергии являются такие страны как США, Филиппины, Мексика, Италия. Вот сколько полезной и необходимой информации можно извлечь из этих данных, можно также ознакомиться с принципиальным устройством геотермальной станции.

Теперь поговорим про ядерную энергетику, которая представляет главную составляющую современной энергетики. Современную энергетику, вообще будущее всей энергетики трудно представить без термоядерной энергии. Интересно как представляют себе школьники, студенты термоядерную энергию? Мы думаем, что современная молодежь, независимо от своей будущей профессии должна себе хорошо представлять термоядерную энергию, ее перспективу, преимущества и технические характеристики установки и т.д. Здесь возникают множество вопросов, например такой вопрос какие государства планируют установки для термоядерной энергии, какие сложности при этом возникают и т.д.

Ядерная энергетика имеет огромный потенциал по сравнению с другими видами энергии. Ядерная энергетика - это отрасль энергетики, занимающаяся получением и использованием ядерной энергии. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана - 235 или плутония. Но имеются еще огромные потенциальные резервы развития в легких ядрах, которые могут быть реализованы в реакциях управляемого термоядерного синтеза .

Современная ядерная энергетика основывается в основном на атомных электростанциях. Атомная электростанция представляет собой ядерную установку для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, распологающуюся в пределах определенной проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор и комплекс необходимых систем.

Управляемый Термоядерный Синтез (УТС) использует ядерную энергию выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития или дейтерия и дейтерия. Дейтерий, или тяжелый водород, имеет ядро, состоящее из одного протона и одного нейтрона. Дейтерий присутствует в воде в пропорции одна часть на 6500 частей обычного водорода. Тритий, или сверхтяжелый водород, имеет ядро, состоящее из одного протона и двух нейтронов. В естественном виде он в природе не существует из-за своей радиоактивности, но может быть получен в результате ядерных реакций при взаимодействий нейтронов с ядрами лития. При радиоактивном распаде трития (период его полураспада 13,5 лет) испускаются электроны и нейтрино. Ядерные реакции синтеза легких ядер широко распространены в природе, они являются источниками энергии внутри звезд и Солнца .

Подводя итоги вышесказанному можно сделать следующее заключение:

В случае повсеместного распространения термоядерных электростанций человечество получит дешевую электроэнергию и, как результат, вытеснение современных энергоносителей, запасы которых будут к тому времени в значительной мере исчерпаны, из индустрии и бытового хозяйства.

В целом отсюда вытекает, что для осуществления Управляемого Термоядерного Синтеза потребуются огромные технические установки, которые в ближайщее время технически трудно осуществить, ясно одно ядерная энергетика - это энергия будущего. В природе кроме ядерной энергетики, геотермальной энергии имеются также множество альтернативных источников энергии.

Ограниченность запасов природных ресурсов, а также вред традиционных источников энергии для окружающей среды вынуждают человечество искать альтернативные источники энергии. К таким относятся гелиоэнергетика, ветроэнергетика, энергетика биомассы, энергетика проливов, отливов и т.д. Вот про эти альтернативные виды энергии, их принцип действия, про их преимущества и недостатки современная молодежь должна иметь ясное представление, так как они образуют определенные виды энергии которую необходимо уже использовать в наше время.

В наше время энергия является одним из главных факторов экономического роста, увеличения производительности труда и повышения качества жизни населения. Потребителями энергии являются как отдельные люди, так и различные промышленные обьекты. В результате роста населения и развития промышленности за последние сто лет потребление энергии в мире возросло в четырнадцать раз. По прогнозам некоторых демографов население Земли к середине 21 века достигнет 9 млрд человек. В связи с этим естественно можно ожидать рост потребностей энергии.

На основе изучения традиционных видов энергии, альтернативных источников энергии школьники старших классов, студенты ознакомятся с принципом действия приборов и установок работающих для этих электростанции, их преимуществами и недостатками, системами безопасности и т.д. Помимо этого им придется знать физические процессы происходящие в этих установках, способы преобразования солнечной энергии, энергии ветра, энергию водного потока в электрическую энергию.

Например энергия Солнца может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Здесь можно получить полный спектр знанийиз раздела оптики, например в каком диапазоне длин волн происходит излучение Солнца, диапазон ультрафиолетовых волн, диапазон световых волн, диапазон инфракрасных волн. Также можно получить сведения о количестве энергии излучаемое Солнцем это приблизительно 1,1?1020 кВт?ч в секунду. Киловатт?час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов.

Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5?1018) кВт?ч ежегодно. Кроме этого например количество Солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца, времени года, от географического месторасположения участка, оно зависит также от различных атмосферных явлений, от облаков, от горных местностей, от равнины и т.д. Вот такое количество огромных сведений можно получить от излучения Солнца, эти сведения из области физики, географии, астрономии и химии. Все эти сведения обогащают знания школьников из различных областей физики, географии, химии и т.д. .

Следует отметить также, что излучение Солнца проникающий внутрь здания зависит от угла падения излучения, от материала стен здания, от расположения здания, от теплопроводности материала, от конвекции и т.д.

Можно привести также огромное количество полезной информации из различных областей наук получаемой школьником при подготовке к научному проекту, которые обогащают знания школьников.

Здесь также отметим преимущества преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, работа солнечных батареи, где принцип работы основан на р-n-переходе, или другими словами это электронно-дырочный переход. Это уже область физики полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной nк дырочной р проводимости.

При знакомстве с ветроэнергетическими установками школьники получают информацию как происходит преобразование кинетической энергии потока ветра в электрическую энергию, принципом работы этих установок. Они получают характеристические параметры ветра: скорость ветра, энергия ветра, мощность этой энергии, коэффициент полезного действия установки, экономически эффект от ветроэнергетических установок .

