Энергетические проблемы человечества

Для того чтобы представить энергетические потребности че­ловечества и сравнить их с энергетикой процессов, происходящих в геосферах Земли, мы приводим эти энергетические величины в табл. 21.1.

Рассмотрение таблицы показывает, что у человечества есть в резерве мощные источники энергии. Однако их использование, вероятно, является делом далекого будущего. Таблица также показывает, что энергетика техногенных процессов уже стала соизмеримой с энергетикой крупных геофизических процессов.

Материалы данной главы базируются, в основном, на рабо­тах .

Природные ресурсы широко используются для получения энергии. Ископаемое топливо, радиоактивные элементы, потен­циальная энергия воды являются основными видами энергети­ческих ресурсов. При их использовании окружающей среде на­носится существенный вред.

Энергетика является основой благосостояния человечества. Во всем мире наблюдается непрерывный рост энергопотребле­ния. Например, в 50-70-х гг. XX в. среднедушевое потребление энергии возросло почти в два раза. За 200 лет глобальное по­требление энергии возросло почти в 30 раз и составило 13 Гт у. т. (тонна условного топлива (у. т.) равна 29,3 ГДж). Уровень жизни населения всех странах определяется обеспеченностью энергией, хотя обеспеченность энергией может сильно различаться, напри­мер, из-за климатических условий. Душевое потребление энергии является важнейшим показателем, характеризующим не только уровень благосостояния жителей страны, но и ее этап экономиче­ского развития. В наиболее богатых странах на душу населения приходится в год 10-14 т у.т. (США, Канада, Норвегия), в наи­более бедных - 0,3-0,4 т у. т. (Мали, Чад, Бангладеш). Абсолют­ные цифры душевого потребления топлива не дают представле­ния о том, как топливо расходуется. В странах, расположенных в тяжелых климатических условиях, имеющих значительную

485

3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов,
выбросы загрязняющих веществ, изменение режима под­
земных и поверхностных вод.

4. Загрязнение литосферы при транспортировке энергоноси­
телей и захоронении отходов, при производстве энергии.

5. Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами
окружающей среды.

6. Изменение гидрологического режима рек гидроэлектро­
станциями и, как следствие, загрязнение на территории
водотока.

7. Создание электромагнитных полей вокруг линий электро­
передач.

8. Изменяется видовое разнообразие в районах размещения
объектов топливно-энергетического комплекса. "

9. Инициирование геологических процессов.

Топливно-энергетический комплекс поставляет в огромных количествах в окружающую среду оксид углерода, сернистый ангидрид, оксиды азота, углеводороды, сажу, тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, хлориды, сульфаты и др.

Как добиться того, чтобы постоянный рост энергопотребле­ния не сопровождался ростом отрицательных последствий энер­гетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива? В качестве путей решения проблемы можно указать следующие.

1. Экономия энергии. Степень влияния прогресса на эконо­мию энергии можно продемонстрировать на примере паро­вых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70-х го­дов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. В период с 1975 по 1985 г. энерго­емкость валового национального продукта США снизилась на 71%, Франции - на 70%, Японии - на 78%. Однако общее потребление энергии продолжало расти. Примене­ние ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.

Гл. 21. Экологические проблемы энергетики

2. Развитие экологически более чистых видов производства энергии.

Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернатив­ных видов энергетики, таких как солнечная и геотермальная энергетика, ветровая энергетика, использование энергии океанов и других видов энергии. /По принятой терминологии все виды энергии, в основе которой*лежит солнечная энергия, называются возобновимыми источниками энергии. В Европе 6% энергии от ее общего потребления производится на основе использования биомассы и гидроэнергии.

Основные технологии, использующие возобновляемые источ­ники энергии, приведены в табл. 21.2.

Приведенный в таблице перечень достаточно широк, его рас­смотрение показывает, что в перспективе возобновимые виды получения энергии могут потеснить методы получения энергии, основанные на ископаемых видах топлива. В большинстве стран мира запасы возобновимых видов энергии намного превышают запасы невозобновимых видов энергии. Например, в США оцен­ки запасов общего объема энергии возобновимых видов составля­ют около 600 000 млрд баррелей нефтяного эквивалента, а оценки запасов общего объема энергии невозобновимых видов составля­ют около 45 000 млрд баррелей нефтяного эквивалента. Более реальные оценки, проведенные с учетом ограничений, наклады­ваемых на использование геотермальной и ветровой энергетики, уменьшают это превосходство запасов возобновимых видов энер­гии, но перспективность запасов сохраняется.

Пока возобновимые источники дают не более 20% общеми­рового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика. По мере совершен­ствования технологий возрастает вклад солнечной и ветровой энергетики. При определении перспектив развития того или иного вида энергетики встает вопрос об оценке экологического риска. Под экологическим риском подразумевается вероятность неблагоприятных для человека и биоты последствий загрязнений среды. Экологический риск включает экономические, экологи­ческие, биологические, социальные, токсикологические аспекты.

Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). В 1989 г. в СССР на ТЭС было произведено 65%, на ГЭС - 24%, на АЭС - 11% . В 1997 г. в России доля разных источников в производ­ство электроэнергии была следующей: природный газ - 41,7%;

___________ Гл. 21 Экологические проблемы энергетики__________ 489

в десятки раз. В конечном счете, изменяется видовая структура экосистемы водоема - развитие сине-зеленых водорослей, изме­нение численности и видового состава планктона и рыбы На­пример, в заполярном озере Имандра, которое используется для охлаждения вод с Кольской АЭС, исчез холодолюбивый голец, но появилась теплолюбивая радужная форель. Известно много случаев, когда в водоемах охладителях средней полосы хоро­шо акклиматизируются рыбы теплолюбивых видов. Например, в водоеме-охладителе Березовской ТЭС акклиматизировались такие теплолюбивые виды, как пестрый толстолобик, буффало, а в водоеме охладителе Шахтинской ТЭС акклиматизировалась африканская рыба тиляпия. Иногда растительноядные теплолю­бивые виды «помогают» вести борьбу с зарастанием водоемов.

Испарительные градирни башенного типа, широко использу­емые на тепловых и атомных станциях, как оказалось, являются мощными источниками инфразвуковых шумов с частотами ме­нее 10 Гц. Излученные градирней инфразвуковые шумы слабо затухают и распространяются по акустическому каналу, сформи­рованному тепловым факелом градирни, на значительные рас­стояния. В этом состоит еще одно отрицательное воздействие ТЭС и АЭС на окружающую среду. Жители, попавшие в зону инфразвукового воздействия, могут испытывать изменения ар­териального давления и частоты сердечной деятельности.

Для тепловых электростанций характерно высокое радиаци­онное и токсичное загрязнение окружающей среды. Это обуслов­лено тем, что обычный уголь, его зола содержат микропримеси урана и ряда токсичных элементов (кадмий, кобальт, мышьяк и др.) в больших концентрациях, чем земная кора. При работе ТЭС радионуклиды и токсичные элементы поступают в атмосферу, почву, водоемы. Как следствие, радиационное загрязнение и за­грязнение токсичными элементами вокруг ТЭС, работающей на угле, выше фонового загрязнения в среднем в 10-100 раз.

Значительные территории вокруг ТЭС подвергаются дей­ствию кислотных дождей, золы, содержащей токсичные примеси. В зонах размещения ТЭС наблюдается хроническое угнетение растительности. Как следствие имеет место сокращение сельхоз­продукции, накопление токсичных элементов в растениях.

В РФ тепловые электростанции дают 90-95% общего поступ­ления выбросов в атмосферу от объектов энергетики твердых и жидких загрязнений, сернистого ангидрида, оксида азота. На­земные и водные экосистемы загрязняются, в основном, тепло­выми электростанциями.

Гл. 21. Экологические проблемы энергетики

При строительстве крупных тепловых станций или их ком­плексов загрязнение окружающей среды еще более значительно. При этом могут возникать новые эффекты, например, обуслов­ленные превышением скорости сжигания кислорода над ско­ростью его образования за счет фотосинтеза земных растений на данной территории или вызванные увеличением концентрации углекислого газа в приземном слое.

