Проектная работа по учебной дисциплине «Физика» на тему «Альтернативные источники электроэнергии»

Министерство образования, науки и молодежной политики

Краснодарского края

ГБПОУ КК Венцы-Заря сельскохозяйственный техникум

Проектная работа

по учебной дисциплине «Физика»

на тему

«Альтернативные источники электроэнергии»

Работу выполнила: Гришаева Ангелина Максимовна, студентка 182 «В» группы, специальность 36.02.01 Ветеринария

Руководитель: Есауленко Е.П.

преподаватель физики

п.Венцы

2016г.

СодержаниеВведение

3

Глава 1. Альтернативные источники энергии

6

1.1 Гидроэнергетика

7

1.2. Ветровая энергия

11

1.3. Энергия Солнца

18

1.4. Геотермальная энергетика

28

1.5. Биотопливо

29

1.6. Управляемый термоядерный синтез.

30

1.7. Водород и перспективы его использования

31

Глава 2. Мировой опыт использования альтернативных источников энергии

34

Глава 3. Энергетические проблемы России

39

Заключение

43

Используемая литература

47

Введение

Сегодня около половины населения земли составляют горожане, 60% из них проживают в мегаполисах. Жители мегаполисов лучше обеспечены работой, бытовыми удобствами, более развита индустрия развлечений. Но у них есть свои проблемы: загрязнение воздуха, перенаселённость, непрерывный шум. Все эти проблемы прямо или косвенно связаны с энергетическими ресурсами. Даже простое отключение электричества способно создать тяжёлую ситуацию.

Каким будет город будущего? Над этим сегодня думают архитекторы, социологи и многие учёные. Но какой бы метод решения этой задачи не был выбран, приоритет в выборе топлива для транспорта отдаётся альтернативным источникам энергии: солнечной, электрической, водородной, энергии термоядерного синтеза. Этот вопрос тем более актуален сегодня, так как многие учёные задаются вопросом: надолго ли хватит энергетических ресурсов? Ведь запасов нефти, по самым оптимистическим прогнозам, нам хватит на 150 лет, а газа - лишь на 100 лет. Самые оптимистичные прогнозы делаются лишь относительно запасов угля. По прогнозам их должно хватить на 420 лет. Тем не менее, если темпы его утилизации останутся теми же, то этих запасов не хватит и на 200 лет. Запасы урана, от которого зависит наиболее передовая ядерная энергетика, будут исчерпаны через 300 лет.

Поэтому, работая над проектом, я задумалась: не грозят ли нам сегодня ресурсные войны? К сожалению, сегодня сочетание этих слов не кажется уже чем-то фантастическим, ведь уже в семидесятые годы прошлого века арабские нефтедобывающие страны пользовались продажей нефти как «политическим оружием» в борьбе за свои права. Также я пыталась разобраться насколько велико влияние альтернативной энергетики на экологию. К сожалению, равновесие биосферы уже нарушено, этот процесс быстро развивается. После Чернобыльской аварии популярность мирного атома в глазах общественности резко упала. Также становится более острой проблема загрязнения воды. Это связано с необходимостью размещения ядерных отходов военного производства и энергетики. В роли «свалки» для этих отходов выступают страны «третьего мира». После одобрения премьер-министром закона о ввозе для переработки отработанного ядерного топлива в ряд с этими странами встала и Россия. Трудно оценить тот ущерб, который будет нанесён почвам и грунтовым водам нашей страны в результате захоронения чужих реактивных отходов. Впрочем, блеск сиюминутной выгоды не позволяет нам разглядеть тревожные тени грядущего.

Исследование позволило мне, сравнивая мнения о проблеме различных учёных, сформулировать свою точку зрения по этому вопросу. В процессе работы я обращалась к различным СМИ. Из них я узнала о мировом ресурсном потенциале, о перспективах развития энергетики и о проблемах, с которыми может столкнуться эта отрасль. Также я с удовольствием открыла для себя инновационные разработки учёных в сфере управляемого термоядерного синтеза и разложения водорода. Конечно, я ещё только прикоснулась к интересному миру альтернативной энергетики, и многие вопросы остались для меня ещё не раскрытыми, но опыт исследовательской работы, которая со временем может перерасти в проект, побуждает работать, узнавать, экспериментировать дальше.

Цели и задачи исследования

Я не случайно выбрала темой своей исследовательской работы альтернативную энергетику, ведь «энергетический вопрос» прямо или косвенно затрагивает все сферы жизни общества нашей страны и мира: экономическую (это позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки их в химической и других отраслях промышленности), политическую (страна, которая первой перейдёт к АИ, будет претендовать ни мировое первенство и будет диктовать цены на мировые ресурсы), социальную (переход к АИ позволит снизить социальную напряжённость) и другие.

Этот вопрос тем более актуален, что многие ученые сегодня задаются вопросом: надолго ли хватит энергетических ресурсов, исторические процессы освоения которых я изучала?

Работая над исследованием, я пыталась сформулировать ответ на следующие вопросы:

- Не грозят ли нам ресурсные войны?

- Насколько велико влияние альтернативной энергетики на экологию?

- Каково будущее мирного атома? Не станет ли Россия, подобно странам «третьего мира», свалкой для отходов ядерной энергетики?

Методы исследования: Методологической основой настоящей работы стал диалектический метод изучения энергетических процессов и явлений. Характер поставленных исследовательских задач предопределил необходимость использования также таких методов, как сравнительно-исторический, сравнительно-экономический, метод системного анализа и конкретно-социологический метод.

Актуальность: На сегодняшний день существует множество предприятий, фабрик, заводов и т.д. И такое явление, как энергия, становится ценнейшим ресурсом. Ее пытаются экономить разными методами: разработкой новых технологий, сокращением качества продукции или созданием альтернативных источников энергии.

Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.

По оценкам Европейской комиссии к 2020 году в странах Евросоюза в индустрии возобновляемой энергетики будет создано 2,8 миллионов рабочих мест. Индустрия возобновляемой энергетики будет создавать 1,1 % ВВП. Также известно, что в 2010 году альтернативная энергия (не считая гидроэнергии) составляла 4,9% всей потребляемой человечеством энергии.

По сравнению с США и странами ЕС использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России находится на низком уровне. Сложившуюся ситуацию можно объяснить доступностью традиционных ископаемых энергоносителей. Согласно отчёту ООН, в 2008 году во всём мире было инвестировано $140 млрд в проекты, связанные с альтернативной энергетикой, тогда как в производство угля и нефти было инвестировано $110 млрд.

Из всего вышеперечисленного можно выделить основные пункты:

1. Востребованность

2. Экологичность

3. Экономичность

Глава 1. Альтернативные источники энергии

Для начала обратимся к определению: «Альтернативная энергетика» - совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.»

