| Головна |
| « Попередня | Наступна » | |
ХП.5. Альтернативні джерела отримання енергії |
||
|
Основні сучасні джерела отримання енергій (особливо викопне паливо) можна розглядати як засіб вирішення енергетичних проблем на найближчу перспективу. Це пов'язано з їх вичерпанням і неминучим забрудненням середовища. У цьому зв'язку важливо познайомитися з можливостями використання нових джерел енергії, які дозволили б замінити існуючі. До таких джерел належить енергія сонця, вітру, вод, термоядерного синтезу та інших джерел. Сонце як джерело теплової енергії. Це практично невичерпне джерело енергії. Її можна використовувати прямо (за допомогою уловлювання технічними пристроями) або опосередковано через продукти фотосинтезу, круговорот води, рух повітряних мас і інші процеси, які обумовлюються сонячними явищами. Використання сонячного тепла - найбільш простий і дешевий шлях вирішення окремих енергетичних проблем. Підраховано, що в США для обігріву приміщень і гарячого водопостачання витрачається близько 25% виробленої в країні енергії. У північних країнах, в тому числі і в Росії , ця частка помітно вище. Тим часом значна частка тепла, необхідного для цих цілей, може бути отримана за допомогою уловлювання енергії сонячних променів. Ці можливості тим значніше, чим більше прямої сонячної радіації надходить на поверхню землі. Найбільш поширене уловлювання сонячної енергії за допомогою різного виду колекторів. У найпростішому вигляді це темного кольору поверхні для уловлювання тепла і пристосування для його накопичення і утримання. Обидва блоки можуть представляти єдине ціле. Колектори поміщаються в прозору камеру, яка діє за принципом парника. Є також пристрої для зменшення розсіювання енергії (хороша ізоляція) та її відведення, наприклад, потоками повітря або води. Ще більш прості нагрівальні системи пасивного типу. Циркуляція теплоносіїв тут здійснюється в результаті конвекційних струмів: нагріте повітря або вода піднімаються вгору, а їх місце займають більш охолоджені теплоносії. Прикладом такої системи може служити приміщення з великими вікнами, зверненими до сонця, і гарні ізоляційні 314 ми, властивостями матеріалів , здатними тривало утримувати тепло. Для зменшення перегріву вдень і тепловіддачі вночі використовуються штори * жалюзі, козирки та інші захисні пристосування. В даному випадку проблема найбільш раціонального використання сонячної енергії вирішується через правильне проектування будівель. Деякий подорожчання будівництва перекривається ефектом використання дешевої і ідеально чистої енергії . Згідно Б. небілих (1993), в США (наприклад, в Каліфорнії) маються будови, які навіть при пасивному типі акумуляції сонячних променів дозволяють економити до 75% витрат на енергію, при додаткових будівельних витратах тільки в 5-10%. На Кіпрі в 90% котеджів, багатьох готелях і багатоквартирних будинках проблеми теплозабезпечення і гарячого водопостачання вирішуються за рахунок сонячних водонагрівачів. В Ізраїлі частка жител, що забезпечуються сонячною енергією, близька до 65%. В інших країнах цілеспрямоване використання сонячної енергії поки не велике, але інтенсивно збільшується виробництво різного роду сонячних колекторів. В США зараз діють тисячі подібних систем, хоча забезпечують вони поки тільки 0,5% гарячого водопостачання. Дуже прості пристрої використовують іноді в парниках або інших спорудах. Для більшого накопичення тепла в сонячний час доби в таких приміщеннях розміщують матеріал з великою поверхнею і хорошою теплоємністю. Це можуть бути камені, крупний пісок, вода, щебінь, метал і т. п . Вдень вони накопичують тепло, а вночі поступово віддають його. Такі пристрої широко використовуються в тепличних господарствах півдня Росії, в Казахстані, Середній Азії та інших солнцеобільних районах. Сонце як джерело електричної енергії. Перетворення сонячної енергії в електричну можливо за допомогою використання фотоелементів, в яких сонячна енергія індукується в електричний струм без жодних додаткових пристроїв. Хоча ККД таких пристроїв невеликий, але вони вигідні повільної зношуваності внаслідок відсутності будь-яких рухомих частин. Основні труднощі застосування фотоелементів пов'язані з їх дорожнечею і заняттям великих територій для розміщення. Проблема в якійсь мірі вирішувана за рахунок заміни металевих фотоперетворювачів енергії еластичними синтетичними, викорис 315 тання дахів та стін будинків для розміщення батарей, виносу перетворювачів у космічний простір і т. п.