Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Энергия как мера движения и взаимодействия

Энергия - это мера различных форм движения. Энергия проявляется во множестве различных форм. Все живое для того чтобы жить обязательно должно потреблять энергию. Понятие энергии было выработано в поисках связей между различными формами энергии. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной форме исчезает, превращается в энергию иной формы. В этом кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное понятие естествознания.

Энергия (греч. Energia - действие, деятельность) - общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не возникает не из ничего, и не исчезает, она способна лишь переходить из одного состояния в другое.

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности.

Закон сохранения энергии - закон, управляющий всеми явлениями природы, исключений из него науке неизвестно.

Лучистая энергия Солнца - главнейший источник энергии, определяющий тепловой баланс и термический режим биосферы Земли. Внутри Солнца происходят ядерные реакции, но громадные гравитационные силы сдерживают взрыв внутри звезды. Часть этой энергии в виде потоков фотонов отрывается от Солнца и рассеивается в космическом пространстве, достигая Земли (5х10-10). Из общего количества солнечной энергии 33% отражается облаками, сушей и аэрозольным слоем атмосферы.

Важная роль солнечной энергии - реакция фотосинтеза, хотя на нее в год затрачивается о,2% всей суммы солнечной энергии. Под действием солнечной энергии фотосинтез вовлекает в круговорот огромные массы воды, минеральных веществ и углекислого газа. На нашей планете он создает колосальный геохимический эффект, выраженный массой углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического вещества всей биосферы.

Все природные системы на Земле существуют за счет энергии Солнца.

«Живая сила» - сила которая связывается с представлениями об активном начале любого движущегося тела, в противоположность «мертвой силе», ативном начале, запасенном в каком-либо покоящемся теле.

Термин энергия - впервые введенный в науку Юнгом, автором принципа интерференции световых волн, окончательно вошел в научный обиход в 1849 году, после работ Кельвина. Именно Юнг вводит понятие для обозначения «живой силы», не выводя его за рамки механистического описания явлений природы.

Закон сохранения энергии называют первым началом термодинамики. Это фундаментальный закон, и на сегодня неизвестна ни одна причина, которая могла бы привести к его нарушению. Иначе можно было бы создать вечный двигатель, способный создавать энергию из ничего. В изолированной системе, согласно этому закону, энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если же система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями или разными системами.

Первый закон термодинамики - тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии: теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением, и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло (добывание огня людьми).

Энергия - это наиболее общая количественная мера движения и взаимодействия материи.

На протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Основные выводы:

Энергия - единая мера различных форм движения материи.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды:

· м еханическая энергия - проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К механической энергии относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.

· т епловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.);

· э лектрическая энергия - энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

· х имическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

· м агнитная энергия - энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой.

· э лектромагнитная энергия - это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия - это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

· я дерная энергия - энергия, локализованная в ядрах атомов, так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

· г равитационная энергия - энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли - энергия силы тяжести.

Механическая энергия и тепловая энергия - это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии.

Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому - в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена).

Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел. Работа, совершаемая над телом, может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии.

Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии.

Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Согласно всему вышесказанному, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира - гравитационную, энергию взаимодействия тел - механическую, энергию молекулярных взаимодействий - тепловую, энергию атомных взаимодействий - химическую, энергию излучения - электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов - ядерную.

Необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения, т.е. теплоту.

Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию снова теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую, как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.

Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, какие бы новые виды энергии ни открывались, вскоре обнаруживалось одно великое правило. Сумма всех видов энергии оставалась постоянной, что, в конечном счете, привело к утверждению: энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой.

В современной науке и практике эта схема настолько полезна, что способна предсказывать появление новых видов энергии.

Если будет обнаружено изменение энергии, которая не входит в список известных в настоящее время видов энергии, если выяснится, что энергия исчезает или появляется из ничего, то будет сначала «придуман», а затем найден новый вид энергии, который учтет это отклонение от постоянства энергии, т.е. закона сохранения энергии.

Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях - от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии - это не только плод воображения или обобщения экспериментов.

2. Естествознание и экология

Естествознание тесно связано с экологией, поэтому необходимо изучение его значение именно с этой стороны.

По ходу развития цивилизации перед человечеством неоднократно возникали сложные проблемы, порою и планетарного характера. Но все же это была далекая предыстория, своего рода «инкубационный период» современных глобальных проблем. В полной мере эти проблемы проявились уже во второй половине и, в особенности, в последней четверти XX века, то есть на рубеже двух веков и, даже, тысячелетий. Они были вызваны к жизни целым комплексом причин, отчетливо проявившихся именно в этот период.

В настоящее время все человечество очень приблизилось к рубежу самоуничтожения.

Естествознание - это совокупность наук о Природе, взятая как единое целое.

Экология - отрасль естествознания.

Почти 70 лет (с 1869 по 1940 г.) экология оставалась узкоотраслевой биологической наукой. Однако развитие системного мышления и попытки осмыслить причины глобальных кризисов вывели экологию из тени и превратили в место ожесточённых дискуссий между технократами, считающими, что техника - лучший способ решения всех проблем человечества, и экологами, полагающими, что окружающая природная среда - единственный дом человечества, где должно быть чисто и одинаково комфортно всем жильцам.

Современное человечество живет на грани тысячелетий, и уже одно это заставляет людей уделять больше внимания своему будущему и разумному осмыслению прошлого. Анализ проблем, волнующих человечество, показывает, что одной из важнейших стала проблема взаимодействия природы и общества. Противоречия между природой и обществом в условиях бурно развивающегося научно - технического прогресса перерастают в антагонизм, угрожающий самой жизни на нашей планете.

Признаки глобального нравственно-экологического кризиса человечества, в котором оказался мир и следствием которого стали резкие нарушения экологического равновесия и несовместимость жизни человечества с созданной им средой обитания, ставят перед каждым конкретным человеком задачи овладения принципами управления свой жизнью, находящейся в постоянном взаимодействии с окружающей средой, задачи рационально природопользования и освоения роли, места и значения человека в эволюции не только Земли, но и Космоса.

Естествознание - продукт цивилизации, и условие ее развития. С помощью науки человек развивает материальное производство, совершенствует общественные отношения, воспитывает и обучает новые поколения людей, лечит свое тело. Прогресс естествознания и техники значительно изменяет образ жизни, повышает благосостояние человека, совершенствует условия быта людей. Благодаря знанию законов природы человек может изменить и приспособить природные вещи и процессы так, чтобы они удовлетворяли его потребностям.

Естествознание - один из важнейших двигателей общественного прогресса. энергия термодинамика естествознание экология

Будучи основным фактором материального производства, естествознание выступает мощной революционизирующей силой. Великие научные открытия (и тесно связанные с ними технические изобретения) всегда оказывали колоссальное (и подчас совершенно неожиданное) воздействие на судьбы человеческой истории.

Большая часть современной материальной цивилизации была бы невозможна без участия в ее создании научных теорий, научно-конструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и др.

Однако у современных людей наука вызывает не только восхищение и преклонение, но и опасения. Часто можно услышать, что наука приносит человеку не только блага, но и несчастья. Загрязнение атмосферы, катастрофы на атомных электростанциях, повышение радиоактивного фона в результате испытаний ядерного оружия, «озонная дыра» над планетой, исчезновение многих видов растений и животных - эти и другие экологические проблемы люди склонны объяснять самим фактом существования науки. Но дело не в науке, а в том, в чьих руках она находится, какие социальные интересы за ней стоят, какие общественные и государственные структуры направляют ее развитие.

Большое значение экологии как науки по-настоящему стали понимать лишь недавно. Этому есть объяснение, которое связано с тем, что рост численности населения Земли и усиливающееся воздействие человека на природную среду поставили его перед необходимостью решать ряд новых жизненно важных задач. Для удовлетворения своих потребностей в воде, пище, чистом воздухе человеку надо знать, как устроена и как функционирует окружающая его природа. Экология как раз и изучает эти проблемы.

Список использованной литературы

1. Брылов С.А., Грабчак Л.Г., Комащенко В.И. Охрана окружающей среды. - Высшая школа, 1985. - 193 с.

2. Вронский В.А. Прикладная экология: учебное пособие. - Ростов н/Д.: Феникс, 1996. - 274 с.

3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. - 520 с.

4. Концепции современного естествознания. Учебник / Сер. «Учебники и учебные пособия»: Под ред. проф. С.И. Самыгина. - Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. - 448 с.

5. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов./ Рузавин Г.И - М.: ЮНИТИ, 2000. - 287 с.

6. Концепции современного естествознания. Часть 1. Информационные процессы в неживой природе: Учебное пособие / С.В. Шапиро. - Уфа: Уфимск. гос. акад. экон. и сервиса, 2006. - 109 с.

7. Краткий курс по концепциям современного естествознания: учеб. пособие / О.В. Агуреева. - М: Издательство «Окей-книга», 2007. -154 с.

8. Найдыш В. М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Гардарики, 2003. - 476 с.

9. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. - М.: Мир, 1993. - 336 с.

10. Ургопуло Е.В. Энергия. Учебное пособие. / Компас РЭА. - М., 2005. - 187 с.

11. Ургопуло Е.В., А.В.Лебедев - Концепции естествознания и экологии: Учебное пособие. - М.: МЭПИ, 2006. - 244 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

История открытия закона сохранения и превращения энергии. Фундаментальные законы природы. Закон сохранения и превращения энергии. Количественное соотношение теплоты и механической работы, механический эквивалент тепла. Смысл закона сохранения энергии.

контрольная работа , добавлен 03.10.2011


Принцип суперпозиции волн, понятие продольных и поперечных волн. Законы сохранения массы и электрического заряда, их проявления в жизни. Гипотезы квантовой механики. Первое начало термодинамики и внутренняя энергия системы. Типология живых организмов.

контрольная работа , добавлен 07.05.2011


Цель и предмет курса "Концепции современного естествознания", основные термины и понятия. Специфические черты науки, виды культуры. История становления научных знаний. Естественнонаучная картина мира. Внутреннее строение Земли. Законы химии и биологии.

шпаргалка , добавлен 12.02.2011


Научный метод познания. Принципы симметрии и законы сохранения. Специальная и общая теория относительности. Структурные уровни и системная организация материи. Порядок и беспорядок в природе. Панорама современного естествознания. Биосфера и человек.

тест , добавлен 17.10.2010


Детерминизм как учение об объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного миров. Общая характеристика законов сохранения, история открытия закона сохранения вещества. Эволюция закона сохранения энергии.

реферат , добавлен 29.11.2009


Общая характеристика концепции современного естествознания. Земли отличий от других планет Солнечной системы. Анализ работы В.И. Вернадского по соотношению форм движения материи. Понятие и сущность ноосферы и биосферы, их работа и взаимодействие.

контрольная работа , добавлен 20.12.2008


Законы сохранения массы и энергии в макроскопических процессах. Самоорганизация химических систем и энергетика химических процессов. Особенности биологического уровня организации материи. Загрязнение окружающей среды: атмосфера, вода, почва, пища.

контрольная работа , добавлен 11.11.2010


Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Предмет и метод естествознания. Динамика естествознания и тенденции его развития. История естествознания. Структурные уровни организации материи. Макромир. Открытые системы и неклассическая термодинамика.

книга , добавлен 21.03.2009


Понятие и виды энергии. Основа и структура календаря. Смена дня и ночи. Законы определения теплового излучения тел. Корпускулярные свойства света. Скорость хода реакции. Смысл волновой функции. Процессы дыхания и фотосинтеза. Жизнь и эволюция звезд.

контрольная работа , добавлен 18.04.2011


Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении взятых в их взаимной связи. Формы движения материи в природе. Предмет, цели, закономерности и особенности развития, эмпирическая, теоретическая и прикладная стороны естествознания.