Одним словом подводя итоги можно сделать общее заключение:

При подготовке и работе над школьными проектами школьники получают массу всевозможных полезных информации из различных областей науки, физики, географии, химии, биофизики и т.д. Все полученные информации стимулируют молодежь для формирования у них научно-исследовательских навыков и совершенствования знаний в основном по курсу современной физики, эти знания необходимы также в дальнейшем при работе в промышленности, производстве и некоторых отраслях техники.

Библиографическая ссылка

Абекова Ж.А., Оралбаев А.Б., Саидахметов П.А., Ашенова А.К. СОВРЕМЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА, ЕЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ В НАУЧНЫХ ПРОЕКТАХ ШКОЛЬНИКОВ // Международный журнал экспериментального образования. – 2016. – № 1. – С. 13-16;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=9377 (дата обращения: 06.06.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Проблемы и перспективы современной энергетики
Специалисты подсчитали, что в США потребление энергии в 6 раз превосходит среднемировой уровень и в 30 раз - уровень развивающихся стран.

Ученые предлагают следующую информацию к размышлению. Если бы развивающиеся страны сумели добиться роста потребления минеральных ресурсов до уровня Соединенных Штатов, то разведанные запасы нефти истощились бы через 7 лет, природного газа - через 5 лет, угля - через 18 лет. Если учесть еще и потенциальные запасы, до которых пока не добрались геологи, то природного газа должно хватить на 72 года, нефти в обычных скважинах - на 60 лет, а в сланцах и песках, откуда ее чрезвычайно трудно и дорого выкачивать, - на 660 лет. Угля - на 350 лет.
Предположим, что на нужды энергии можно использовать, как нефть, всю массу нашей планеты. Если скорость увеличения потребления энергии останется такой же, как сегодня, это “горючее” будет сожжено целиком всего за 342 года.
При современных темпах развития техники производство энергии на Земле через 240 лет превысит количество солнечной энергии, падающей на нашу планету, через 800 лет - всю энергию, выделяемую солнцем, а через 1300 лет превзойдет полное излучение всей нашей Галактики.
Однако главная проблема современной энергетики - не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка.

Атомная энергетика
Исходя из опыта, человечеству придется отказаться от атомной энергетики по 4 причинам.
Во-первых, каждая атомная электростанция независимо от степени ее надежности является стационарной атомной бомбой, которая в любой момент может быть взорвана путем диверсии, бомбардировкой с воздуха, обстрелом ракетами или обычными артиллерийскими снарядами.
Во-вторых, на примере Чернобыля мы на собственном опыте убедились, что авария на атомной электростанции может произойти по чьей-то небрежности. С 1971 по 1984 гг. на АЭС мира произошла 151 серьезная авария, при которой случился “значительный выброс радиоактивных материалов с опасным воздействием на людей”. С тех пор года не проходило, чтобы в той или иной стране мира не происходило серьезной аварии на АЭС, а иногда - и по несколько аварий.
Втретьих, реальной опасностью являются радиоактивные отходы атомных электростанций, которых за прошедшие десятилетия накопилось довольно много, и накопится еще больше, если атомная энергетика займет доминирующее положение в мировом энергобалансе. Сейчас отходы атомного производства в специальных контейнерах зарывают глубоко в землю или опускают на дно океана. Эти способы не являются безопасными: с течением времени защитные оболочки разрушаются, и радиоактивные элементы попадают в воду и почву, а потом - и в организм человека.
Вчетвертых, атомное горючее может быть с одинаковой эффективностью использовано и в АЭС, и в атомной бомбе. Совет безопасности ООН пресекает попытки развивающихся тоталитарных государств ввозить атомное горючее якобы для развития атомной энергетики. Это закрывает атомной энергетике дорогу в будущее в качестве доминирующей части мирового энергобаланса.
Но атомная энергетика имеет и немаловажные достоинства. Американские специалисты подсчитали, что, если бы к началу 90-х годов в СССР все атомные электростанции заменили на угольные той же мощности, то загрязнение воздуха стало бы настолько велико, что это привело бы к 50-кратному увеличению преждевременных смертей в XXI в. в сравнении с самыми пессимистичными прогнозами последствий чернобыльской катастрофы.

Альтернативная энергетика. Теория и практика
Альтернативная энергетика основана на использовании возобновляемых (или "чистых") источников энергии. К таковым относятся энергогенерирующие устройства, работающие с использованием энергии Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, а также подземного тепла планеты.

Солнечная энергия
Ведущим экологически чистым источником энергии является Солнце. В настоящее время используется лишь малая часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Специалисты утверждают, что гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Но перед ней встает множество проблем, связанных с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным.

Энергия ветра
По оценке Всемирной метеорологической организации, потенциал энергии ветра в мире составляет 170 трлн кВтч в год.
У энергии ветра есть несколько существенных недостатков, которые затрудняют ее использование. Прежде всего, она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимо строить 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 небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но у энергии ветра есть главное преимущество - экологическая чистота. К тому же, недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет.
Разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветерке. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть также 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 там стоят рядами на обширном пространстве и занимают много места. В Дании “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где и она никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше.
Положительный пример использования энергии ветра показали Нидерланды и Швеция (последняя приняла решение на протяжении 90-х гг. построить и разместить в наиболее удобных местах 54 тыс. высокоэффективных энергоустановок).
В мире сейчас работает более 30 тыс. ВЭУ разной мощности. Германия получает от ветра 10% своего электричества, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии.