Из ископаемых источников топлива наиболее перспективным является уголь - это обусловлено тем, что его запасы огромны по сравнению с запасами нефти и газа. Главнейшие мировые запасы угля сосредоточены в России, Китае и США. В настоящее время основное количество энергии вырабатывается на ТЭС за счет использования нефтепродуктов. Таким образом, структура запасов ископаемого топлива не соответствует структуре его современного использования для производства энергии. В пер­спективе переход на новую структуру потребления ископаемого топлива вызовет значительные экологические проблемы, матери­альные затраты и крупные изменения во всей промышленности Ряд развитых стран мира уже начал структурную перестройку энергетики. Например, для концепции развития производства электроэнергии США характерно увеличение вклада угля при сокращении вклада газа и нефти.

Основные достоинства гидроэлектростанций - низкая се­бестоимость вырабатываемой электроэнергии, быстрая окупае­мость (себестоимость примерно в 4 раза ниже, а окупаемость в 3-4 раза быстрее, чем на тепловых электростанциях), высокая маневренность, что очень важно в периоды пиковых нагрузок, возможность аккумуляции энергии. Даже при полном использо­вании потенциала всех рек Земли можно обеспечить не более чет­верти современных энергетических потребностей человечества. В России пока используется менее 20% гидроэнергетического по­тенциала. Однако более полное использование гидроэнергетиче­ского потенциала РФ связано со значительными экономически­ми затратами, так как реки, перспективные для использования, расположены в труднодоступных регионах. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов в 2-3 раза выше, чем в России, так что здесь у России есть определенные резервы.

Сооружение ГЭС на равнинных реках приводит ко многим экологическим проблемам. Водохранилища, необходимые для обеспечения равномерной работы ГЭС, вызывают изменения климата на прилегающих территориях на расстояниях до сотен километров, являются естественными накопителями загрязне­ний, в том числе радиоактивных. Если реализовать некоторые

491

Проекты ликвидации водохранилищ, то возникнет не менее слож­ная задача утилизации загрязнений, которые были накоплены в водохранилищах за длительное время. В водохранилищах раз­виваются сине-зеленые водоросли, ускоряются процессы эфтро-фикации, что приводит к ухудшению качества воды, нарушается функционирование экосистем. При строительстве водохранилищ нарушаются естественные нерестилища, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод. Более перспективным является сооружение ГЭС на горных реках. Это обусловлено более высоким гидроэнергетическим потенциалом горных рек по сравнению с равнинными реками. При сооружении водохранилищ в горных районах не изымаются из землепользо­вания большие площади плодородных земель. Гидроэлектростан­ции малой и средней мощности не получили широкого распро­странения, так как удельные капиталовложения в них гораздо выше, чем в ТЭС и крупные ГЭС и АЭС. Однако в последнее время, в связи с возникшими трудностями с завозом топлива в районы Крайнего Севера и другие труднодоступные регионы, возобновился интерес к строительству гидроэлектростанций ма­лой и средней мощности. В рамках федеральной целевой про­граммы «Топливо и энергия», подпрограммы «Энергообеспече­ние районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также мест проживания малочисленных народов Севера, Сиби­ри и Дальнего Востока за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива» начато строительство гидроэлектростанций мощностью от десят­ков Вт до десятков МВт. Десятки гидроэлектростанций малой мощности сооружены в последние пять лет на Сахалине, Кам­чатке, Крайнем Севере, Алтае, в ряде района Урала.

В ряде развитых стран высока доля электроэнергии, выра­батываемой на атомных электростанциях (АЭС). Так во Фран­ции доля энергии, вырабатываемой на атомных электростанци­ях, достигает 77% в энергообеспечении страны, в ФРГ - 34%. АЭС не вырабатывают углекислого газа, объем других загряз­нений атмосферы и земель по сравнению с ТЭС также мал. При нормальном режиме работы АЭС радиоактивное загрязнение в районах станций мало по сравнению с естественным фоном и не оказывает заметного влияния на дозы облучения населения и биоты. Количество радиоактивных веществ, образующихся в период эксплуатации АЭС, сравнительно невелико. Радиологи­ческое воздействие отходов может проявится спустя длитель­ное время и на ограниченной территории. В этом заключается

Гл. 21. Экологические проблемы энергетики

Важное преимущество АЭС перед тепловыми станциями, ток­сическое воздействие отходов которых проявляется сразу и на больших пространствах. В течение длительного времени АЭС представлялись как наиболее экологически чистый вид электро­станций и как перспективная замена ТЭС, оказывающих влияние на глобальное потепление. Однако процесс безопасной эксплу­атации АЭС еще не решен, не решена проблема захоронения радиоактивных отходов, например, долгоживущего С 14 (период полураспада составляет 5 760 лет, и поэтому он может накап­ливаться в биосфере). Углерод является основой всех органиче­ских соединений, входит в состав молекул белков, ДНК. Входя в молекулы органических соединений, С 14 является внутренним облучателем.

С другой стороны, замена основной массы ТЭС на АЭС для устранения их вклада в загрязнение атмосферы в масштабе планеты не осуществима из-за огромных экономических затрат.

За период существования ядерной энергетики произошло три крупных радиационных аварии: в 1957 г. в Великобритании (Уиндскейл), в 1979 г. в США (Три-Майл-Айленд), в 1986 г. на Чернобыльской АЭС. По площади загрязнения и величине вы­брошенной активности Чернобыльская авария является наиболее тяжелой. В результате аварии радиоактивному загрязнению под­верглась территория не только СССР, но и других стран Европы, пострадавшим регионам нанесен значительный экономический ущерб. Чернобыльская катастрофа привела к коренному изме­нению отношения населения к АЭС, прежде всего в регионах размещения станций или их возможного строительства. В ряде стран возникла проблема социальной преемственности ядерной энергетики. Психологический стресс, связанный с проживанием на загрязненных территориях, переселением пострадавшего на­селения, сохранится в течение длительного времени. Поэтому перспектива развития атомной энергетики в ближайшие годы неясна.

Ограниченные возможности атомной энергетики и гидро­энергетики, ограниченность запасов ископаемого топлива (и в перспективе - исчерпание), необходимого для работы тепловых электростанций, их мощное тепловое воздействие на атмосферу заставляют более внимательно рассмотреть нетрадиционные ис­точники получения энергии.

Некоторые страны уже достигли значительных успехов в об­ласти использования нетрадиционных методов получения энер­гии. Например, Индия занимает 3-е место в мире по суммарной

Гл. 21. Эколо?ические проблемы энергетики 493

Мощности ветровых электростанций. В районах Гималаев широ­ко развернуто строительство малых ГЭС. суммарная мощность которых уже превысила 160 МВт. В деревенских общинах Индии строятся биогазовые установки, солнечные плиты, применение которых значительно сокращает поступление продуктов сгора­ния в атмосферу. Ветродвигатели на трех перевалах в Кали­форнии (Алтамонт, Техачапи, Сан-Горгонио) имеют суммарную мощность 1 500 МВт. Ветровые установки Дании дают более 5% всей вырабатываемой в стране энергии, причем стоимость элек­троэнергии, полученной на ветроэнергетических установках, уже ниже стоимости энергии, полученной на АЭС и ТЭС.

В России реализуется комплексная программа освоения нетрадиционных источников энергии. Программа была разра­ботана на 1991-2005 гг., она предусматривала доведение доли нетрадиционных источников энергии к 2000 г. до 0,8% объема внутреннего энергопотребления. Государственная научно-техни­ческая программа «Экологически чистая энергетика» определяет направление и темпы развития фотоэлектрических преобразо­вателей. Конкретные вопросы развития нетрадиционных видов энергетики решаются в рамках федеральной целевой программы «Топливо и энергия», подпрограммы «Энергообеспечение районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также мест проживания малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива». В России около 45% жилищ отапливается печами. В настоящее время в РФ около 70% территории с населением 10 млн человек относится к зоне децентрализованного энергоснабжения. Вы­работка электроэнергии в таких регионах производится, в основном, на бензиновых и дизельных генераторах малой мощности. Резкий рост стоимости привозного органического топлива делает удаленные районы Крайнего Севера и Дальнего Востока РФ перспективными для развития нетрадиционных источников энергии.