74 75 76 77 78 79 ..

Глава 9. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

9.1. Современное представление об энергии

Естественно научное понимание энергии

Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи. Существуют качественно разные физические формы движения материи, способные взаимно превращаться. В середине XX в. было установлено важное свойство материи: все ее формы движения превращаются друг в друга в строго определенных отношениях. Именно такое свойство и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.

Превращение энергии подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность тела, т. е. способность его совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Различным формам физического движения соответствуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Однако способность движения материи к взаимным превращениям придает данным видам энергии условный характер. Движение – неотъемлемое свойство материи, поэтому все виды энергии всегда локализованы в определенных материальных объектах.

Энергия характеризует способность материальных объектов совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Значит, работа – это энергия в действии. Движется автомобиль, скользят санки по склону горы, набегающая волна приподнимает плот и т. д. – все это примеры совершаемой работы, энергии в действии.

Уровень развития современного общества во многом определяется производством и потреблением энергии. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища и приводятся в действие кондиционеры, освещаются улицы и т. д. Можно сказать: окружающий нас мир заполнен энергией, которая может быть использована для совершения различных видов работы. Энергией обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Мировой океан и т. п.

Энергия - источник благосостояния

В последнее время как никогда, обсуждается вопрос: что ждет человечество – энергетический голод или энергетическое изобилие? На страницах газет и журналов все чаще появляются статьи об энергетическом кризисе. Стремление обладать источником энергии (обычно нефти) приводит к возникновению войн. Газетными сенсациями стали сообщения о запуске новых энергетических установок и новые изобретения в области энергетики. Предлагаются гигантские энергетические программы, рассчитанные на привлечение огромных материальных ресурсов.

Если в конце XIX века самая распространенная сейчас энергия – электрическая – играла вспомогательную и незначительную роль, то уже в 1930 г. во всем мире было произведено около 300 млрд кВт. ч электроэнергии. Вполне реален прогноз, согласно которому в 2002 г. будет произведено 30 тыс. млрд кВт·ч! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии мало, потребности в ней растут быстро.

Развитие экономики, уровень материального благосостояния, людей находится в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Для добычи руды, выплавки из нее металла, для строительства дома и т. д., нужна энергия. Потребности людей постоянно растут, потребителей энергии становится все больше – все это приводит к необходимости увеличения объемов производимой энергии.

Природные энергоресурсы могут быть одним из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Построены большие города, по внешнему облику и инфраструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например по городу Абу-Даби – столице Арабских Эмиратов, утопающей в ковровой зелени и многокрасочных цветах, – трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробивается верблюжья колючка. Такие города – эдемские уголки Арабских Эмиратов – выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти – основному источнику энергии – можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей религиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.

Из фундаментального закона природы следует, что пригодную для потребления энергию можно получить из других форм энергии в результате их преобразования. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт электроэнергии получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, т. е. при сжигании топлива или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Новые факторы – возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды – потребовали нового подхода к энергетике.

В основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Однако структура ее изменится. Сократится потребление нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется разработка пока еще не тронутых гигантских запасов дешевого угля, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Будет широко применяться природный газ, запасы которого в нашей стране сравнительно велики.

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь небезграничны. В естественных условиях они формировались миллионы лет, а будут израсходованы за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Лишь при экономном, рачительном потреблении природных ресурсов их может хватить на века. К сожалению, многие страны живут сегодняшним днем, добывая в большом количестве подаренные им природой богатства. Многие из таких стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь над тем, что через несколько десятков лет земные запасы иссякнут. Что же произойдет тогда – а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? При этом следует иметь в виду, что и нефть, и газ потребляет не только энергетика, но и транспорт, и химическая промышленность. Ответ очевиден – поиск новых источников энергии. Ученые, инженеры еще с давних времен занимаются поиском новых, нетрадиционных источников, которые могли бы обеспечить человечество энергией. Возможны разные пути решения данной проблемы. Самый очевидный путь – использование вечных, возобновляемых источников энергии – энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, Солнца. Можно назвать еще один заманчивый путь – управляемый термоядерный синтез, над освоением которого усердно работают ученые многих стран.

Дисциплина: Разное
Тип работы: Контрольная
Тема: Естественно-научные проблемы энергетики

ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

Тепловые электростанции

Повышение эффективности энергосистем

Гидроисточники и геотермальные источники энергии

Гелиоэнергетика

Энергия ветра

Атомная энергетика

Особенности развития отечественной энергетики

Энергии Мирового океана

Энергетика будущего

Список использованной литературы

Современное представление об энергии

Естественно научное понимание энергии

Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи. Существуют качественно разные физические формы движения материи, способные взаимно превращаться. В середине XX в. было установлено важное свойство материи: все ее формы движения превращаются друг в друга в строго определенных отношениях. Именно такое свойство и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.

Превращение энергии подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность тела, т. е. способность его совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Различным формам физического движения соответствуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Однако способность движения материи к взаимным превращениям придает данным видам энергии условный характер. Движение – неотъемлемое свойство материи, поэтому все виды энергии всегда локализованы в определенных материальных объектах.

Энергия характеризует способность материальных объектов совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Значит, работа – это энергия в действии. Движется автомобиль, скользят санки по склону горы, набегающая волна приподнимает плот и т. д. – все это примеры совершаемой работы, энергии в действии.

Уровень развития современного общества во многом определяется производством и потреблением энергии. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища и приводятся в действие кондиционеры, освещаются улицы и т. д. Можно сказать: окружающий нас мир заполнен энергией, которая может быть использована для совершения различных видов работы. Энергией обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Мировой океан и т. п.

Энергия - источник благосостояния

В последнее время как никогда, обсуждается вопрос: что ждет человечество – энергетический голод или энергетическое изобилие? На страницах газет и журналов все чаще появляются статьи об энергетическом кризисе. Стремление обладать источником энергии (обычно нефти) приводит к возникновению войн. Газетными сенсациями стали сообщения о запуске новых энергетических установок и новые изобретения в области энергетики. Предлагаются гигантские энергетические программы, рассчитанные на привлечение огромных материальных ресурсов.

Если в конце XIX века самая распространенная сейчас энергия – электрическая – играла вспомогательную и незначительную роль, то уже в 1930 г. во всем мире было произведено около 300 млрд кВт. ч электроэнергии. Вполне реален прогноз, согласно которому в 2002 г. будет произведено 30 тыс. млрд кВт·ч! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии мало, потребности в ней растут быстро.

Развитие экономики, уровень материального благосостояния, людей находится в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Для добычи руды, выплавки из нее металла, для строительства дома и т. д., нужна энергия. Потребности людей постоянно растут, потребителей энергии становится все больше – все это приводит к необходимости увеличения объемов производимой энергии.

Природные энергоресурсы могут быть одним из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Построены большие города, по внешнему облику и инфраструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например по городу Абу-Даби – столице Арабских Эмиратов, утопающей в ковровой зелени и многокрасочных цветах, – трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробивается верблюжья колючка. Такие города – эдемские уголки Арабских Эмиратов – выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти – основному источнику энергии – можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей религиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.

Из фундаментального закона природы следует, что пригодную для потребления энергию можно получить из других форм энергии в результате их преобразования. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт электроэнергии получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, т. е. при сжигании топлива или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Новые факторы – возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды – потребовали нового подхода к энергетике.

В основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Однако структура ее изменится. Сократится потребление нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется разработка пока еще не тронутых гигантских запасов дешевого угля, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Будет широко применяться природный газ, запасы которого в нашей стране сравнительно велики.

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь небезграничны. В естественных условиях они формировались миллионы лет, а будут израсходованы за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Лишь при экономном, рачительном потреблении природных ресурсов их может хватить на века. К сожалению, многие страны живут сегодняшним днем, добывая в большом количестве подаренные им природой богатства. Многие из таких стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь над тем, что через несколько десятков лет земные запасы иссякнут. Что же произойдет тогда – а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? При этом следует иметь в виду, что и нефть, и газ потребляет не только энергетика, но и транспорт, и химическая промышленность. Ответ очевиден – поиск новых источников энергии. Ученые, инженеры еще с давних времен занимаются поиском новых, нетрадиционных источников, которые могли бы обеспечить человечество энергией. Возможны разные пути решения данной проблемы. Самый очевидный путь – использование вечных, возобновляемых источников энергии – энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, Солнца. Можно назвать еще один заманчивый путь – управляемый термоядерный синтез, над освоением которого усердно работают ученые многих стран.

Преобразование и потребление энергии

Способы преобразования энергии

Можно назвать три основных способа преобразования энергии. Первый из них заключается в получении тепловой энергии при сжигании топлива (ископаемого или растительного происхождения) и потреблении ее для непосредственного обогревания жилых домов, школ, предприятий и т. п. Второй способ – преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу, например, при использовании продуктов перегонки нефти для обеспечения движения различного оборудования, автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и т. д. Третий способ – преобразование тепла, высвобождающегося при сгорании топлива или деления ядер, в электрическую энергию с последующим ее потреблением либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.

Электроэнергия получается и при преобразовании энергии падающей воды. Электроэнергия таким образом играет роль своеобразного посредника между источниками энергии и ее потребителями (рис. 9.1). Как посредник на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в форме электричества приводит к росту цен из-за потерь при преобразовании одного вида энергии в другой. В то же время преобразование различных форм энергии в электрическую удобно, практично, а иногда это единственно возможный путь реального потребления энергии. В ряде случаев просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) применялась для обеспечения движения механических устройств: прядильных машин, мельниц, лесопилок и т. д. После преобразования гидроэнергии в электрическую сфера применения значительно расширялась, стало возможным ее потребление на значительных расстояниях от источника. Энергию деления ядер урана, например, невозможно непосредственно использовать без превращения ее в электрическую.

Ископаемые виды топлива, в отличие от гидроисточников, долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, а нередко и высушенный торф сжигались для обогрева жилых домов, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по-настоящему раскрыт потенциал данного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и движения различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями, работавшие на угле. В начале XX в. уголь начали сжигать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.

В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно дает тепло и свет, является одним из основных источников электроэнергии и механической энергии для обеспечения огромного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое органическое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства большого многообразия полезной и ценной продукции.

Химические процессы и преобразование энергии

Еще в недалеком прошлом во многих странах основным источником энергии был каменный уголь. Однако с течением времени добыча нефти возрастала, и к середине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трехкратное увеличение населения в XX в. сопровождалось приблизительно десятикратным увеличением потребления всех видов энергии.

Химические процессы – сжигание нефти, природного газа и угля – обеспечивают производство значительной доли энергии во всем мире. При преобразовании световой и тепловой энергии в электрическую химические процессы также неизбежны. Химические технологии лежат в основе создания высококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических установок. Все это означает, что прогресс в развитии энергетики во многом зависит от достижений современной химии.

Первой энергетической установкой промышленного масштаба была паровая машина, созданная во второй половине XVIII в. английским изобретателем Джеймсом Уаттом (1736–1819). Тепловая энергия в ней превращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо. Гораздо позднее – к середине XIX в. – была создана гальваническая батарея – первый источник электрического тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной связи в 1866 г. немецкий электрик Вернер Сименс (1816–1892) изобрел динамомашину – генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочисленных источников электрического тока. Электроэнергия в те времена производилась в небольших количествах и была слишком дорогой. Так, например, алюминий и магний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модернизацией генератора электрического тока энергия постепенно дешевела, что способствовало бурному развитию химической промышленности.

При превращении электрической энергии в тепловую была достигнута температура примерно 3500° С. Такую высокую температуру не удавалось получить ранее никакими другими способами. Только с применением электроэнергии были реализованы методы восстановления металлов и выплавлены в чистом виде многие металлы, а также синтезированы не существующие в природных условиях соединения металлов с углеродом – карбиды. На химических заводах, кроме того, стало возможным осуществлять электрохимическое разложение вещества в крупных промышленных масштабах. Так открывались новые пути развития разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические вещества.