-і У тих випадках »коли потрібне отримання невеликої кількості енергії, використання фотоелементів вже нині економічно доцільно. Б. Небел як приклади такого використання називає калькулятори , телефони, телевізори, кондиціонери, маяки, буї, невеликі зрошувальні системи і т. п. У країнах з великою кількістю сонячної радіації є проекти повної електрифікації окремих галузей господарства, наприклад сільського, за рахунок сонячної енергії . Отримана таким шляхом енергія, особливо з урахуванням її високої екологічності, за вартістю виявляється більш вигідною, ніж енергія, що отримується традиційними методами. Сонячні станції підкуповують також можливістю швидкого введення в стрій і нарощування їх потужності в процесі експлуатації простим приєднанням додаткових батарей-солнцепрі-мачів. У Каліфорнії побудована геліостанція, потужність якої достатня для забезпечення електроенергією 2400 будинків. Другий шлях перетворення сонячної енергії в електричну пов'язаний з перетворенням води на пару, яка приводить в рух турбогенератори. У цих випадках для енергозапасання найбільш часто використовуються енергобашні з великою кількістю лінз, які концентрують сонячні промені, а також спеціальні сонячні ставки. Сутність останніх полягає в тому, що вони складаються з двох шарів води: нижнього з високою концентрацією солей і верхнього, представленого прозорою прісною водою. Роль матеріалу, накопичує енергію, виконує сольовий розчин. Нагріта вода використовується для обігріву або перетворення в пар рідин, киплячих при невисоких температурах. Сонячна енергія в ряді випадків перспективна також для отримання з води водню, який називають «паливом майбутнього». 316 Використання сонячної енергії через фотосинтез і біомасу. В біомасі концентрується щорічно менше 1% потоку сонячної енергії. Однак ця енергія істотно перевищує ту, яку отримує людина з різних джерел в даний час і буде отримувати в майбутньому. Найпростіший шлях використання енергії фотосинтезу - пряме спалювання біомаси. В окремих країнах, що не вступили на шлях промислового розвитку, такий метод є основним. Більш виправданою, проте, є переробка біомаси в інші види палива, наприклад в біогаз або етиловий спирт. Перший є результатом анаеробного (без доступу кисню), а другий аеробного (в кисневій середовищі) бражения. Є дані, що молочна ферма на 2000 голів здатна за рахунок використання відходів забезпечити біогазом не тільки саме господарство, а й приносити відчутний дохід від реалізації одержуваної енергії. Великі енергетичні ресурси сконцентровані також у каналізаційному мулі, смітті та інших органічних відходах. Спирт, одержуваний з біоресурсів, все більш широко використовують у двигунах внутрішнього згоряння. Так, Бразилія з 70 - х років значну частину автотранспорту перевела на спиртове пальне чи на суміш спирту з бензином - бензоспирт. Досвід використання спирту як енергоносія мається на США та інших країнах. Для отримання спирту використовується різний органічна сировина. У Бразилії це в основному цукровий очерет, в США - кукурудза. В інших країнах - різні зернові культури, картопля, деревна маса. Обмежують факторами для використання спирту як енергоносія є недолік земель для отримання органічної маси і забруднення середовища при виробництві спирту (спалювання викопного палива), а також значна дорожнеча (він приблизно в 2 рази дорожче бензину). Для Росії, де велика кількість деревини, особливо листяних видів (береза, осика), практично не використовується (Не вирубується або залишається на лісосіках), дуже перспективним є отримання спирту з цієї біомаси за технологіями, в основі яких лежить гідроліз. Великі резерви для отримання спиртового пального є також на базі відходів лісопильних і деревообробних підприємств. Останнім часом в літературі з'явилися терміни «енергетичні культури», «енергетичний ліс». Під ними розуміються 317 фітоценози, вирощувані для переробки їх біомаси в газ або рідке пальне. Під «енергетичні лісу »зазвичай відводяться землі, на яких за інтенсивними технологіями за короткі терміни (5-10 років) вирощується і знімається урожай швидкозростаючих видів дерев (тополі, евкаліпти та ін.) ~ В цілому ж біопаливо можна розглядати як суттєвий фактор вирішення енергетичних проблем якщо не в даний час, то в майбутньому. Основна перевага цього ресурсу - його постійна і швидка відновлюваних, а при грамотному використанні і