Гидроэнергия
Гидроэнергостанции - еще один из источников энергии, претендующих на экологическую чистоту. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание, а к концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими дешевую энергию.
Однако это привело к огромному ущербу для сельского хозяйства и природы: земли выше плотин подтоплялись, на территориях, расположенных ниже, падал уровень грунтовых вод, терялись огромные пространства земли, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, уменьшались рыбные запасы. На горных реках все эти минусы сводились к минимуму, зато добавлялся еще один: в случае землетрясения, способного разрушить плотину, катастрофа могла привести к тысячам человеческих жертв. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми. Однако минусы ГЭС породили идею мини-ГЭС, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, а их электрогенераторы способны работать при небольших перепадах воды или будучи движимыми лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.
Детально разработаны центробежные и пропеллерные энергоблоки рукавных переносных гидроэлектростанций мощностью от 0,18 до 30 кВт. При поточном производстве унифицированного гидротурбинного оборудования мини-ГЭС способны конкурировать с максивариантами по себестоимости одного киловаттчаса. Также несомненным плюсом является возможность их установки даже в самых труднодоступных уголках той или иной страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной лошади, а установка или демонтаж занимает всего несколько часов.
Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно созданная геликоидная турбина Горлова, названная по имени ее создателя. Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока - реки, океанского течения или морского прилива. Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность которой ранее зависела только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС.

Энергия приливов и отливов
Несоизмеримо более мощным источником водных потоков являются приливы и отливы. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе на Кольском полуострове в России. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.
Сегодня ПЭС неконкурентоспособны по сравнению с тепловой энергетикой.
Практически на сооружение ПЭС в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия или даже столетия. Но проценты в мировой энергобаланс ПЭС должны начать давать уже на протяжении XXI века.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив ЛаМанш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2,5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт экплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется.
Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м.
Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например, в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12,9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство.

Энергия волн
Уже сегодня инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно моря или озера устанавливается вертикальная труба, в подводной части которой сделано “окно”, попадая в которое, глубинная волна (а это почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег. Некоторые типы ВЭС могут служить отличными волнорезами, защищая побережье от волн и позволяя таким образом экономить на сооружении бетонных волнорезов.
Специалистами лаборатории энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне (США) разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоридском проливе, где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн м 3/сек., что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара. По подсчетам специалистов, средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет. В этой уникальной электростанции для получения тока мощностью 38 кВт будет использоваться турбина Горлова. Эта геликоидная турбина имеет три спиральные лопасти и под действием потока воды вращается в 2-3 раза быстрее скорости течения. В отличие от многотонных металлических турбин, применяемых на речных гидроэлектростанциях, размеры изготовленной из пластика турбины Горлова невелики (диаметр - 50 см, длина - 84 см), масса ее всего 35 кг. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду и исключает налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин.

Геотермальная энергия
Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже применяемый источник “чистой” энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии, Мексике и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников.
Геологи открыли, что раскаленные до 180°-200°С массивы на глубине 46 км занимают большую часть территории России, а с температурой до 100°-150°С встречаются почти повсеместно. Кроме того, на нескольких миллионах квадратных километров располагаются горячие подземные реки и моря с глубиной залегания до 3,5 км и температурой воды до 200°С (естественно, под давлением), так что, пробурив скважину, можно без всякой ТЭЦ получить фонтан пара и горячей воды.

Гидротермальная энергия
Кроме подземного, существует и водное тепло, не так распространенное в качестве источника энергии. Вода - это всегда хотя бы несколько градусов тепла, а летом она нагревается до 25°С. Для использования этого тепла необходима установка, действующая по принципу “холодильник наоборот”. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110°С, а затем его можно направлять либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60°-65°С. В ответ на каждый киловаттчас затрачиваемой на это энергии природа возвращает 3 киловаттчаса. По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде.
Наиболее эффективны такие установки при больших перепадах температур. Все необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально.

Энергетика сегодня и завтра
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. Но там, где есть возможность, следует внедрять альтернативные источники энергии.
Следует отметить (и об этом неоднократно сообщала СиН), что, например, определенный опыт использования энергии ветра уже есть и в Беларуси.

Электроэнергетический комплекс без преувеличения может быть назван одной из ключевых отраслей промышленности. Без электроэнергии невозможно производство в практически любой другой области. Таким образом, от энергетики, в конечном счете, зависит вся экономика нашей страны. Попробуем разобраться, в каком состоянии в настоящий момент находится российская энергетика и чего ожидать от нее в будущем.

Россия – один из лидеров мирового энергетического рынка

В настоящее время Россия входит в десятку крупнейших производителей электроэнергии и в число стран, обладающих самыми крупными запасами энергоресурсов. Во многом сегодняшнее лидерство определили заслуги советских строителей – речь идет о масштабном строительстве тепло- и гидроэлектростанций (проект ГОЭЛРО), а позднее и АЭС. В 60-80-х годах прогресс обеспечивался за счет активного освоения природных ресурсов Западной и Восточной Сибири.

А вот в последнее десятилетие XX-века энергетика была практически заброшена. Новые проекты, введенные в работу в тот период, можно пересчитать буквально по пальцам. В начале 2000-х ситуация начала понемногу исправляться, но и проблем пока еще очень много, и темпы роста не так велики, как хотелось бы.