В настоящее время химическая промышленность – одна из самых энергоемких отраслей. Количество энергии, необходимое для промышленного производства различной продукции, зависит от ее вида, что наглядно представлено на рис. 9.2, где даны энергозатраты Q, выраженные в тоннах природной нефти на 1 т продукта. Например, для производства 1 т карбида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт электроэнергии. Расход электроэнергии на производство алюминия и магния равен 14–18 кВт на 1 т. В общих затратах на производство многих видов промышленной продукции на долю электроэнергии приходится 18–25%. Для карбида кальция затраты на электроэнергию составляют почти половину его себестоимости, для поливинилхлорида и полиэтилена – 35–50%, для ацетальдегида – даже 45–70%. С каждой тонной азотного удобрения в землю «закапывается» почти 14 000 кВт энергии.

Быстрое развитие химической промышленности и материального производства вообще требует не только роста выработки электроэнергии, но все в большей степени ее рационального потребления.

Эффективность производства и потребления энергии

Долгое время невысокая эффективность преобразования тепловой энергии в полезную работу связывалась с несовершенством самого механизма преобразования. С развитием термодинамики стало ясно, что существует ограничение полного преобразования всей тепловой энергии в полезную работу. Такое ограничение следует из фундаментальных законов термодинамики и обусловливается необратимостью тепловых процессов. К настоящему времени значительная часть всевозможных усовершенствований, направленных на повышение эффективности производства электроэнергии с использованием пара, в основном уже осуществлена. Если КПД первых паровых машин составлял 2–5%, то КПД современных энергетических систем – тепловых элетростанций, работающих на том или ином виде топлива и вырабатывающих пар для последующего преобразования его энергии посредством турбогенератора в электрическую, – достигает около 40%. Атомные электростанции также вырабатывают пар, подаваемый в турбогенераторы. КПД их не превышает 32%, а это означает, что только 32% тепловой энергии, выделяющейся при делении урана, преобразуется в электрическую.

Производство электрической энергии даже с применением современных энергетических систем сопровождается большими потерями тепла. Особенно велики потери тепла, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопровождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия интенсивно ведутся работы по синтезу электропроводящих материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпроводящие материалы. Однако для передачи электроэнергии нужны такие проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах.

К большим потерям приводит и потребление электроэнергии в химической промышленности. Например, энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25–42%, хотя потребление энергии для такого процесса за последние 50–60 лет уменьшилось более чем на 50%. Для обычных способов получения винилхлорида он равен 12%, а для его синтеза из NO – всего лишь 5–6,5%. В большинстве случаев высокотемпературные процессы сопровождаются потерями энергии до 60–70%. Потери энергии в химическом производстве обусловливаются вполне объяснимыми объективными факторами, связанными с уровнем развития не только химических технологий, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них – очень часто разрабатываются методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энергетической эффективности технологических процессов. В данной связи многие технологические процессы имеют сравнительно высокий процент выхода конечной продукции, но низкий энергетический КПД.

Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов – одна из важнейших задач совершенствования химической технологии. Возможны разные способы ее решения – улучшение условий химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, осуществление реакций при невысоких, т. е. обычных температурах и давлениях, приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологических приемов.

Проблема энергосбережения охватывает не только химические процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весьма важные стадии – добычу и первичную переработку природного сырья.

Новые методы,...

Забрать файл

Слово "энергия" с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия - это общая количественная мера различных форм движения материи. Имеются качественно разные физические формы движения материи, которые способны превращаться одна в другую в строго определенных отношениях (установлено в середине ХХ века), что и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.

Важность понятия энергии определяется тем, что она подчиняется закону сохранения. Представление об энергии помогает понять невозможность создания вечного двигателя. Работа может совершаться только в результате определенных изменений окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды).

Способность тела при переходе его из одного состояния в другое совершать определенную работу (работоспособность) и была названа энергией.

Виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.

Энергия характеризует способность совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Работа - энергия в действии.

Сейчас как никогда остро встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие. Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе.

Ученые и изобретатели с давних пор разрабатывают многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Казалось бы, просто нужно строить больше и больше электростанций и энергии будет столько, сколько понадобится. Но такое "очевидное" решение таит в себе немало подводных камней.

Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразования из других форм. Вечные двигатели к сожалению невозможны. А сегодня 4 из 5 произведенных киловатт электроэнергии получаются при сжигании топлива или использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых станциях.

Возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Сократится использование нефти, возрастет производство энергии на атомных станциях, начнется использование нетронутых запасов дешевых углей, широко будет применяться природный газ.

К сожалению, запасы нефти, угля, газа не бесконечны, а многие страны живут лишь сегодняшним днем, хищническим образом разграбляя земные богатства, и не задумываются над тем, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда?

Повышение цен на нефть, необходимую также и транспорту, и химии, заставит задуматься о других видах топлива. А пока ученые занимаются поисками новых нетрадиционных источников, которые могут взять на себя хотя бы часть забот по снабжению энергией населения.

Нетрадиционные источники энергии.

Гелиоэнергетика - солнечная энергетика, развивается быстрыми темпами и в разных направлениях. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Также появились транспортные средства с "солнечным приводом". Уже в течение 3 лет немецкий поселок Францхютте полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнечных батарей общей площадью 360 кв. м. Мощность каждой батареи 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.

Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо стекла. Между двумя слоями стекла, покрытого тончайшей пленкой двуокиси титана со столь же тонким слоем светочувствительного пигмента, находится слой электролита с содержанием йода. Свет, попадая на пигмент, выбивает из него электроны, которые через электролит попадают на слой двуокиси титана. Все слои такой солнечной батареи настолько тонки, что прозрачность стекла практически не уменьшается.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности солнечной энергетики чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики.

Препятствием реализации солнечных ресурсов является низкая интенсивность солнечного излучения. Поэтому коллекторы нужно размещать на громадных территориях, что также влечет за собой значительные материальные затраты.

Простейший коллектор солнечного излучения - зачерненный алюминиевый лист, внутри которого находятся трубы с циркулирующей жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. На изготовление коллекторов идет довольно много алюминия.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии и обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.

Энергия ветра.

Наиболее широкое распространение получили ветряные мельницы в Голландии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диаметром до 9 м может вырабатывать до 3 кВт электроэнергии при скорости ветра около 25 км\ч.

Энергия движущихся воздушных масс огромна. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории.

В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой энергии. Сейчас созданы высокопроизводительные установки, позволяющие вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре.

К созданию ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти.

Геотермальные источники энергии.

Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Подземные воды, как "живая кровь" планеты, переносят природное тепло Земли на поверхность. Обладая большой подвижностью и высокой теплоемкостью, они играют роль аккумулятора и теплоносителя. Они либо накапливаются в водоносных горизонтах, либо выходят на поверхность земли теплыми или горячими источниками, а иногда вырываются в виде пароводяных смесей. Это гейзеры и фумаролы. Гейзеры, например "Старый служака" каждые 53-70 минут выбрасывают струю воды (более 90С) на высоту 30-45.

Использовать воду с tниже 100С для энергетики считается экономически невыгодным, но она вполне пригодна для теплофикации.

Главное достоинство тепла, получаемого из недр - экологическая чистота и возобновимость. Конечно, неконтролируемый забор может привести к истощению источников, для этого разработана методика замкнутой системы, по которой остывшая или обычная холодная вода возвращается в высокотемпературный пласт. По одной скважине закачивают холодную, по другой - получают уже горячую воду. Создается надежная, практически "вечная" замкнутая циркуляция.

Огромный резерв экологически чистой тепловой энергии нашей страны может заменить до полутораста млн тонн органического топлива.

Энергия Мирового океана.

Запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (мощностью 240 тыс. - 6 млн. кВтч). Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. Для полного обеспечения энергией каждого человека достаточно 1 га плантаций таких водорослей. Большое внимание привлекает "океанотермическая энерговерсия" (ОТЭК) - получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.

Немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения. Предполагается, что некоторые из установок могут быть реализованы и стать рентабельными уже в ближайшем будущем. Вполне вероятно, что существенные сдвиги в океансокй энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия.

Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Энергия Солнца нагревает океан, он накапливает тепловую энергию, приводит в движение течения, которые меняют свое направление под действием вращения Земли. Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системы Земля-Луна и вызывает приливы и отливы.

ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

Современное представление об энергии 2

Преобразование и потребление энергии 6

Эффективность производства и потребления энергии 10

Тепловые электростанции 13

Повышение эффективности энергосистем 15

Гидроисточники и геотермальные источники энергии 20

Гелиоэнергетика 28

Энергия ветра 32

Атомная энергетика 36

Особенности развития отечественной энергетики 45

Энергии Мирового океана 48

Энергетика будущего 52

Список использованной литературы 54

Современное представление об энергии

Естественно научное понимание энергии

Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи. Существуют качественно разные физические формы движения материи, способные взаимно превращаться. В середине XX в. было установлено важное свойство материи: все ее формы движения превращаются друг в друга в строго определенных отношениях. Именно такое свойство и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.

Превращение энергии подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность тела, т. е. способность его совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Различным формам физического движения соответствуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Однако способность движения материи к взаимным превращениям придает данным видам энергии условный характер. Движение – неотъемлемое свойство материи, поэтому все виды энергии всегда локализованы в определенных материальных объектах.

Энергия характеризует способность материальных объектов совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Значит, работа – это энергия в действии. Движется автомобиль, скользят санки по склону горы, набегающая волна приподнимает плот и т. д. – все это примеры совершаемой работы, энергии в действии.

Уровень развития современного общества во многом определяется производством и потреблением энергии. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища и приводятся в действие кондиционеры, освещаются улицы и т. д. Можно сказать: окружающий нас мир заполнен энергией, которая может быть использована для совершения различных видов работы. Энергией обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Мировой океан и т. п.

Энергия - источник благосостояния

В последнее время как никогда, обсуждается вопрос: что ждет человечество – энергетический голод или энергетическое изобилие? На страницах газет и журналов все чаще появляются статьи об энергетическом кризисе. Стремление обладать источником энергии (обычно нефти) приводит к возникновению войн. Газетными сенсациями стали сообщения о запуске новых энергетических установок и новые изобретения в области энергетики. Предлагаются гигантские энергетические программы, рассчитанные на привлечение огромных материальных ресурсов.

Если в конце XIX века самая распространенная сейчас энергия – электрическая – играла вспомогательную и незначительную роль, то уже в 1930 г. во всем мире было произведено около 300 млрд кВт. ч электроэнергии. Вполне реален прогноз, согласно которому в 2002 г. будет произведено 30 тыс. млрд кВт·ч! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии мало, потребности в ней растут быстро.

Развитие экономики, уровень материального благосостояния, людей находится в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Для добычи руды, выплавки из нее металла, для строительства дома и т. д., нужна энергия. Потребности людей постоянно растут, потребителей энергии становится все больше – все это приводит к необходимости увеличения объемов производимой энергии.

Природные энергоресурсы могут быть одним из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Построены большие города, по внешнему облику и инфраструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например по городу Абу-Даби – столице Арабских Эмиратов, утопающей в ковровой зелени и многокрасочных цветах, – трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробивается верблюжья колючка. Такие города – эдемские уголки Арабских Эмиратов – выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти – основному источнику энергии – можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей религиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.

Из фундаментального закона природы следует, что пригодную для потребления энергию можно получить из других форм энергии в результате их преобразования. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт электроэнергии получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, т. е. при сжигании топлива или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Новые факторы – возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики , возрастание требований к защите окружающей среды – потребовали нового подхода к энергетике.

В основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Однако структура ее изменится. Сократится потребление нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях . Начнется разработка пока еще не тронутых гигантских запасов дешевого угля, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Будет широко применяться природный газ, запасы которого в нашей стране сравнительно велики.

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь небезграничны. В естественных условиях они формировались миллионы лет, а будут израсходованы за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Лишь при экономном, рачительном потреблении природных ресурсов их может хватить на века. К сожалению, многие страны живут сегодняшним днем, добывая в большом количестве подаренные им природой богатства. Многие из таких стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь над тем, что через несколько десятков лет земные запасы иссякнут. Что же произойдет тогда – а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? При этом следует иметь в виду, что и нефть, и газ потребляет не только энергетика, но и транспорт, и химическая промышленность . Ответ очевиден – поиск новых источников энергии. Ученые, инженеры еще с давних времен занимаются поиском новых, нетрадиционных источников, которые могли бы обеспечить человечество энергией. Возможны разные пути решения данной проблемы. Самый очевидный путь – использование вечных, возобновляемых источников энергии – энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, Солнца. Можно назвать еще один заманчивый путь – управляемый термоядерный синтез, над освоением которого усердно работают ученые многих стран.

Преобразование и потребление энергии

Способы преобразования энергии

Можно назвать три основных способа преобразования энергии. Первый из них заключается в получении тепловой энергии при сжигании топлива (ископаемого или растительного происхождения) и потреблении ее для непосредственного обогревания жилых домов, школ, предприятий и т. п. Второй способ – преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу, например, при использовании продуктов перегонки нефти для обеспечения движения различного оборудования, автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и т. д. Третий способ – преобразование тепла, высвобождающегося при сгорании топлива или деления ядер, в электрическую энергию с последующим ее потреблением либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.

Электроэнергия получается и при преобразовании энергии падающей воды. Электроэнергия таким образом играет роль своеобразного посредника между источниками энергии и ее потребителями (рис. 9.1). Как посредник на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в форме электричества приводит к росту цен из-за потерь при преобразовании одного вида энергии в другой. В то же время преобразование различных форм энергии в электрическую удобно, практично, а иногда это единственно возможный путь реального потребления энергии. В ряде случаев просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) применялась для обеспечения движения механических устройств: прядильных машин, мельниц, лесопилок и т. д. После преобразования гидроэнергии в электрическую сфера применения значительно расширялась, стало возможным ее потребление на значительных расстояниях от источника. Энергию деления ядер урана, например, невозможно непосредственно использовать без превращения ее в электрическую.

Ископаемые виды топлива, в отличие от гидроисточников, долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, а нередко и высушенный торф сжигались для обогрева жилых домов, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по-настоящему раскрыт потенциал данного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и движения различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями, работавшие на угле. В начале XX в. уголь начали сжигать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.

В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно дает тепло и свет, является одним из основных источников электроэнергии и механической энергии для обеспечения огромного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое органическое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства большого многообразия полезной и ценной продукции.

Химические процессы и преобразование энергии

Еще в недалеком прошлом во многих странах основным источником энергии был каменный уголь. Однако с течением времени добыча нефти возрастала, и к середине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трехкратное увеличение населения в XX в. сопровождалось приблизительно десятикратным увеличением потребления всех видов энергии.

Химические процессы – сжигание нефти, природного газа и угля – обеспечивают производство значительной доли энергии во всем мире. При преобразовании световой и тепловой энергии в электрическую химические процессы также неизбежны. Химические технологии лежат в основе создания высококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических установок. Все это означает, что прогресс в развитии энергетики во многом зависит от достижений современной химии.

Первой энергетической установкой промышленного масштаба была паровая машина, созданная во второй половине XVIII в. английским изобретателем Джеймсом Уаттом (1736–1819). Тепловая энергия в ней превращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо. Гораздо позднее – к середине XIX в. – была создана гальваническая батарея – первый источник электрического тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной связи в 1866 г. немецкий электрик Вернер Сименс (1816–1892) изобрел динамомашину – генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочисленных источников электрического тока. Электроэнергия в те времена производилась в небольших количествах и была слишком дорогой. Так, например, алюминий и магний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модернизацией генератора электрического тока энергия постепенно дешевела, что способствовало бурному развитию химической промышленности.

При превращении электрической энергии в тепловую была достигнута температура примерно 3500° С. Такую высокую температуру не удавалось получить ранее никакими другими способами. Только с применением электроэнергии были реализованы методы восстановления металлов и выплавлены в чистом виде многие металлы, а также синтезированы не существующие в природных условиях соединения металлов с углеродом – карбиды. На химических заводах, кроме того, стало возможным осуществлять электрохимическое разложение вещества в крупных промышленных масштабах. Так открывались новые пути развития разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические вещества.

В настоящее время химическая промышленность – одна из самых энергоемких отраслей. Количество энергии, необходимое для промышленного производства различной продукции, зависит от ее вида, что наглядно представлено на рис. 9.2, где даны энергозатраты Q, выраженные в тоннах природной нефти на 1 т продукта. Например, для производства 1 т карбида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт электроэнергии. Расход электроэнергии на производство алюминия и магния равен 14–18 кВт на 1 т. В общих затратах на производство многих видов промышленной продукции на долю электроэнергии приходится 18–25%. Для карбида кальция затраты на электроэнергию составляют почти половину его себестоимости, для поливинилхлорида и полиэтилена – 35–50%, для ацетальдегида – даже 45–70%. С каждой тонной азотного удобрения в землю «закапывается» почтикВт энергии.

Быстрое развитие химической промышленности и материального производства вообще требует не только роста выработки электроэнергии, но все в большей степени ее рационального потребления.

Эффективность производства и потребления энергии

Долгое время невысокая эффективность преобразования тепловой энергии в полезную работу связывалась с несовершенством самого механизма преобразования. С развитием термодинамики стало ясно, что существует ограничение полного преобразования всей тепловой энергии в полезную работу. Такое ограничение следует из фундаментальных законов термодинамики и обусловливается необратимостью тепловых процессов. К настоящему времени значительная часть всевозможных усовершенствований, направленных на повышение эффективности производства электроэнергии с использованием пара, в основном уже осуществлена. Если КПД первых паровых машин составлял 2–5%, то КПД современных энергетических систем – тепловых элетростанций, работающих на том или ином виде топлива и вырабатывающих пар для последующего преобразования его энергии посредством турбогенератора в электрическую, – достигает около 40%. Атомные электростанции также вырабатывают пар, подаваемый в турбогенераторы. КПД их не превышает 32%, а это означает, что только 32% тепловой энергии, выделяющейся при делении урана, преобразуется в электрическую.

Производство электрической энергии даже с применением современных энергетических систем сопровождается большими потерями тепла. Особенно велики потери тепла, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопровождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия интенсивно ведутся работы по синтезу электропроводящих материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпроводящие материалы. Однако для передачи электроэнергии нужны такие проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах.

К большим потерям приводит и потребление электроэнергии в химической промышленности. Например, энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25–42%, хотя потребление энергии для такого процесса за последние 50–60 лет уменьшилось более чем на 50%. Для обычных способов получения винилхлорида он равен 12%, а для его синтеза из NO – всего лишь 5–6,5%. В большинстве случаев высокотемпературные процессы сопровождаются потерями энергии до 60–70%. Потери энергии в химическом производстве обусловливаются вполне объяснимыми объективными факторами, связанными с уровнем развития не только химических технологий, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них – очень часто разрабатываются методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энергетической эффективности технологических процессов. В данной связи многие технологические процессы имеют сравнительно высокий процент выхода конечной продукции, но низкий энергетический КПД.

Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов – одна из важнейших задач совершенствования химической технологии. Возможны разные способы ее решения – улучшение условий химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, осуществление реакций при невысоких, т. е. обычных температурах и давлениях, приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологических приемов.

Проблема энергосбережения охватывает не только химические процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта , включающий весьма важные стадии – добычу и первичную переработку природного сырья.

Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепенно решать проблему энергосбережения. Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры известны: это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянного тепла, улучшение изоляции и герметичности, оптимизация процессов испарения и конденсации и т. д. Сохранение энергетических ресурсов – неотъемлемая и значимая задача всех отраслей материального производства.

Тепловые электростанции

Существенная доля электроэнергии производится на тепловых электростанциях, на которых ископаемое топливо используется для получения тепла и пара, подаваемого на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Топливом служит уголь, нефть или природный газ, а на атомных станциях – ядерное горючее, выделяющее тепло при делении ядер.

Принципы работы различных тепловых станций во многом совпадают и отличаются способом получения тепла от первичного источника – органического либо ядерного топлива. В результате сжигания топлива или ядерных реакций выделяется тепло, используемое для нагревания воды и получения пара (рис. 9.3). Полученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электрического тока. Отработанный пар с пониженными температурой и давлением, покидая турбину, направляется в конденсатор, через который пропускается охлаждающая вода для превращения пара в воду. В процессе конденсации пара охлаждающая вода нагревается, эта вода сбрасывается в водоем , откуда она забиралась, либо пропускается через градирни для охлаждения и повторного использования в конденсаторе. Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и описанный выше цикл повторяется.

На современной топливной станции с КПД около 40%, работающей на угле, на каждую единицу произведенной электрической энергии теряется 1,5, а на атомной станции 2,33 единицы тепла. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы. На электростанциях на органическом топливе охлаждающей воде передается около 75% тепловых отходов, а остальное неиспользованное тепло отводится через дымовые трубы.

Громадное количество производимой электрической энергии неизбежно влечет за собой сброс чрезвычайно больших объемов тепловых отходов в окружающую среду: реки, водоемы и атмосферу. Сбрасываемое тепло приводит к тепловым загрязнениям окружающей среды . Тепловое загрязнение (преимущественно воды) сопровождает процесс охлаждения открытого типа, при котором охлаждающая вода поступает из внешнего резервуара (бассейна реки, водоема) и затем в нагретом состоянии после использования для конденсации пара возвращается опять в тот же резервуар, откуда она забиралась. Охлаждение другого типа – с замкнутым циклом, когда тепло, получаемое охлаждающей водой, рассеивается в атмосфере при помощи градирен (башен, в которых вода охлаждается путем разбрызгивания и испарения) – приводит к тепловому загрязнению в основном атмосферы. Результаты исследований показывают, что тепловое загрязнение и воды, и атмосферы нарушает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, тепловые электростанции – источник колоссального количества углекислого газа, двуокиси серы и других газов, загрязняющих атмосферу. Все это означает, что производство энергии на тепловых станциях – не самый лучший и эффективный способ производства энергии. В этой связи продолжается поиск более эффективных источников энергии.

Повышение эффективности энергосистем

Способы повышения эффективности производства энергии

Известно несколько способов повышения эффективности производства электроэнергии: создание тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов, применение комбинированного способа производства электроэнергии, создание магнитогидродинамических установок (МГД-генераторов), разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.

На тепловых электростанциях с утилизацией тепловых отходов тепло, полученное при сжигании топлива или цепной реакции деления и не способное превратиться в электрическую энергию, используется для обогревания жилых домов, общественных и промышленных зданий и т. п. Такие станции производят и электроэнергию, и тепло.

При комбинированном способе получения электрод-энергии обычная тепловая система дополняется газовой турбиной (рис. 9.4). Газовая турбина широко применяется в двигателях реактивных самолетов. На электростанциях она вращается не паром, а потоком газов – продуктов сгорания керосина или природного газа. Газовая турбина вращает якорь электрогенератора, вырабатывающего электрический ток. При этом в электричество преобразуется около 25% тепловой энергии, образующейся при сжигании горючего. Горючие газы, покидающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, и полученный пар подается на паровую турбину.

