3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика icon

3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика



Название3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика
Дата конвертации23.08.2012
Размер257.73 Kb.
ТипДокументы

3.2. Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли


3.2.1. Традиционная энергетика

Развитие цивилизации непосредственно связано с совершенствованием использования энергии. Слово «энергия» имеет корнем греческое слово «движение, деятельность». Мы понимаем под энергией способность системы совершать работу или теплообмен между объектами с различной температурой. Энергию нельзя создать или уничтожить. Однако её можно превращать из одной формы в другую. Это закон сохранения энергии, или первое начало термодинамики.

Различают потенциальную энергию как энергию положения тела в каком-либо поле: гравитационном, электромагнитном и кинетическую энергию, или энергию движения, существующую в форме энергии поступательного, вращательного и колебательного движения.

Химическая энергия (энергия горючих веществ, пищи, компонентов электрических батарей) освобождается в результате химических реакций, т.е. процессов, связанных с изменением электронной структуры атомов или молекул. Ядерная энергия проявляется как распад или синтез ядер.

Человек и все живые организмы существуют только в открытых системах, в процессе получения энергии от внешнего источника. Таким главным источником для нашей планеты является Солнце.

Человек использует напрямую тепло и свет, исходящий от Солнца, а также накопленную в течение миллионов лет энергию фотосинтеза в виде ископаемых угля, нефти и газа. Это исчерпаемые топливные ресурсы. Солнце является неисчерпаемым энергетическим ресурсом для жизни растений и животных, составляющих основу питания человека.

Первым энергетическим ресурсом, широко и повсеместно используемым человеком, были дрова. Еще и теперь примерно треть человечества пользуется в основном дровами для приготовления пищи и обогрева жилищ. Начало промышленной революции (Англия, вторая половина XVIII века) поставило на службу человеку уголь и паровую машину. Поступательное движение поршня в цилиндре было преобразовано в круговое с помощью кривошипно-шатунного механизма. В современных устройствах вращательное движение обеспечивается через истечение струи пара высокого давления на лопатки турбины. Круговое движение в электрогенераторах позволило преобразовать тепловую энергию в электрическую. Электрический ток возникает в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии. На этом принципе решена и обратная задача использования электричества для получения энергии механического движения в электромоторе.

Любая механическая, электрическая или химическая работа полностью может быть переведена в теплоту. Но не наоборот. Только часть тепла системы может быть переведена в работу. Эта часть определяется вторым законом термодинамики и определяется теплопередачей от горячего к холодному. Количественно это характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), выраженным через абсолютные температуры.
Он равен:

ή = (Т1 – Т2)/Т1, где

Т1 — температура теплоисточника, Т2 — температура теплоприёмника.

Второй закон термодинамики справедлив только для изолированных систем.

По мере развития науки и техники человек использовал различные источники энергии. На рисунке 12 показано, что переход от одной формы энергии к другой занимал в прошлом около 50 лет. Исторически XX век был веком ископаемого топлива. В XIX веке и начале XX века таким источником стал уголь. По свойствам ископаемые угли разделяются на три большие группы — бурые, каменные и антрациты. Они отражают стадии образования углей. Ископаемые угли возникли из торфа, в течение миллионов лет, когда торфяные болота многократно оказывались затопленными морями, покрывавшими их песком и илом. Это привело к образованию слоистых месторождений. Толщина слоя угля может превышать 100 м. В Донецком бассейне толщина таких пластов около 200 м, а в Верхнесилезском — 450.




Рис. 12. Динамика потребления энергетических ресурсов в США начиная с 1850 г. Длительность каждого из этапов перехода от дерева к углю и от угля к нефти и природному газу составляет примерно 50 лет.


Образование ископаемых углей характеризуется последовательностью стадий: торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, графит. Зольность углей (количество неорганических веществ после сжигания) колеблется от 10 % (Кузнецкий и Канско-Ачинский бассейны) до 30 – 60 % (Экибастузский бассейн в Казахстане). Очень вредной примесью является сера. В углях различных месторождений её количество составляет от 1 % до 6 % и более.

Запасы ископаемого угля огромны. Они оцениваются от 15 до 30 трлн. тонн. Это в 10 раз больше запасов нефти и газа вместе взятых. Они обнаружены даже под ледяным покровом Антарктиды. Уголь добывается подземным и открытым способом. Угольные шахты имеют диаметр в несколько метров и глубину, иногда превышающую 1 км. Шахтный способ относится к весьма опасному производству, главным образом, из-за взрывов метана. Открытый способ более безопасный: сначала экскаваторы снимают породы, покрывающие угольные пласты, затем роторные экскаваторы выбирают и грузят уголь в вагоны. Открытым способом в России добывают более 60 % всего угля.

Современный способ сжигания угля состоит в его измельчении до пылевого состояния и вдувания в факельную топку форсунками. Перспективным является метод сжигания угля в «кипящем» слое, где слой мелкого угля толщиной в 1–2 метра поддерживается струёй горячего воздуха во взвешенном состоянии. Разрабатываются методы поглощения диоксида серы совместным вдуванием угля и оксида кальция. Тепло используется для получения пара с температурой до 650 °С при давлении 10 атм.