Основным направлением альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии. Источники энергии - встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию. Альтернативный источник энергии - заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, вызывающий парниковый эффект и глобальное потепление. Цель поиска альтернативных источников энергии - потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.

Классификация источников:

1. Ветряные (движение воздушных масс)

2. Геотермальные (тепло планеты)

3. Солнечные (электромагнитное излучение солнца)

4. Гидроэнергетические (движение воды в реках и морях)

5. Биотопливные (теплота сгорания возобновляемого топлива)

6. Термоядерные

7. Водородные

Вид альтернативного источника энергии

90

Ветряные

48

Геотермальные

17

Солнечные

94

Гидроэнергетические

84

Биотопливные

98

Термоядерные

100

Водородные

Как известно, немалая часть загрязнения экосистемы состоит из продуктов переработки, сжигания, добычи таких видов топлива как: уголь, нефть, газ, считаемых традиционными. Глобальный спрос на энергию увеличивается примерно на 3% в год. В 2025 году энергопотребление составит 22,8 млрд. т у. т. Мировые запасы традиционных энергетических ресурсов, по оценкам специалистов, составляют: угля - более 1500 млрд. тонн, нефти - 170 млрд. т, газа - 172 трлн. куб. м. По прогнозам, мировых запасов угля, нефти и газа при непрерывном росте промышленности, как основного потребителя энергетической отрасли, хватит на 100 лет и более.

В течение многих лет человечество ищет замену традиционным энергоресурсам. В качестве альтернативных источников энергии предлагаются геотермальные воды и недра планеты, водород и радиоактивные материалы, мощные потоки поверхностной воды и многое другое. Но каждый из этих источников имеет свои недостатки, которые порой не оправдывают их достоинства. Атомная энергия очень дорога и опасна, гидроэнергия требует наличия текущей воды, а способы использования сейсмической энергии только начинают разрабатываться.

Существуют "традиционные" виды альтернативной энергии - энергия воды, Солнца, ветра, энергия морских волн, приливов и отливов, без которых трудно представить энергетику ближайшего будущего. Но их использование не дает достаточного результата, чтобы отказаться от традиционных источников энергии, поэтому человечество продолжает искать другие способы заменить их.

В этой работе я перечислю и охарактеризую некоторые основные альтернативные источники энергии, используемые человечеством, и мы выберем наиболее перспективный из них.

1.1. Гидроэнергетика

К числу основных возобновляемых источников энергии относится гидроэнергетика.

Гидроэнергетика - область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию.

Экономический потенциал гидроэнергетики (без малой) в мире составляет около 8100 ТВт*ч в год. На сегодня доля гидроэнергии в общем производстве электроэнергии составляет 20%, в мировом топливном балансе - 6%. В мире действуют более 7000 ГЭС, общей мощностью 715 ГВт. Крупнейшими производителями электроэнергии являются Бразилия, Канада, США, Китай, Россия. В ближайшие годы в мире планируется строительство новых гигантских ГЭС, общей мощностью до 140 ГВт, что позволит увеличить производство гидроэнергии на 20%. Для многих стран малая и возобновляемая энергетика уже в настоящее время является важным компонентом энергообеспечения. Она играет существенную роль в энергоснабжении Дании, Исландии, Новой Зеландии, Канады, Германии, Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке - 98 %), Испании и других стран. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается на гидроэлектростанциях. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии.

За последние десятилетия устойчивое положение в мировой электроэнергетике заняла малая гидроэнергетика. В международной терминологии выделяются малые ГЭС, мощностью от 1 до 10 МВт, мини-ГЭС, мощностью от 100 кВт до 1 МВт, и микро-ГЭС, мощностью менее 100 кВт. Установленная мощность малых ГЭС, от общей мощности в Китае - 46%, в Японии - 6%, в России - 2%.

В России сегодня эксплуатируются около 300 малых ГЭС, суммарной мощностью 1 ГВт, планируется увеличение мощности малых и микро-ГЭС в 2015 году до 2200 МВт. Ожидается, что к 2020 году общая мощность малых ГЭС в мире увеличится вдвое.

Однако, развитие гидроэнергетики требует учета территориальных аспектов. Строительство гидроэлектростанций является целесообразным и экономически выгодным только для горных рек. В противном случае, при строительстве ГЭС на равнинных реках, возникает ряд негативных последствий как экономических, так и экологических. Наиболее серьезными и общими являются:

- затопление земель, изъятие их из хозяйственного оборота;

- снижение скорости течения рек, замедление водообмена и самоочищения;

- изменение микроклимата окружающей территории;

- подтопление берегов, заболачивание, развитие оползневых процессов.

Перечень совершенных ошибок при строительстве ГЭС немал. Вот лишь несколько примеров, представляющих бедствия и экологические угрозы:

Новосибирская ГЭС отсекла большую часть нерестилищ, резко снизив промысловые уловы сибирского осетра; в 1999 г. он занесен в Красную книгу России;

при строительстве Братской ГЭС в ложе водохранилища оставили строевую сосну, которая стала разлагаться, превратив водохранилище в мертвый водоем;

сооружение на Енисее Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС привело к необратимым процессам: изменению микроклимата региона, нарушению водного и теплового баланса реки. Прогретые массы водохранилищ не позволяют реке полностью покрыться льдом. Во время ледохода создаются заторы, перегораживающие реку по всей ширине, бомбежка которых малоэффективна. Каждый ледоход приносит местным жителям большие беды;

Иркутская ГЭС построена в сейсмически активной зоне; катастрофическое разрушение плотины приведет к уничтожению ряда городов вдоль Ангары;

Многие города Сибири: Новосибирск, Красноярск, Иркутск и другие - находятся ниже водохранилищ с высокими плотинами. Природная катастрофа или диверсионный взрыв могут привести к уничтожающему наводнению.

Достоинства:

1. Использование возобновляемой энергии.

2. Очень дешевая электроэнергия.

3. Работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.

4. Быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки:

1. Затопление пахотных земель.

2. Строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды.

3. На горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов.

4. Сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелетных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.

Гидроэнергетические источники.

Гидроэлектростанция (ГЭС) - электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Приливная электростанция (ПЭС) - особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.

Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли влияние приливных электростанций пренебрежимо мало. Кинетическая энергия вращения Земли (~10²⁹ Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10⁻¹⁴ секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2×10⁻⁵ с в год).

Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.

В России c 1968 года действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря. На 2009 год её мощность составляет 1,7 МВт. На этапе проектирования находится Северная ПЭС мощностью 12 МВт. В советское время были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 000 МВт) на Белом море, Пенжинской губе и Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море, в настоящее время статус этих проектов неизвестен, за исключением Мезенской ПЭС, включённой в инвестпроект РАО «ЕЭС». Пенжинская ПЭС могла бы стать самой мощной электростанцией в мире - проектная мощность 87 ГВт.