Бич энергетики – устаревшее оборудование и технологии, отсутствие кадров и инвестиций

По оценкам экспертов, от 50 до 80% оборудования, занятого сегодня в российском производстве энергии, уже выработало или в ближайшие годы выработает свой ресурс. А это означает, что в обозримом будущем мы вполне сможем столкнуться с нехваткой электроэнергии и, как не трудно догадаться, с повышением цен. Несмотря на то, что с 2003 года наблюдается рост объема производства электроэнергии, электроэнергия становится все более дефицитной. У нас не хватает генерирующих мощностей, да и то, что есть, используется недостаточно эффективно: весь объем вырабатываемой энергии часто бывает сложно передать потребителю вследствие недостаточного развития электросетей.

Основной проблемой, доставшейся нам в наследство еще от СССР, является то, что половина электроэнергии в стране вырабатывается на газовых паротурбинных блоках, отличающихся малым КПД. КПД газовых паротурбинных блоков в полтора раза ниже, чем у парогазовых.

Страны Европейского Союза и США постепенно заменяют устаревшую паротурбинную технологию. Сегодня там на таких блоках генерируется менее 30% электроэнергии.

Эксперты Европейского банка реконструкции и развития в 2009 году провели исследование энергетического комплекса России и пришли к выводам о необходимости кардинальной реформы, включающей в себя полную замену оборудования на большинстве гидро- и теплоэнергостанций страны. По их подсчетам, общие затраты на модернизацию отрасли составят не менее 48 миллиардов евро.

Вместе с тем, в прошлом году нам удалось ввести в строй производственные мощности, генерирующие 6 ГВт электроэнергии, что стало рекордным показателем с 1985 года.

С другой стороны, российская промышленность продолжает оставаться чрезвычайно энергоемкой. Затраты энергии на производство ВВП превышают среднемировой показатель в 2,3 раза, а в отношении показателя государств Европы – в три раза.

Проблемой является и снижение научно-производственного потенциала в отрасли. Сегодня мы в состоянии производить генераторы и трансформаторы, не уступающие по эксплуатационным параметрам мировым аналогам. Но с точки зрения надежности и безопасности уже наблюдается некоторое отставание. Кроме того, модернизация имеющихся производств и внедрение новых технологий тормозится, в том числе, и отсутствием необходимого количества специалистов нужной квалификации.

Чего ожидать в будущем?

По прогнозам специалистов, в период с 2007 по 2015 год рост внутреннего спроса на электроэнергию составит, в среднем, 3,7-4,0% в год, а в период с 2016 по 2020 годы – 3,6-3,7%. Снижение роста объясняют модернизацией производства и внедрением менее энергоемких технологий. В связи с этим, энергетики каждый год должны вводить в строй мощности, генерирующие 130-200 млн. кВт.

Правительством РФ было принято решение о реализации нескольких программ, в рамках которых планируется снижение энергоемкости самых различных областей хозяйства:

- «Энергоэффективный квартал». В рамках программы планируется коренная модернизация систем энергоснабжения ряда мелких городов и отдельных микрорайонов. Впоследствии опыт будет распространен на системы всей страны;

- «Малая комплексная энергетика», в рамках которой планируется замена оборудования локальных генерирующих мощностей;

- «Инновационная энергетика», проект по внедрению новых технологий и решений.

Кроме того, значительное внимание уделяется атомной энергетике. Благодаря накопленному опыту у России есть все возможности сохранить конкурентоспособность на мировом рынке. Однако необходимо понимать, что 15 лет деградации не могли не сказаться на отрасли, так что сегодня ей необходимы значительные инвестиции.

Согласно государственным планам, в 2015 году рост генерирующих мощностей АЭС должен достигнуть 34-36 ГВт, а к 2020 году – 51-53 ГВт. Начиная со следующего десятилетия, запланирован постепенный переход к новой платформе, основанной на эксплуатации реакции быстрых нейтронов и замкнутом топливном цикле.

Как бы то ни было, для решения проблем в энергетическом комплексе необходим значительный рост инвестиций, повышение энергоэффективности промышленности, а также расширение производства электроэнергии за счет альтернативных источников.

К сожалению, не так давно мы допустили одну довольно серьезную ошибку: разделение и приватизацию РАО «ЕЭС России». Планировалось, что если допустить к отрасли частный капитал, это простимулирует его вкладывать средства в развитие и модернизацию. Но этого не произошло. Владельцы генерирующих мощностей и сбытовых компаний продолжают эксплуатировать устаревшее оборудование, не желая вкладываться в модернизацию. Здесь, как и во многих других отраслях, действует одно и то же правило: ориентация на «быструю» прибыль и нежелание думать о будущем. Вложения в энергетический комплекс со стороны государства по-прежнему составляют 85-90% от общего числа. Выходит, что средства вкладывает государство, а прибыль получает частник.

В связи со всем этим нетрудно сделать вывод, что сегодня власть должна озаботиться внесением изменений в законодательство, которые были бы направлены на:

Повышение контроля за деятельностью компаний отрасли;

Установление определенных показателей прибыли, которые владелец компании обязан направлять на обновление основных фондов и внедрение новых технологий, или, как вариант, экономическое стимулирование модернизации за счет налоговых льгот и других послаблений;

Возвращение чиновников-специалистов к управлению госкомпаниями энергетического сектора. Это позволит повысить управляемость и лучше контролировать ситуацию. Мера, конечно, во многом спорная, но если частные управляющие не будут работать подобающим образом, ничего другого просто не останется.

Введение. Энергия - проблемы роста потребления

Энергетический кризис - явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Его причины могут находиться в области логистики, политики или физического дефицита.

Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продол-жительности и улучшения условий его жизни.
История цивилизации - история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.
Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, - оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.
В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.
В то же время энергетика - один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).
Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.
Считается, что одной из главных причин этого изменения является энергетика. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ.
Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии, в том числе России. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера-океан. Корректный анализ проблемы возможен лишь с учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления.