Этот пар поступает в турбину. Она состоит из нескольких контуров, пар последовательно проходя через них, постепенно остывает, затем в теплообменнике он нагревает воду, которую используют для обогрева жилищ и предприятий. Генераторы тепловых электростанций вырабатывают ток напряжением в десятки киловольт. Для передачи электрической энергии по проводам напряжение повышают в трансформаторах до сотен киловольт, чтобы снизить тепловые потери. Мощность современных тепловых электростанций достигает сотен мегаватт.

Основные экологические проблемы, связанные с использованием ископаемых углей, состоят в необходимости рекультивации земель, особенно после открытой добычи, и загрязнении атмосферы продуктами сгорания топлива. Так, отходы серы и азота приводят к кислотным дождям, выводящим из использования рыбные озёра, особенно в странах, где геологической основой являются граниты и гнейсы, а также поражают леса и сельскохозяйственные угодья. Выброс радиоактивных веществ тепловыми электростанциями, работающими на угле, превышает на 1 киловатт вырабатываемой энергии выделения на атомных электростанциях. В некоторых случаях происходит существенное загрязнение атмосферы оксидом ванадия (V), ртутью и другими тяжёлыми металлами.

Ископаемый уголь является сырьём для получения кокса, производства электродов и т. д. Технология этих продуктов включает в себя сложную систему очистки выделяющихся газов.

Во второй половине прошлого века на первое место в мировом энергетическом балансе вышла нефть. Слово «нефть» появилось в русском языке в XVII веке и происходит от арабского «нафата» — извергать. Она известна с 4–3 тысячелетия до нашей эры и первоначально использовалась в медицине. В настоящее время нефть используется, в основном, для получения тепла и электрической энергии. Менее 15 % от добываемой нефти употребляется как сырьё для производства многочисленных продуктов: от пластмасс до лекарств и продуктов питания. Ещё в прошлом веке Д. И. Менделеев боролся за глубокую переработку нефти. Он сказал: «Топить можно и ассигнациями».

В основном нефть состоит из жидких углеводородов. Она содержит до 5 % серы, кислород и азот. Подразделяется по плотности на легкую (800 – 870 кг/м3), среднюю (871 – 910 кг/м3) и тяжелую (свыше 910 кг/м3) разновидности. Удельная теплота сгорания 43,4 – 46,2 МДж/кг, температура вспышки варьируется в диапазоне 35–120 °С. Происхождение нефти до сих пор остаётся одной из тайн природы. Большинство учёных согласны с гипотезой органического происхождения нефти из остатков растений и животных, живших много миллионов лет назад. Эти остатки скапливались на дне морей и озёр в илах. Затем илы перекрывались новыми слоями, уплотнялись и превращались в осадочную породу. При этом органические остатки разлагались бактериями. Опытным путём установлено, что оптимальная температура образования нефти 100–200 °С. Такая температура характерна для глубины 4–6 км. По мере погружения и уплотнения нефть вытесняется в залегающие выше пористые породы. Благодаря чередованию проницаемых и непроницаемых слоёв в недрах Земли образуются ёмкости, которые мы и определяем как нефтяные месторождения. Больше всего нефти сосредоточено в Азии: на Ближнем и Среднем Востоке, в Западной Сибири и Казахстане.

Для добычи нефти бурят скважины. В некоторых случаях нефть выдавливается из них, если она находится под давлением воды, своего веса или сопутствующего газа. Более обычно она откачивается специальными насосами. Чтобы увеличить нефтеотдачу пласта, нефть вытесняют закачиваемой специально в скважину горячей водой, содержащей для утяжеления различные соли, а также могут добавлять поверхностно-активных веществ и т.д., но и в этих случаях удается извлечь не более 60 % нефти. В России нефтеотдача в среднем составляет только 35 %.

Во второй половине прошлого века стала осуществляться добыча нефти не только на суше, но и в прибрежных водах, на шельфе. Для этого сооружаются специальные морские буровые платформы. Глубина бурения в некоторых случаях доходит до 10 км. Добыча нефти на шельфе осуществляется на Каспийском море, Северном море, Мексиканском заливе, в районе Сахалина и во многих других местах. В настоящее время до 60 % добываемой нефти приходится на нефть, извлекаемую с морского дна.

Нефтепереработка представляет собой сложный процесс очистки нефти от воды и растворимых солей и соединений серы с последующим разделением на фракции, используя различные температуры кипения, испарения и конденсации углеводородов. Она осуществляется в ректификационных колоннах.

Эти агрегаты достигают 30 метров в высоту. Сырая нефть нагревается до 400 °С. Легкокипящие вещества в виде газа оказываются наверху колонны, остальные, в зависимости от температуры кипения, отбираются фракционно по её высоте. Смазочные масла и более низкокипящие фракции концентрируются внизу.

Очевидно, что с исчерпанием нефтяных ресурсов доля нефти, используемой для отопления и работы транспорта, будет уменьшаться, а используемой как исходное сырьё для получения пластических масс, лекарств, продуктов питания и т.д. возрастать.

Добыча нефти, её транспортировка и переработка рождают рост серьёзных экологических проблем. Может быть, одной из самых серьёзных из них является загрязнение океана из-за аварий, перевозящих нефть танкеров, а также нарушений правил их эксплуатации.