Другие известные станции: Канадская - ПЭС Аннаполис и Норвежская - ПЭС Хаммерфест.

Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии.

Энергия волн океана - энергия, переносимая волнами на поверхности океана. Может использоваться для совершения полезной работы - генерации электроэнергии, опреснения воды и перекачки воды в резервуары. Энергия волн - возобновляемый источник энергии.

Мощность волнения оценивают в кВт на погонный метр, то есть в кВт/м. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. Конечно, в механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха - до 85 %.

Волновая энергия представляет собой сконцентрированную энергию ветра и, в конечном итоге, солнечной энергии. Мощность, полученная от волнения всех океанов планеты, не может быть больше мощности, получаемой от Солнца. Но удельная мощность электрогенераторов, работающих от волн, может быть гораздо большей, чем для других альтернативных источников энергии.

Несмотря на схожую природу, энергию волн принято отличать от энергии приливов и океанских течений. Выработка электроэнергии с использованием энергии волн не является распространенной практикой, в настоящее время в этой сфере проводятся только экспериментальные исследования.

1. 2. Ветровая энергия

Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Россия - это страна с огромной территорией и разными климатическими зонами. Технический потенциал для ветроэнергетики составляет 6200 миллиардов киловатт часов, что в несколько раз превышает всё производство электроэнергии в стране. Около 70% территории России не имеют централизованного электроснабжения по причине большого расстояния между населёнными пунктами (иногда сотни и даже тысячи километров).

Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например - городами), без ущерба для хозяйственной деятельности.

Мы живем на дне воздушного океана, в мире ветров. Люди давно это поняли, они постоянно ощущали на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяснить многие явления. Наблюдением за ветрами занимались еще в Древней Греции. Уже в III в. до н. э. было известно, что ветер приносит ту или иную погоду. Правда, греки определяли только направление ветра. В Афинах около 100 г. до н. э. построили так называемую Башню ветров с укрепленной на ней "розой ветров" (башня существует по сей день, нет только «розы» ). В Японии и Китае также были известны розы ветров, изготовленные в виде драконов, они указывали направление ветра. Но главное назначение их было иное: отпугивать злых духов - чужие ветры. Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры, от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории - от наших западных границ до берегов Енисея. 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. По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 200 Вт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достижим не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэнергетические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину - генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них, мощностью 1250 кВт, давала ток на все электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г, Однако после поломки ротора опыт прервался - ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они (агрегаты) успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэн построил две мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами: 20 аккумуляторов по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестве резерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз получает от своих ветроэнергетических агрегатов 250 кВт/ч энергии; этого ему хватает для освещения всего хозяйства, питания бытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической пишущей машинки), а также для водяного насоса и хорошо оборудованной мастерской.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует высокая себестоимость

Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие - на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели и даже в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

Достоинства:

1. Экологически-чистый вид энергии (ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО₂, 9 тонн SO₂, 4 тонн оксидов азота).

2. Эргономика (ветровые электростанции занимают мало места и легко вписываются в любой ландшафт, а также отлично сочетаются с другими видами хозяйственного использования территорий).

3. Возобновляемая энергия (энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, неистощима).

4. Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест (для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и наиболее дешёвым решением).

Недостатки:

1. Нестабильность (нет гарантии получения необходимого количества электроэнергии; на некоторых участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки необходимого количества электроэнергии).

2. Относительно невысокий выход электроэнергии (ветровые генераторы значительно уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сразу нескольких турбин; кроме того, ветровые турбины неэффективны при пиковых нагрузках).

3. Высокая стоимость (стоимость установки, производящей 1 мега-ватт электроэнергии, составляет 1 миллион долларов).

4. Опасность для дикой природы (вращающиеся лопасти турбины представляют опасность для некоторых видов живых организмов; согласно статистике, лопасти каждой установленной турбины являются причиной гибели не менее 4 особей птиц в год).

5. Шумовое загрязнение (шум, производимый "ветряками") может причинять беспокойство диким животным и людям, проживающим поблизости.

Хранение ветровой энергии.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резерв, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы проектирования обычных, хотя и маломощных, аккумуляторных батарей до сооружения гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде, сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Американский ученый Уильям Херонимус считает, что производить водород за счет энергии ветра лучше всего на море. С этой целью он предлагает установить у берега высокие мачты с ветродвигателями диаметром 60 м и генераторами.

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

Воздушные потоки у поверхности Земли/моря являются ламинарными - нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров.^[10] Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире.^[11] Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность не прямо пропорциональна скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в десять раз. ^[12]

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 - 2 раза. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Использование энергии ветра

В 2008 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 120 ГВт. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии. Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардов американских долларов.

В 2007 году в Европе было сконцентрировано 61 % установленных ветряных электростанций, в Северной Америке 20 %, Азии 17 %.

Монтаж турбины.

Ветроэнергетика в России.

Россия обладает колоссальным суммарным потенциалом энергии ветра. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана на протяжении 12 тыс. км господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с. (Считается, что ветроустановки эффективны при среднегодовых скоростях ветра выше 4-5 м/с.) Суммарная мощность ветра на Севере достигает 45 млрд. кВт. Успешно работают ветроэлектростанции на Новой Земле, в Амдерме, на мысе Уэлен, на островах Врангеля, Шмидта, Командорах (остров Беринга). Ветроустановки успешно заменяют на Севере малые дизельные электростанции, для работы которых необходимо завозить дорогостоящее (иногда импортное) топливо. Только доставка топлива к дизельным электростанциям, расположенным на Севере Канады, обходится вдвое дороже его самого.

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 миллиардов кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.

Энергетические ветровые зоны в нашей стране расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Каспийского моря, на побережье Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14% - в Северном экономическом районе, около 16% - в Западной и Восточной Сибири.

Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.

Одна из самых крупных ветроэлектростанций России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Куликовская ВЭС состоит из 21 ВЭУ датской компании SЕАS Energi Service A.S. мощностью 225 кВт каждая. Её среднегодовая выработка составляет около 6 млн кВт·ч.

На Чукотке действует Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт (10 ветроагрегатов по 250 кВт) среднегодовой выработкой более 3 млн кВт·ч, параллельно станции установлен ДВС, вырабатывающий 30 % энергии установки.

Действует ветростанция в Башкирии, около деревни Тюпкильды Туймазинского района мощностью 2,2 МВт. Cреднегодовая выработка электроэнергии составляет около 2 млн кВт·ч.

В Калмыкии в 20 км от Элисты размещена площадка Калмыцкой ВЭС планировавшейся мощностью в 22 МВт и годовой выработкой 53 млн кВт·ч, на 2006 год на площадке установлена одна установка «Радуга» мощностью 1 МВт и выработкой от 3 до 5 млн кВт·ч.

В республике Коми вблизи Воркуты недостроена Заполярнаяя ВДЭС мощностью 3 МВт. На 2006 действуют 6 установок по 250 кВт общей мощностью 1,5 МВт.