Современные тенденции развития энергетики

Общепринятая классификация подразделяет источники первичной энергии на коммерческие и некоммерческие .
Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и первичное электричество (электроэнергия, произведенная на ядерных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых станциях).
К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека).
Мировая энергетика в целом на протяжении всей индустриальной фазы развития общества основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (около 90% общего потребления энергии). Хотя следует отметить, что существует целая группа стран (экваториальная зона Африки, Юго-Восточная Азия), многочисленное население которых поддерживает свое существование почти исключительно за счет некоммерческих источников энергии.
Различного рода прогнозы потребления энергии, базирующиеся на данных за последние 50-60 лет предполагают, что примерно до 2025 г. ожидается сохранение современного умеренного темпа роста мирового потребления энергии - около 1.5% в год и проявившая себя в последние 20 лет стабилизация мирового душевого потребления на уровне 2.3-2.4 т усл.топл./(чел.-год). После 2030 г. по прогнозу начнется медленное снижение среднемирового уровня душевого потребления энергии к 2100 г. При этом общее потребление энергии обнаруживает явную тенденцию к стабилизации после 2050 г. и даже слабого уменьшения к концу века.
Одним из важнейших факторов, учитывавшихся при разработке прогноза, является обеспеченность ресурсами мировой энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого органического топлива.
В рамках рассматриваемого прогноза, безусловно, относящегося к категории умеренных по абсолютным цифрам потребления энергии, исчерпание разведанных извлекаемых запасов нефти и газа наступит не ранее 2050 г., а с учетом дополнительных извлекаемых ресурсов - после 2100 г. Если принять во внимание, что разведанные извлекаемые запасы угля значительно превосходят запасы нефти и газа, вместе взятые, то можно утверждать, что развитие мировой энергетики по данному сценарию обеспечено в ресурсном отношении более чем на столетие.
Вместе с тем, результаты прогнозов дают значительный разброс, что хорошо видно из подборки некоторых опубликованных данных прогнозов на 2000 г.

Таблица 5.7. Некоторые недавние прогнозы энергопотребления на 2000 г.
(в скобках - год публикации) и его действительное значение.

Прогностический центр	Потребление первичной энергии, Гт усл.топл./год
Институт атомной энергии (1987)	21.2
Международный институт прикладного системного анализа (IIASA) (1981)	20.0
Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) (1981)	18.7
Окриджская национальная лаборатория (ORNL) (1985)	18.3
Международная комиссия по изменению климата (IPCC) (1992)	15.9
Лаборатория глобальных проблем энергетики ИБРАЭ РАН-МЭИ (1990)	14.5
Действительное энергопотребление	14.3

Уменьшение энергопотребления по отношению к прогнозируемому связаны, прежде всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии.
Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, стабилизация запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире.

Вместе с тем, говоря о потреблении энергии, следует отметить, что в постиндустриальном обществе должна быть решена еще одна основополагающая задача - стабилизация численности населения.
Современное общество, не решившее эту проблему или, по крайней мере, не предпринимающее усилий для ее решения, не может считаться ни развитым, ни цивилизованным, поскольку совершенно очевидно, что бесконтрольный рост населения ставит непосредственную угрозу существования человека как биологического вида.
Итак, потребление энергии на душу населения в мире обнаруживает явную тенденцию к стабилизации. Следует отметить, что этот процесс начался еще около 25 лет тому назад, т.е. задолго до нынешних спекуляций на глобальном изменении климата. Такое явление в мирное время наблюдается впервые с начала индустриальной эпохи и связано с массовым переходом стран мира в новую, постиндустриальную стадию развития, в которой потребление энергии на душу населения остается постоянным. Указанный факт имеет весьма важное значение, поскольку в результате и величина общего потребления энергии в мире растет гораздо более медленными темпами. Можно утверждать, что серьезное замедление темпов роста энергопотребления оказалось полной неожиданностью для многих прогнозистов.

Кризис топливных ресурсов

В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: «Энергетический кризис!», «Надолго ли хватит органического топлива?», «Конец нефтяного века!», «Энергетический хаос». Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации - печать, радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и развивать новые способы её преобразования.
Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет.
Человек всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Но, как показывает историческое развитие, обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям ещё более быстрыми шагами.
Тем не менее, пока проблема истощения энергетических ресурсов остается. Ресурсы, которыми обладает Земля, делятся на возобновляемые и невозобновляемые . К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов, леса. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов различаются более чем в 50 раз. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недрах Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. Оценка запасов и потребления основных из них приведена в табл.5.44. В таблице приведены потенциальные ресурсы. Поэтому при существующих сегодня методах добычи из них можно извлечь только около половины. Другая половина остается в недрах. Именно поэтому, часто утверждают, что запасов хватит на 120-160 лет. Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа, которого (по имеющимся оценкам) может хватить всего на 40-60 лет.
С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка - дело весьма трудоемкое. Так в России, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление - в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.
В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде было одно - внедрение атомной энергетики. Запасы уранового сырья тоже ограничены. Однако если говорить о современных тепловых реакторах усовершенствованного типа, то для них, вследствие достаточно большой их эффективности, можно считать запасы урана практически безграничными.
Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет, а в резерве ещё ядерное?
Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. в недрах земли ещё много, но их добыча Нефти, газа стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива.
Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а, скорее из-за экономии и сохранения на будущее нефти и газа, а также из-за возможности уменьшения экологической нагрузки на биосферу.
Существует распространенное мнение, что стоимость электроэнергии АЭС значительно ниже стоимости энергии, вырабатываемой на угольных, а в перспективе - и газовых электростанциях. Но если подробно рассмотреть весь цикл атомной энергетики (от добычи сырья до утилизации РАО, включая расходы на строительство самой АЭС), то эксплуатация АЭС и обеспечение ее безопасной работы оказываются дороже, чем строительство и работа станции такой же мощности на традиционных источниках энергии (табл.5.8 на примере экономики США).
Поэтому в последнее время все больший акцент делается на энергосберегающих технологиях и возобновляемых источниках - таких как солнце, ветер, водная стихия. Например, в Европейском союзе поставлена цель к 2010-2012 гг. получать 22% электроэнергии с помощью новых источников. В Германии, например, уже в 2001 г. энергия, производимая от возобновимых источников, была равносильна работе 8 атомных реакторов, или 3.5% всей электроэнергии.
Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Однако, оказывается и здесь все не так просто. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость.
Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения таких источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий пока минимум в два-четыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в недалеком будущем. По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее экологичным источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более удобный источник энергии.
На рис.5.38 приведен график роста мощности АЭС в мире и производства электроэнергии за 1971-2006 гг., и прогнозы развития на 2020-30 гг. Помимо упомянутых выше, несколько развивающихся стран, таких, как Индонезия, Египет, Иордания и Вьетнам, заявили о возможности создания АЭС и сделали первые шаги в этом направлении.