Солнечная энергетика

Мощность солнечной радиации, поглощенной атмосферой и земной поверхностью, составляет 10 5 ТВт (10 17 Вт). Эта вели­чина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Велики и другие потоки энергии у поверхности Земли. Так перенос тепла атмосферой

Гл 21. Экологические проблемы энергетики 495

Преобразователь представляет собой полупроводниковый диод большой площади. Эффективность поглощения света зависит от материала и толщины элемента Например, аморфный кремний поглощает в 50 раз эффективнее, чем кристаллический. Эффективность работы полупроводниковых преобразователей сильно зависит от чистоты материала. Чистота кремния должна составлять 99,99%, для обеспечения ее необходимы сложная технология и значительные затраты. Эффективность работы преобразователя также зависит от спектральной чувствитель­ности материала. Элементы на кристаллическом кремнии обла­дают чувствительностью в ультрафиолетовой части, видимой и в ближней инфракрасной областях солнечного спектра. Тео­ретически КПД преобразователя на кристаллическом кремнии достигает 28%.

Как уже говорилось, низкая плотность солнечного излучения является одним из препятствий его широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фото­электрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Для компенсации периодичности по­ступления солнечной энергии фотоэлектрические системы целе­сообразно включать в гибридные станции. На таких станциях в период плохих погодных условий выработка энергии может про­водиться за счет традиционных систем. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключаются в следующем. Они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, про­изводство технологично. Солнечные батареи собираются из од­нотипных модулей. Важным преимуществом фотоэлектрических преобразователей является устойчивая тенденция снижения их стоимости. В начале 90-х гг. в мире существовало около 20 круп­ных солнечных электростанций мощностью до 7 МВт, исполь­зующих фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.

К недостаткам фотоэлектрических преобразователей можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленно­сти, необходимость разработки сложных методов очистки бата­рей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фото­электрических преобразователей.

Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических преоб­разователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределитель­ных электрических сетей. Например, система такого типа обес­печивает электроэнергией жителей Кокосового острова, распо­ложенного в Торресовом проливе.

Гл. 21. Экологические проблемы энергетики 497

Тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение
зависимости от суточной изменчивости и погодных усло­
вий;

Теплообменники, образующие нагревательный и охлади­
тельный источники тепловой машины.

Системы улавливания солнечной радиации, в зависимости от конструкции, обеспечивают разные степени концентрации. Малая степень концентрации (до 100) получается при исполь­зовании, например, параболических отражателей, ось которых перпендикулярна плоскости движения Солнца. Средняя степень концентрации (до 1000) может быть обеспечена применением фокусирующих гелиостатов, управляемых по двум степеням сво­боды. Примером такого гелиостата является зеркало в форме параболоида вращения, ось которого ориентируется на Солн­це. Высокая степень концентрации (более 1000) осуществляет­ся оптической системой, состоящей из плоских гелиостатов и параболоидного отражателя. Система аккумуляции позволяет смягчить влияние изменчивости погодных условий и суточной изменчивости. Аккумулирование может быть кратковременным для предотвращения колебаний тепловой нагрузки из-за облач­ности, суточным - для выработки электроэнергии в темное вре­мя суток и сезонным - для обеспечения энергией потребителей в неблагоприятные сезоны. Аккумуляция энергии, как правило, осуществляется за счет накопления тепла. Низкотемпературные системы аккумуляции (до 100°С), в частности водяные, широко применяются для отопления зданий и горячего водоснабжения. В низкотемпературных системах используются также фазовые переходы и обратимые реакции гидратации и сольватации солей и кислот. Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 550 °С) используются гидраты оксидов щелочно-земельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 550 °С) осуществляется с помощью обратимых экзоэндо-термических реакций.

Тип термодинамического цикла и рабочего тела определяется областью рабочих температур теплового двигателя.

В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.

На гелиостанции башенного типа энергия от каждого ге­лиостата передается оптическим способом. Управление гелиоста­тами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составля­ет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в

Гл 21 Экологические проблемы энергетики 499

Солнечные станции на околоземной орбите. Конструкторы пред­полагают разместить на геосинхронной орбите солнечные бата­реи большой мощности. Размещение станции на геосинхронной орбите обеспечивает расположение станции над определенным пунктом Земли. Энергия на земную поверхность передается в форме высокочастотного электромагнитного излучения. Плот­ность солнечного излучения на геосинхронной орбите оказыва­ется выше, чем на Земле. Соответствующий выбор положения плоскости орбиты обеспечивает почти круглогодичное поступле­ние солнечной энергии на батареи станции Не возникает про­блемы очистки панелей станции и нарушения землепользования, теплового загрязнения.

Биоконверсия солнечной энергии

Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи челове­ком или животными или для получения энергии в быту и произ­водстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы Из одной тонны древесных опилок современные технологии позволяют получить 700 кг жидкого топлива, а в России находится 20% лесных ресурсов планеты.

Самый древний, и еще широко применяемый, способ получе­ния энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосин­теза. Таким образом обеспечивается нулевой баланс эмиссии ок­сида углерода.

Энергию биомассы можно получать из специальных сель­скохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстро­растущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опыт­ных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. Биомассу можно также использовать для получения биологически актив­ных пищевых и кормовых добавок. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углево­дами, которые применяются для получения этилового спирта.

Гл 21 Экологические проблемы энергетики

Для производства этилового спирта наиболее широко исполь­зуется сахарный тростник. В Бразилии чистый этанол и смесь этанола с бензином являются широко распространенным видом топлива. Такое биотопливо легко хранить и транспортировать, оно обладает высокой теплотворной способностью, более полно сгорает в двигателе. При сгорании такого топлива атмосфе­ра загрязняется гораздо меньше, чем при сжигании обычного топлива. Бразилия, приступившая к использованию этанола в качестве автомобильного топлива в 70-е гг., обладает лучшей в мире технологией его производства. К числу перспективных методов биоконверсии относится способ получения моторного топлива (метилового эфира) из семян рапса. Моторное топливо на основе рапса, обладая характеристиками, близкими к дизель­ному топливу, практически не дает выбросов вредных веществ. В Чехии производится около 1 млн т биодизельного топлива в год. В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.

Широко распространенный способ получения энергии из био­массы заключается в получении биогаза путем анаэробного пе-ребраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биомета-ногенез был открыт еще в 1776 г. Вольтой, который обнаружил метан в болотном газе. Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теп­лоэнергетики. Для производства биогаза используются органи­ческие отходы сельского хозяйства и промышленности. Это на­правление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских райо­нов. Например, из 300 т сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 т нефтяного экви­валента. Более перспективным является термохимическое преоб­разование биомассы, в котором синтетический газ получается в процессе сжигания биомассы при температуре 800-15 000 °С. Га­зотурбинные электростанции с установками газификации имеют КПД 40-45%.

В Индии, Китае эксплуатируются несколько десятков милли­онов установок для производства биогаза в сельской местности.

Биомассу для последующего получения биогаза можно вы­ращивать в водной среде, культивируя водоросли и микроводо­росли.

Гл 21 Экологические проблемы энергетики 503

Сравнительно низкая плотность, сильная изменчивость во вре­мени и высокая стоимость волновых энергетических установок.

В настоящее время накоплен значительный объем инстру­ментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет рай­оны с наиболее интенсивным и постоянным волнением. Потери волновой энергии за счет прибоя для земного шара оцениваются в 2 ■ 10 9 кВт. Общая длина береговой линии равна 200000 км, т. е. в среднем на метр береговой линии приходится 10 кВт. Однако существуют районы побережья, в которых средняя волновая мощность значительно выше. Они постоянно подвергаются воз­действию океанских волн, длиной 50-200 м, высотой более 2-5 м. Образование этих волн не обязательно связано с действием мест­ных ветров. Волны, возникшие в одной части океана, способны проходить огромные расстояния в сотни и тысячи миль, так как они слабо затухают в глубоком океане. Согласно некоторым оцен­кам среднегодовая мощность волн, приходящаяся на каждый метр западного побережья Великобритании, достигает 80 кВт, а полная волновая мощность побережья равна 120 ГВт, что примерно в 5 раз превышает современные потребности электро­энергии в стране. На многих участках шельфовой зоны США и Японии плотность волновой энергии составляет около 40 кВт/м.

В большинстве преобразователей волновой энергии исполь­зуют двухступенчатую схему преобразования, на первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На вто­ром этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления. Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии. В первом используется метод по­вышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды. Во втором - тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энер­гии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. В третьем типе проектов система, поглощающая волновую энергию, находится под водой. Передача волновой энергии приемному устройству происходит под действием волнового давления или скорости. Более общей классификацией волновых преобразователей является их деле­ние на активные и пассивные. К активным типам преобразо­вателей волновой энергии относятся преобразователи, имеющие

Гл. 21 Экологические проблемы энергетики

Имени ее изобретателя. В Англии, где был предложен целый ряд усовершенствований установки, она называется осциллирующим водным столбом. Устройства подобного типа уже широко исполь­зуются для энергообеспечения автономных буйковых станций.