На острове Беринга Командорских островов действует ВЭС мощностью 1,2 МВт.

Успешным примером реализации возможностей ветряных установок в сложных климатических условиях является ветродизельная электростанция на мысе Сеть-Наволок Кольского полуострова мощностью до 0,1 МВт. В 17 километрах от неё в 2009 году начато обследование параметров будущей ВЭС работающей в комплексе с Кислогубской ПЭС.

Как пример реализации потенциала территорий Азовского моря можно указать Новоазовскую ВЭС, действующей на 2011 год мощностью в 21,8 МВт, установленную на украинском побережье Таганрогского залива.

В 2003-2005 годах в рамках РАО ЕЭС проведены эксперименты по созданию комплексов на базе ветрогенераторов и двигателей внутреннего сгорания, по программе в посёлке Тикси установлен один агрегат. Все проекты, начатые в РАО, связанные с ветроэнергетикой переданы компании РусГидро. В конце 2008 года РусГидро начала поиск перспективных площадок для строительства ветряных электростанций.

Предпринимались попытки серийного выпуска ветроэнергетических установок для индивидуальных потребителей, например, водоподъёмный агрегат «Ромашка».

В последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объем реализации которых составляет 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт).

1.3. Энергия Солнца

Солнечная энергетика (Гелиоэнергетика)

Для древних народов Солнце было богом. В Древнем Египте, культура которого восход четвертому тысячелетию до н.э., верили, что род фараонов ведет свое происхождение от Ра - бога Солнца. Надпись на одной из пирамид представляет фараона как наместника Солнца на Земле, "который исцеляет нас своей заботой, когда выйдет, подобно Солнцу, что дает зелень землям. Каждый взор устрашится, когда увидит его в образе Ра, что встает над горизонтом". Своей жизнетворной силой Солнце всегда вызывало у людей чувства поклонения и страха. Народы, тесно связанные с природой, ждали от него милостивых даров - урожая и изобилия, хорошей погоды и свежего дождя или же кары - ненастья, бурь, града. Поэтому в народном искусстве мы всюду видим изображение Солнца: над фасадами домов, на вышивках, в резьбе и т. д.

Почти всe источники энергии так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ не что иное, как "законсервированная" солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен. Под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом, в результате длительных процессов, превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год дает человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает круговорот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить их и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю. Большая часть этой энергии рассеивается или поглощается, и только треть ее достигает земной поверхности. Но даже такая ничтожная величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Согласно легенде, Архимед, находясь на берегу, уничтожил неприятельский римский флот под Сиракузами. Как? При помощи зажигательных зеркал. Известно, что подобные зеркала делались также в VI веке. А в середине XVIII столетия французский естествоиспытатель Ж. Бюффон производил опыты с большим вогнутым зеркалом, состоящим из множества маленьких плоских. Они были подвижными и фокусировали в одну точку отраженные солнечные лучи. Этот аппарат был способен в ясный летний день с расстояния 68 м довольно быстро воспламенить пропитанное смолой дерево. Позднее во Франции было изготовлено вогнутое зеркало диаметром 1,3 м, в фокусе которого можно было за 16 секунд расплавить чугунный стержень. В Англии же отшлифовали большое двояковыпуклое стекло. С его помощью удавалось расплавлять чугун за три секунды, гранит - за минуту. На Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор, в сущности, первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Но принцип был тем же: большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час.

Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное 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. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

1. Фотовольтаика - получение электроэнергиис помощью фотоэлементов

2. Гелиотермальная- энергетика нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

3. Паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны.

4. Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).

5. Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства:

1. Общедоступность и неисчерпаемость источника.

2. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки:

1. Зависимость от погоды и времени суток.

2. Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

3. При промышленном производстве -- необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.

4. Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).

5. Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.

6. Нагрев атмосферы над электростанцией.

Сегодня, преобразуя солнечное излучение в электрическую энергию, мы руководствуемся двумя возможностями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах. Реализация обеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.

Энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

Устройство такого рода, плоский коллектор, - это черная плита хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше (на 200-500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого, поэтому коллектор, как правило, устанавливают под определенным углом к югу.

Более сложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки - фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу. Это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше. Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы. С 1938 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, домов отдыха, туристических маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистота воздуха, целебно для человека. Крымская СЭС невелика, мощность всего 5 МВт. В определенном смысле она проба сил. Хотя, казалось бы, чего еще надо пробовать, когда известен опыт строительства гелиостанций в других странах.

На острове Сицилия находится солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10- 20 МБ; и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.

Несколько иного типа электростанция в Алькери на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. Натриевый аккумулятор дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью.

Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные - до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях. По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

Электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточной выработкой 500 МВт-ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупная ГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной поверхности около 500000 м2. Ясно, что такое огромное количество солнечных полупроводниковых элементов может окупиться только тогда, когда их производство будет действительно дешево. Эффективность солнечных электростанций в других зонах Земли была бы мала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно слабой интенсивности солнечной радиации, которую даже в солнечные дни сильнее поглощает атмосфера. Тем не менее, солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле - в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы и зажигалки и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.). Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии. Нужны новые варианты, новые идеи. Недостатка в них нет. С реализацией хуже.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:

паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

 двигатель Стирлинга и т. д.

 гелио термальная энергетика - Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

 Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).

 Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Солнечные батареи на крыше здания Академии наук России.

Достоинства:

7. Общедоступность и неисчерпаемость источника.

8. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды.

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия 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 ^[7].

Использование солнечной энергии.

1) Освещение зданий

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток.

Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца - отверстие в потолке.

Световой колодец в Пантеоне, Рим.

Световые колодцы применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т. д.

2) Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015-2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта ^[7].

3) Солнечная кухня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства «солнечной кухни» составляет $3 - $7. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10 %. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн тонн СО₂. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров.

Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО₂ на 1,7 млн тонн в 2008-2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

4) Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °Сна вершине солнечной башни.

Солнечная башня, Калифорния.

В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

5) Солнечный транспорт

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д.

Беспилотный самолёт с фотоэлементами на крыльях.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

На 2010 г. солнечный пилотируемый самолет продержался в воздухе 24 часа.

Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго - месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

1.4. Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях.

Земля - маленькая зеленая планета, наш общий дом, из которого мы пока не можем да и не хотим, уходить. По сравнению с мириадами других планет, Земля, действительно, невелика: большая ее часть покрыта уютной и живительной зеленью. Но эта спокойная планета порой приходит в ярость, и тогда с ней шутки плохи - она способна уничтожить все, что милостиво дарила нам с незапамятных времен. Грозные смерчи и тайфуны уносят тысячи жизней, неукротимые воды рек и морей разрушают все на своем пути, лесные пожары за считанные часы опустошают огромные территории вместе с постройками и посевами.