Обычным спутником нефти является горючий природный газ. По своему составу это смесь метана, этана, пропана, бутана. В нём содержатся также гелий, аргон, водород и ртуть. На 85 – 99,5 % газ состоит из метана, иногда в залежах газа присутствуют газоконденсаты — легкокипящие жидкости углеводородов. В отличие от нефти, содержание серы в газе незначительно. Поэтому его использование на тепловых станциях предпочтительнее использования нефти и угля.

Сейчас газ вместе с нефтью составляет основу топливно-энергетического баланса мира. Россия в настоящее время обеспечивает почти треть мировой добычи газа.

Уголь, нефть и газ — исчерпаемые источники энергии, хотя сроки их эксплуатации различны. При современной скорости изъятия их из природы запасов угля хватит более чем на 200 лет, нефти на 45 лет, а газа — на 50 лет.

Но у этих носителей энергии есть ещё одна очень важная отрицательная черта. Конечным продуктом их использования является диоксид углерода, газ, вызывающий парниковый эффект и, по мнению большинства учёных, ответственный за изменение климата на Земле.


^ 3.2.2. Изменение климата

Во второй половине прошлого века стало очевидным быстро протекающее изменение климата. Под климатом мы понимаем усреднённую погоду в течение длительного периода времени, тридцати лет и более, то есть совокупность таких факторов как температура, влажность, количество осадков и солнечного света, ветер. Учёные считают, что потепление Земли является следствием усиления парникового эффекта, вызванного деятельностью человека. Причиной парникового эффекта являются диоксид углерода, метан, пары воды, оксида азота, озон и другие. Эти газы пропускают на Землю поток энергии солнечного излучения, но в значительной степени поглощают испускаемое нагретой Землёй тепловое инфракрасное излучение. Эта энергия ещё раз переизлучается снова на Землю, и этот процесс повторяется многократно, прежде чем энергия вернётся в космос.

Если бы в атмосфере Земли не было парниковых газов, средняя температура на планете была бы –25 °С, т.е. очень близкой к средней температуре на Марсе.

Самый большой объём перемещающегося диоксида углерода осуществляется во взаимодействии океана с атмосферой. В пересчёте на углерод он равен 90 Гт/год (90109 т/год), обмен атмосферы с сушей эквивалентен пересчёту 60 Гт/год, а антропогенные выбросы в 1991 году составили 6,2 Гт. Но в отличие от природных выбросов океана и суши, антропогенные выбросы явились добавлением к природному динамическому равновесию, хотя оно, как мы знаем, не было таковым в течение той истории Земли, которую мы можем прочитать по анализу кернов льда, взятых в Гренландии и Антарктиде.

Так же, как последняя соломинка, согласно библейской притче, сломала спину верблюда, сжигание огромных количеств ископаемого топлива запустило механизм изменения климата. Существует два источника антропогенного увеличения концентрации диоксида углерода в атмосфере: сжигание ископаемого топлива и сведение лесов.

При получении единицы энергии за счёт сжигания угля выделяется на 25 % больше СО2, чем при сжигании нефти и на 70 % больше СО2, чем при работе тепловой энергетической станции на газе. Лес поглощает диоксид углерода в 20 раз более эффективно на единицу площади, чем сельскохозяйственные угодья, и хотя в Северном полушарии ежегодно добавляется 3,6 млн. га леса, влажные тропические леса уничтожаются с угрожающей скоростью для получения деловой древесины, посадки культурных растений и выпаса скота. Если этот процесс не будет остановлен, через 50 лет останутся только островки этих отличающихся огромным биоразнообразием экосистем.

Возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере привело к возрастанию средней годовой температуры. Её начали измерять систематически с 1880 года. Если принять за точку отсчёта среднюю годовую температуру за период 1950 – 1980 гг. и обозначить её как нормальную, то среднегодовая температура в период с 1880 года по 1930 год была выше нормы. В 30-е годы она время от времени поднималась. С 1977 года отмечается её постоянный рост: в 80-е годы на +0,26 °С, в 90-е годы на +0,40 °С, в период с 2000 по 2003 годы на +0,55 °С. Шестнадцать наиболее тёплых лет с 1880 года приходятся на период после 1980 года, и эта тенденция сохраняется.

Согласно прогнозу Международного Совета по изменению климата, средняя годовая температура Земли поднимется к 2100 году до 1,4 – 5,8 °С. Она выше над сушей, чем над океаном; в высоких широтах выше, чем на экваторе. Повышение температуры на 1 °С на экваторе отвечает повышению температуры на 2,2 – 3,9 °С на Аляске или Чукотке.

Повышение температуры ведёт к экстремальным климатическим событиям: небывалой жаре, таянию льда, подъёму уровня моря, разрушительным бурям и ураганам. Каждый год из разных концов света приходят сообщения о жертвах жары в крупных городах. Так, в Чикаго в июле 1995 г. пять дней температура держалась 38 – 41 °С, погибло более 500 человек. В мае 2002 г. в Индии температура достигала +50 °С, погибло несколько тысяч человек.

Одним из наиболее заметных последствий потепления на планете является таяние льда. В конце 1991 г. в Юго-западных Альпах было обнаружено неповрежденное тело человека, который замерз 5000 лет назад. В 1999 году было найдено еще одно тело, дошедшее сохранившимся до нашего времени в тающем Леднике Юкона в западной части Канады.