Сила, с которой волны воздействуют на сооружения в бе­реговой зоне, достигает нескольких тонн на квадратный метр. Это силовое воздействие тоже может быть использовано для преобразования волновой энергии. Представим себе буй с основа­нием в виде трапеции, заякоренный в прибрежной зоне. Широкая сторона трапеции обращена в сторону океана - это позволяет концентрировать волновую энергию. Эта сторона буя открыта для волн. Внутри буй разделен на секции, которые заверша­ются цилиндрами с поршнями. Волны, воздействуя на поршни, приводят в движение воздух, который в свою очередь движет воздушную турбину. При размере основания в 350 м и высоте буя в 20 м мощность составит около 100 МВт.

Преобразователи волновой энергии, в которых имеется значи­тельное число подвижных частей, чувствительны к воздействию морской воды и нерегулярных силовых нагрузок. Поэтому пред­почтение отдается системам с минимальным числом движущих­ся частей.

Параллельность берегу гребней волн в прибрежной зоне, обусловленная явлением рефракции, используется в следующем типе преобразователя волновой энергии. Цилиндр положитель­ной плавучести полностью погружается в воду. Ось цилиндра параллельна гребню падающей волны. На заданной глубине ци­линдр удерживается при помощи четырех тросов, обладающих нейтральной плавучестью. К концам тросов крепится пружин­ная нагрузка. Такая система крепления позволяет перемещаться цилиндру в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Если гребень падающей волны параллелен оси цилиндра, то цилиндр будет совершать движение, подобное тому, которое совершают частицы воды в волне. Расположение дополнительных цилин­дров с другими параметрами позволяет расширить диапазон длин волн, в котором происходит эффективное поглощение вол­новой энергии. Полное заглубление цилиндров повышает эксплу­атационную надежность системы по сравнению со схемами, в которых движущиеся части расположены на поверхности воды.

В качестве перспективных типов преобразователей волновой энергии в последнее время рассматриваются индукционно-ем-костные преобразователи волновой энергии. В преобразователях такого типа одной обкладкой конденсатора является волновая

Гл 21 Экологические проблемы энергетики

Энергетическая проблема – проблема надёжного обеспечения человечества топливом и энергией. В глобальном масштабе эта проблема проявилась в 70-х годах XX века, когда разразился энергетический кризис, ознаменовавший собой конец эры дешёвой нефти. Глобальная проблема обеспечения топливом и энергией сохраняет своё значение и в наши дни.

Причины возникновения энергетической проблемы представлены в рис. 3

В мире за период с начала и до 80-х годов ХХ века было использовано больше минерального топлива, чем за всю предшествовавшую историю человечества. В том числе только с 1960 по 1980 годиз недр Земли было извлечено 40% угля, почти 75% нефти и около 80% природного газа, добытых с начала века.

Количество добычи топливно-энергетических ресурсов повлекло за собой ухудшение экологической ситуации. А рост спроса на эти ресурсы усилил конкуренцию между странами-экспортёров топливных ресурсов за лучшие условия продажи и между странами-импортёрами за доступ к энергетическим ресурсам.

Приведшие к открытию и освоению новых месторождений энергоресурсов под влиянием энергетического кризиса активизировались масштабные геологоразведочные работы. Непосредственно возросли показатели обеспеченности важнейшими видами минерального топлива. По подсчётам добычи разведанных запасов угля должно хватить на 325 лет, нефти - на 37 лет, природного газа - на 62 года.

Решения энергетической проблемы предполагает дальнейшее увеличение добычи энергоносителей и рост энергопотребления. Мировое энергопотребление в абсолютном выражении с 1996 по 2003 год выросло с 12 млрд до 15,2 млрд т условного топлива. Вместе с тем ряд стран сталкивается с достижением предела собственного производства энергоносителей (Китай) либо с перспективой сокращения этого производства (Великобритания). Такое развитие событий побуждает к поискам способов более рационального использования энергоресурсов.

Основные пути решения глобальной энергетической проблемы представлены в рис. 4.

Многие государства с формирующимися рынками (Россия, Украина, Китай, Индия) продолжают развивать энергоёмкие производства, а также использовать устаревшие технологии. В этих странах следует ожидать роста энергопотребления как в связи с повышением жизненного уровня и изменением образа жизни населения, так и с нехваткой средств на снижение энергоёмкости хозяйства. Поэтому именно в странах с формирующимися рынками происходит рост потребления энергетических ресурсов, а в развитых странах потребление сохраняется на относительно стабильном уровне.

На современном периоде и ещё на долгие годы вперёд решение глобальной энергетической проблемы будет зависеть от степени снижения энергоёмкости экономики, то есть от расхода энергии на единицу произведённого ВВП.

Таким образом, глобальной энергетической проблемы в её прежнем понимании как угрозы абсолютной нехватки ресурсов в мире не существует. Тем не менее проблема обеспечения энергоресурсами сохраняется в модифицированном виде.

Сырьевая проблема

Сырьевая проблема ― проблема ставшая актуальной, ввиду технического прогресса человечества и использования большего количества топлива и сырья для своей жизнедеятельности.

Возникновение глобальной ресурсно-сырьевой проблемы объясняется в значительной степени очень быстрым и взрывным ростом потребления минерального топлива и сырья, и соответственно, масштабами их извлечения из земных недр.

Только за период с начала и до 80-х годов ХХ века в мире было добыто и потреблено больше топлива и сырья, чем за всю предшествующую историю человечества. С 1960 по 1980 годы из недр Земли было извлечено 40% угля, 50% меди и цинка, 55% железной руды, 60% алмазов, 65% никеля, калийных солей и фосфоритов, почти 75% нефти и около 80% природного газа и бокситов, добытых с начала века.

Основные пути решения сырьевой проблемы представлены в рис. 5.

Человечества с каждым годом приобретает все большие масштабы. Связано это с ростом населения планеты и интенсивным развитием технологий, что обуславливает постоянно растущий уровень потребления энергоресурсов. Несмотря на использование ядерной, альтернативной и гидроэнергии, львиную долю топлива люди продолжают добывать из недр Земли. Нефть, природный газ и уголь являются невозобновляемыми природными энергетическими ресурсами, к настоящему времени их запасы уменьшились до критического уровня.

Начало конца

Глобализация энергетической проблемы человечества началась в 70-х годах прошлого столетия, когда закончилась эра дешевой нефти. Дефицит и резкое подорожание этого вида топлива спровоцировали серьезный кризис в мировой экономике. И хоть стоимость его со временем снизилась, объемы неуклонно сокращаются, поэтому энергетическая и сырьевая проблема человечества становится все острее.

К примеру, только в период с 60-х по 80-е годы ХХ века мировой объем добычи угля составил 40%, нефти - 75%, природного газа - 80% от общего объема этих ресурсов, использованных с начала столетия.

Несмотря на то что в 70-х годах начался дефицит топлива и обнаружилось, что энергетическая проблема - это глобальная проблема человечества, прогнозы не предусматривали роста его потребления. Планировалось, что объемы добычи полезных ископаемых к 2000 году возрастут в 3 раза. Впоследствии, конечно, эти планы были снижены, но в результате крайне расточительной эксплуатации ресурсов, длившейся десятилетиями, на сегодняшний день их практически не осталось.

Основные географические аспекты энергетической проблемы человечества

Одной из причин растущего дефицита топлива является утяжеление условий его добычи и, как следствие, удорожание этого процесса. Если еще несколько десятков лет назад природные богатства лежали на поверхности, то сегодня приходится постоянно увеличивать глубину шахт, газовых и нефтяных скважин. Особенно заметно ухудшились горно-геологические условия залегания энергоресурсов в старых промышленных районах Северной Америки, Западной Европы, России и Украины.

Учитывая географические аспекты энергетической и сырьевой проблем человечества, нужно сказать, что их решение заключается в расширении ресурсных рубежей. Необходимо осваивать новые районы с более легкими горно-геологическими условиями. Таким образом можно снизить себестоимость добычи топлива. При этом следует учитывать, что общая капиталоемкость добычи энергоресурсов в новых местах, как правило, намного выше.