Рис.5.38. (наверху ) Рост мощности АЭС и производства электроэнергии за 1971-2006 гг. по данным МАГАТЭ и прогнозы мощности АЭС в Мире на 2020-2030 гг. (внизу )

Экологический кризис энергетики

Основные формы влияния энергетики на окружающую среду состоят в следующем.

1. Основной объем энергии человечество пока получает за счет использования невозобновимых ресурсов.
2. Загрязнение атмосферы: тепловой эффект, выделение в атмосферу газов и пыли.
3. 3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов, выбросы загрязняющих веществ.
4. Загрязнение литосферы при транспортировке энергоносителей и захоронении отходов, при производстве энергии.
5. Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами окружающей среды.
6. Изменение гидрологического режима рек гидроэлектростанциями и как следствие загрязнение на территории водотока.
7. Создание электромагнитных полей вокруг линий электропередач.

Согласовать постоянный рост энергопотребления с ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива, можно, по-видимому, двумя способами

1. Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70 годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
2. Развитие экологически более чистых видов производства энергии. Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, особенно базирующихся на использовании возобновляемых источников. Однако пути реализации данного направления пока не очевидны. Пока возобновимые источники дают не более 20 % общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика.

Экологические проблемы традиционной энергетики

Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). Далее обычно идут гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).

Некоторые пути решения экологических проблем

В ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран.

Существенно уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду позволяют следующие пути и способы использования топлива (базирующиеся в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов):

1. Использование и совершенствование очистных устройств (улавливание твердых выбросов и окислов серы (96 %) и азота (80 %) и получение аммиачной селитры – удобрения и раствора сульфата натрия для химической промышленности).

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу путем предварительной десульфурации углей (снижения в них содержания серы) и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива до 50 – 70 % серы до момента его сжигания.

3. Экономия электроэнергии – снижение энергоемкости изделий (в США на единицу получаемой продукции расходовалось в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР, в Японии – в 3 раза меньше), снижение металлоемкости продукции, повышение качества и, как следствие, увеличение срока службы.

4. Экономия энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Отказ от использования электроэнергии в качестве источника тепла, так как потери при производстве ее на ТЭС больше на 60 – 65 %, чем при получении тепловой энергии, а на АЭС больше 70 %.

5. Повышение КПД топлива при использовании его вместо ТЭС на ТЭЦ за счет приближения объектов получения энергии к потребителю и снижения теплового загрязнения водной среды при использовании на ТЭЦ тепла, улавливаемого охлаждающими агентами. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (когенерирование) непосредственно в зданиях.

Экономическая эффектив­ность освоения энергосбере­гающих технологий в широ­ких масштабах становится существенной при уровне энергопотребления примерно 10 кВт на одного человека. В России сейчас этот показа­тель держится на уровне при­мерно 2 кВт, причем в струк­туре энергопотребления дов­леет промышленная состав­ляющая.

Для примера: если в США на непромышленную сферу (бытовую, социально-культурную и т.п.) прихо­дится более 50 % энергопот­ребле-ния, то в России - не более 25 %.

2.14.1. Альтернативные источники получения энергии

Основные проблемы современных источников энергии – исчерпаемость и загрязнение среды. Альтернативными источниками являются энергия Солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и др. источников. Хотя использование невозобно­вимых энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьез­ные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы природы. Не пото­му, что они меньше (они намного больше), а потому, что их ко­лоссальная энергия непостоянна, распределена на больших про­странствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю.

2.14.2. Энергия Солнца

Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии об­ладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз пре­восходит всю энергию других источников, которые сможет ис­пользовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ни­чтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассив­ной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также со­вершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеют очень большую перспективу.

Однако больший интерес проявляют к спосо­бам концентрирования солнечной энергии и ее прямому преобразованию в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигла 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт.

Энергию солнца можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредованно (через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, обусловленные влияниями солнца.

1. Солнце как источник тепловой энергии.

Использование солнечного тепла – наиболее простой и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжения расходуется около 25 % производимой в стране энергии. В северных странах, в том числе и в России, эта доля заметно выше. Между тем значительная доля тепла, необходимого для этих целей, может быть получена посредством улавливания энергии солнечных лучей. Эти возможности тем значительнее, чем больше прямой солнечной радиации поступает на поверхность Земли.