Толщина льда в Северном Ледовитом океане в 1960 г. достигала 3 м, сейчас не более 1,8 м. Норвежские учёные полагают, что через 50 лет Северный Ледовитый океан будет полностью свободен ото льда в летние месяцы.

Таяние льда, покрывающего океан, не приводит практически к повышению уровня моря, так как лёд легче воды, и выступающая над водой часть компенсируется изменением плотности. Другое дело — таяние льдов, покрывающих сушу. В Гренландии толщина льда достигает 2 км. На третьей части этого огромного острова лёд тает со всё возрастающей скоростью. Если растает его ледовый щит, уровень океана поднимется на 7 метров. Следует отметить, что по самому быстрому сценарию на это потребуются не годы, а века. Но и частичное таяние грозит затоплением многим обжитым местам на планете. Вызывает тревогу поступление огромных масс холодной воды в Гольфстрим, теплое течение, превышающее по мощности все реки мира. Если понижение температуры заставит его превратиться в подводное течение, последствия для Европы будут катастрофичными.

В Антарктиде сползают в океан шельфовые ледники. Последние годы прошлого века их площадь уменьшалась на 3000 км2 в год. В 2000 году огромный айсберг площадью в 11000 км2, в 11 раз больше чем площадь Москвы, пустился в плавание. В 2002 году айсберг величиной в 5500 км2 тоже оторвался от ледника. В течение последних 50 лет температура на шельфовом льде антарктического полуострова поднялась на 2,5 °С. Повсеместно тают высокогорные ледники. Эти «небесные» резервуары пресной воды питают большинство главных рек планеты, дают поливную воду основным земледельческим регионам, влияют на климат.

Сейчас поставлено под угрозу само существование многих из них. В следующей таблице приведены некоторые примеры таяния льда на Земле.

Таблица 2. Некоторые примеры таяния льда на Земле. ( по данным Л. Браун. Экоэкономика. М., 2003).

Название

Местонахождение

^ Характеристика потерь

Лёд Северного Ледовитого океана

Северный Ледовитый океан

Сокращение площади на 6 % по сравнению с 1978 г. Площадь более толстого вечного льда уменьшилась на 14 %. Лёд стал тоньше на 40 % менее чем за 30 лет.

Ледовый щит Гренландии

Гренландия

На южном и восточном побережье, начиная с 1993 г. толщина льда уменьшается более чем на 1 м.

Национальный парк Глейшер

Скалистые горы в США

Осталось менее 50 ледников из 150, существовавших в 1850 г.

Шельфовый ледник Ларсена

Антарктида

В начале 1998 г. сошёл айсберг площадью 300 квадратных километров. В 1998 – 1999 гг. потеряно 1714 кв. км. ледяного покрова, в 1999 – 2000 гг. ещё 300 кв. км.

Ледник Докриани Бамак

Гималаи, Индия

В 1998 г. отступил на 20 м.

Горы Тянь-Шань

Центральная Азия

В течение последних 40 лет объём ледников сократился на 22 %.

Кавказ

Россия

Объём ледников в 20 м веке сократился на 50 %.

Альпы

Европа

С 1850 г. объём сократился более, чем на 50 %.

Килиманджаро

Танзания

Площадь шапки льда в 1989 – 2000 гг. сократилась на 33 %. Может полностью исчезнуть к 2015 г.

Ледник Квелккая

Анды, Перу

В 1990 гг. скорость отступления ледника выросла в 10 раз и достигла 30 м. в год. Может исчезнуть к 2020 г.

Термическое расширение воды (max плотность при 4 °С) и таяние льда заметно повышают уровень моря. В течение XX века уровень моря поднялся на 10–20 см. Это в 1,5 раза больше, чем за 2000 лет до этого. По оценке Межправительственной комиссии по изменению климата уровень моря в течение XXI века может подняться на 1 метр. Это приведёт к сокращению посевных площадей, появлению многомиллионных «климатических» беженцев, экологическим потерям, размер которых пока невозможно даже представить.

Повышение температуры океана приводит к перемещению в атмосферу больших количеств тепла с воздухом и водяным паром. Это является причиной разрушительных ураганов. Сильнее других страдают от этих погодных катаклизмов Китай, Япония, Филиппины, Индия и Бангладеш в районе Бенгальского залива, Атлантическое побережье США, страны Центральной Америки и Карибского бассейна. С 1960 по 1990 год потери от крупномасштабных катастроф выросли в 8 раз и достигли 536 млрд. долларов. Каждый год средства массовой информации приносят всё более частые вести о разрушительных ураганах, тайфунах и наводнениях. С конца прошлого века эти явления распространились на Европу и юг нашей страны.

Сегодня никто не может предсказать направление развития событий. Потепление климата ведет к увеличению дефицита пресной воды. Некоторые из наиболее значимых рек мира перестали доходить до своих устьев. Практически погублено Аральское море, так как вода Аму-Дарьи полностью используется для выращивания хлопка в Туркмении и Узбекистане. Его уровень упал с 1960 года на 12 метров, площадь — на 40 %, а объем — на 66 %. Некогда прибрежные города теперь отстоят от воды на 50 км. Концентрация соли выросла настолько, что рыба исчезла полностью. Когда-то это были богатейшие рыбные угодья.