Но все это мелочи по сравнению с извержением проснувшегося вулкана. Едва ли есть на Земле другие примеры стихийного высвобождения природной энергии, которые по силе могли бы соперничать с некоторыми вулканами. Свидетели знают о стихийных проявлениях энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже небольшого вулкана колоссальна, сна 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 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 oгнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли - геотермальная энергетика, базируется на использовании природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коры имеет термический градус, равный 20-30 °С в расчете на км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км, равно приблизительно 12,6-10л26 Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6-1016 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-109 Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического

происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин.

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.

Достоинства:

1. Возобновляемый источник энергии (во всяком случае, при условии, что в нагнетательную скважину не закачивается слишком много воды за слишком короткое время).

2. Геотермальная электростанция для работы не требует поставок топлива из внешних источников.

3. Эксплуатация геотермальной электростанции не требует дополнительных расходов, кроме расходов на профилактическое техобслуживание или ремонт.

4. Геотермальные электростанции не портят пейзаж и не требуют значительного землеотвода.

5. Обычная геотермальная электростанция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды.

Недостатки:

1. Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на ее возведение может быть проблематичным.

2. Иногда действующая геотермальная электростанция может остановиться в результате естественных изменений в земной коре, плохого выбора места или чрезмерной закачки воды в породу через нагнетательную скважину.

3. Через эксплуатационную скважину могут выделяться горючие или токсичные газы, или минералы, содержащиеся в породах земной коры. Избавиться от них достаточно сложно.

4. Стоимость установки геотермальной электростанции велика.

Геотермальная энергетика в России.

На 2016 г. в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м³/сутки. На 20 месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).

Все российские геотермальные электростанции расположены на Камчатке и Курилах, суммарный электропотенциал пароводных терм одной Камчатки оценивается в 1 ГВт рабочей электрической мощности. Российский потенциал реализован только в размере не многим более 80 МВт установленной мощности (2009) и около 450 млн. кВт·ч годовой выработки (2009).

1.5 Биотопливо

Биотопливо - топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (синтез-газ, биогаз, водород).

Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые - это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки). Жидкие топлива - это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут. Газообразные топлива - различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

1 января 2009 года в России введен в действие ГОСТ Р 52808-2007 «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения». Приказ N 424-ст о введении стандарта был утвержден Ростехрегулированием 27 декабря 2007 года.

Стандарт разработан Лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и устанавливает термины и определения основных понятий в области биотоплива, с упором на жидкие и газообразные виды топлива.

Достоинства:

1. Производство биотоплива осуществляется с помощью самых разнообразных органических материалов. Опираясь на это преимущество можно сказать, что такой вид альтернативной энергии может быть доступен каждому и кстати в любой стране и регионе в независимости от того какие там условия (климат, рельеф и многое другое).

2. Производство биотоплива в виде топливные брикеты производство поможет решить очень важную проблему окружающей среды, как утилизация мусора. Ведь имеются большие перспективы на решение такой экологически важной проблемы. О ней уже много лет думают большое количество людей, в том числе и ученые всего мира.

Недостатки:

1. Многие ученые беспокоятся о том, что уничтожение лесов нанесет очень большой вред окружающей среде. Но, как известно биотопливо производится не только с помощью деревьев, которые проходят такую процедуру, как сушка пиломатериалов</</font>.

2. Также некоторые ученые утверждают, что если выращивать большое количество разнообразных растений для производства, то это может привести к истощению плодотворности нашей планеты. Впоследствии многие страны третьего мира могут просто-напросто умереть с голода.

1.6. Управляемый термоядерный синтез

В качестве важной задачи для атомной отрасли, на долгосрочную перспективу, Президентом Российской Федерации поставлен выход на освоение технологий управляемого термоядерного синтеза как основы энергетики будущего. На решение этой задачи нацелен проект «Управляемый термоядерный синтез».

В настоящее время во всем мире принимаются стратегические решения по развитию и освоению новых источников энергии. Необходимость разработки таких источников связана с ожидаемым дефицитом производства энергии и ограниченностью топливных ресурсов.

Одним из наиболее перспективных инновационных источников энергии является управляемый термоядерный синтез (УТС). Энергия синтеза выделяется при слиянии ядер тяжелых изотопов водорода. Топливом для термоядерного реактора служат вода и литий, запасы которых практически не ограничены. В земных условиях реализация УТС представляет сложную научно-технологическую задачу, связанную с получением температуры вещества более 100 миллионов градусов и термоизоляцией области синтеза от стенок реактора.

Термоядерный синтез - это долгосрочный проект, создание коммерческой установки ожидается к 2040-2050 году. Наиболее вероятный сценарий овладения термоядерной энергией предполагает реализацию трех этапов:

- освоение режимов длительного горения термоядерной реакции;

- демонстрация производства электроэнергии;

- создание промышленных термоядерных станций.

В рамках международного проекта ИТЭР (международный термоядерный экспериментальный реактор) предполагается продемонстрировать техническую возможность удержания плазмы и получения энергии.

Основная программная цель проекта ИТЭР заключается в демонстрации научной и технической возможности получения энергии за счет реакций синтеза (слияния) изотопов водорода - дейтерия и трития. Проектная термоядерная мощность реактора ИТЭР составит порядка 500 МВт при температуре плазмы в 100 млн. градусов.

В ноябре 2006 года всеми участниками проекта ИТЭР - Европейским союзом, Россией, Японией, США, Китаем, Кореей и Индией подписаны Соглашения о создании Международной организации ИТЭР по термоядерной энергии для совместной реализации проекта ИТЭР. Этап сооружения реактора начался с 2007 года.

Участие России в проекте ИТЭР заключается в разработке, изготовлении и поставке на площадку сооружения реактора (г.Кадараш, Франция) основного технологического оборудования и внесению денежного взноса, составляющих в целом около 10% от полной стоимости сооружения реактора Такая же доля вклада у США, Китая, Индии, Кореи и Японии.

Решаемые задачи: достижение равенства затрат и выработки энергии Последнее поколение токамаков позволило вплотную приблизиться к осуществлению управляемого термоядерного горения с большим выделением энергии.

1.7. Водород и перспективы его использования

Сейчас автопроизводители только и говорят о водородных разработках. Что же такое водород? Рассмотрим его немного подробнее.

Водород - первый элемент химической таблицы, его атомный вес равен 1. Это одно из самых распространенных веществ во Вселенной, например из 100 атомов из которых состоит наша планета 17 - водород.

Водород - топливо будущего. Он имеет массу преимуществ по сравнению с другими видами топлива и имеет огромные перспективы его заменить. Он может быть использован абсолютно во всех отраслях современного производства и транспорта, даже газ, на котором готовиться пища, можно запросто, без каких либо переделок, заменить на водород.