невичерпність. Вітер як джерело енергії. Вітер , як і рухома вода, є найбільш древніми джерелами енергії. Протягом декількох сторіч ці джерела використовувалися як механічні на млинах, пилорамах, в системах подачі води до місць споживання і т. п. Вони ж використовувалися і для отримання електричної енергії, хоча частка вітру в цьому відношенні залишалася вкрай незначною. Інтерес до використання вітру для отримання електроенергії пожвавився в останні роки. До теперішнього часу випробувані вітродвигуни різної потужності, аж до гігантських. Зроблено висновки, що в районах з інтенсивним рухом повітря вітро-установки цілком можуть забезпечувати енергією місцеві потреби. Чи виправдане використання вітротурбін для обслуговування окремих об'єктів (житлових будинків, неенергоємних виробництв і т. п.). Разом з тим стало очевидним, що гігантські ветроуста-новки поки не виправдовують себе внаслідок дорожнечі споруд, сильних вібрацій, шумів, швидкого виходу з ладу. Економічніші комплекси з невеликих вітротурбін, що об'єднуються в одну систему. У США споруджена вітроелектростанція на базі об'єднання великого числа дрібних вітротурбін потужністю близько 1500 МВт (приблизно 1,5 АЕС). Широко ведуться роботи з використання енергії вітру в Канаді, Нідерландах, Данії, Швеції, Німеччині та інших країнах. Крім невичерпності ресурсу і високої екологічне ™ виробництва, до достоїнств вітротурбін відноситься невисока вартість одержуваної на них енергії. Вона тут в 2-3 рази нижче, ніж на ТЕС і АЕС. Можливості використання нетрадиційних гідроресурсів. Гідроресурси продовжують залишатися важливим потен 318 альних джерелом енергії за умови використання більш екологічних, ніж сучасні, методів її отримання. Наприклад, вкрай недостатньо використовуються енергетичні ресурси середніх і малих річок (довжина від 10 до 200 км). Тільки в Росії таких річок є більше 150 тисяч. Минулого саме малі та середні річки були найважливішим джерелом отримання енергії. Невеликі греблі на річках не так порушують, скільки оптимізують гідрологічний режим річок і прилеглих територій. Їх можна розглядати як приклад екологічно обумовленого природокористування, м'якого втручання в природні процеси. Водосховища, що створювалися на малих річках, зазвичай не виходили за межі русел. Такі водосховища гасять коливання води в річках і стабілізують рівні грунтових вод під прилежащими заплавними землями. Це сприятливо позначається на продуктивності і стійкості як водних, так і заплавних екосистем. Є розрахунки, що на дрібних і середніх річках можна отримувати не менше енергії, ніж її отримують насовременних великих ГЕС. В даний час є турбіни, що дозволяють отримувати енергію, використовуючи природний плин річок, без будівництва гребель. Такі турбіни легко монтуються на річках і при необхідності переміщуються в інші місця. Хоча вартість одержуваної на таких установках енергії помітно вище, ніж на великих ГЕС, ТЕС чи АЕС, але висока екологічність робить доцільним її отримання. Енергетичні ресурси морських, океанічних і термальних вод. Великими енергетичними ресурсами володіють водні маси морів і океанів. До них відноситься енергія припливів і відливів, морських течій, а також градієнтів температур на різних глибинах. Нині ця енергія використовується у вкрай незначній кількості через високу вартість отримання. Це, однак, не означає, що і надалі її частка в енергобалансі не підвищуватиметься. У світі поки діють дві-три припливно-відливних електростанції. У Росії можливості приливно-отливной енергії значні на Білому море.Однако, крім високої вартості енергії, електростанції такого типу не можна віднести до високоекологічним. При їх будівництві греблями перекриваються затоки, що різко змінює екологічні чинники та умови проживання організмів. 