Значительное количество дней в году не доходят до моря такие реки как Колорадо и Хуанхэ. Серьёзные трудности возникают в связи с сокращением водных потоков Инда, Ганга, Нила, Йордана, Меконга и других рек. Возникающие проблемы требуют международного регулирования.

Потепление климата оказывает большое влияние на урожай, и в первую очередь, зерновых культур. Во многих странах эти культуры выращиваются при оптимальных для них температурах. Более высокие температуры угнетают и могут полностью прекратить фотосинтез, препятствуют опылению и ведут к потере воды растениями. Хотя повышение концентрации диоксида углерода благотворно влияет на фотосинтез, этот эффект не компенсирует потерь.

Для большинства культур фотосинтез возрастает при росте температуры до 20 °С, затем отмечается плато до 35 °С, после чего продуктивность фотосинтеза снижается и при 40 °С полностью останавливается. Наиболее ранимая часть цикла развития риса, пшеницы и кукурузы — время опыления. Как правило, повышение температуры на 1 °С выше 35 °С снижает урожайность на 10 %. Будут ли и как скоро выведены новые сорта риса, пшеницы и кукурузы, приспособленные к более высоким температурам, или производство зерна, придётся переводить на более устойчивые к высоким температурам культуры, такие как сорго и просо — вопрос ближайших десятилетий.

Перевод главных областей земледелия в Канаду и Сибирь, в первую очередь, столкнётся с недостаточным плодородием новых почв по сравнению с используемыми сейчас. Так, например, сегодня Канада на более больших площадях под зерновые получает зерна меньше, чем Франция.

От изменения климата в настоящее время самые большие потери несут такие отрасли экономики, как страховое дело и туризм. Огромные и часто катастрофические последствия ураганов, тайфунов и штормов возникают для жителей прибрежных районов, расположенных в странах так называемого ураганного или тайфунного пояса. Но уже в ближайшее время главной проблемой станет сокращение производства продуктов питания.

Всё это выдвигает на первый план заботу о сокращении выброса диоксида углерода. Существенным продвижением международных усилий по стабилизации концентрации диоксида углерода в атмосфере является вступление в силу Киотского протокола. Он представляет собой дополнение к Конвенции ООН по изменению климата. Согласно ему, государства брали на себя обязательства снизить выбросы диоксида углерода и пяти других парниковых газов на 5,2 % к 1990-му году и на 29 % против предполагаемого выброса в 2010 году. Эти сокращения различны для разных стран. Страны Европейского Союза должны были сократить на 8 %, Япония — на 6 %, Россия может не уменьшать свои выбросы. Протокол введен в действие 16 февраля 2005 года, после того как его ратифицировала Россия. По условиям он входил в силу только после ратификации его государствами, в совокупности отвечающими не менее чем за 55 % всех выбросов. К настоящему времени его ратифицировали 153 страны, ответственные за 61 % глобальных выбросов парниковых газов. Протокол отказались ратифицировать США, страна, ответственная более чем за ⅓ выбросов, под тем предлогом, что это может затормозить развитие экономики этой страны. В соответствии с протоколом, повышение глобальной температуры к 2050 году оценивается в интервале 0,02 °С – 0,28 °С, что существенно меньше прогнозируемого повышения 1,4 – 5,8 °С на 2100 год.

Одной из самых перспективных областей, влияющих на количество выбрасываемого диоксида углерода, является снижение потребления энергии. Это происходит за счёт совершенствования технологии и повышения энергетической производительности.

Ярким примером этого служит использование энергии для освещения. Расчёт показывает, что в нашей стране используются для этих целей более 15 электростанций мощностью в одну тысячу мегаватт каждая. Лампы накаливания, которые всё ещё являются главными для получения света, по существу, 90 % энергии переводят в тепло. В то же время, они могут быть уже сейчас заменены компактными люминесцентными лампами, выпуск которых освоен промышленностью и ежегодно возрастает на 15–20 %. Одна такая 18-ваттная лампа заменяет стандартную 75-ваттную лампу накаливания. Кроме того, она служит в 10 раз дольше. Из-за большего срока службы ламп экономится труд по их установке.

Существенная экономия энергии достигается при сокращении тепловых потерь зданиями. Примеры таких домов пока немногочисленны. Они есть в США и Европе. Затраты энергии на поддержание комфортной температуры снижаются почти в 10 раз. Это происходит за счёт применения новых теплоизоляционных материалов, суперокон, использующих прозрачные плёнки, которые пропускают видимый свет, но удерживают инфракрасное излучение, окон с трёхслойным остеклением и рациональным использованием тепловых потоков, возникающих в здании для подогрева входящего свежего воздуха. Кардинальное решение проблемы выбросов диоксида углерода произойдёт при полном переходе от энергии за счёт сжигания ископаемого топлива на альтернативную технологию.


