Цивилизация на путях поиска идеальной энергетики будущего

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Цивилизация на путях поиска идеальной энергетики будущего 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск 2008

 

Оглавление

1. Введение          С.3
2. Источники энергии в XXI веке       С.4
3. Альтернативные источники энергии.      С.6 
1. Энергия солнца.          С.6
2. Ветряная энергия.         С.6
3. Управляемый термоядерный синтез.      С.7
4. Гидроэнергия.         С.8
5. Энергия приливов и отливов.  С.8
6. Геотермальная энергия.       С.9
7. Гидротермальная энергия       С.10
4. Заключение          С.11
5. Библиографический список       С.12

 

 

Введение

     В современный период энергетика играет важную роль в развитии человечества. Энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия  используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. Значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой, и только часть ее превращается в электрическую.

     От  энергетики также зависит экономический  потенциал государств и благосостояние людей. Она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом. Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством или  с использованием энергии. Так высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, а, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду. Это показывает неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии, так как они экологичны и возобновляемы.

     Перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены некоторые  видов топлива, которые можно было бы назвать безотходными и неисчерпаемыми.

 

Источники энергии в XXI веке

     В XXI в., по крайней мере в первые его  десятилетия, энергопотребление будет  расти, а доля различных стран  и источников энергии в мировом  топливно-энергетическом балансе будет изменяться. Но в долгосрочной перспективе прогнозируется замедление темпов роста энергопотребления, вызванное технологическими, коммерческими, демографическими и ресурсными причинами. Согласно прогнозам, к 2100 г. произойдет почти двукратное увеличение уровня использования энергии до отметки около 22 млрд т у. т.5

     Расширение  выработки гидро- и геотермальной  энергии, увеличение ресурсной базы горючих полезных ископаемых зависит, прежде всего, от технических решений, коммерческих и экологических ограничений. Уровень использования ветровой и солнечной энергии определяется наличием соответствующих природных площадок и технико-экономическими параметрами.

     В структуре энергопотребления во второй половине XXI в. снизится доля углеводородных энергоносителей и вновь возрастет роль угля, но уже на базе новых технологических коммерчески эффективных и экологически чистых решений.

     Потребление угля в конце XXI столетия достигнет  согласно прогнозам, 6,5 млрд т у. т., что  составит около 30% всей используемой первичной энергии. С 2040-х годов будет наблюдаться устойчивое возрастание объемов выработки и использования неисчерпаемой и возобновляемой энергии.

     Доля  гидроэнергии будет возрастать за счет использования потенциала крупных  равнинных рек Южной Америки, Азиатско-Тихоокеанского региона, Африки, Сибири, а также в результате расширения строительства ГЭС и совершенствования технологических систем на горных и малых реках во всех регионах мира. При этом роль гидроэнергии будет оставаться незначительной, увеличившись в структуре энергопотребления с 2,7% в 2000 г. до 4% в 2100 г.

     Согласно  прогнозу Института геологии нефти  и газа СО РАН, потребление энергоресурсов в мире к 2030 г. возрастет с 12,0 до 16,7 млрд т у. т. в год. При этом потребление  нефти вырастет с 4,9 млрд т у. т. в 2000 г. до 7,1 млрд т у. т. в 2020 г., а в следующие десять лет - снизится до 6,9 млрд т у. т., за счет вытеснения нефтепродуктов из энергетических и транспортных систем сжиженным природным газом и синтетическим угольным топливом.

     Потребление газа возрастет с 2,8 млрд т у. т. в 2000 г. до 4,0 млрд т у. т. в 2030 г., потребление угля - с 3,0 млрд т у. т. до 4,0 млрд т у. т. Баланс энергопотребления по энергоносителям в ближайшие 30 лет принципиальных изменений не претерпит. Ожидается, что в первые десятилетия XXI в. роль нефти в мировом топливно-энергетическом балансе будет оставаться определяющей. Прогнозируемый рост потребления газа не приведет к коренной диверсификации энергоносителей, как это случилось в XX веке.

     В связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой. Для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии. Их мы  и рассмотрим далее. 
 

 

     

Альтернативные  источники энергии.

Энергия Солнца

     Ведущим экологически чистым источником энергии  является Солнце. В настоящее время  используется лишь ничтожная часть  солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказывать от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на большой территории земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). 

     Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии  для отопления домов и т.д. Практическое применение находят солнечные полупроводниковые батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

Ветряная  энергия

     Потенциал энергии ветра подсчитан более  менее точно: по оценке Всемирной  метеорологической организации ее запасы в мире составляют 170 трлн кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой, и завтрашних тысяч гигантских башен с десятиметровыми лопастями, выстроенных цепью там, где постоянно дуют сильные ветры, вносящих тоже свой немаловажный “процент” в мировой энергобаланс.

     У энергии ветра есть несколько  существенных недостатков. Необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер часто меняет направление. Ветроэнергостанции они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но эти недостатки можно уменьшить и даже устранить.

     В настоящее время разработаны  ветроэнергоустановки, способные эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.

     Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают  огромные “ветряные фермы”. Такие  “фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они занимают много  места; в Дании “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она никому не мешает, и ветер устойчивее, чем на суше.

Управляемый термоядерный синтез.

     Управляемый термоядерный синтез использует ядерную  энергию, выделяющуюся при слиянии  легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд.

     В настоящее время ведется проектирование первого экспериментального термоядерного  реактора - ИТЭР. В проекте участвуют Европа, Россия, США и Япония. Предполагается, что этот первый термоядерный реактор токамак будет построен к 2010 г. 
Существуют огромные запасы топлива для термоядерной энергетики. Дейтерий - это широко распространенный в природе изотоп, который может добываться из морской воды. Тритий будет производиться в самом реакторе из лития. Запасы дейтерия и лития достаточны для производства энергии в течение многих тысяч лет и это топливо, как и продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны. Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации материалов первой стенки реактора нейтронами.

     Несмотря  на большие успехи, достигнутые в  этом направлении, термоядерным реакторам  предстоит еще пройти большой  путь прежде, чем будет построен первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики требует больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная энергетика не будет готова раньше, чем 2020-2040 г.

     Но  некоторые исследователи считают, что  в ближайшие 50 лет термоядерный синтез не будет технологически освоен, а пагубное тепловое влияние на климат планеты будет не меньшим, чем  от ТЭС и АЭС. 

Гидроэнергия.

     Гидроэнергостанции - один из источников энергии, претендующих на экологическую чистоту. В начале XX века крупные и горные реки мира привлекли к себе внимание, а концу столетия большинство из них было перегорожено каскадами плотин, дающими баснословно дешевую энергию. Но это привело к огромному ущербу для сельского хозяйства и природы вообще: земли выше плотин подтоплялись, ниже - падал уровень грунтовых вод, терялись огромные пространства земли, уходившие на дно гигантских водохранилищ, прерывалось естественное течение рек, загнивала вода в водохранилищах, падали рыбные запасы и т.п. Поэтому современные крупные ГЭС не являются действительно экологически чистыми. Минусы ГЭС породили идею “мини-ГЭС”, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением.

     Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно созданная   геликоидная турбина Горлова (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 и на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (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.

     Для сооружения ПЭС даже 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. И все же процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.