319 У океанічних водах для отримання енергії можна використовувати різниці температур на різних глибинах. У теплих течіях, наприклад в Гольфстріму, вони досягають 20 ° С. В основі принципу лежить застосування рідин, киплячих і конденсуються при невеликих різницях температур. Тепла вода поверхневих шарів використовується для перетворення рідини в пару, що обертає турбіну, холодні глибинні маси - для конденсації пари в рідину. Труднощі пов'язані з громіздкістю споруд та їх дорожнечею. Установки такого типу знаходяться поки на стадії випробувань (наприклад, в США). Незрівнянно більш реальні можливості використання геотермальних ресурсів. У даному випадку джерелом тепла є розігріті води, що містяться в надрах землі. В окремих районах такі води виливаються на поверхню у вигляді гейзерів (наприклад, на Камчатці). Геотермальна енергія може використовуватися як у вигляді теплової, так і для отримання електрики. Ведуться також досліди з використання тепла, що міститься у твердих структурах земної кори. Таке тепло з надр витягається у вигляді закачування води, яку потім використовують так само, як і інші термальні води. Вже нині окремі міста або підприємства забезпечуються енергією геотермальних вод. Це, зокрема, відноситься до столиці Ісландії - Рейк'явіку. На початку 80-х років в світі вироблялося на геотермальних електростанціях близько 5000 МВт електроенергії (приблизно 5 АЕС). У Росії значні ресурси геотермальних вод є на Камчатці, але використовуються вони поки в невеликому обсязі. У колишньому СРСР за рахунок цього виду ресурсів вироблялося тільки близько 20 МВт електроенергії. Термоядерна енергія. Сучасна атомна енергетика базується на розщепленні ядер атомів на два більш легких з виділенням енергії пропорційно втраті маси. Джерелом енергії та продуктами розпаду при цьому є радіоактивні елементи. З ними пов'язані основні екологічні проблеми ядерної енергетики. Ще більша кількість енергії виділяється в процесі ядерного синтезу, при якому два ядра зливаються в одне більш важкий, але також з втратою маси і виділенням енергії. Вихідними елементами для синтезу є водень, кінцевим - гелій. Обидва елемента не чинять негативного впливу на середовище і практично невичерпні. 320 Результатом ядерного синтезу є енергія сонця. Людиною цей процес змодельований при вибухах водневих бомб. Завдання полягає в тому, щоб ядерний синтез зробити керованим, а його енергію використовувати цілеспрямовано. Основна складність полягає в тому, що ядерний синтез можливий при дуже високих тисках і температурах близько 100 млн. ° С. Відсутні матеріали, з яких можна виготовити реактори для здійснення сверхвисокотемпературних (термоядерних) реакцій. Будь-який матеріал при цьому плавиться і випаровується. Учені пішли по шляху пошуку можливостей здійснення реакцій в середовищі, нездатною до випаровування. Для цього в даний час випробовуються два шляхи. Один з них заснований на утриманні водню в сильному магнітному полі. Установка такого типу отримала назву ТОКАМАК (тороїдальними камера з магнітним полем). Така камера розроблена в інституті ім. Курчатова. Другий шлях передбачає використання лазерних променів, за рахунок яких забезпечується отримання потрібної температури і в місця концентрації яких подається водень. Незважаючи на деякі позитивні результати щодо здійснення керованого ядерного синтезу, висловлюються думки, що в найближчій перспективі він навряд чи буде використаний для вирішення енергетичних та екологічних проблем. Це пов'язано з невирішеністю багатьох питань і з необхідністю колосальних витрат на подальші експериментальні, а тим більше промислові розробки. На закінчення даної глави можна зробити висновок, що сучасний рівень знань, а також наявні і перебувають у стадії розробок технології дають підставу для оптимістичних прогнозів: людству не загрожує тупикова ситуація ні у відношенні вичерпання енергетичних ресурсів, ні в плані породжуваних енергетикою екологічних проблем. Є реальні можливості для переходу на альтернативні джерела енергії (невичерпні й екологічно чисті). З цих позицій сучасні методи одержання енергії можна розглядати як свого роду перехідні. Питання полягає в тому, яка тривалість цього перехідного періоду і які є можливості для його скорочення. Одне із завдань даної глави полягає в тому, щоб в якійсь мірі наблизитися до отримання відповіді на дане питання. 321 Запитання і завдання 1. Чому з енергетикою пов'язують найбільш гострі екологічні проблеми? 2. Яку частку енергії людство отримує за рахунок теплової, атомної та водної енергетики в світі, в окремих країнах і в Росії? 3. Перелічіть і розкрийте причини основних екологічних проблем, пов'язані з тепловою енергетикою (для атмосфери, вод, грунтів, рослинності). Як можна зменшити негативний вплив теплової енергетики на середовище? 4. Те ж для гідроенергетики. 5. Те ж для атомної енергетики. 6. Назвіть найбільш перспективні джерела енергії майбутнього. Які труднощі пов'язані з їх використанням?
|
||
| « Попередня | Наступна » | |
|
|
||
Інформація, релевантна "ХП.5. Альтернативні джерела отримання енергії" |
||
|
||