Энергетика, её роль в современном мире

3. Большие и реальные  возможности уменьшения или стабилизации поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии. Особенно велики такие возможности для России за счет снижения энергоемкости получаемых изделий. Например, в США на единицу получаемой продукции расходовалось в среднем в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР. В Японии такой расход был меньшим в три раза. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии, связанные с использованием компьютерных и других устройств.

4. Не менее значимы  возможности экономии энергии  в быту и на производстве  за счет совершенствования изоляционных  свойств зданий. Реальную экономию энергии дает замена ламп накаливания с КПД около 5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше.

Крайне расточительно  использование электрической энергии  для получения тепла. Важно иметь  в виду, что получение электрической  энергии на ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС - не менее 70% энергии. Энергия теряется также при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается  также КПД топлива при его  использовании вместо ТЭС на  ТЭЦ. В последнем случае объекты  получения энергии приближаются  к местам ее потребления и  тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается вероятность теплового загрязнения водной среды. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (иогенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае потери тепловой и электрической энергии снижаются до минимума. Такие способы в отдельных странах находят все большее применение.

 Рассмотрим альтернативные  источники получения энергии. После изучения материала, я решил на первое место поставить геотермальный способ. Т.е. получения энергии за счет тепла земли. Горячих источников на нашей планете предостаточно. В некоторых странах на её долю приходится значительна часть энергобаланса страны (Например, Исландия). Геотермальные станции необязательно строить в близи теплых источников. Можно построить электростанцию и в любом другом месте, только это займет значительных затрат. Необходимо вырыть яму в несколько километров. Температура земли должна быть около 350⁰С или выше. В яму отпускают две трубы. По одной из них поступает вода, а по другой возвращается пар.

 

 

 

 

 

 Установка выглядит  примерно так:

К тому же можно получать не только энергию, но и тепло. Что  будет более эффективней, т.к. для тепла не обязательно капать так глубоко. Я уверен, что такая установка окупится весьма быстро. А воздействие на окружающею среду минимальны. Такие станции уже есть в мире. Например, в США есть место, где вокруг нет горячих источников, но там работает описанная станция.

На второе место я  поставлю солнечную энергию. 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. Биомассу можно легко переработать в другие виды топлива, например в биогаз или этиловый спирт. Первый является результатом анаэробного (без доступа кислорода), а второй аэробного (в кислородной среде) брожения.

Имеются данные, 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 сконцентрированы также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах. А это частично решает проблему переработки мусора.

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

В последнее время  в литературе появились термины  «энергетические культуры», «энергетический  лес». Под ними понимаются 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 др.).

 

 

Ежегодно в деревьях,  кустарниках, траве, водорослях накапливается 3 х 10 ²¹ Дж законсервированной с помощью фотосинтеза энергии. Это в 10 раз больше того,  что тратится за тот же срок человечеством. Однако не губить же зеленые богатства планеты? Нужно создавать в энергетические плантации. В будущем, видимо, после решения продовольственной проблемы быстрорастущие виды растений станут высаживать специально «на откорм» микроорганизмам и в результате их жизнедеятельности получат ценное топливо - метан.

Впрочем, КПД фотосинтеза  растений очень мал - в среднем 0,1 %. Есть другие перспективные направления  биогелиоэнергетики. Например, несколько  лет назад открыто явление  биофотолиза - разложение воды на водород и кислород под действием солнечного света при активном посредничестве выделенных из растений фотосинтезирующих веществ. Другой необходимый компонент - фермент гидрогенеза, имеющий сродство к атомам водорода. Именно он «убеждает» фотосинтезирующие вещества приступить к гидролизу. Задача исследователей - научиться создавать условия, при которых этот процесс идет стабильно. Ведь изъятые из клетки хлоропласты быстро разрушаются на свету.

Довольно хорошо отработаны микробиологические способы разложения воды. Открыты и уже используются микроорганизмы, результат жизнедеятельности которых - водород. В специальных емкостях для них размножают корм - микроскопические водоросли определенных видов. Водоросли поглощают солнечный свет, осуществляют фотосинтез, а микроорганизмы, поедающие их, разлагают воду, выделяют водород. Водород - это экологически чистое химическое топливо. При его сгорании получается исходный продукт - вода. Энергетический круговорот воды может продолжаться до тех пор, пока светит Солнце.

В целом же биотопливо можно рассматривать как существенный фактор решения энергетических проблем если не в настоящее время, то в будущем. Основное преимущество этого ресурса - его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.

На третье место я хочу поставить так называемые мини-ГЭС. Подобную установку я уже вкратце описал в введении. Я считаю, что крайне недостаточно используются энергетические ресурсы 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.

На четвертое место  я хочу поставить пока не существующий способ получения энергии. Но считаю, что она весьма перспективна. Она послужит заменой существующих атомных станций. 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. Исходными элементами для синтеза является водород, конечным - гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния на 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). Такая камера разработана в институте им. Курчатова. Второй путь предусматривает 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.

 

 

 

 

 

 

Состояние АПЭ.

 

По прогнозу Мирового энергетического конгресса в 2020 году на долю альтернативных преобразователей энергии (АПЭ) придется 5,8 % общего энергопотребления. При этом в развитых странах (США, Великобритании и др.) планируется довести долю АПЭ до 20 % (20 % энергобаланса США - это примерно все сегодняшнее энергопотребление в России). В странах Европы планируется к 2020 г. обеспечить экологически чистое теплоснабжение 70 % жилищного фонда. Сегодня в мире действует 233 геотермальные электростанции (ГеоТЭС) суммарной мощностью 5136 мВт, строятся 117 ГеоТЭС мощностью 2017 мВт. Ведущее место в мире по ГеоТЭС занимают США (более 40 % действующих мощностей в мире). Там работает 8 крупных солнечных ЭС модульного типа общей мощностью около 450 мВт, энергия поступает в общую энергосистему страны. Выпуск солнечных фотоэлектрических преобразователей (СФАП) достиг в мире 300 мВт в год, из них 40 % приходится на долю США. В настоящее время в мире работает более 2 млн. гелиоустановок горячего водоснабжения. Площадь солнечных (тепловых) коллекторов в США составляет 10, а в Японии - 8 млн. м^2. В США и в Японии работают боле 5 млн. тепловых насосов. За последние 15 лет в мире построено свыше 100 тыс. ветроустановок с суммарной мощностью 70000 мВт (10 % энергобаланса США). В большинстве стран приняты законы, создающие льготные условия как для производителей, так и для потребителей альтернативной энергии, что является определяющим фактором успешного внедрения.

 

Состояние АПЭ в России

 

В 1990 году на долю АПЭ  приходилось приблизительно 0,05 % общего энергобаланса, в 1995 году - 0,14%, на 2005 год  планируется около 0,5-0,6% энергобаланса  страны (т.е. приблизительно в 30 раз  меньше, чем в США, а если учесть соотношение энергобалансов, то у нас «запланировано» отставание примерно в 150 раз). Всего в России 1 ГеоТЭС (Паужекская, 11 мВт), и то технологически крайне неудачная, 1 приливная ЭС (Кислогубская, 400 кВт), 1500 ветроустановок (от 0,1 до 16 кВт), 50 микроГЭС (от 1,5 до 10 кВт), 300 малых ГЭС (2 млрд. кВт/ч), солнечные ФЭС (в сумме приблизительно 100 кВт), солнечные коллекторы площадью 100 000 м^2, 3000 тепловых насосов (от 10 кВт до 8 мВт).

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

 

В заключении я хочу выделить причины, почему в мире так неохотно переходят на АПЭ:

1) финансирование – пожалуй,  самая главная проблема.

2) не достаточно изученность  многих АЭП

3) низкое КПД

4) разные административные барьеры

Итак, по всем видам АПЭ Россия находится  на одном из последних мест в мире. В нашей стране отсутствует правовая база для внедрения АПЭ, нет никаких стимулов для развития этого направления. В стране отсутствует отрасль, объединяющая все разрозненные разработки в единый стратегический замысел. В концепции Минтопэнерго АПЭ отводится третьестепенная, вспомогательная роль. В концепциях РАН РФ, ведущих институтов, отраженных в программе «Экологически чистая энергетика» (1993 г.) практически отсутствует стратегия полномасштабного перехода к альтернативной энергетике и по-прежнему делается ставка на малую, автономную энергетику, причем в весьма отдаленном будущем. Что, конечно скажется на экономическом отставании страны, а также на экологической обстановке как в стране так и в мире в целом.