Одно из усовершенствований тепловых электростанций заключается в том, что образующиеся при сгорании топлива горячие газы используются в МГД-генераторах. В горячие газы добавляется металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами, представляющий собой низкотемпературную плазму, направляется в специальный канал, окруженный катушками с током, создающими магнитное поле. При движении и перераспределении заряженных частиц в магнитном поле возникает электрический ток, снимаемый электродами, расположенными вдоль канала. После выхода из канала горячие газы служат для получения пара, направляемого в турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. В МГД-генераторе энергия электропроводящей низкотемпературной плазмы напрямую преобразуется в электрическую. Предполагается, что комбинация МГД-генератора с обычной теплоэлектрической системой позволяет получить КПД до 65%. Работы по практическому применению МГД-генераторов ведутся с конца 50-х гг. XX в. Однако пока достигнут КПД не выше 40%, поэтому они не нашли широкого промышленного применения.

Проблемы прямого преобразования энергии

Прямое преобразование химической энергии в механическую, происходит, например, при мышечной деятельности живых существ. Подобное превращение удалось испытать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под действием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленка может совершать полезную механическую работу. Для возбуждения процессов сжатия и расширения в лабораторных моделях применялись коллогенные белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций.

Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в созданных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок. Приведенные способы прямого преобразования энергии не являются примером промышленного производства энергии.

Производство электроэнергии на тепловых станциях осуществляется по классической схеме: химическая энергия топлива –> тепловая энергия –> механическая энергия –> электроэнергия. При прямом преобразовании химической энергии в электрическую повышается КПД и экономятся материалы. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения требований к экологической чистоте энергетических установок и транспорта, как одного из основных потребителей энергоресурсов вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие ресурсы энергии с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем столетии (рис.9.5).

Примеры широко применяемых устройств прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различного рода аккумуляторы. В предложенных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принцип их действия аналогичен принципу действия электрохимических элементов. Однако электроды топливных элементов служат катализаторами и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Например, в водородкислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде , высвобождая электроны (рис. 9.6). В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготовли-вается из пористого никелькерамического сплава с включением никелевых частиц, а катод – из того же сплава с включениями частиц серебра. Из 1 кг водорода в водородкислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. В таком элементе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Почему же они широко не внедряются и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на данный вопрос включает пока нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Во-первых, водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать. Во-вторых, несмотря на оригинальные предложения по накоплению водорода в некоторых гидридах металлов, проблема его безопасного хранения и транспортировки требует дальнейших технических совершенствований.

И все же в последние годы автомобилю с электрическим двигателем, т. е. электромобилю уделяется все больше внимания. Не так давно германская фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он набирает за 20 с скорость 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая – около 350° С, что делает его взрыво - и пожароопасным.

Практический интерес представляют топливно-гальванические элементы, особенно воздушно-алюминиевые, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава, а электролитом, к примеру, – водный раствор поваренной соли. Электрический подзаряд такому элементу не нужен, энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. Идет такой процесс окисления с КПД около 80%, и сгоревший при комнатной температуре 1 кг алюминия способен выделить примерно столько энергии, сколько даст 1 кг каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре. Достоинств у таких источников энергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики. А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его процесса производства. Такой недостаток можно свести к минимуму при внедрении, например, новой технологии получения алюминия, (см. рис. 9.7). При промышленном освоении такой технологии алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. В обычных батареях, в которых преобразуется энергия химического процесса взаимодействия цинка и оксида ртути, используется водный электролит. Литий-йодные батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах батареи получить сравнительно большую емкость и увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах, обеспечивающих нормальный ритм работы сердца. Срок их службы в несколько раз больше, чем обычных батареек, и составляет до 10 лет, а это означает, что данные батареи позволяют сократить число хирургических операций для вживления электрокардиостимулятора.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии.

Гидроисточники и геотермальные источники энергии

В последнее время возрастает интерес к неорганическим источникам энергии, т. е. источникам, в которых не принимает участие химический процесс – горение. К ним относятся гидроисточники (гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие электростанции, приливные электростанции), геотермальные источники, гелиоисточники, ветроустановки и атомные электростанции.

Гидроэлектростанции

Принцип работы гидроэлектростанций основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором, преобразующим кинетическую энергию в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу, при котором вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется большой перепад уровней реки, например как на Ниагарском водопаде , где и была построена первая гидроэлектростанция подобного типа. На современных гидроэлектростанций возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины (см. рис. 9.8). Плотина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что приводит к возрастанию кинетической энергии вращения турбины и в конечном результате – к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращающиеся лопости турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. КПД гидроэлектростанций составляет 60–70%, т. е. 60–70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.

Сооружение гидроэлектростанций обходится дорого, и они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе». Первоисточником гидроэнергии служит Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде осадков, выпадающих в возвышенных местах, с которых конденсированная вода стекает вниз в моря. Гидроэлектростанции встают на пути стока и преобразуют энергию движущейся воды в электрическую.

Однако гидроэлектростанции не совсем уж безвредны для окружающей среды. Плотины и водохранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные земли. Их площадь чрезвычайно велика особенно на равнинных реках: естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количество паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В зависимости от сезона накопленная вода может содержать мало растворенного кислорода и оказаться неблагоприятной средой для рыб и других живых организмов. Кроме того, спускаемая вода разрушает русло реки. В то же время гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уровня воды – на реках с водопадами, горных реках, – наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде.

Гидроаккумулирующие электростанции

Они служат для аккумулирования избыточной энергии, вырабатываемой не относящимися к гидроисточникам электростанциями, когда потребление электроэнергии падает, например, ночью. При аккумулировании вода перекачивается из нижнего водоема в верхний (рис. 9.9). При этом поступающая извне электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию воды в верхнем водоеме. В часы пиковой нагрузки в электросети вода из верхнего водоема через гидроагрегаты перетекает в нижний, и запасенная потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую. Эффективность гидроаккумулирующих электростанций не очень высокая: только примерно две трети энергии, потраченной на накачку воды, возвращается обратно в электросеть. Строительство таких станций требует больших капиталовложений , поэтому они не получили широкого распространения. Обсуждаются идеи гидроаккумулирования энергии с использованием подземных водоемов естественного происхождения.

Приливные электростанции

Морские приливы, долгое время оставаясь загадкой, приводили к мысли, что их громадную энергию можно использовать. Морские приливы – это периодические колебания уровня, обусловленные силами притяжения Луны и Солнца вместе с центробежными силами, вызванными вращением системы Земля – Луна и Земля – Солнце. Самая большая из таких сил – лунная – определяет в основном характер морских приливов. Обычно прилив и отлив бывают два раза в сутки. Максимальное поднятие воды называется полной водой, минимальное – малой водой. Величина полной воды в открытом океане около 1 м, у берегов – до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане).

Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Одна из разновидностей устройств приливных электростанций состоит из плотины с встроенными в придонной ее части турбогенераторами. Подобная приливная электростанция с таким устройством сооружена в 1967 г, на реке Ране во Франции, где полная вода достигает около 13м. При открытых донных затворах плотины уровень полной воды по обе стороны плотины одинаков. В начале отлива поток воды, обращенный к суше пропускается через турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. При малой воде затворы закрываются до тех пор, пока разница уровней не станет достаточной для эффективной работы турбогенераторов. Затем поток полной воды пропускается через турбогенераторы в направлении к суше. Данный цикл потом повторяется, и энергия таким образом вырабатывается при отливе и приливе.

Построенные приливные электростанции во Франции, России, Китае доказывают, что приливную электроэнергию можно производить в промышленных масштабах. Выработка энергии на них не требует никакого топлива, и себестоимость энергии сравнительно низка. Однако стоимость строительства приливных электростанций относительно высока: она примерно в 2,5 раза больше стоимости сооружения гидроэлектростанции той же мощности. Одно из главных преимуществ приливных электростанций заключается в том, что они наносят минимальный ущерб окружающей среде.

Геотермальные источники энергии

С давних пор люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится, нет пока у людей возможностей обуздать такую непокорную стихию, да и, к счастью, извержения происходят не везде и не так уж часто. Но все же – это проявления неисчерпаемой энергии, таящейся в земных недрах, крохотная доля которой находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Маленькая европейская страна Исландия (в переводе – «страна льда») полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от Земли – других местных источников энергии в Исландии практически нет. Эта страна очень богата горячими источниками и знаменитыми гейзерами – фонтанами горячей воды, вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням – термам Каракаллы– подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.

Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 г. в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который в 1827 г. составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины – 360 тыс. кВт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тыс. кВт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тыс. кВт.

Подземные воды, как «живая кровь» планеты, переносят природное тепло Земли на поверхность. Обладая большой подвижностью и высокой теплоемкостью, они играют роль аккумулятора и теплоносителя. Они либо накапливаются в водоносных горизонтах, либо выходят на поверхность земли теплыми или горячими источниками, а иногда вырываются в виде пароводяных смесей. Это гейзеры и фумаролы (специалисты их называют парогидротермами). Выходы парогидротерм – очень эффектное зрелище: с шипением и свистом струи пара или перегретой воды вырываются из-под земли и вздымаются вверх. Так, гейзер «Старый служака» в Йеллоустонском парке регулярно, через каждые 53– 70 минут выбрасывает струю горячей (более 90° С) воды на высоту 30–45 м. А самый крупный гейзер в камчатской Долине гейзеров – «Великан» – выдает струю горячей воды на 30–35 м вверх, а столб пара вздымается намного выше – до 300–400 м.

Парогидротермальные месторождения известны в Исландии, Гренландии, Новой Зеландии, Индонезии, Японии, США, Чили, Сальвадоре и других странах. Тепло подземных вод широко используется в Италии, где уже с начала века работают геотермические станции. Наиболее крупные месторождения – в Тоскане и в районе Неаполя , где скважины выводят пароводяную смесь с температурой 200– 245° С.

В Исландии, которую называют страной вулканов и гейзеров, около 7 тыс. горячих источников. Их общая мощность более 1 млн ккал/с. Рейкьявик (столица Исландии), расположенный вблизи Северного полярного круга, полностью теплофицирован за счет термальных вод. Воды горячих источников здесь используются не только для отопления, но и для городских теплиц и оранжерей, в которых выращивают цветы, овощи и даже цитрусовые.

В нашей стране горячими источниками особенно богаты Камчатка и Курильские острова – районы современного вулканизма. Источники, фонтанирующие паром и кипятком, известны в этих краях давно (некоторые из них описаны еще в 40-х годах XVIII в. С. Крашенинниковым), однако разведочное бурение началось там лишь в 1958г. В районе реки Паратунки была сооружена первая в нашей стране геотермальная электростанция, а с 1967 г. на Паужетских термальных источниках в 200 км от Петропавловска-Камчатского действует гелиотермальная электростанция мощностью 15 тыс. кВт.

Использовать воду с температурой ниже 100°С для энергетики считается экономически невыгодным, но она вполне пригодна для теплофикации: отопления домов, обогрева теплиц, для бань, бассейнов. Сотни городов и населенных пунктов России, Украины, Средней Азии, Закавказья перешли на такое естественное теплоснабжение . Это чрезвычайно выгодно экономически. Но главное достоинство тепла, получаемого из недр, – экологическая чистота и возобновимость. Разумеется, неконтролируемый забор теплой воды может рано или поздно привести к истощению источников. Чтобы этого не случилось, разработана методика замкнутой системы, по которой остывшая или обычная холодная вода возвращается в высокотемпературный пласт. По одной скважине закачивают холодную, а по другой получают уже горячую воду. Создается надежная, практически «вечная» замкнутая циркуляция. Подземная котельная такого типа создана, например, в Грозном.