Почему же водород не получил до сих пор широкого внедрения? Одна из проблем заключается в технологиях его получения. Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ - получение из вещества воздействием сильного электрического тока. Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос «А стоит ли игра свеч?». Но внедрение в производство электричества атомной энергии, энергии ветра и солнца, наверное, исправит эти проблемы.

Это вещество содержится практически во всех веществах, но больше всего его в воде. Как сказал писатель-фантаст Жюль Верн: «Вода - это уголь будущих веков». Это высказывание можно отнести к разряду предсказаний. Этого «угля» на поверхности больше чем чего либо еще, так что водородом мы будем обеспечены на долгие годы.

Об экологической чистоте водорода можно сказать только одно: при его сгорании и реакциях в топливных элементах образуется вода и ничего кроме воды.

Топливный элемент - пожалуй, самый эффективный способ получения энергии из водорода. Он работает по принципу батарейки: в топливном элементе имеется два электрода, между ними движется водород, происходит химическая реакция, на электродах появляется электрический ток, а вещество превращается в воду.

Поговорим о применении водорода в автомобилях. Идея замены обычного шумного и дымного бензина на абсолютно чистый газ возникла много лет назад, причем как в Европе так и в СССР. Но разработки в этой сфере велись с переменным успехом. А сейчас наступил апогей желания автопроизводителей получить независимость от нефти. Каждая, уважающая себя, компания имеет разработки в этой сфере.

Hydrogen в автомобиле может быть использован двумя способами: или сжигаться в двигателе внутреннего сгорания, или использоваться в топливных элементах. Основное количество новых концепткаров используют технологии топливных элементов. Но такие компании как Mazda и BMW пошли по второму пути и на это есть веские причины.

Автомобиль на топливных элементах - простая и чрезвычайно надежная система, но ее широкому распространению мешает инфраструктура. Например, если купить автомобиль на топливных элементах и использовать его в нашей стране, то на заправку придется ездить в Германию. А инженеры BMW пошли другим путем. Они построили автомобиль, использующий водород как горючее топливо, причем этот автомобиль может использовать как бензин, так и водород, как многие современные автомобили, оснащенные системой питания газ-бензин. Таким образом, если в вашем городе появилась хотя бы одна заправка, торгующая таким топливом - вы смело можете покупать водородный BMW Hydrogen 7.

Еще одной проблемой внедрения водорода - является его способ хранения. Вся сложность заключается в том, что атом водорода - самый маленький по размерам в химической таблице, а это значит, что он может проникать практически сквозь любое вещество. Это значит, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно, но верно его пропускать. Эта проблема сейчас решается химиками.

Еще одна загвоздка - сам бак. 10 кг водорода могут заменить 40 кг бензина, но дело в том, 10 кгвещества занимают объем 8000 л.! А это целый олимпийский бассейн! Для уменьшения объема газа его нужно сжижать, а сжиженный водород надо безопасно и удобно хранить. Баки современных водородных автомобилей весят около 120 кг, что почти в два раза больше стандартных баков. Но и эта проблема скоро будет решена.

Преимуществ у водородного топлива намного больше чем недостатков. Водород сгорает намного эффективнее, не имеет вредных веществ выхлопе, не производит сажи, а это значительно увеличивает ресурс автомобилей. Водород - легко возобновляемое топливо, поэтому природа не получит практически никакого вреда.

Основным препятствием водородных технологий является инфраструктура. Очень немногие в мире заправки на данный момент готовы заправить автомобиль водородом, хотя серийные автомобили на водороде уже производит Honda и готовиться к производству BMW. В странах бывшего советского союза о водородном автомобиле вообще можно пока и не мечтать. До появления водородных заправок пройдет еще не один год, а может и десяток лет. Остается ждать, когда же и мы вместе со всем миром начнем спасать планету от экологической катастрофы.

Глава 2. Опыт использования альтернативных источников энергии в мире

Вопрос о «мягких» источниках энергии не простой. Их называют еще альтернатив­ными, противопоставляя традиционным загрязняющим - углю, нефти, газу. Крупнейший советский физик академик П. П. Капица считал, что альтернативные источники в обозримом будущем не смогут серьезно потеснить традиционные энергоносители. Видимо, такая точка зрения справедлива, хотя важную роль при этом могут сыграть цены на нефть.

Площади отчужденных земель (в среднем), необходимые для производства 1 МВт электроэнергии в год на электростанциях разного типа

Тип станций

Площадь, м²

АЭС

630

ТЭС

на жидком топливе

870

на природном газе

1500

на угле

2400

Солнечные электростанции

100000

ГЭС

265000

Ветроэнергетические станции

1700000

Во-первых, неверно говорить об абсолютной экологической чистоте альтернативных источников. Например, для сооружения СЭС (станции на солнечной энергии) необходимо большое количество зеркал, металла и других материалов, и если включить «экологические затраты» на их производство, картина будет иной. Во-вторых, следует учитывать затраты, неизбежные при отчуждении земель под строительство станций этих типов.

В-третьих, и это самое важное, - себестоимость энергии на альтернативных станциях остается крайне высокой, однако для разных видов станций разрыв очень разнится.

Ветровая энергия ближе других альтернативных видов подошла к порогу рентабельности. Штат Калифорния уже стал крупнейшим в мире районом развития ветровой энергетики. За ним следует западное побережье Ютландского полуострова, где ФРГ и Дания создали свои «ветровые парки». В 1995 г. мощность подобных станций в Северной Америке достигла 1000 -1600 МВт, в Западной Европе - 1000-1500 МВт. За­метная доля ВЭС достигнута в Дании - до 10%. Общее число таких установок в мире составляет 20 тысяч, причем энергия ветра в этих районах становится почти конку­рентоспособной (1 кВт'Ч обходится в 6-8 центов). Дания - один из пионеров ветровой энергетики - превратилась в крупнейшего экспортера турбин средней мощности и продает их в ту же Калифорнию. Индия во второй половине 90-х годов планирует довести этот сектор до 5 млн кВт. Обширный план создания ветровых станций принят и в КНР. Однако для замены атомного реактора тепловой мощности в 1 млн кВт крупнейшими по сегодняшним понятиям ветроустановками (мощностью в 100 кВт) их потребуется 10 тысяч, что не очень равноценно, так как ветер дует отнюдь не круглый год даже в наиболее «продуваемых» районах.

В ведущих странах мира все более пристальное внимание привлекает гелиоэнергетика. Мировой рекорд эффективности солнечных батарей был достигнут сначала в Стэндфордском университете США (Калифорния), где 28,5% солнечной энергии, падающей на батарею, превращалось в электрическую. Позже этот рекорд на 2% был перекрыт учеными из Пало- Альто (в «Кремниевой долине» - крупнейшем научно-производственном комплексе мира).