Экономические и геополитические аспекты энергетической и сырьевой проблем человечества

Истощение запасов природного топлива стало причиной возникновения жесточайшей конкурентной борьбы в экономической, политической и геополитической сферах. Гигантские топливные корпорации занимаются разделом топливно-энергетических ресурсов и переделом сфер влияния в этой отрасли, что влечет постоянные колебания цен на мировом рынке газа, угля и нефти. Нестабильность ситуации серьезно усугубляет энергетическую проблему человечества.

Глобальная энергетическая безопасность

Это понятие вошло в обиход в начале 21-го века. Принципы стратегии такой безопасности предусматривают надежное, долгосрочное и экологически приемлемое энергоснабжение, цены на которое будут обоснованы и устраивать страны как экспортирующие, так и импортирующие топливо.

Реализация этой стратегии возможна лишь при условии устранения причин энергетической проблемы человечества и практических мер, направленных на дальнейшее обеспечение мировой экономики как традиционными видами топлива, так и энергией из альтернативных источников. Причем развитию альтернативной энергетики должно быть уделено особое внимание.

Политика энергосбережения

Во времена дешевого топлива во многих странах мира сформировалась очень ресурсоемкая экономика. Прежде всего такое явление наблюдалось в государствах, богатых минеральными ресурсами. Возглавляли этот список Советский Союз, США, Канада, Китай и Австралия. При этом В СССР объем потребления условного топлива был в несколько раз больше, чем в Америке.

Такое положение вещей требовало срочного введения политики энергосбережения в коммунально-бытовом, промышленном, транспортном и прочих секторах экономики. С учетом всех аспектов энергетической и сырьевой проблем человечества начали разрабатываться и внедряться технологии, направленные на снижение удельной энергоемкости ВВП этих стран, и перестраиваться вся экономическая структура мирового хозяйства.

Успехи и неудачи

Наиболее заметных успехов в сфере энергосбережения удалось добиться экономически развитым странам Запада. За первые 15 лет им удалось снизить энергоемкость своего ВВП на 1/3, что повлекло сокращение их доли в мировом потреблении энергоресурсов с 60 до 48 процентов. На сегодняшний день эта тенденция сохраняется, и рост ВВП на Западе опережает растущие объемы потребления топлива.

Значительно хуже обстоят дела в Центрально-Восточной Европе, Китае и странах СНГ. Энергоемкость их экономики снижается очень медленно. Но лидерами экономического антирейтинга являются развивающиеся страны. К примеру, в большинстве африканских и азиатских стран потери попутного топлива (природного газа и нефти) составляют от 80 до 100 процентов.

Реалии и перспективы

Энергетическая проблема человечества и пути ее решения сегодня волнуют весь мир. Для улучшения существующей ситуации вводятся различные технико-технологические новшества. С целью энергосбережения усовершенствуется промышленное и коммунальное оборудование, выпускаются более экономичные автомобили и т. д.

К числу первостепенных макроэкономических мероприятий относится поэтапное изменение самой структуры потребления газа, угля и нефти с перспективой увеличения доли нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов.

Для успешного решения энергетической проблемы человечества необходимо особое внимание уделить развитию и внедрению принципиально новых технологий, доступных на современном

Атомная энергетика

Одним из наиболее перспективных направлений в сфере энергоснабжения является В некоторых развитых странах уже введены в эксплуатацию атомные реакторы нового поколения. Ученые-ядерщики сегодня опять активно обсуждают тему реакторов, работающих на быстрых нейронах, которые, как когда-то предполагалось, станут новой и значительно более эффективной волной атомной энергетики. Однако их разработка была прекращена, но ныне этот вопрос снова стал актуальным.

Использование МГД-генераторов

Прямое преобразование теплоэнергии в электроэнергию без паровых котлов и турбин позволяют выполнять Разработка этого перспективного направления началась еще в начале 70-х годов прошлого века. В 1971 году в Москве был произведен пуск первой опытно-промышленного МГД мощностью 25000 кВт.

Главными достоинствами магнитогидродинамических генераторов являются:

• высокий КПД;
• экологичность (отсутствуют вредные выбросы в атмосферу);
• моментальный запуск.

Криогенный турбогенератор

Принцип работы криогенного генератора заключается в том, что ротор охлаждается за счет чего получается эффект сверхпроводимости. К бесспорным преимуществам этого агрегата относятся высокий КПД, небольшая масса и габариты.

Опытно-промышленный образец криогенного турбогенератора был создан еще в советскую эпоху, а ныне подобные разработки ведутся в Японии, США и других развитых странах.

Водород

Использование водорода в качестве топлива имеет огромные перспективы. По мнению многих специалистов, эта технология поможет решить важнейшие лобальные проблемы человечества - энергетическую и сырьевую проблему. Прежде всего водородное топливо станет альтернативой природным энергоресурсам в машиностроении. Первый был создан японской компанией «Мазда» еще в начале 90-х годов, для него был разработан новый двигатель. Эксперимент оказался довольно удачным, что подтверждает перспективность этого направления.

Электрохимические генераторы

Это топливные элементы, которые также работают на водороде. Горючее пропускают сквозь полимерные мембраны со специальным веществом - катализатором. В результате химической реакции с кислородом сам водород преобразуется в воду, выделяя химическую энергию при сгорании, которая превращается в электрическую.

Двигатели с топливными элементами отличаются максимально высоким КПД (свыше 70 %), что вдвое больше, чем у обычных силовых установок. Плюс к этому они удобны в применении, бесшумны при работе и нетребовательны к ремонту.

Еще недавно топливные элементы имели узкую сферу применения, к примеру в космических исследованиях. Но ныне работы по внедрению электрохимических генераторов активно ведутся в большинстве экономически развитых государств, первое место среди которых занимает Япония. Общая мощность этих агрегатов в мире измеряется миллионами кВт. К примеру, в Нью-Йорке и Токио уже действуют электростанции на таких элементах, а немецкий автопроизводитель «Даймлер-Бенц» первым создал рабочий прототип автомобиля с двигателем, работающим по этому принципу.

Управляемый термоядерный синтез

Уже несколько десятков лет ведутся исследования в области термоядерной энергетики. В основе атомной энергии лежит реакция деления ядер, а термоядерная базируется на обратном процессе - ядра изотопов водорода (дейтерия, трития) сливаются. В процессе ядерного сжигания 1 кг дейтерия количество выделяемой энергии превосходит в 10 миллионов раз аналогичный показатель, получаемый от угля. Результат поистине впечатляющий! Именно поэтому термоядерная энергетика считается одним из наиболее перспективных направлений в решении проблем глобального энергетического дефицита.

Прогнозы

Сегодня существуют различные сценарии развития ситуации в мировой энергетике в будущем. Согласно некоторым из них, к 2060 году глобальное энергопотребление в нефтяном эквиваленте возрастет до 20 млрд тонн. При этом по объемам потребления ныне развивающиеся страны обгонят развитые.

К середине 21-го века должен значительно уменьшиться объем ископаемых видов энергоресурсов, но увеличится доля возобновляемых, в частности ветровых, солнечных, геотермальных и приливных источников энергии.

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему: «Глобальная энергетическая проблема»

Глобальная энергетическая проблема -- это проблема обеспечения человечества топливом и энергией в настоящее время и в обозримом будущем. Главной причиной возникновения глобальной энергетической проблемы следует считать быстрый рост потребления минерального топлива в XX в. Со стороны предложения он вызван открытием и эксплуатацией огромных нефтегазовых месторождений в Западной Сибири, на Аляске, на шельфе Северною моря, а со стороны спроса -- увеличением автомобильного парка и ростом объема производства полимерных материалов. Основными экологическими проблемами являются проблема быстрого исчерпания невозобновимых ископаемых топлива при нарастающих темпах его потребления - проблема обеспеченностью нефтью, углём, природным газом, рост потребления электроэнергии, во много раз, превышающий её производство. Считается, что при современном уровне добычи разведанных запасов угля должно хватить на 325 лет. природного газа -- на 62 года, а нефти -- на 37 лет. Сегодня суммарное потребление тепловой энергии в мире составляет колоссальную величину - более 1013 Вт в год (эквивалентно 36 млрд. тонн условного топлива).