Альтернативная энергетика

^ 3.2.3. Ядерная энергетика

Обеспечить получение пара высокого давления, необходимого для вращения турбины и преобразования его в электрический ток, можно за счёт ядерной энергии или геотермальной энергии. Первая атомная станция была пущена в России в 1954 году в г. Обнинске Калужской области, и её мощность составляла всего 5 тыс. киловатт. В настоящее время на атомных станциях вырабатывается около 7 % мирового производства электроэнергии. Ядра одного из изотопов урана 235U распадаются при попадании в них медленных (заторможенных тяжёлой водой, обычной водой или графитом) нейтронов на два осколка и нейтроны. На каждые 10 актов деления приходится 25 нейтронов. Она попадают в другие ядра 235U, и осуществляется цепная реакция, осуществляемая в атомной бомбе. При делении 1 г урана выделяется количество энергии, получаемое при сжигании 3 т каменного угля.

На следующем рисунке (рис. 13) представлена схема цепной реакции распада 235U.




Рис. 13. Схема цепной реакции распада 235U.

На атомных электростанциях контролируемый ядерный распад 235U осуществляется в ядерных реакторах. Схема ядерного реактора представлена на рисунке (рис. 14).



Рис. 14. Схема ядерного реактора.


Активная зона реактора формируется из тепловыделяющих элементов, собранных в кассеты. Тепловыделяющие элементы представляют собой трубки из сплава циркония с алюминием и ниобием, которые прозрачны для медленных нейтронов, с упакованными в них таблетками из диоксида урана, обогащённого по 235U, обычно до 2,5 %. Эти трубки заключены в оболочку из трубок большего диаметра, через которые циркулирует вода под давлением, отводящая тепло ядерной реакции. Вода первого контура поступает в теплообменник, где образуется пар, непосредственно поступающий в турбину. Цепная реакция распада не допускается поглощением избыточных нейтронов стержнями управления и защиты.

Данные о состоянии ядерной энергетики на 01.01.95 г. приведены в следующей таблице (табл. 3). В России в настоящее время работает 29 атомных станций.


Таблица 3. Данные МАГАТЭ о состоянии ядерной энергетики в странах мира на 01.01.1995 г.



Преимущества использования атомной энергетики в России состоят в конкурентной способности по сравнению с тепловыми электростанциями Европейской части России. По стоимости энергии, на АЭС она дешевле на 50 %, отсутствуют выбросы диоксида углерода и сокращаются транспортные расходы.

После аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 года, в результате которой были выведены из нормального использования большие площади в Белоруссии, России и Украине, мировое общественное мнение существенно задержало развитие атомной энергетики.

Вместе с тем следует отметить, что по запасам уран превышает более, чем в 5 раз запасы ископаемых углей в триллионах тонн, не говоря о разнице в энергоёмкости в 3 миллиона раз.

При нормальной работе атомных станций радиоактивное воздействие на человека составляет тысячную часть от воздействия, связанного с медицинским применением радиации. На рисунке 15 представлено сравнение доз, получаемых человеком во время его жизни, в сравнении с фоновым облучением.



Рис. 15. Эффективная эквивалентная доза от различных радиоактивных источников в результате человеческой деятельности по сравнению с фоновой дозой облучения.


Ядерный топливный цикл представляет собой совокупность технологических процессов, обеспечивающих экономическое и безопасное использование природного ядерного горючего для получения энергии. Он включает в себя добычу и обогащение руд, производство соединений урана, разделение изотопов урана центрифугированием гексафторида урана, изготовление твёрдых электролитов, создание и эксплуатацию реакторов, переработку отработанных топливных элементов и безопасное захоронение радиоактивных отходов.

На современном уровне развития техники и технологий всё ещё остаётся высокий риск катастроф вследствие возможного выброса в природу радиоактивных веществ. Подошли сроки выведения из эксплуатации первых атомных станций. Их консервация дорогая и пока еще недостаточно проработанная проблема. По существу, до сих пор не решены проблемы хранения и переработки радиоактивных отходов.



Рис. 16. Цикл ядерного топлива.


Современная атомная энергетика использует 235U изотоп урана, которого в природном уране только 0,7 %.

Уран – 238 тоже может быть использован в атомной энергетике. Он хорошо поглощает быстрые нейтроны и превращается в плутоний – 239. Реакторы на быстрых нейтронах называются реакторами-размножителями, или бриддерами. Воспроизведение ядерного горючего позволяет в десятки раз полнее использовать уран, поэтому реакторы на быстрых нейтронах являются одним из перспективных направлений развития атомной энергетики. Ядерное горючее в виде изотопа урана 233U может быть получено из тория, запасы которого в несколько раз превышают запасы урана.

Принципиально другим способом использования ядерной энергии является термоядерный синтез. При делении ядра урана выделяется около 1 МэВ энергии на каждый нуклон (протон или нейтрон). В ходе реакции синтеза ядер дейтерия в гелий выделяется 5 МэВ на один нуклон, то есть в 5 раз больше, чем при атомном распаде.

У термоядерного синтеза есть огромное преимущество перед атомными реакторами, использующими распад ядер. Исчезает проблема захоронения отходов, так как в результате образуется инертный гелий, компоненты термоядерного синтеза не могут быть использованы для производства оружия, запасы дейтерия в мировом океане обеспечивают получение энергии на тысячи лет. Однако получение этого вида энергии находится в стадии интенсивных экспериментальных международных разработок.