Самые крупные СЭС построены тоже в Калифорнии, их типовая мощность невелика (30 тыс. кВт), а технология проста - системы вогнутых солнечных рефлекторов, нагреваю­щихся до 100-400 °С. Одна такая станция способна снабжать энергией до 10 тыс. американских домов. В пустыне Мохава, где находится тренировочный центр авиакосмической про­мышленности США, работает СЭС мощностью 355 МВт, т. е. примерно такой же, как средняя станция на угле или мазуте.

Если в 1970 г. стоимость 1 кВт • ч на СЭС была невероятно высокой и абсолютно неконкурентоспособной - 60 долл., то в 1980 г. она снизилась до 1 долл., а в 1990 г.- до 30 центов, однако и сейчас превышает стоимость энергии на газовой станции в 5 раз.

Однако в целом развитие гелиоэнергетики в мире идет медленно, в основном из-за высокой стоимости солнечных элементов.

Геотермальная энергетика по времени использования - наиболее старый источник альтернативной энергии. В 1994 г. в мире работало 330 блоков таких станций и здесь доминирова­ли США (168 блоков на «месторождениях» Гейзере в долине гейзеров, Империал Вэлли и др.). Второе место занимала Ита­лия, но в последние годы ее обогнали КНР и Мексика. Самая большая доля используемой геотермальной энергии прихо­дится на страны Латинской Америки, но и она составляет немного более 1 %.

В России перспективными в этом смысле районами являются Камчатка и Курильские острова. С 60-х годов на Камчатке успешно работает полностью автоматизированная Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт, на Курилах - станция на о. Кунашир. Такие станции могут быть конкурентоспособны лишь в районах с высокой отпускной ценой на электроэнер­гию, а на Камчатке и Курилах она очень высока в силу дальности перевозок топлива и отсутствия железных дорог.

Приливные станции - самые дорогие сооружения и пока это только потенциальный источник энергии. Районами их сооружения могут стать заливы и устья рек с очень высоким уровнем приливов. В заливе Фанди (Канада) он достигает 16,2 м, в устье р. Северн (Великобритания) - 14,5 м, в порту Гранвиль (Франция) - 14,7 м.

Во Франции работает крупная ПЭС на р. Ране мощностью 240 МВт, 25-летний опыт ее эксплуатации показал абсолютную экологическую чистоту таких сооружений: залив Се- Мало превратился в спокойное озеро, стал местом отдыха и туризма, плотина ПЭС имеет рыбоход и не влияет на миграцию рыб. В России с 1968 г. действует Кислогубская ПЭС, установленная мощность ее ничтожна - 0,7 МВт. Потенци­альных районов для строительства крупных ПЭС в стране несколько: Мезенская губа, Тугурский залив Охотского моря. Первая могла бы иметь мощность 15000 МВт, вторая - 10300. Однако капитальные затраты на сооружение гигантских плотин большой протяженности и трудности сооружения ПЭС в котловане с перемычками настолько велики, что в сегодняшних условиях эти проекты абсолютно нереальны.

Энергоноситель «биомасса» только условно можно назвать возобновляемым и альтернативным, ибо для созревания урожая (допустим, сахарного тростника) требуется один сезон, а для «скороспелых» видов деревьев (как делается на вырубленных «площадках» в Амазонии) - несколько лет. К тому же биомасса при ее сохранении тоже загрязняет атмосферу.

Атомная энергетика. На сегодня видимо только атомная энергетика способна резко и за достаточно короткий срок ослабить явление парникового эффекта. В какой-то мере это и происходит с 1973 г., когда доля атомной энергетики в приросте мирового производства электроэнергии составила 1/з.

В ряде развитых стран она уже заняла самые видные позиции. Доминирует здесь Франция - 73%. В этом плане показательна энергетическая политика Японии, которая предусматривает к 2020 г. достичь независимости в снабжении энергоресурсами. Страна, не имеющая нефти и газа и располагающая очень небольшими запасами угля, сможет добиться этого, развивая только атомную энергетику. Но для этого требуется уран, которого Япония тоже не имеет. Поэтому предусмотрено развитие атомной энергетики на базе реакторов - размножителей, самостоятельно производящих плутоний. В мире имеются разные точки зрения на перспективы строительства новых АЭС. По прогнозам, мощность АЭС в США в ближайшие годы будет продолжать расти, а затем ожидается ее стабилизация на длительный период. В Швеции прекращен ввод новых АЭС и намечен постепенный вывод из эксплуатации действующих. В то же время Франция и Япония намечают увеличивать не только абсолютную мощность своих АЭС, но и их удельный вес в электроэнергетике.

В России доля атомной энергии в производстве электроэнергии достигает 12%. Отмена строительства нескольких новых АЭС создала трудности в энергоснабжении ряда районов (Сев. Кавказа и др.). Наиболее высока доля АЭС в энергосистеме Северо-Запада (33%), Урала (23%) и Центра (22%). Трудности, возникшие в энергоснабжении в связи с распадом СССР, вынуждают некоторые государства (например, Армению) «размораживать» закрытые до этого по экологическим причинам АЭС.

Замена угля, нефти и газа атомной энергетикой уже привела к существенному снижению выбросов С02 и других парниковых газов. Если бы те 16% мирового производства электроэнергии, которые дают сейчас АЭС, производили бы угольные ТЭС, даже обслуживаемые самыми современными газоочистителями, то, по мнению специалистов, в атмосферу поступало бы дополнительно 1,6 млрд т углекислого газа, 1 млн т окислов азота, 2 млн т окислов серы и 150 тыс. т тяжелых металлов.

В нашей стране проблема нехватки энергоносителей и электроэнергии пока остро не стоит. Но поскольку цены на нефть все растут, а запасы ее отнюдь не бесконечны, то эта проблема может остро проявиться в относительно недалеком будущем. В России есть условия для использования всех типов возобновляемых источников энергии.

Однако вложения в эту отрасль окупаются далеко не сразу. И несмотря на то, что в перспективе электростанции, использующие возобновляемые источники энергии окупают себя, начальные капиталовложения очень велики, и далеко не всякое предприятие может себе это позволить. К тому же, электроэнергия, получаемая из традиционных источников все еще дешевле, хотя при существующих темпах роста тарифов нельзя быть уверенным, что через несколько лет ситуация не изменится. Энергия же, получаемая из возобновляемых источников становиться все дешевле. А как только использование альтернативных источников станет выгодным, в эту отрасль тут же последуют огромные капиталовложения. Но у традиционных, экологически вредных видов электростанций есть важное преимущество перед альтернативными - их мощность и относительно малые площади. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что полностью вытеснить традиционные энергоносители из использование альтернативным в обозримом будущем не удастся.

У возобновляемых источников энергии хорошие перспективы массового применения в северных районах нашей страны, где нет единой энергосети. Их уже активно используют, но перспективы расширения там еще велики.