Что касается перспектив ядерной энергетики, то все известные промышленные запасы урана будут исчерпаны уже в первом десятилетии XXI в. Учитывая затраты на добычу топлива, нейтрализацию, утилизацию и захоронение отходов, консервацию отработавших реакторов (а их ресурс не более 30 лет), расходы на социальные, природоохранные нужды, то стоимость энергии АЭС многократно превысит любой экономически допустимый уровень. По оценкам специалистов, только затраты на вывоз, захоронение и нейтрализацию накопившихся на российских предприятиях отходов ядерной энергетики составят около 400 млрд. долл., на обеспечение необходимого уровня технологической безопасности - 25 млрд. долл. С увеличением числа реакторов повышается вероятность их аварий. Таким образом, атомная энергетика не имеет долгосрочной перспективы.

Основные пути решения глобальной энергетической проблемы:

Экстенсивный путь решения энергетической проблемы предполагает дальнейшее увеличение добычи энергоносителей и абсолютный рост энергопотребления. Этот путь остается актуальным для современной мировой экономики. Мировое энергопотребление в абсолютном выражении с 1996 по 2003 г. выросло с 12 млрд до 15,2 млрд т условного топлива. Вместе с тем ряд стран сталкивается с достижением предела собственного производства энергоносителей (Китай) либо с перспективой сокращения этого производства (Великобритания). Такое развитие событий побуждает к поискам способов более рационального использования энергоресурсов и перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии (АИЭ). Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли. Солнечная энергетика основана на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Достоинства: Общедоступность и неисчерпаемость источника и полная безопасность для окружающей среды. Недостатки: Зависимость от погоды и времени суток, Как следствие необходимость аккумуляции энергии,

Высокая стоимость конструкции, Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли, Нагрев атмосферы над электростанцией.

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии, а 2 % электроэнергии Германии было получено из фотоэлектрических установок. В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт. За ним следуют канадская электростанция Sarnia (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая Finsterwalde (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков другой проект на Украине - 80-мегаваттная электростанция Охотников в Сакском районе Крыма. Первая в России солнечная электростанция мощностью 100 кВт была запущена в сентябре 2010 года в Белгородской области. Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов -- или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд. тонн ежегодно.

Ветровая энергия. Ветровые турбины - довольно перспективный образ получать энергию из экологически чистого источника. Особенно в условиях подорожания нефти, газа и угля. Ветровая энергия конкурентоспособная в регионах со скоростью ветра от умеренной до высокой. Учитывая тот факт, что в процессе производства ветровой энергии не требуется ничего кроме ветровых установок. Нет расходов на закупку и доставку сырья, на уменьшение загрязнения окружающей среды. В отличие от современных электростанций, ветровая электростанция может работать бесперебойно даже в случае поломки на одной из ветряных турбин - ведь остальные установки будут работать. На полную мощность ветряная электростанция может работать только 10% времени, несмотря на то, что их строят в районах, где как правило ветрено. Однако ветровые установки производят электрическую энергию большинство времени своей работы (65-80%), хотя количество производимой энергии может меняться. Одна обычная двухмегаватная установка производит электрическую энергию для 600-800 домов. А при использовании новых технологий эта цифра может вырасти.

Термальная энергия земли. Некоторые страны мира (не все) богаты горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. К примеру, Исландия. Жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица - Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Даже работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Исландия полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. топливо энергетическая проблема биоэнергетика

Энергия биомассы. Термин «биомасса» относится к органическим веществам, сохранившим в себе энергию Солнца благодаря процессу фотосинтеза. В первоначальном виде существует в форме растений. Дальше по пищевой цепочке может передаваться травоядным животным, а если их съедят - то и плотоядным. При сгорании биомассы (древесины, высушенной растительности) освобождается накопленная энергия и углекислый газ. На сегодняшний день эта отрасль занимает второе место после гидроэнергии из списка альтернативных источников из-за своей дешевизны и доступности. Она составляет 15 % от мировой поставки энергии и до 35 % - в развивающихся странах. Используется в основном для приготовления пищи и обогрева помещений.Положительной стороной является то, что будет выбрасываться меньше чистого углекислого газа, приводящего к парниковому эффекту. Но с другой стороны увеличится вырубка лесов. А на сегодняшний день это и так одна из глобальных проблем. Пустыни завоевывают все больше пространства. Некогда плодородная земля, оставшись без растительного покрова, будет подвергаться эрозии и растеряет органику.

Таким образом, глобальной энергетической проблемы в ее прежнем понимании как угрозы абсолютной нехватки ресурсов в мире не существует. Тем не менее, проблема обеспечения энергоресурсами сохраняется в модифицированном виде.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Проблемы электроэнергетики мира. Воздействие на окружающую среду энергетики. Топливно-энергетический баланс России. Пути решения энергетических проблем. Удельное энергопотребление на душу населения в мире. Альтернативные источники возобновляемой энергии.

презентация , добавлен 12.12.2010


Роль судов в транспортном процессе. Технический уровень оборудования судовой энергетической установки, анализ мероприятий, направленных на повышение ее энергетической эффективности. Модернизация основной и вспомогательной энергетических установок.

дипломная работа , добавлен 11.09.2011


Топливно-энергетический комплекс Республики Беларусь: система добычи, транспорта, хранения, производства и распределения всех видов энергоносителей. Проблемы энергетической безопасности республики, дефицит финансовых средств в энергетической отрасли.

реферат , добавлен 16.06.2009


Анализ первостепенных проблем глобальной энергетики и проблемы обеспечения человечества устойчивыми поставками электроэнергии. Энергетическая безопасность населения Земли. Политика энергоэффективности. Политика замещения. Новые технологии в энергетике.

реферат , добавлен 13.01.2017


Энергетическая проблема в современном мире. Понятие биоэнергетики, достижения в данной области. Биологическое топливо как продукт биоэнергетики, преимущества его использования. Механизмы преобразования энергии в процессе жизнедеятельности организмов.

реферат , добавлен 19.10.2012


Уравнения материальных и тепловых балансов для теплообменных аппаратов и точек смешения сред в рабочем контуре ядерной энергетической установки. Определение расхода пара на турбину, паропроизводительности парогенератора и мощности ядерного реактора.

контрольная работа , добавлен 18.04.2015


Современные проблемы топливно-энергетического комплекса. Альтернативная энергетика: ветряная, солнечная, биоэнергетика. Характеристика и методы использования, география применения, требования к мощностям водоугольного топлива, перспективы его развития.

курсовая работа , добавлен 04.12.2011


Структура и состав ядерной энергетической установки. Схемы коммутации и распределения в активных зонах. Требования надежности. Виды и критерии отказов ядерной энергетической установки и ее составных частей. Имитационная модель функционирования ЯЭУ-25.

отчет по практике , добавлен 22.01.2013


Характеристика структуры Единой энергетической системы России. Связи с энергосистемами зарубежных стран. Оптимизация обеспечения надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Совершенствование средств диспетчерского и автоматического управления.

реферат , добавлен 09.11.2013


Разработка проекта модернизации энергетической установки судового буксира для повышения его тягового усилия, замена двигателей на более экономичные. Выбор энергетической и котельной установки, комплектация электростанции: дизель–генераторы, компрессоры.

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

ФГОУ ВПО Уральская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра экологии и зоогигиены

Реферат по экологии:

Энергетические проблемы человечества

Исполнитель: ANTONiO

студент ФТЖ 212Т

Руководитель: Лопаева

Надежда Леонидовна

Екатеринбург 2007

Введение. 3

Энергетика: прогноз с позиции устойчивого развития человечества. 5

Нетрадиционные источники энергии. 11

Энергия Солнца. 12

Ветровая энергия. 15

Термальная энергия земли. 18

Энергия внутренних вод. 19

Энергия биомассы.. 20

Заключение. 21

Литература. 23

Введение

Сейчас, как никогда остро встал вопрос, о том, каким будет будущее планеты в энергетическом плане. Что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? В газетах и различных журналах все чаще и чаще встречаются статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце XIX века энергия играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. С течением времени - гигантские цифры, огромные темпы роста! И все равно энергии будет мало - потребности в ней растут еще быстрее. Уровень материальной, а, в конечном счёте, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении.

Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше. Так за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм.

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 получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Правда, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике. В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые и специалисты различных сфер. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики на грядущие десятилетия. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях.