^ 3.2.4. Геотермальная энергетика

Геотермальная энергия проявляет себя как тепло воды и горных пород земной коры. Запасы этой энергии рассчитываются на расстоянии до 5 км вглубь Земли. С глубиной температура в недрах Земли растёт в среднем на

1 °С каждые 33 метра. Однако вблизи вулканов этот рост происходит каждые 2 – 3 метра. Причин наличия этой теплоты три. Неостывшая ещё некогда расплавленная земная кора, радиоактивный распад урана, тория и одного из изотопов калия и иногда подземное окисление горных пород (например, Янгантау в Башкорстане, Россия).

В земной коре находится примерно 4 % всей воды планеты. Все источники с температурой более 20 °С относятся к термальным. С древних времен они широко используются при лечении различных заболеваний и просто для отдыха. Источники, содержащие сухой пар, или пар с капельками воды могут быть использованы для работы турбин с целью получения электрической энергии.

Геотермальные электростанции работают в Италии, США, Новой Зеландии, Мексике, Японии. Так как топливо бесплатное, стоимость единицы энергии ниже, чем на тепловых или атомных станциях.

В России на Камчатке работают Паужетская станция (мощностью 11 МВт) и Средняя Паратунская станция.

Геотермальная энергия может быть получена за счёт тепла горных пород. Вода закачивается в эти подземные «котельные» насосами, например, в США в штате Нью-Мексико на глубину в 3600 м, в Японии на глубину 1800 м.

Использование геотермальной энергии требует жёсткой привязки к месту. В Исландии она является основным видом энергии, широко используемым для отопления и в сельском хозяйстве.

Геотермальная энергия в мире составляет на 2000 год всего 0,29 % от всей используемой энергии. Перспективы увеличения её использования носят локальный характер, так как тепловой поток из недр на единицу поверхности в 5000 раз меньше такового за счет солнечной радиации.

3.2.5. Гидроэнергетика


Человек научился использовать энергию текущей воды в глубокой древности. В Египте, Китае, Индии орошение проводилось подъёмом воды на поля специальными колёсами с закреплёнными на ободе ковшами. Водяные мельницы известны с XXIII века до нашей эры.

Текущая вода — восстанавливаемый источник энергии. Он обеспечивается круговоротом воды. Испарение воды происходит в результате её нагревания Солнцем, а выпадение осадков — её охлаждением в верхних слоях атмосферы. Солнце, в свою очередь, является вечным источником.

В конце XIX века водяные колеса начали заменяться гидротурбинами, изначально для передачи механической энергии через систему зубчатых, канатных и ременных передач к приводам станков и машин, а с освоением электромагнитной индукции непосредственным переводом кинетической энергии вращения в электрическую энергию — самую удобную форму для использования.

Гидроэнергетика сегодня является единственным примером крупномасштабного получения энергии за счёт возобновляемого источника.

В 1987 г. 21 % электроэнергии, или 6 % всей энергии, были получены в мире на гидроэлектростанциях. Принцип работы любой гидроэлектростанции одинаков, хотя их конструкция зависит от местных особенностей ландшафта и чрезвычайно многообразна. Плотина перекрывает поток воды. Вода собирается в водохранилище перед плотиной. Под действием своего веса через водоводы она направляется в турбины, расположенные, как правило, внизу плотины. Струя воды раскручивает лопасти турбины, жёстко соединённые с её валом. Непосредственно на валу закреплён электромеханический индукционный генератор, т.е. устройство, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую.

Индукционным он называется потому, что действие его основано на явлении электромагнитной индукции. Устройство генератора показано на рис. 17.



Рис. 17. Устройство индукционного генератора.


Неподвижная часть генератора называется статором. Вращающаяся, т.е. магнит – ротором. Статор (рис.17а) представляет собой стальную станину цилиндрической формы. Во внутренней части прорезаны пазы, в которых находится толстый медный провод. В витках провода индуцируется электрический ток. Магнитное поле создается ротором (рис.17б). Он представляет собой электромагнит, состоящий из стального сердечника, на который надета обмотка, по которой протекает электрический ток. Ток к обмотке подводится от постороннего источника тока. Полная схема генератора переменного тока приведена на рис. 18в. Пунктиром показано примерное расположение линий индукции магнитного поля ротора. При вращении ротора какой-либо внешней механической силой, создаваемое ими магнитное поле тоже вращается. При этом магнитный поток периодически меняется, в результате чего в них индуцируется переменный ток.



Рис. 18. Внешний вид Рис.19. Устройство гидрогенератора. гидрогенератора.


На рисунке 18 изображен внешний вид мощного гидрогенератора, а на рис. 19 показано его устройство, где цифрой 1 обозначен статор, цифрой 2- ротор, а цифрой 3 – водяная турбина.

Электрогенераторы могут вырабатывать как постоянный, так и переменный ток (большинство гидроэлектростанций). Напряжение составляет 6 – 16 кВ, а мощность одной турбины может превышать 50 МВт. В осветительной сети наших домов и во многих отраслях промышленности используется переменный ток. Стандартная частота переменного тока в России составляет 50 Гц.

Ток по шинам большого сечения передается на трансформаторы, повышающие напряжение, чтобы уменьшить тепловые потери при передаче его на большие расстояния, затем на распределительные устройства и идёт к потребителям.