Способы использования:

а) солнечные коллекторы ;

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного рода солнечных коллекторов.

В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания. Оба блока могут представлять единое целое.

Коллекторы помещаются в прозрачную камеру, которая действует по принципу парника. Имеются также устройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведения, например, потоками воздуха или воды.

б) нагревательные системы пассивного типа;

Еще более просты, чем коллекторы. Циркуляция теплоносителей здесь осуществляется в результате конвекционных токов: нагретый воздух или вода поднимаются вверх, а их место занимают охлажденные теплоносители. Пример: помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хорошими изоляционными свойствами материалов, способных длительно удерживать тепло. Для уменьшения перегрева днем и теплоотдачи ночью используются шторы, жалюзи, козырьки и другие защитные приспособления.

Проблема наиболее рационального использования солнечной энергии решается через правильное проектирование зданий. Некоторое удорожание строительства перекрывается эффектом использования дешевой и чистой энергии.

В США (Калифорния) имеются строения, которые даже при пассивном типе аккумуляции солнечных лучей позволяют экономить до 75 % расходов на энергию, при дополнительных строительных затратах 5 – 10 %.

На Кипре в 90 % коттеджей, многих отелях и многоквартирных домах проблема теплообеспечения и горячего водоснабжения решается за счет солнечных водонагревателей. В других странах целенаправленное использование солнечной энергии пока не велико, но интенсивно увеличивается производство различного рода солнечных коллекторов. В США сейчас действуют тысячи подобных систем, хотя обеспечивают они пока только 0,5 % горячего водоснабжения.

в) устройства для накопления тепла в солнечное время суток в парниках или других сооружениях;

Для этого в помещениях размещают материал с большой поверхностью и хорошей теплоемкостью. Это могут быть камни, крупный песок, вода, щебенка, металл. Днем они накапливают тепло, а ночью постепенно отдают его. Такие устройства широко используются в тепличных хозяйствах юга России, в Казахстане, Средней Азии.

2. Солнце как источник электроэнергии.

Способы использования:

а) фотоэлементы;

В фотоэлементах солнечная энергия индуцируется в электрический ток без дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей.

Основные трудности применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и потребностями в больших территориях для их размещения. Проблема в какой-то мере решаема за счет замены металлических фотопреобразователей энергии эластичными, синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей в космическое пространство.

В тех случаях, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно (калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы).

В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например, сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами. Солнечные станции привлекательны также возможностью быстрого ввода в строй и наращивания их мощности в процессе эксплуатации простым присоединением дополнительных батарей – солнцеприемников.

б) превращение воды в пар , который приводит в движение турбогенераторы;

В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды , состоящие из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего с прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет солевой раствор. Нагретая вода используется для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах.

3. Солнечная энергия как источник для получения водорода из воды путем электролиза.

Водород называют “топливом будущего”. Разложение воды и высвобождение водорода осуществляется в процессе пропускания между электродами электрического тока, полученного на гелеоустановках. Недостатки таких установок пока связаны с невысоким КПД (энергия, содержащаяся в водороде, лишь на 20 % превышает ту, которая затрачена на электролиз воды) и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости для хранения.

Германией рассматриваются проекты получения жидкого водорода, используя избыточные гидроресурсы Канады или размещения солнечных батарей в пустыне Сахара, а затем транспортировки полученного электролизом жидкого водорода в танкерах либо по сети трубопроводов к месту потребления. Особенно перспективно его применение как топлива для летательных аппаратов, автотранспорта и космической техники. Однако есть трудности для реализации проекта: получаемый водород может находиться в жидком состоянии при атмосферном давлении только при температуре -253 °С и при этом он легко испаряется, поэтому особые требования предъявляются к емкостям для хранения – необходимо сооружение контейнеров в виде сосуда Догоара для обеспечения сверхнизких температур и предохранения от быстрого испарения. Кроме того, цена водорода высока, дороже бензина.

4. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу (биотопливо).

В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1 % потока солнечной энергии. Однако эта энергия существенно превышает ту, которую получает человек из различных источников в настоящее время и будет получать в будущем.

Способы использования:

а) прямое сжигание биомассы ;

Это самый простой путь использования энергии фотосинтеза. В отдельных странах, не вступивших на путь промышленного развития, такой метод является основным.

б) переработка биомассы в другие виды топлива ;

Так можно получать биогаз (путем анаэробного – без доступа кислорода брожения) или этиловый спирт (путем аэробного брожения).

Это более оправданный способ. Имеются данные о том, что молочная ферма на 2 тысячи голов способна за счет использования отходов обеспечить биогазом не только само хозяйство, но и приносить ощутимый доход от реализации получаемой энергии. Большие энергетические ресурсы сосредоточены также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах.

Спирт, получаемый из биоресурсов, все более широко используют в двигателях внутреннего сгорания Так, Бразилия с 70-х годов ХХ века значительную часть автотранспорта перевела на спиртовое горючее или на смесь спирта с бензином - бензоспирт. Опыт использования спирта как энергоносителя имеется в США.

Для получения спирта используется разное органическое сырье – сахарный тростник в Бразилии, кукуруза в США, различные зерновые культуры, картофель, древесная масса (опилки) – в других странах. Ограничивающими факторами для использования спирта в качестве энергоносителя являются недостаток земель для получения органической массы и загрязнение среды при производстве спирта (сжигание ископаемого топлива), а также более высокая стоимость (примерно в два раза дороже бензина).

Для России, где большое количество древесины, особенно лиственных пород (береза, осина), практически не используются (не вырубается или остается на лесосеках), весьма перспективным является получение спирта из этой биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. Большие резервы для получения спиртового горючего или тепловой энергии имеются также на базе отходов лесопильных и деревообрабатывающих предприятий.

в) выращивание “энергетических культур” или “энергетических лесов”;

“Энергетические леса” – это фитоценозы, выращиваемые для переработки их биомассы в газ или жидкое горючее. Под “энергетические леса” обычно отводятся земли, на которых по интенсивным технологиям за короткие сроки (5 – 10 лет) выращивается и снимается урожай быстрорастущих видов деревьев (тополя, эвкалипты и другие). В целом же биотопливо можно рассматривать как существенную помощь в решении энергетических проблем в будущем. Основное преимущество этого ресурса – его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.

2.14.3. Ветер как источник энергии

Ветер, как и движущаяся вода, являются наиболее древними источниками энергии. В течение нескольких столетий эти источники использовались как механические на мельницах, пилорамах, в системах подачи воды к местам потребления. Они же используются и для получения электроэнергии, хотя доля ветра в общем объеме производства крайне незначительна (в Дании 3,7 % от общего объема производства электроэнергии).

Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности.

Оправдано использование ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств). Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин, объединенных в одну систему.

В США сооружена ветроэлектростанция на базе объединения большого числа мелких ветротурбин мощностью около 1500 МВт (примерно 1,5 АЭС). Широко ведутся работы по использованию энергии ветра в Канаде, Нидерландах, Дании, Швеции, Германии. Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2-3 раза меньше, чем на ТЭС и АЭС.

Для большинства извест­ных ветрогенераторов расчет­ная скорость ветра, при которой обеспечивается номинальная мощность, должна составлять 8-14 м/с и по эко­номическим соображениям должна выдерживаться не менее 2500 часов в год. Такие условия на значительной части территорий РФ отсутствуют.

2.14.4. Использование нетрадиционных гидроресурсов

Гидроресурсы остаются важным потенциальным источником энергии при условии использования более экологичных, чем современные, методов ее получения. Например, крайне недостаточно используются энергоресурсы средних и малых рек (длина от 10 до 200 км). Только в России таких рек имеется более 150 тысяч. В прошлом именно малые и средние реки являлись важнейшим источником получения энергии.

Небольшие плотины на реках не столько нарушают сколько оптимизируют гидрологический режим рек и прилежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обусловленного природопользования, мягкого вмешательства в природные процессы.

Водохранилища, создававшиеся на малых реках, обычно не выходили за пределы русел. Такие водохранилища гасят колебания воды в реках и стабилизируют уровни грунтовых вод под прилежащими пойменными землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и устойчивости как водных, так и пойменных экосистем. Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС.

В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.

2.14.5. Энергетические ресурсы морских, океанических

и термальных вод

Большими энергоресурсами обладают водные массы морей и океанов. К ним относятся энергия приливов и отливов, морских течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля в энергобалансе не будет повышаться.

1. В мире пока действуют три приливно-отливные электростанции. В России возможности приливно-отливной энергии значительны на Белом море. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.

2. В океанических водах для получения энергии можно использовать разность температур на различных глубинах. В теплых течениях, например, в Гольфстриме, они достигают 20 °С. В основе принципа лежит применение жидкостей, кипящих и конденсирующихся при небольших разностях температур.

Теплая вода поверхностных слоев и используется для превращения жидкости в пар, который вращает турбину. Холодные глубинные массы – для конденсации пара в жидкость. Трудности связаны с громоздкостью сооружений и их дороговизной. Установки такого типа находятся пока на стадии испытаний (например, в США).

3. Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются не поверхность в виде гейзеров (например, на Камчатке). Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества.

4. Ведутся также опыты по использованию тепла, содержащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие термальные воды.

Уже в настоящее время отдельные города или предприятия обеспечиваются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии – Рейкъявику. В начале 80-х годов в мире производилось на геотермальных электростанциях около 5000 МВт электроэнергии (примерно 5 АЭС). В России значительные ресурсы геотермальных вод имеются на Камчатке, но используются они пока в небольшом объеме. В бывшем СССР за счет этого вида ресурсов производилось только около 20 МВт электроэнергии.

2.14.6. Термоядерная энергия

Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики.

Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходным элементом для синтеза является водород, конечным – гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния не среду и практически неисчерпаемы. Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно.

Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется.

Ученые пошли по пути поиска возможностей осуществления реакций в среде, не способной к испарению Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле. Установка такого типа получила название ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитным полем), разработана в институте им. Курчатова. Второй путь – использование лазерных лучей, за счет которых обеспечивается получение нужной температуры и в места концентрации которых подается водород.

Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических и экологических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.

ªВопросы для самопроверки

1. Какие новые методы использования топлива позволяют уменьшить воздействие энергетики на ОС?

2. В чем преимущества использования солнечной энергии по сравнению с другими видами энергии?

3. Назовите способы использования солнца как источника тепловой и электроэнергии.

4. Каковы перспективы применения жидкого водорода в энергетике?

5. Что такое биотопливо, как его получают?

6. Что такое “энергетический лес” ?

7. Какие проблемы препятствуют широкому использованию ветра как источника энергии?

8. Сравните воздействие на ОС малых и крупных ГЭС.

9. В чем заключается отрицательное влияние приливно–отливных ГЭС на экосистемы?

10. Каков принцип получения энергии за счет градиентов температур в океане?

11. Каковы условия протекания реакции термоядерного синтеза и какие сложности с этим связаны в настоящее время?