Энергетика: прогноз с позиции устойчивого развития человечества

Согласно каким законам будет развиваться энергетика мира в будущем, исходя из ООНовской Концепции устойчивого развития человечества? Результаты исследований иркутских ученых, сопоставление их с работами других авторов позволили установить ряд общих закономерностей и особенностей.

Концепция устойчивого развития человечества, сформулированная на Конференции ООН 1992 г. в Рио-де-Жанейро, несомненно, затрагивает и энергетику. На Конференции показано, что человечество не может продолжать развиваться традиционным путем, который характеризуется нерациональным использованием природных ресурсов и прогрессирующим негативным воздействием на окружающую среду. Если развивающиеся страны пойдут тем же путем, каким развитые страны достигли своего благополучия, то глобальная экологическая катастрофа будет неизбежна.

В основе концепции устойчивого развития лежит объективная необходимость (а также право и неизбежность) социально-экономического развития стран третьего мира. Развитые страны могли бы, по-видимому, "смириться" (по крайней мере, на какое-то время) с достигнутым уровнем благосостояния и потребления ресурсов планеты. Однако речь идет не просто о сохранении окружающей среды и условий существования человечества, но и об одновременном повышении социально-экономического уровня развивающихся стран ("Юга") и приближении его к уровню развитых стран ("Севера").

Требования к энергетике устойчивого развития будут, конечно, шире, чем к экологически чистой энергетике. Требования неисчерпаемости используемых энергетических ресурсов и экологической чистоты, заложенные в концепции экологически чистой энергетической системы, удовлетворяют двум важнейшим принципам устойчивого развития - соблюдение интересов будущих поколений и сохранение окружающей среды. Анализируя остальные принципы и особенности концепции устойчивого развития, можно заключить, что к энергетике в данном случае следует предъявить, как минимум, два дополнительных требования:

Обеспечение энергопотребления (в том числе, энергетических услуг населению) не ниже определенного социального минимума;

Развитие национальной энергетики (так же, как и экономики) должно быть взаимно скоординировано с развитием ее на региональном и глобальном уровнях.

Первое вытекает из принципов приоритета социальных факторов и обеспечения социальной справедливости: для реализации права людей на здоровую и плодотворную жизнь, уменьшения разрыва в уровне жизни народов мира, искоренения бедности и нищеты, необходимо обеспечить определенный прожиточный минимум, в том числе, удовлетворение минимально необходимых потребностей в энергии населения и экономики.

Второе требование связано с глобальным характером надвигающейся экологической катастрофы и необходимостью скоординированных действий всего мирового сообщества по устранению этой угрозы. Даже страны, имеющие достаточные собственные энергетические ресурсы, как, например, Россия, не могут изолированно планировать развитие своей энергетики из-за необходимости учитывать глобальные и региональные экологические и экономические ограничения.

В 1998--2000 гг. в ИСЭМ СО РАН проведены исследования перспектив развития энергетики мира и его регионов в XXI веке, в которых наряду с обычно ставящимися целями определения долгосрочных тенденций в развитии энергетики, рациональных направлений НТП и т.п. сделана попытка проверки получаемых вариантов развития энергетики "на устойчивость", т.е. на соответствие условиям и требованиям устойчивого развития. При этом в отличие от вариантов развития, разрабатывавшихся ранее по принципу "что будет, если...", авторы попытались предложить по возможности правдоподобный прогноз развития энергетики мира и его регионов в XXI веке. При всей его условности дается более реалистичное представление о будущем энергетики, ее возможном влиянии на окружающую среду, необходимых экономических затратах и др.

Общая схема этих исследований в значительной мере традиционна: использование математических моделей, для которых готовится информация по энергетическим потребностям, ресурсам, технологиям, ограничениям. Для учета неопределенности информации, в первую очередь по потребностям в энергии и ограничениям, формируется набор сценариев будущих условий развития энергетики. Результаты расчетов на моделях затем анализируются с соответствующими выводами и рекомендациями.

Основным инструментом исследований являлась Глобальная энергетическая модель GEM-10R. Эта модель - оптимизационная, линейная, статическая, многорегиональная. Как правило, мир делился на 10 регионов: Северная Америка, Европа, страны бывшего СССР, Латинская Америка, Китай и др. Модель оптимизирует структуру энергетики одновременно всех регионов с учетом экспорта-импорта топлива и энергии по 25-летним интервалам - 2025, 2050, 2075 и 2100 гг. Оптимизируется вся технологическая цепочка, начиная с добычи (или производства) первичных энергоресурсов, кончая технологиями производства четырех видов конечной энергии (электрической, тепловой, механической и химической). В модели представлено несколько сот технологий производства, переработки, транспорта и потребления первичных энергоресурсов и вторичных энергоносителей. Предусмотрены экологические региональные и глобальные ограничения (на выбросы СО 2 , SO 2 и твердых частиц), ограничения на развитие технологий, расчет затрат на развитие и функционирование энергетики регионов, определение двойственных оценок и др. Первичные энергетические ресурсы (в том числе, возобновляемые) в регионах задаются с разделением на 4-9 стоимостных категорий.

Анализ результатов показал, что полученные варианты развития энергетики мира и регионов по-прежнему трудно реализуемы и не вполне отвечают требованиям и условиям устойчивого развития мира в социально-экономических аспектах. В частности, рассматривавшийся уровень энергопотребления представился, с одной стороны, трудно достижимым, а с другой стороны - не обеспечивающим желаемого приближения развивающихся стран к развитым по уровню душевого энергопотребления и экономического развития (удельному ВВП). В связи с этим был выполнен новый прогноз энергопотребления (пониженного) в предположении более высоких темпов снижения энергоемкости ВВП и оказания экономической помощи развитых стран развивающимся.

Высокий уровень энергопотребления определен исходя из удельных ВВП, в основном соответствующих прогнозам Мирового банка. При этом в конце XXI века развивающиеся страны достигнут лишь современного уровня ВВП развитых стран, т.е. отставание составит около 100 лет. В варианте низкого энергопотребления размер помощи развитых стран развивающимся принят исходя из обсуждавшихся в Рио-де-Жанейро показателей: около 0,7 % ВВП развитых стран, или 100-125 млрд дол. в год. Рост ВВП развитых стран при этом несколько уменьшается, а развивающихся - увеличивается. В среднем же по миру душевой ВВП в этом варианте увеличивается, что свидетельствует о целесообразности оказания такой помощи с точки зрения всего человечества.

Душевое потребление энергии в низком варианте в промышленно развитых странах стабилизируется, в развивающихся - возрастет к концу века примерно в 2,5 раза, а в среднем по миру - в 1,5 раза по сравнению с 1990 г. Абсолютное мировое потребление конечной энергии (с учетом роста населения) увеличится к концу начавшегося столетия по высокому прогнозу примерно в 3,5 раза, по низкому - в 2,5 раза.

Использование отдельных видов первичных энергоресурсов характеризуется следующими особенностями. Нефть во всех сценариях расходуется примерно одинаково - в 2050 г. достигается пик ее добычи, а к 2100 г. дешевые ресурсы (первых пяти стоимостных категорий) исчерпываются полностью или почти полностью. Такая устойчивая тенденция объясняется большой эффективностью нефти для производства механической и химической энергии, а также тепла и пиковой электроэнергии. В конце века нефть замещается синтетическим топливом (в первую очередь, из угля).

Добыча природного газа непрерывно увеличивается в течение всего века, достигая максимума в его конце. Две наиболее дорогие категории (нетрадиционный метан и метаногидраты) оказались неконкурентоспособными. Газ используется для производства всех видов конечной энергии, но в наибольшей степени - для производства тепла.

Уголь и ядерная энергия подвержены наибольшим изменениям в зависимости от вводимых ограничений. Будучи примерно равноэкономичными, они замещают друг друга, особенно в "крайних" сценариях. В наибольшей мере они используются на электростанциях. Значительная часть угля во второй половине века перерабатывается в синтетическое моторное топливо, а ядерная энергия в сценариях с жесткими ограничениями на выбросы СО 2 в больших масштабах используется для получения водорода.

Использование возобновляемых источников энергии существенно различается в разных сценариях. Устойчиво используются лишь традиционные гидроэнергия и биомасса, а также дешевые ресурсы ветра. Остальные виды ВИЭ являются наиболее дорогими ресурсами, замыкают энергетический баланс и развиваются по мере необходимости.