По весьма приближенным оценкам, прогнозные запасы термальных вод (от 50 до 250° С) нашей страны составляют не менее 20 млн. м3 воды в сутки. Этот огромный резерв экологически чистой тепловой энергии может заменить до 150 млн т органического топлива. Одна из самых мощных скважин в Дагестане (в селе Берикей) дает огромный приток горячей воды, используемой для обогрева. В год эта скважина выносит с водой 330 т йода и 450 т брома (это примерно 3% мирового производства брома). В нашей стране практически весь бром и большую часть йода добывают из подземных вод, не зря их называют промышленными подземными водами.

Гелиоэнергетика

Солнце обладает колоссальным запасом энергии. Земля получает лишь небольшую долю солнечной энергии, равную 2·1017 Вт, и ее вполне достаточно для обеспечения большого многообразия форм жизни и биосферных процессов на Земле.

Предполагается, что широкое применение солнечной энергией начнется после воспроизведения природного процесса – фотосинтеза. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже осуществлена первая фаза данного процесса – произведено фотохимическое разложение воды на элементы. Образующийся водород – превосходный энергоноситель: из известных нерадиоактивных веществ он обладает самой высокой плотностью энергии – 33 кВт/кг (плотность энергии углерода равна всего 9,1 кВт/кг). В процессе фотосинтеза, в зеленых растениях из энергетически бедных соединений – углекислого газа и воды – образуется более сложный по структуре и богатый энергией крахмал, из которого синтезируются жиры, белки, целлюлоза и другие органические компоненты. Как следует из периодической печати, несколько необычный способ использования солнечной энергии предложили японские ученые. Смесь, состоящую из размолотого магнетита и угольного порошка, они подвергли облучению концентрированным солнечным светом и нагрели ее до 1200° С. В результате химической реакции образовались водород и угарный газ. Из данных газов можно синтезировать, например, метиловый спирт, который может служить превосходным горючим для автомобилей. КПД такого процесса достигает 47,6%.

В последние десятилетия гелиоэнергетика – солнечная энергетика, во всем мире развивается быстрыми темпами и в самых разных направлениях. Гелиоэнергетические программы разрабатываются более чем в 70 странах – от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Используются такие устройства в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с «солнечным приводом»: гелиовелосипеды, гелиомопеды, моторные лодки, яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, сравнивавшиеся вчера с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей скорости обычных автомобилей. Уже в течение трех лет немецкий поселок Франитцхютте, расположенный на окраине Баварского леса, полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнечных батарей общей площадью 360 м2. Мощность каждой батареи – 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.

Самая крупная гелиоэлектростанция мира начала работать в Швейцарии. Площадь ее солнечных батарей – 4500 м2, при полном освещении мощность электростанции достигает 500 кВт. Этого хватает на поселок из двухсот одноквартирных коттеджей. В Штутгартском университете (Германия) сконструирован самолет, мотор которого питается энергией солнечных батарей, расположенных на его крыльях с размахом 25 м. С грузом до 90 кг он взлетает со взлетной площадки, покрытой травой, и развивает скорость до 120 км/ч. Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо стекла. Между двумя слоями стекла, покрытого тончайшей пленкой двуокиси титана со столь же тонким слоем светочувствительного пигмента, находится слой электролита с содержанием йода. Свет, падая на пигмент, выбивает из него электроны, которые через электролит попадают на слой двуокиси титана. Все слои такой солнечной батареи настолько тонки, что прозрачность стекла практически не уменьшается. Такие стекла дешевле, чем кремниевые солнечные панели.

Быстрое развитие гелиоэнергетики в Швейцарии стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 ватт установленной мощности с 1000 в 1970 г. до 5–8 долл. в 1990 г. и повышению их КПД с 5–6 до 20–30%. В ближайшее время предлагается уменьшить стоимость солнечного ватта на 50%, что позволит гелиоустановкам вполне конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельными электростанциями. Одним из мировых лидеров практического использования гелиоэнергетики стала Швейцария: более 700 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 кВт до 1 МВт и солнечных коллекторных устройств для получения солнечной энергии. Гелиоэлектрическая программа Швейцарии внесет заметный вклад в решение экологических проблем и в энергетическую независимость страны, импортирующей сегодня более 80% энергии из-за рубежа.

Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях чаще всего мощностью 2–3 кВт нередко монтируют на крышах и фасадах зданий (20–30 м2). Такая установка вырабатывает в год в среднем 3000 кВт·ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд, а иногда и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки. Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Однако такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии лишь на 55–70%. В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами-накопителями энергии.

По опыту эксплуатации и согласно некоторым расчетам Солнце в состоянии обеспечить энергопотребности по меньшей мере всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные на крыше производственного корпуса, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии. КПД кремниевых фотопреобразователей при сильном нагреве заметно снижается, и поэтому под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Один из крупных разделов гелиоэлектрической программы Швейцарии – развитие транспортных средств, использующих солнечную энергию, ибо автотранспорт потребляет около четверти энергетических ресурсов, необходимых стране. Ежегодно в Швейцарии проводится международное ралли солнцемобилей.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одно из наиболее серьезных препятствий такой реализации – низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения относительно невелика. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» энергию, необходимую хотя бы для частичного удовлетворения потребностей населения, нужно разместить их на громадной территории.

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в них жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам на изготовление коллекторов солнечного излучения идет довольно много алюминия.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, проводимые на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы широкого применения гелиоэнергии.

Энергия ветра

Ветер служит человеку с древних времен. Первобытные люди поднимали паруса над неустойчивым челноком, выдолбленным из бревна. Преобладающие западные ветры несли испанскую армаду к открытиям и победам. Пассаты надували паруса больших клиперов, помогли открыть Индию и Китай и наладить торговлю с Западом. Древние персы заставили ветер размалывать зерно. Наиболее широкое распространение ветряные мельницы (рис. 9.10) получили в Голландии. Некоторым из них уже более 500 лет, и они находятся в рабочем состоянии. Было время, когда вода и ветер служили едва ли не основными источниками энергии. Еще в 1910 г. в России насчитывалось примерно миллион ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. А сегодня всю эту энергетику с легкой руки называют нетрадиционной.

В 50-х годах XIX в. в США был изобретен многолопастный ветряк, который получил широкое распространение. С помощью подобных ветряков вначале поднималась вода из колодцев и заполнялись водой паровые котлы. Позднее ветряки стали использовать для получения электроэнергии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диаметром до 9 м может вырабатывать до 3 кВт электроэнергии при скорости ветре около 25 км/ч. В 30-х годах XX в. на территории США было сооружено около 6 млн многолопастных ветроустановок. Во многих сельских районах до строительства крупных электростанций основным поставщиком электроэнергии были различные ветроустановки.

Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, наносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных границ до берегов Енисея. Особенно богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана.

В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой электроэнергии во всем мире. Техника XX в. открыла совершенно новые возможности для электроэнергетики . Созданы высокопроизводительные установки, способные вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре. Предлагается множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются самые последние достижения многих отраслей естествознания. К созданию совершенной конструкций ветроколеса – сердца любой ветроэнергетической установки – привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти и исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Можно привести примеры необычного использования энергии. Один из американских изобретателей, наблюдая за тем, как пролетающие по шоссе автомобили вздымают по обочинам тучи пыли и гонят вдоль дороги легкий мусор, пришел к мысли, что можно использовать энергию ветра, возникающего от движения транспорта. Он предложил встроить в бетонный разделительный барьер, идущий по середине самых оживленных автомагистралей, ветряные турбины с вертикальной осью, что позволит улавливать энергию от автомобилей, несущихся в обоих направлениях. Выработанная энергия должна либо поступать в общую сеть, либо запасаться в аккумуляторах и использоваться для освещения дороги по ночам. Измерения на обочине оживленного шоссе показали, что искусственный ветер дует около 18 ч в сутки со средней скоростью 4,5–5,5 м/с. Это больше, чем в районе крупных ветровых электростанций, работающих в Калифорнии. Сейчас исследователи продолжают измерения на разных дорогах и собираются приступить к испытаниям разных типов ветряных турбин. Еще один пример. На западном побережье Дании, у городка Райсбю, построена электростанция из 40 ветродвигателей. Общая мощность ее составляет 24 МВт. Ветродвигатели оборудуются электронными регуляторами немецкой фирмы «Сименс», в которых впервые применены полупроводниковые тиристоры . Это позволило отказаться от громоздких конденсаторов и дросселей. Система регулировки обеспечивает ровную отдачу мощности независимо от скорости ветра.

Каждый источник энергии должен работать там, где дает наибольшую отдачу, максимальную выгоду. На севере у нас огромные труднодоступные территории. Вырабатывать здесь энергию очень сложно, и цена ее более высокая, чем в центре страны. Здесь то и могут найти применение ветроустановки. Скорость ветра на побережье морей и океанов составляет в среднем за год более 6 м/с. При работе ветроустановки мощностью в 1 МВт в течение шести месяцев потребитель энергии может получить около 2,5 млн кВт, что вполне достаточно для обеспечения теплом и светом поселка в 150 жилых домов.

Современная ветроустановка мощностью в 1 МВт состоит из ветроколеса диаметром 48 м, установленного на стальной конической башне высотой 40 м, на которой смонтированы агрегат для передачи мощности от ветроколеса к генератору, система управления и тормозной механизм. Ветроустановка полностью автоматизирована: сама «ловит ветер» и проверяет перед запуском состояние всех узлов и агрегатов. При скорости ветра 3,5–4 м/с развивается мощность 40–50 кВт, а при скорости 13,5 м/с – 1000 кВт. Срок службы установки – 20–25 лет. Стоит она примерно 1 млн долл.

К 1998 г. насчитывалось в России около полутора десятков крупных и примерно 100 мелких ветроустановок, в то время как за рубежом их общее число составило более 130 тысяч. Сегодня почти все развитые страны строят ветроустановки. В строительстве ветроустановок лидирует маленькая страна Дания. Около двух десятилетий назад именно она дала толчок развитию современной ветроэнергетики. В этой стране работают более четырех тысяч самых эффективных установок с лучшими показателями в мире. Датчане построили заводы по производству ветроустановок в Индии, Китае и США. Производятся ветроустановки и в России. По своим техническим показателям они не уступают зарубежным аналогам.

Ветроустановки порождают вибрации и шум, неблаготворно влияющие на живые организмы. Поэтому их строят обычно вдали от населенных пунктов. Металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач. Но все же в целом ветроэнергетику принято считать экологически безопасной.

Многие страны активно развивают ветроэнергетику. Например, Германия по выработке ветроэнергии в последние годы приблизилась к США, а по числу фирм, производящих ветроустановки догнала Данию. Немецкие ветроустановки наполняют рынок Бразилии, Мексики, Китая и других стран.

Атомная энергетика

Развитие атомной энергетики

Сегодня примерно 17% мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции (АЭС). В некоторых странах ее доля значительно больше. Например, в Швеции она составляет около половины всей электроэнергии, во Франции – около трех четвертей. Недавно согласно принятой в Китае программе вклад энергии атомных электростанций предусмотрено увеличить в пять – шесть раз. Заметную, хотя пока не определяющую, роль АЭС играют в США и России.

Более сорока лет назад, когда дала ток первая атомная станция в мало кому известном в то время городке Обнинске, многим казалось, что атомная энергетика – вполне безопасная и экологически чистая. Авария на одной из американской АЭС, а затем катастрофа в Чернобыле показали, что на самом деле атомная энергетика сопряжена с большой опасностью. Люди напуганы. Общественное сопротивление сегодня таково, что строительство новых АЭС в большинстве стран практически остановлено. Исключение составляют лишь восточно-азиатские страны – Япония, Корея, Китай, где атомная энергетика продолжает развиваться.

Специалисты, хорошо знающие сильные и слабые стороны реакторов, смотрят на атомную опасность более спокойно. Накопленный опыт и новые технологии позволяют строить реакторы, вероятность выхода которых из-под контроля хотя и не равна нулю, но крайне мала. На современных атомных предприятиях обеспечен строжайший контроль радиации в помещениях и в каналах реакторов: сменные комбинезоны, специальная обувь, автоматические детекторы излучений, которые ни за что не откроют шлюзовые двери, если на вас есть хотя бы небольшие следы радиоактивной «грязи». Например, на атомной электростанции в Швеции, где чистейшие пластиковые полы и непрерывная очистка воздуха в просторных помещениях, казалось бы, исключают даже мысль о сколь-нибудь заметном радиоактивном заражении.

Атомной энергетике предшествовали испытания ядерного оружия. На земле и в атмосфере проводились испытания ядерных и термоядерных бомб, взрывы которых ужасали мир. В то же время инженеры разрабатывали и ядерные реакторы , предназначенные для получения электрической энергии. Приоритет получили военное направление – производство реакторов для кораблей военно-морского флота. Военным ведомствам особенно перспективным представлялось использование реакторов на подводных лодках: такие суда имели бы практически неограниченный радиус действия и могли бы годами находиться под водой. Американцы сосредоточили свои усилия на создании корпусных водо-водяных реакторов, в которых замедлителем нейтронов, и теплоносителем служила обычная («легкая») вода и которые обладали большой мощностью на единицу массы энергетической установки. Были сооружены полномасштабные наземные прототипы транспортных реакторов, на которых проверялись все конструктивные решения и отрабатывались системы управления и безопасности. В середине 50-х годов XX в. первая подводная лодка с атомным двигателем «Наутилиус» прошла под льдами Ледовитого океана.

Аналогичные работы велись и в нашей стране, только наряду с водо-водяными реакторами разрабатывался канальный графитовый реактор (в нем теплоносителем тоже служила вода, а замедлителем – графит). Однако по сравнению с водо-водяным реактором у графитового мала удельная мощность. В то же время такой реактор обладал важным преимуществом – уже имелся значительный опыт сооружения и эксплуатации промышленных графитовых реакторов, отличающихся от транспортных установок главным образом давлением и температурой охлаждающей воды. А наличие опыта означало экономию времени и средств на опытно-конструкторские работы. При создании наземного прототипа графитового реактора для транспортных установок стала очевидной его бесперспективность. И тогда было решено использовать его для атомной энергетики. Реактор AM, а точнее, его турбогенератор мощностью 5000 кВт 27 июня 1954 г. подключили к электрической сети, и весь мир узнал, что в СССР пущена первая в мире АЭС – атомная электростанция.

Наряду с канальными графитовыми реакторами в нашей стране, как и в США, с середины 50-х XX в. годов развивалось направление, основанное на использовании водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР). Их характерная особенность – огромный корпус диаметром 4,5 м и высотой 11м, рассчитанный на высокое давление – до 160 атм. Производство и транспортировка таких корпусов к площадке АЭС – чрезвычайно сложная задача. Американские фирмы, приступив к развитию атомной энергетики на базе реакторов PWR, возвели на берегах рек заводы для производства реакторных корпусов, построили баржи для их перевозки к месту строительства АЭС и краны грузоподъемностью в 1000 т. Этот продуманный подход позволил США не только удовлетворить собственные потребности, но и захватить в 70-х годах внешний рынок по производству атомной энергии. СССР не мог столь широко и быстро развивать промышленную базу для АЭС с реакторами ВВЭР, В начале лишь один Ижорский завод мог изготавливать по одному корпусу реактора в год. Пуск Аттоммаша состоялся только в конце 70-х годов.

Реактор РБМК (реактор большой мощности, канальный), в котором вода, охлаждающая тепловыделяющие элементы, находится в состоянии кипения, появился как очередной этап последовательного развития канальных графитовых реакторов: промышленный графитовый реактор, реактор первой в мире АЭС, реакторы Белоярской АЭС. Ленинградская АЭС на РБМК проявила свой норов. Несмотря на наличие традиционной автоматической системы регулирования, оператор должен был по мере выгорания топлива все чаще и чаще вмешиваться в управление реактором (до 200 раз в смену). Это было связано с возникновением или усилением в процессе эксплуатации реактора положительных обратных связей, приводящих к развитию неустойчивости с периодом в 10 минут. Для нормального стабильного функционирования какого-либо устройства с положительной обратной связью необходима надежная система автоматического регулирования. Однако всегда существует опасность аварии из-за отказа подобной системы. С проблемой неустойчивости столкнулись и в Канаде, когда пустили в 1971 г. канальный реактор с тяжелой водой в качестве замедлителей нейтронов и кипящей легкой водой в качестве теплоносителя. Канадские специалисты решили не испытывать судьбу и закрыли установку. Сравнительно быстро была разработана новая, приспособленная к РБМК, система автоматического регулирования. Ее внедрение обеспечило приемлемую устойчивость реактора. В СССР развернулось серийное строительство АЭС с реакторами РБМК (нигде в мире подобные установки не использовались).

Несмотря на внедрение новой системы регулирования, страшная угроза осталась. Для реактора РБМК характерны два крайних состояния: в одном из них каналы реактора заполнены кипящей водой, а в другом – паром. Коэффициент размножения нейтронов при заполнении кипящей водой больше, чем при заполнении паром. При таком условии возникает положительная обратная связь, при которой рост мощности вызывает появление дополнительного количества пара в каналах, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента размножения нейтронов, и следовательно, к дальнейшему росту мощности. Это известно давно, еще со времен проектирования РБМК. Однако только после Чернобыльской катастрофы в результате тщательного анализа выяснилось, что возможен разгон реактора на мгновенных нейтронах. В 1 час 23 мин 26 апреля 1986 г произошел взрыв реактора 4-го блока Чернобыльской АЭС. Ее последствия ужасны.

Так нужно ли развивать атомную энергетику? Выработка энергии на АЭС и ACT (атомных станциях теплоснабжения) – это наиболее экологически чистый способ производства энергии. Энергия ветра, Солнца, подземного тепла и т. д. не может сразу и быстро заменить атомную энергию. Согласно прогнозу в США в начале XXI в. на все подобные способы производства энергии будет приходиться не более 10% вырабатываемой во всем мире энергии.

Спасти нашу планету от загрязнения миллионами тонн углекислого газа, окиси азота и серы, которые постоянно выбрасываются ТЭЦ, работающими на угле, мазуте, перестать сжигать в огромных количествах кислород, можно лишь с помощью атомной энергетики. Но только при выполнении одного условия: «Чернобыль» не должен повториться. Для этого необходимо создать абсолютно надежный энергетический реактор. Но в природе не бывает ничего абсолютно надежного, все процессы, не противоречащие законам природы, происходят с большей или меньшей вероятностью. И противники атомной энергетики рассуждают примерно так: авария маловероятна, но нет никаких гарантий, что она не случится сегодня или завтра. Задумываясь над этим, нужно учесть следующее. Во-первых, взрыв реактора РБМК в том состоянии, в котором он эксплуатировался до аварии, отнюдь не маловероятное событие. Во-вторых, при таком подходе мы все должны жить в постоянном страхе, что Земля не сегодня - завтра столкнется с крупным астероидом – вероятность такого события ведь тоже не равна нулю. Думается, можно считать абсолютно безопасным реактор, для которого вероятность крупной аварии достаточно мала.

В СССР накоплен многолетний опыт сооружения и эксплуатации АЭС с реакторами ВВЭР (аналогичными американским PWR), на базе которых может быть в относительно короткие сроки создан в большей степени безопасный энергетический реактор. Такой, что в случае аварийной ситуации все радиоактивные осколки деления ядер урана должны остаться в пределах защитной оболочки.

Развитые страны с большой численностью населения в обозримом будущем не смогут из-за приближающейся экологической катастрофы обойтись без атомной энергетики даже при некоторых запасах обычных видов топлива. Режим экономии энергии может лишь на некоторое время отодвинуть проблему, но не решить ее. Кроме того, многие специалисты считают, что в наших условиях даже временного эффекта добиться не удастся: эффективность предприятий по энергоснабжению зависит от уровня развития экономики. Даже США потребовалось 20–25 лет со дня внедрения в промышленность энергоемких производств.

Вынужденная пауза, возникшая в развитии атомной энергетики, должна быть использована для разработки достаточно безопасного энергетического реактора на базе реактора ВВЭР, а также для разработки альтернативных энергетических реакторов, безопасность которых должна находиться на том же уровне, а экономическая эффективность значительно выше. Целесообразно построить демонстрационную АЭС с подземным размещением реактора ВВЭР в наиболее удобном месте, чтобы проверить ее экономическую эффективность и безопасность.

В последнее время предлагаются различные конструктивные решения атомных станций. В частности, компактную АЭС разработали специалисты Санкт-Петербургского морского бюро машиностроения «Малахит». Предлагаемая станция предназначается для Калининградской области , где проблема энергоресурсов стоит достаточно остро. Разработчики предусмотрели использование в АЭС жидкометаллического теплоносителя (сплава свинца с висмутом) и исключают возможность возникновения на ней радиационно-опасных аварий, в том числе при любых внешних воздействиях. Станция отличается экологической чистотой и экономической эффективностью. Все ее основное оборудование предполагается разместить глубоко под землей – в проложенном среди скальных пород туннеле диаметром в 20 м. Это дает возможность свести к минимуму число наземных сооружений и площадь отчуждаемых земель. Структура проектируемой АЭС – модульная, что тоже очень существенно. Проектная мощность Калининградской АЭС – 220 МВт, но может быть по мере необходимости уменьшена или увеличена в несколько раз при помощи изменения числа модулей.

Ядерное топливо

Цепная реакция деления ядер сопровождается выделением огромного количества энергии. Так, при делении тяжелого ядра на два осколка освобождается энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Расчеты показывают, что 1 кг урана выделяет в миллионы раз больше энергии, чем 1 кг каменного угля. Следовательно, ядерное топливо – чрезвычайно энергоемкий источник энергии. В то же время ядерный топливный цикл – сложнейший технологический процесс (рис. 9.11).

В отличие от утлеродосодержащих носителей энергии, применяемых и в то же время и как сырье для химической промышленности, ядерное топливо представляет практический интерес преимущественно для производства электрической и тепловой энергии. Огромные возможности для развития атомной энергетики открываются с созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (бридеров), в которых выработка энергии сопровождается производством вторичного горючего – плутония, что позволит кардинально решить проблему обеспечения ядерным топливом. Как показывают оценки, 1 т гранита содержит примерно 3 г урана-238 и 12 г тория-232 (именно они используются в качестве сырья в бридерах). При потреблении энергии МВт (на два порядка выше, чем сейчас) запаса урана и тория в граните хватит на 109 лет. Первый опытно-промышленный реактор на быстрых нейтронах мощностью до 350 МВт построен в г. Шевченко на берегу Каспийского моря. Он производит электроэнергию и опресняет морскую воду, обеспечивая пресной водой город и прилегающие район нефтедобычи с численностью населения около 150000 человек.

Колоссальной энергией обладает термоядерный синтез. При термоядерном синтезе выделяемая энергия на один нуклон значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. При делении ядра урана 238 высвобождается энергия около 0,84 МэВ на один нуклон, а при термоядерном синтезе дейтерия и трития – примерно 3,5 МэВ. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения. Например, по энергетической емкости количество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно приблизительно 60 л бензина. В этой связи весьма заманчива перспектива осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Трудность практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что он возможен только при очень высокой температуре – 107–108 К. При такой сверхвысокой температуре любое синтезируемое вещество находится в плазменном состоянии, и возникает техническая проблема удержания горячей плазмы в ограниченном объеме.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР в 1953 г., а затем через полгода в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, представляющего неуправляемую реакцию синтеза. Взрывчатое вещество в водородной бомбе представляет собой смесь дейтерия и трития. Запалом в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает сверхвысокая температура, необходимая для синтеза легких ядер.

Над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза усердно работают ученые многих стран в течение нескольких последних десятилетий. Один из путей решения данной проблемы – это удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Для этого создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакторы. Один из первых таких реакторов – Токамак-10– был собран в 1975г. в Институте атомной энергии им. .

Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству доступ к неисчерпаемой кладовой ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Извлечение энергии возможно из дейтерия, содержащегося в обычной воде. Расчеты показывают, что количество дейтерия в Мировом океане составляет примерно 4·1013 т, что соответствует энергетическому запасу 1017 МВт·год, который можно считать практически неограниченным. Остается только надеяться, что проблема управляемого термоядерного синтеза в недалеком будущем будет успешно решена.

Особенности развития отечественной энергетики

Желая непременно оказаться «впереди планеты всей», в бывшем СССР особое внимание уделяли гигантским электростанциям. Непрерывное строительство в 1960–1985 гг. в Сибири гигантских ГЭС при почти полном прекращении строительства конденсационных тепловых станций привело к уродливой структуре мощностей. Удельный вес ГЭС превышает 50%, а по отношению к годовому максимуму нагрузок – 75%. В итоге половина их мощности (до 10 млн кВт) никогда не используется: зимой из-за недостатка водных ресурсов, а летом из-за снижения потребности в энергии. Обычно в незасушливые годы, сбрасывается большой объем воды мимо недогруженных турбин. При этом не следует забывать о затопленных пойменных лугах, погубленной рыбе, исчезнувших селениях. Наглядный пример: за 5 лет с 1984 по 1988 г. было сброшено воды в объеме, эквивалентном 40 млрд кВт · часов. Иная, но столь же печальная картина наблюдается в маловодные годы. В 1982г., например, в конце многолетнего засушливого периода ГЭС Сибири обеспечили лишь 37,5% суммарной мощности вместо обычных 50%, и хотя тепловые станции работали с предельным напряжением, дело дошло до того, что пришлось останавливать ряд предприятий, в том числе алюминиевые заводы.

География европейской части страны не позволяет сооружать гигантские ГЭС, поэтому упор делался на тепловые станции и атомные электростанции (АЭС). К сожалению, в нашей стране был взят курс на строительство тепловых электростанций (ТЭС) со сверхкритическими параметрами пара. А такие ТЭС не обладают маневренностью и, значит, не в состоянии обеспечить нужный график электрических нагрузок. А поскольку электричество на складе не сохранишь и его нужно вырабатывать в тот самый момент, когда в нем возникает потребность, то появляются нелепые противопотоки энергии. Ежегодно около 5 млрд кВт. часов перебрасывается с северо-запада через центр страны на Урал, в Казахстан и Сибирь, где своя электроэнергия обходится в 2,5–3 раза дешевле, а оттуда, напротив, транспортируется в европейскую часть топливо для ее производства.

Идеология «великих строек», поддерживаемая решениями ЦК КПСС, распространилась и на другие энергетические объекты. В 70-е годы были созданы проекты сверхмощных энергетических комплексов государственных районных электростанций (ГРЭС) Канско-Ачинского (КАТЭК) и Экибастузского. По директивам партии и правительства к 1990 г. там должны были работать по четыре ГРЭС общей мощностью соответственно в 25 и 16 млн кВт. Но такая задача оказалась нереальной: в 1992 г. на КАТЭКе работало только 2 энергоблока общей мощностью 1,6 млн кВт, на Экибастузе – блок ГРЭС мощностью 4 млн кВт и блок на второй ГРЭС мощностью 500 тыс. кВт. Ориентация на такие сверхкрупные комплексы привела к прекращению строительства рассредоточенных ГЭС средней и слабой мощности. В результате ввод мощности на тепловых электростанциях, который в послевоенные годы быстро возрос до 40 млн кВт (8 млн кВт в год), в 9-й, 10-й и 11-й пятилетках резко упал до 22 млн кВт.

С определенным перекосом работали научно-исследовательские ведомственные и академические институты, огромные средства тратились без объективного обсуждения и анализа, возникли монопольно владеющие отраслью научно-партийные номенклатуры. В итоге тепловые электростанции (70% суммарной мощности всех электростанций) по своим технико-экономическим и экологическим показателям резко отстают от современного уровня, почти половина их требует замены или модернизации в связи с физическим износом . Некоторые атомные электростанции не отвечают международным стандартам безопасности и надежности.

Централизация отечественного теплоснабжения достигла гипертрофированных масштабов, не имеющих аналогов в мировой практике: мощности ТЭЦ превысили миллион киловатт, а диаметры теплопроводов остались прежними. Общая протяженность магистральной теплосети России превзошла 15400 км, причем состояние ее антикоррозийной защиты и теплоизоляции как правило, неудовлетворительно, чем объясняются непродолжительный срок службы трубопроводов, частые аварии и большие потери тепла.

В 1986–1990 гг. произошло дальнейшее падение прироста мощности тепловых электростанций до 15,3 млн кВт, т. е. до уровня пятой пятилетки, который был достигнут более 30 лет назад. Снизился и суммарный ввод мощностей до 27,5 млн кВт против 48,4 в предыдущей пятилетке, что явилось следствием приостановления строительства атомных станций после Чернобыльской катастрофы. Кстати, вводы мощности на ТЭС в Соединенных Штатах превышали вводы в СССР в те же годы более, чем в 2 раза.

Приведенные факты означают, что отечественная энергетика находится в кризисном состоянии, выход из которого возможен только при правильном, научно обоснованном стратегическом направлении ее развития.

Значение топливно-энергетического комплекса ощутилось в последнее время с особенной остротой. Стоило только поднять цены на энергоносители, как сразу вздорожали хлеб и транспорт, отопление квартир и металл, уборка улиц и обеды в столовой. Не так-то просто найти занятие или товар, которые не нуждались бы в энергии. А ведь нашим отечественным потребителям нефть, газ и уголь, не говоря об электричестве, отпускались по ценам, не идущим ни в какое сравнение с ценами на мировом рынке.

Дешевая энергия (точнее, искусственно заниженная цена на нее) сделала экономически невыгодными практически все энергосберегающие технологии. Нужно переходить на новые экономические технологии в промышленных масштабах, заменять изношенное оборудование более совершенным, применять высокоэффективные теплоизоляционные материалы и т. д. Другими словами, прежде чем сэкономить, необходимо крупно потратиться. Какое же предприятие пойдет на все эти хлопоты без крайней необходимости, без материальной заинтересованности? В результате к концу 80-х годов энергоемкость нашей экономики вдвое превысила этот показатель в ведущих западноевропейских странах. Да и сегодня треть первичных энергоресурсов можно было бы сократить или продать при рачительном их потреблении. Только в результате проведения последовательной энергосберегающей политики возможен переход к контролируемому энергетическому рынку. В ближайшее время в этой связи придется не столько строить, сколько реконструировать. На следующем этапе будет решаться задача технической и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса, коренного повышения его экономической эффективности. Наряду с этим следует обратить особое внимание на разработку , с внедрением которых будет решен сразу целый комплекс многих проблем.

Энергии Мирового океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20° С, равна примерно 10 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока используется лишь ничтожно малая доля этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений. Энергетика Мирового океана до сих пор кажется малоперспективной.

Происходит весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива (прежде всего нефти и газа), использование которою к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая тепловое «загрязнение» и грозящее нежелательными климатическими последствиями повышение концентрации атмосферной углекислоты). Кроме того, ограниченность запасов урана (энергетическое использование которых к тому же порождает опасные радиоактивные отходы) и неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии заставляют ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии не только перепадов уровня воды в реках, солнечного тепла, ветра, но и энергии Мирового океана.

Неожиданной возможностью энергетики Мирового океана оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей , легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. По имеющимся оценкам, для полного обеспечения энергией каждого человека-потребителя достаточно одного гектара плантаций таких водорослей. Большое внимание привлекает «океанотермическая энергоконверсия», т. е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний . В какой-то мере аналогичными, но пока, вероятно, более далекими представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной водой, например морской и речной. Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения, причем обсуждаются перспективы электростанций с мощностями на многие тысячи киловатт. Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфстрим.

Предполагается, что некоторые из преложенных океанских энергетических установок могут быть реализованы и стать рентабельными уже в ближайшем будущем. Вместе с тем следует ожидать, что творческий энтузиазм, искусство и изобретательность научно-инженерных работников способны улучшить существующие и создать новые перспективные разработки для промышленного использования энергетических ресурсов Мирового океана. Вполне вероятно, что при современных темпах научно-технического прогресса существенные сдвиги в океанской энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия. Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, не загрязняет окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Солнечная энергия нагревает океан, накапливающий тепловую энергию, и приводящий в движение течения, которые в то же время меняют свое направление под действием вращения Земли. Солнечное и лунное притяжения вызывают приливы и отливы. Океан – это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромный источник энергии. В нем плещут волны, рождаются приливы и отливы, возникают течения и т. д.

Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. Сегодня вряд ли существует прибрежный район, где не было бы своего собственного изобретателя, работающего над созданием устройства, использующего энергию волн. Начиная с 1966 г. два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет энергии приливов и отливов.

Группа океанологов обратила внимание на то, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и волн? «Смогут» – таково мнение специалистов. В предложенном проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли. Предсказывают даже, что электричество, полученное при использовании энергии Гольфстрима, может стать конкурентоспособным уже в ближайшем будущем.

Океан – замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В такой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до достигающих высоты 200–300 футов (60–90 м) бурых водорослей. Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию. При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов XX в. группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов (12 м) под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. Ферма была небольшая. По сути своей это был лишь эксперимент. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли. По мнению специалистов, до 50% массы таких водорослей может быть превращено в топливо – природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно акров га), смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением вчеловек.

В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей океанографического института в Калифорнии на мысль о создании установки для получения большого количества энергии. Такую установку можно сконструировать в виде батареи, в которой осуществлялась бы реакция между соленой и несоленой водой.

В наши дни, когда возросла необходимость в новых видах топлива, океанографы, химики, физики, инженеры и технологи обращают все большее внимание на океан как на потенциальный источник энергии.

Энергетика будущего

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. В этой связи нефть и газ будут с каждым годом стоить все дороже.

Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана в сравнении с запасами угля вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу массы уран содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить намного 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 более мощным.

В погоне за избытком энергии человек все глубже погружаются в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Однако времена меняются. Сейчас, на рубеже тысячелетий начинается новый, этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Несомненно, в будущем одновременно с интенсивным развитием энергетики получит широкие права гражданства и экстенсивное направление: 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, видимо, дополнит энергетика солнечная.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует , вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения естествознания. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянутся к энергетике, зависят от нее. 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.

Список использованной литературы

1. Алексеев. Учебные пособия для 9, 10–11 классов. – СПб.: СМИО ПРЕСС, 1999.

2. Биологический энциклопедический словарь. – М.: Сов. энциклопедия, 1986.

3. Биология, в 3 т., Грин Н, Стаут У., Тейлор Д., М. 1996

4. Быков словарь. –Алма-Ата: Наука, 1988.

5. Вронский экология. Учебное пособие. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1996.

6. Вронский. Словарь-справочник. – М.: Зевс, 1997.

7. Дедю энциклопедический словарь. – Кишинев, 1989.

8. , Сидорин. Учебник для 9-го класса общеобразовательных учебных заведений. – М.: Дрофа, 1995.

9. Наука об окружающей среде, в 2 т. Небел Б., М. 1993

10. Одум Ю. Экология. Тт. 1–2. – М.: Мир, 1986.

11. Реймерс. Словарь-справочник. – М.: Мысль, 1990.

12. Современная западная философия, словарь, М. 1991

13. Тогда придёт электронный джентльмен, Чирков Ю., М. 1990

14. Фарб П. Популярная экология. – М.: Мир, 1971.

15. Философский словарь, М. 1991

16. , Былова. – М.: Просвещение, 1988.