Энергетический кризис и пути выхода из него

Атомная энергия

При исследовании распада  атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Это  объясняется тем, что при объединении  протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 г эквивалентна такому количеству тепловой энергии, какое получилось бы при сжигании 300 вагонов каменного угля. Не удивительно поэтому, что исследователи приложили все силы, стремясь найти ключ, который позволил бы “открыть” атомное ядро и высвободить скрытую в нем огромную энергию.

Ядерный реактор – устройство, в котором протекает управляемая цепная реакция. При этом распад атомных ядер служит регулируемым источником и тепла, и нейтронов.

Первый проект ядерного реактора разработал в 1939 г. французский ученый Фредерик Жолио-Кюри. Но вскоре Францию оккупировали фашисты, и проект не был реализован.

Цепная реакция деления  урана впервые была осуществлена в 1942 г. в США, в реакторе, который группа исследователей во главе с итальянским ученым Энрико Ферми построила в помещении стадиона Чикагского университета. Этот реактор имел размеры 6х6х6,7 м и мощность 20 кВт; он работал без внешнего охлаждения.

Первый ядерный реактор  в СССР (и в Европе) был построен под руководством акад. И. В. Курчатова  и запущен в 1946 г.

В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто – в нем, так же как и  в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции  распада атомов урана или другого  ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в  пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.

Атомные реакторы на тепловых нейтронах различаются между  собой главным образом по двум признакам: какие вещества используются в качестве замедлителя нейтронов  и какие в качестве теплоносителя, с помощью которого производится отвод тепла из активной зоны реактора. Наибольшее распространение в настоящее  время имеют водо-водяные реакторы, в которых обычная вода служит и замедлителем нейтронов, и теплоносителем, уран-графитовые реакторы (замедлитель  – графит, теплоноситель – обычная  вода), газографитовые реакторы (замедлитель  – графит, теплоноситель – газ, часто углекислота), тяжеловодные реакторы (замедлитель – тяжелая вода, теплоноситель – либо тяжелая, либо обычная вода).

Нет сомнения в том, что  атомная энергетика заняла прочное  место в энергетическом балансе  человечества. Она безусловно будет  развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую  людям энергию. Однако понадобятся  дополнительные меры по обеспечению  надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а ученые и  инженеры сумеют найти необходимые  решения.

Водородная энергетика

Водород, самый простой  и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить  на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения  окружающей среды. Водородное пламя  не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

Современные и перспективные  методы производства водорода

 

Сейчас водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичный для энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.

Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методом электролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных электростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических  процессов крупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложения воды, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяя катализаторы, полунепроницаемые мембраны и т. п.

Большое внимание уделяют  термолитическому методу, который (в перспективе) заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий, что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000°С.

В 1969 г. в итальянском отделении “Евратома” была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируют в повторных циклах. Другие – сконструированные установки работали – при температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.

Использование водорода

Когда водород станет столь  же доступным топливом, как сегодня  природный газ, он сможет всюду его  заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжигания природного газа.

Как мы уже говорили, при  сжигании водорода не остается никаких  вредных продуктов сгорания. Поэтому  отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде, Более  того, образующийся при горении водяной  пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух). А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает к. п. д. отопления на 30%.

Водород может служить  и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Неоспорима роль энергии  в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы – прямо или косвенно – больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж: в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

За время существования  нашей цивилизации много раз  происходила смена традиционных источников энергии на новые, более  совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее  однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина  уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более  калорийного "корма".

Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство  на энергетическом рынке нефти.

И вот новый виток в  наши дни ведущими видами топлива  пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или  тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что  нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

Замена? Нужен новый лидер  энергетики. Им, несомненно, станут ядерные  источники.

Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде  бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.

А итог таков: при получении  электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз  меньше средств и труда, чем при  извлечении энергии из угля. И ядерное  горючее приходит на смену нефти  и углю... Всегда было так: следующий  источник энергии был и более  мощным. То была, если можно так выразиться, "воинствующая" линия энергетики.

В погоне за избытком энергии  человек все глубже погружался в  стихийный мир природных явлений  и до какой-то поры не очень задумывался  о последствиях своих дел и  поступков.

Но времена изменились. Сейчас, в начале 21 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика "щадящая". Построенная так, чтобы человек  не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в будущем  параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие  права гражданства и линия  экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Яркий пример тому - быстрый  старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная. Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает  в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это  и понятно: энергетика связана буквально  со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее.

Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, "черных дырах", вакууме, - это всего лишь наиболее яркие  вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших  глазах и который можно назвать  завтрашним днем энергетики.

Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных  озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед. Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим, что мы на пути к эре  энергетического Изобилия и что  все препоны, преграды и трудности  будут преодолены.

Рассказ об энергии может  быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для  этого эффективные и экономичные  методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому, следует лишь согласиться  с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: "Нет простых решений, есть только разумный выбор".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Вершинский Н. В. Энергия океана. – М.: Наука, 1986. – 152 с.
2. Подгорный А. Н. Водородная энергетика. – М.: Наука, 1988.– 96 с.
3. Кононов Ю. Д.. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 1981. – 190 с.
4. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Энергетический_кризис