Создаваемые плотиной водохранилища способны накапливать огромный объём воды, например, на Братской ГЭС оно содержит 169 кубокилометров, Асуанская плотина аккумулирует 162 кубокилометра. Водохранилища регулируют сезонный сток воды. Он широко меняется со временем года. Так, например, на Енисее сток воды в мае – июле в 10,5 раз больше стока в феврале – апреле.

Размеры плотин могут быть очень большими. Плотина Итайпу на реке Парана на границе Бразилии и Парагвая имеет длину 8 км и высоту 150 м. Она обеспечивает мощность станции в 10500 МВт.

Такие большие водохранилища влияют на местный климат. Они могут увеличивать сейсмичность региона. На равнинных реках их сооружение выводит из пользования много плодородных земель.

Сооружение плотин должно предусматривать использование воды для удовлетворения коммунальных и промышленных нужд и орошения полей. Плотины уменьшают опасность наводнений, создают новые зоны отдыха и т.д.

В плотинах сооружаются сложные гидротехнические сооружения для прохода судов. На нерестовых реках обеспечиваются специальные сооружения для прохода рыб по реке.

Гидроэлектростанции имеют определённые преимущества перед тепловыми и атомными станциями. Они не нуждаются в топливе.

Вместе с тем, плотины ухудшают условия обитания водных организмов. Запруженные реки в тёплое время года зацветают. Это ведёт при сезонном отмирании водорослей к уменьшению концентрации растворённого в воде кислорода и массовым заморам рыбы.

Большинство крупных гидроэлектростанций в настоящее время строятся в развивающихся странах. В промышленно развитых странах все удобные для строительства места уже использованы или сохранены как заповедные из экологических соображений.

В этих странах интерес к гидроэнергетике сосредоточен на строительстве сравнительно небольших станций и реконструкции ранее построенных.

Огромные ресурсы развития гидроэнергетики заключены в энергии приливов и отливов на побережье морей, океанов и в устьях впадающих в них рек. Огромные массы воды в Мировом Океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Разница уровня воды во время прилива и отлива неодинакова в разных местах нашей планеты и колеблется от 4 до 20 м. Непрерывность работы приливно-отливных станций обеспечивается сооружением специальных накопительных бассейнов, заполняемых во время прилива, а также закачиванием туда воды во время наибольшей мощности работы станции. Первая приливная электростанция была пущена в 1966 г. во Франции, в устье реки Рапс. Средняя высота приливов там составляет 8,4 м. Мощность станции равна 240 МВт.

В нашей стране в 1968 г. заработала опытно-промышленная станция ГЭС в Кислой Губе на Баренцевом Море, недалеко от Мурманска. Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Мощность ГЭС составляет только 800 кВт. Но эта станция имеет большое значение для проектных работ по освоению энергии приливов в Белом, Баренцевом и Охотском морях. Ещё больший ресурс заложен в освоении океанических течений. Разработан проект первой в мире такой ГЭС во Флоридском Проливе (США), где берёт начало Гольфстрим. Для предполагаемой станции мощностью в 140 МВт запроектировано 50 тысяч турбин специальной конструкции и 3700 электрогенераторов.

Океанические ГЭС существенно безопаснее с экологической точки зрения по сравнению с любыми другими.







Похожие:

3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика icon3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика
«движение, деятельность». Мы понимаем под энергией способность системы совершать работу или теплообмен между объектами с различной...
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика iconА. И. Громов Заместитель генерального директора по науке
Энергетическая стратегия России до 2030 года: переход к инновационной энергетике будущего
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика iconОсновывается ли традиционная эстетика на ошибке?
Традиционная эстетика основана, я думаю, по крайней мере, на двух ошибках, и цель этой статьи состоит в том, чтобы разобраться, почему...
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика iconСтрана Светофория
«Движение прямо», «Переход запрещен», «Придорожное кафе», «Гостиница», «Пешеходный переход», «Дети», «Подземный пешеходный переход»,...
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика iconАрхисрочно!!! Цупу Земли, Всем силам со, сб и сс земли, Матрице Земли, Всем первичным и производным технотронным матрицам, включая Интернет и все спутники Земли
Истока творца за счет полной аннигиляции всех уровней (духовного, сущностного, белкового, виртуального, интроспективного и т д.)...
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика icon1 ступень: традиционная система; обновленная традиционная система с элементами системы Занкова, Эльконина- давыдова, технологии Рахимова, программы «Школа- 2100». 2 ступень
Муслюмовская средняя общеобразовательная школа №2, основанная в 1934 году, получила статус средней общеобразовательной школы в 1996...
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика icon2. Порядок эвакуации при пожаре
Инструкция предназначена для организации безопасной и быстрой эвакуации
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика iconОош, кабинет физики Атомно-водородная энергетика
На наших глазах набирает силу новая отрасль промышленности водородная энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет...
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика iconИнструкция № по безопасной эксплуатации теплопотребляющих установок
Спецодежда должна быть застегнутой на пуговицы, обувь зашнурована, шнурки завязаны, надет головной убор. Инструмент для работы должен...
3 Переход к энергетике, безопасной для экосистемы Земли 2 Традиционная энергетика iconОсобенности адаптации детей к школе
Существует три переломных момента, которые ребенок проходит в процессе обучения в школе: это поступление в первый класс, переход...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов