Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

     Общую энергию волны Е [J m^-2] на 1 м волнового фронта в ширину и 1 м длины волны вдоль направления её распространения можно высчитать, зная           с, кг/ м^-3 – плотность воды и g, м/с^-2 – ускорение силы тяжести.

     Потенциал удельной мощности Р [W m^-2] волны может быть оценен по формуле:

     Р= ,

где ф, с – период волны.

     Например, удельная мощность волны высотой 2 м  с периодом в 10 с будет равна  приблизительно 500 Вт/м^-2. Принимая во внимание обширные океанские просторы, можно подсчитать, что суммарная энергия океана достаточно существенна.[1] 

     Разница температур в океане и между океаном  и атмосферным  воздухом как источник энергии 

     Неравномерное распределение солнечного излучения, глобальная циркуляция между низкими  и высокими широтами, свойства поверхности, принимающей солнечные лучи, создают и поддерживают разницу температур между различными частями окружающей среды. Эти различия в температуре могут быть использованы для выполнения механической работы или производства электричества при помощи термодинамических (тепловых) циклов. Физическое тепло более теплой материи может быть предано некой рабочей жидкости для совершения требуемой работы, в то время когда более холодная субстанция будет использоваться в качестве теплоотвода в термодинамическом цикле.[2] 

       Энергия и мощность  прилива 

     Силы, вызывающие прилив – это силы притяжения между Землёй и Луной и центробежная сила, возникающая вследствие их вращения вокруг их общего центра притяжения. Работа, выполняемая этими силами, преобразуется  в механическую энергию приливной  волны, которая складывается из кинетической и потенциальной энергии. Первая возникает вследствие движения воды в приливной волне, а вторая представляет собой потенциальную энергию водных масс, поднятых в приливной волне над средним уровнем моря. Этот мировой приток, или мощность прилива, по некоторым оценкам достигает приблизительно 5 млрд. кВт. В природе около половины приходящей энергии прилива передается твердому массиву земли, а остаток рассевается, главным образом при преодолении силы трения, когда приливная волна приближается к мелкому прибрежному шельфу.

     Самыми  привлекательными местами с точки  зрения использования приливной  энергии являются заливы и бухты. Поведение приливной волны, входящей в бухту, достаточно сложно и представляет собой наложение входящей волны на волну, отраженную от берега. Л. Бернштейн высказал мысль о том, что для получения общих сведений об энергии, которую можно извлечь из прилива при помощи приливной электростанции, следует использовать не настоящие характеристики приливной волны (которые будут изменены плотиной), а энергетический потенциал бассейна (где будет установлена станция) (Бернштейн, 1987). Для регулярных полусуточных приливов энергетический потенциал одного приливного цикла может быть вычислен как потенциальная энергия водной массы в бассейне при поднятии её центра притяжения на высоту, равную амплитуде волны. Р, МДж – работа, выполненная приливом за один полуцикл; А, м – высота приливной волны (расстояние между гребнем и впадиной приливной волны); S, км² – площадь бассейна; р=10,05 кН/м удельный вес морской воды; g, м/с² – ускорение силы тяжести.

     Работа, выполняемая приливом за сутки равна 3,87 Р (3,87 – количество полуциклов колебаний  приливной волны в день).

     Годовое количество приливной энергии Е, кВт/час, полученное по формуле, равно:

     Е= 1,97*10⁶А_m²S,

где А_{m –} средняя высота приливной волны за год.

     В большинстве мест, подходящих для  установки приливной электростанций характер приливов приближается к регулярным полусуточным приливам, а, следовательно, их энергетический потенциал может быть рассчитан по формуле, приведено выше. Однако существуют места, где наблюдаются смешанные приливы, и где суточный прилив будет наблюдаться так же, как и полусуточный. Для того чтобы это можно было учитывать, предлагается ввести показатель D, значение которого в большинстве случаев находится в промежутке между 0 и 4. Первое значение используется при полусуточных приливах, а последнее при суточных. Для смешенного типа прилива, включающего оба компонента, предлагается использовать линейную интерполяцию, приводящую данную формулу в следующий вид:

     Е=1,97*10⁶ А_m²S*0,5(1+ ).

     Формулы для определения годовой энергии  приливного бассейна могут быть использованы только для самой приблизительной  оценки энергии или мощности приливной  электростанции, которую там установят. И следует снова сказать, что истинная характеристика приливной электростанции могут быть определены только исходя из реальных условий в бассейне, после того как его отгородят от моря дамбой.

     В связи с интенсивным вовлечением  возобновляемых источников энергии в практическое использование особое внимание обращается на экологический аспект их воздействия на окружающую среду.[2]

     Существует  мнение, что выработка электроэнергии за счет возобновляемых источников представляет собой абсолютно экологически «чистый» вариант. Это не совсем верно, так как эти источники энергии обладают принципиально иным спектром воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционными энергоустановками на органическом, минеральном и гидравлическом топливе, причем в некоторых случаях воздействия последних представляют даже меньшую опасность. К тому же определенные виды экологического воздействия НВИЭ на окружающую среду не ясны до настоящего времени, особенно во временном аспекте, а потому изучены и разработаны еще в меньшей степени, чем технические вопросы использования этих источников.

     Рассмотрим  основные факторы экологического воздействия  нетрадиционных возобновляющихся источников энергии на различные природные  среды и объекты:

1. Неблагоприятные воздействия солнечной энергии на окружающую среду могут проявляться:

     в отчуждении земельных площадей, их возможной деградации;

     в большой материалоемкости;

     в возможности утечки рабочих жидкостей, содержащих хлораты и нитриты;

     в опасности перегрева и возгорания систем, заражения продуктов токсичными веществами при использовании солнечных систем в сельском хозяйстве;

     в изменении теплового баланса, влажности, направления ветра в районе расположения станции;

     в затемнении больших территорий солнечными концентраторами, возможной деградации земель;

     в воздействии на климат космических  СЭС;

     в создании помех телевизионной и  радиосвязи;

     в передаче энергии на Землю в виде микроволнового излучения, опасного для  живых организмов и человека.