Интересно проанализировать затраты на мировую энергетику в разных сценариях. Меньше всего они, естественно, в двух последних сценариях с пониженным энергопотреблением и умеренными ограничениями. К концу века они возрастают примерно в 4 раза по сравнению с 1990 г. Наибольшие затраты получились в сценарии с повышенным энергопотреблением и жесткими ограничениями. В конце века они в 10 раз превышают затраты 1990 г. и в 2,5 раза - затраты в последних сценариях.

Следует отметить, что введение моратория на ядерную энергетику при отсутствии ограничений на выбросы СО 2 увеличивает затраты всего на 2 %, что объясняется примерной равноэкономичностью АЭС и электростанций на угле. Однако, если при моратории на ядерную энергетику ввести жесткие ограничения на выбросы СО 2 , то затраты на энергетику возрастают почти в 2 раза.

Следовательно, "цены" ядерного моратория и ограничений на выбросы СО 2 очень велики. Анализ показал, что затраты на снижение выбросов СО 2 могут составить 1-2 % от мирового ВВП, т.е. они оказываются сопоставимыми с ожидаемым ущербом от изменения климата планеты (при потеплении на несколько градусов). Это дает основания говорить о допустимости (или даже необходимости) смягчения ограничений на выбросы СО 2 . Фактически требуется минимизировать сумму затрат на снижение выбросов СО 2 и ущербов от изменения климата (что, конечно, представляет исключительно сложную задачу).

Очень важно, что дополнительные затраты на уменьшение выбросов СО 2 должны нести, главным образом, развивающиеся страны. Между тем, эти страны, с одной стороны, не виновны в создавшемся с тепличным эффектом положении, а с другой - просто не имеют таких средств. Получение же этих средств от развитых стран, несомненно, вызовет большие трудности и это - одна из серьезнейших проблем достижения устойчивого развития.

В XXI веке мы трезво отдаём себе отчёт в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Что же произойдет тогда, а это рано или поздно случится, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Вероятность скорого истощения мировых запасов топлива, а также ухудшение экологической ситуации в мире, (переработка нефти и довольно частые аварии во время ее транспортировки представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили задуматься о других видах топлива, способных заменить нефть и газ.

Сейчас в мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана.

Энергия Солнца

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5 % - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения.

Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км 2 ! Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счёт солнечной энергии, поглощённой коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км 2 , требует примерно 10 4 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10 9 тонн.

Ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1*10 6 до 3*10 6 км 2 . В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13*10 6 км 2 . Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким 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, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт в год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов.

В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов. Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам прошлого столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году было введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВт/ч энергии – 7-8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы – солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной “кандидатурой” является водород.

Его получение с использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня – направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы. Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3-5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. 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. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Техника XX века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой - получение электроэнергии. В начале века Н.Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания. В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени – использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном “Фраме” он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу прошлого века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт.

В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать – экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились.

Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов XX века не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую чистоту.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

Термальная энергия земли

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Мощность извержения 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 эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов. Маленькая европейская страна Исландия полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников, жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.

Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. 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 году в небольшом итальянском городке Лардерелло. 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 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.

Энергия внутренних вод

Раньше всего люди научились использовать энергию рек. Но в золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода. Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году. Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам.

Однако, чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем началось строительство знаменитой Днепровской. Энергетическая политика нашей страны, привела к тому, что у нас развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Энергоустановка на реке Ранс, состоящая из 24 реверсивных турбогенераторов, и имеющая выходную мощность 240 мегаватт - одна из наиболее мощных гидроэлектростанций во Франции. Гидроэлектростанции являются наиболее экономически выгодным источником энергии. Но имеют недостатки - при транспортировке электроэнергии по линиям электропередач происходят потери до 30% и создаётся экологически опасное электромагнитное излучение. Пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

Энергия биомассы

В США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 12 метров под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли. По мнению директора проекта доктора Говарда А. Уилкокса, сотрудника Центра исследования морских и океанских систем в Сан-Диего (Калифорния), "до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо - в природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 000 человек".

К биомассе, кроме водорослей, можно также отнести и продукты жизнедеятельности домашних животных. Так, 16 января 1998 года в газете “Санкт Петербургские Ведомости” была напечатана статья, под названием “Электричество... из куриного помёта” в которой говорилось о том, что находящаяся в финском городе Тампере дочерняя фирма международного норвежского судостроительного концерна Kvaerner стремится получить поддержку ЕС для сооружения в британском Нортхэмптоне электростанции, действующей... на курином помете. Проект входит в программу EС Thermie, которая предусматривает развитие новых, нетрадиционных, источников энергии и методов сбережения энергетических ресурсов. Комиссия ЕС распределила 13 января 140 млн ЭКЮ среди 134 проектов.

Спроектированная финской фирмой силовая установка будет сжигать в топках 120 тысяч тонн куриного помета в год, вырабатывая 75 млн киловатт-часов энергии.

Заключение

Можно выделить ряд общих тенденций и особенностей в развитии энергетики мира в начавшемся столетии.

1. В XXI в. неизбежен значительный рост мирового потребления энергии, в первую очередь, в развиваюшихся странах. В промышленно развитых странах энергопотребление может стабилизироваться примерно на современном уровне или даже снизиться к концу века. По низкому прогнозу, сделанному авторами, мировое потребление конечной энергии может составить в 2050 г. 350 млн Тдж/год, в 2100 г. - 450 млн Тдж/год (при современном потреблении около 200 млн Тдж/год).

2. Человечество в достаточной мере обеспечено энергетическими ресурсами на XXI век, но удорожание энергии неизбежно. Ежегодные затраты на мировую энергетику возрастут в 2,5-3 раза к середине века и в 4-6 раз к концу его по сравнению с 1990 г. Средняя стоимость единицы конечной энергии увеличится в эти сроки, соответственно, на 20-30 и 40-80 % (увеличение цен на топливо и энергию может быть еще значительнее).

3. Введение глобальных ограничений на выбросы СО 2 (наиболее важного тепличного газа) очень сильно повлияет на структуру энергетики регионов и мира в целом. Попытки сохранения глобальных выбросов на современном уровне следует признать нереальными из-за трудно разрешимого противоречия: дополнительные затраты на ограничение выбросов СО 2 (около 2 трлн долл./год в середине века и более 5 трлн долл./год в конце века) должны будут нести преимущественно развивающиеся страны, которые, между тем, "не виновны" в создавшейся проблеме и не имеют необходимых средств; развитые же страны вряд ли захотят и смогут оплатить такие затраты. Реалистичным с точки зрения обеспечения удовлетворительных структур энергетики регионов мира (и затрат на ее развитие) можно считать ограничение во второй половине века глобальных выбросов СО 2 до 12-14 Гт С/год, т.е. до уровня примерно в два раза выше, чем было в 1990 г. При этом сохраняется проблема распределения квот и дополнительных затрат на ограничение выбросов между странами и регионами.

4. Развитие ядерной энергетики представляет наиболее эффективное средство снижения выбросов СО 2 . В сценариях, где вводились жесткие или умеренные ограничения на выбросы СО 2 и отсутствовали ограничения на ядерную энергетику, оптимальные масштабы ее развития получились чрезвычайно большими. Другим показателем ее эффективности явилась "цена" ядерного моратория, которая при жестких ограничениях на выбросы СО 2 выливается в 80-процентное увеличение затрат на мировую энергетику (более 8 трлн долл./год в конце XXI в.). В связи с этим были рассмотрены сценарии с "умеренными" ограничениями на развитие ядерной энергетики для поиска реально возможных альтернатив.

5. Непременное условие перехода к устойчивому развитию - помощь (финансовая, техническая) наиболее отсталым странам со стороны развитых стран. Для получения реальных результатов такая помощь должна быть оказана в самые ближайшие десятилетия, с одной стороны, для ускорения процесса приближения уровня жизни развивающихся стран к уровню развитых, а с другой - чтобы такая помощь еще могла составить заметную долю в быстро увеличивающемся суммарном ВВП развивающихся стран.

Литература

1. Еженедельная газета сибирского отделения российской академии наук N 3 (2289) 19 января 2001 г

2. Антропов П.Я. Топливно-энергетический потенциал Земли. М., 1994

3. Одум Г., Одум Е. Энергетический базис человека и природы. М., 1998