2. Неблагоприятные факторы ветроэнергетики:

     шумовые воздействия, электро-, радио- и телевизионные помехи;

     отчуждение  земельных площадей;

     локальные климатические изменения;

     опасность для мигрирующих птиц и насекомых;

     ландшафтная несовместимость, непривлекательность, визуальное невосприятие, дискомфортность;

     изменение традиционных морских перевозок, неблагоприятные  воздействия на морских животных.

3. Неблагоприятные экологические последствия в приливной энергетике:

     периодическое затопление прибрежных территорий, изменение  землепользования в районе ПЭС, флоры  и фауны акватории;

     строительное  замутнение воды, поверхностные сбросы загрязненных вод.

4. Неблагоприятные экологические последствия в волновой энергетике:

     эрозия  побережья, смена движения прибрежных песков;

     значительная  материалоемкость;

     изменение сложившихся судоходных путей вдоль берегов;

     загрязнение воды в процессе строительства, поверхностные  сбросы.[3] 

3. Характеристика  невозобновляемых источников энергии и проблемы их использования.

 

     У всех невозобновляемых энергоисточников общее то, что они будут исчерпаны  через относительно короткое время - 100 - 200 лет.

   Современное индустриальное общество немыслимо  без таких невозобновляемых энергоисточников, как газ, нефть и уголь. Высокоразвитые страны получают около 80% энергии из этих энергоисточников. [4]

Уголь

   Уголь был первым используемым невозобновляемым энергоисточником. Главная роль в освоении угля как источника энергии принадлежит Англии. В 1774 - 1784 годах Дж. Уатт разработал и построил универсальный паровой двигатель, который в основных чертах не изменился до настоящего времени. Паровой двигатель превращал тепловую энергию, образующуюся при сгорании угля, в механическую энергию. Примитивные паровые машины использовались уже с начала 18 века, но только универсальная машина Уатта могла быть приспособлена к различным промышленным процессам. Уголь таким образом становился универсальным энергоносителем. Паровые суда и поезда облегчили передвижение, и уголь можно было перевозить по всей Англии и, в конце концов, по всему миру. Новые города росли вокруг заводов, работающих на энергии угля и ориентированных на мировой рынок. Можно сказать, что уголь и пар обеспечили победу капитализма над феодализмом и положили начало эпохе промышленного капитализма в Европе и Америке.

   Еще в 1965 году уголь был самым важным энергоисточником в мире. В 1985 году уголь давал 31% производимой человечеством энергии. Уголь удобен для производства электричества и других промышленных процессов. Он дает дешевую энергию в странах, где этот энергоисточник доступен.

   В качестве энергоисточника в основном используется природный и древесный уголь.

   Природный уголь представляет собой продукт  разложения болотнvых растений (их возраст - до 300 млн. лет). Растения отмирали, погружались  в болото и были погребе ны под  слоями песка. Постепенно образовывались толстые слои таких отложений. Эти отложения под действием давления, температуры и микроорганизмов превращались сначала в торф, а затем в уголь.

   После добычи большая часть угля поступает  на тепловые электростанции, где выделяющееся при его сгорании тепло нагревает воду до кипения, образующийся пар вращает турбины, связанные с электрическим генератором, который и вырабатывает электрический ток. При этом только одна треть тепла расходуется на производство электроэнергии, остальные же две трети тепловой энергии излучаются в атмосферу. Добыча угля - опасная профессия. Строжайшие требования должны предъявляться к системам вентиляции шахт, к технике безопасности на шахтах, к восстановлению земель, из которых добывается уголь.

Нефть

   Нефть является не только источником энергии. Она служит также сырьем для нефтехимической промышленности, производства пластмасс и даже лекарств. Приблизительно 90% всей добываемой нефти используют в качестве топлива, остальная часть используется для получения нефтехимических продуктов. Такое расточительство явно неразумно.

   Некоторые составляющие сырой (необработанной) нефти  использовались для получения энергии  сотни лет. Современная же нефтяная промышленность родилась в Пенсильвании в 1859 году. С тех пор нефтяная промышленность уверенно развивалась и сейчас лидирует на мировом рынке энергоисточников. Сырая нефть распределена на Земле неравномерно, и также неравномерно потребляется жителями Земли. Основные запасы нефти (не считая России) сосредоточены на Ближнем Востоке, в Латинской Америке и Африке. Крупные потребители нефти - США и европейские страны, где её запасы не так велики. Промышленно развитые страны повысили свой жизненный уровень в первую очередь именно благодаря большему потреблению нефти, чем в бедных странах. Территориальное разделение производства и потребления нефти в мире породило крупномасштабную международную торговлю, которая из экономического явления превратилась в политическое и таит в себе опасность возникновения энергетических и экономических кризисов. Недаром нефть часто называют «черным золотом».

   Нефть - это сложная смесь углеводородов, представляющая собой продукт разложения одноклеточных растений и организмов, живших сотни миллионов лет назад. Погибая, они формировали отложения  на глубинах от 30 метров до 8 километров.

   Прежде  чем добывать нефть, надо провести геологическую  разведку, то есть найти залежи ископаемого. Потом бурят скважины с помощью  буровых установок, чтобы добывать нефть из земных глубин. Затем сырая  нефть поступает на нефтеперерабатывающие  заводы, где из нее получают бензин, керосин, дизельное топливо, парафин, битум и другие нефтепродукты. Нефть также может поступать на тепловые электростанции для сжигания.