Спрос на маломощные установки, использующие возобновляемые источники энергии в нашей стране довольно низок по нескольким причинам. Первая из них - высокие начальные капиталовложения. Вторая - психологический фактор. Люди привыкли к использованию существующих энергосетей, многие просто не доверяют новым технологиям. Поэтому без длительной и дорогостоящей рекламной компании нечего и думать о появлении высокого спроса на маломощные установки, работающие на альтернативных источниках энергии, со стороны населения. Шум производимый ветряными электростанциями, самыми дешевыми из альтернативных, сильно снижает их привлекательность в глазах покупателей.

Я считаю, что в скором времени одна или несколько крупных компаний, работающих в области энергетики начнут внедрять электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии. Они способны на крупные капиталовложения, и при постепенном внедрении нового товара, смогут сохранить свои позиции на рынке электроэнергии, а то и улучшить его. Но они начнут это только когда получат государственную поддержку, в том числе и материальную, либо когда запасы традиционных энергоносителей подойдут к концу.

Глава 3. Энергетические проблемы России

После распада Союза доминировавшие до этого проблемы энергетики (энергозатратность экономики, устаревшее энергетическое оборудование, удорожание добычи основных энергоносителей, проблема ликвидации последствий чернобыльской катастрофы) дополнились новыми, не менее сложными:

1. сужением угольной базы («отпали» Карагандинский бас­сейн и Донбасс);

2. резким падением добычи угля и нефти;

3. угрозой распада Единой энергетической системы;

4. платой за транзитную транспортировку газа в Западную Европу через территорию Украины;

5. ориентацией топливного комплекса Туркмении, богатой газом и нефтью, на внешние рынки вне СНГ;

6. т Выработка электроэнергии, %

   1990

   2000

   2015

   ТЭС

   73,8

   72,8

   71,0

   ГЭС

   15,1

   13,8

   13,2

   АЭС

   11Д

   13,4

   16,8

   
   
   
   
   
   
   рудностями энергоснабжения тех районов, которые раньше получали топливо и энергию с Украины (Северный Кавказ).

Нужно вырабатывать новую энергетическую концепцию. На ближайшие десятилетия в энергетической стратегии России приоритет отдается газовой промышленности. Значительное место отводится и ядерной энергетике. Ее развитие предполагает два этапа: на первом - техническое перевооружение отрасли, на втором - наращивание мощностей.

Доля ТЭС остается почти неизменной, доля ГЭС снизится, а существенно увеличится лишь доля атомной энергии.

В европейской части России очень высока степень использования гидроэнергетического потенциала - 42,4%, даже в Восточной Сибири она достигает 27,1%. Но в ряде районов гидроэнергетика снимает значительную часть экологической нагрузки: так в Поволжье мощность Куйбышевской, Чебоксарской и Саратовской ГЭС составляет 5000 МВт, а всех тепловых станций - 7400 МВт, при этом подавляющая часть их работает на газе и мазуте (на угольные станции приходится всего 0,5% мощностей).

Вредное воздействие угольных ТЭС и очень высокие капиталовложения в очистное оборудование делают их неконкурентоспособными. Обвальное падение добычи нефти и необходи­мость ее экспорта для получения твердой валюты делают маловероятным и строительство новых крупных ТЭС на мазуте, кроме районов нефтедобычи в Западной Сибири (они дают сейчас более 70% всей добычи в России) и на европейском Севере.

В европейской части России очень высока степень использо­вания гидроэнергетического потенциала - 42,4%, даже в Восточной Сибири она достигает 27,1%. Но в ряде районов гидроэнергетика снимает значительную часть экологической нагрузки: так в Поволжье мощность Куйбышевской, Чебоксарской и Саратовской ГЭС составляет 5000 МВт, а всех тепловых станций - 7400 МВт, при этом подавляющая часть их работает на газе и мазуте (на угольные станции приходится всего 0,5% мощностей).

Таким образом, стабильная газодобыча и атомная энергети­ка являются опорой энергетического хозяйства России.

Дополнительные аргументы: почему нужно развивать атомную энергетику?

Для России, вступающей в рыночную экономику, только ядерная энергетика способна обеспечить производство стабильно дешевой электроэнергии и предотвратить сползание в энерго-экономическую и ценовую бездну.

Имеющиеся в России запасы добытого урана обладают электропотенциалом в 15 трлн кВт/ч. Электропотенциал оружейного ядерного материала - 12-14 трлн кВт/ч. Это столько, сколько смогут выработать все наши электростанции за 35 лет.

Эти запасы смогут сэкономить 7 трлн м газа, которых хватило бы для экспорта в нынешнем объеме в Западную Европу в течение 110 лет! Между тем Минтопэнерго фактически осуществило общенациональный перекос в сторону опасной моноресурсной энергетики, потребление в ней нефтегазового топлива превысило 60%.

Атомная энергетика дает 12% выработки всей электроэнергии в России и является чуть ли не единственной отраслью, не снизившей объем производства в годы экономическо­го спада. Конечно, чернобыльская катастрофа резко замедли­ла ввод в строй новых АЭС и сделала первостепенной задачей усиление их безопасности, тем более что на территории быв­шего СССР находятся в эксплуатации 16 энергоблоков с реак­торами чернобыльского типа. Модернизация этих и других станций проводится с помощью Комиссии европейских сообществ.

Вместе с тем альтернативы развитию атомной энергетики нет. Возместить 40000 МВт электрической мощности, которые потеряла бы страна при отказе от атомной энергетики - это значит построить 10 новых крупнейших ТЭС и ежегодно добывать и сжигать 170-180 млн т угля со всеми вытекающими отсюда экологическими последствиями. К тому же компания на Западе об особой ненадежности советских реакторов вызвана и конкуренцией на мировом рынке атомного оборудования.

Проблема захоронения ядерных отходов на территории Российской Федерации

Проблема захоронения ядерных отходов известна сейчас каждому. Однако, когда, почему и как она остро встала в нашей стране, знает далеко не каждый.

Активная общественная дискуссия о предложении Минатома РФ открыть границы России для ввоза ядерных отходов из-за рубежа началась в 1998 году. Евгений Адамов, министр по атомной энергии, предложил таким образом зарабатывать средства на развитие атомной отрасли. Кроме того, за счет этих средств предлагается финансировать и экологические программы, которые атомная индустрия обязана осуществлять около своих объектов. Но статья 50-я Закона об охране окружающей среды запрещает ввоз на территорию России радиоактивных отходов. Чиновники Минатома и ряд депутатов ГосДумы, считают, что закон необходимо изменить с тем, чтобы заработать на ввозе отходов из расчета миллион долларов за тонну.

Ядерные отходы, о которых идет речь, это отработанное ядерное топливо иностранных АЭС (ОЯТ). Опаснее этого вида радиоактивных отходов только атомная бомба. Такие отходы в большинстве стран хранятся в специально оборудованных хранилищах, способ их захоронения не определен ни в одной из ядерных держав по причине чрезвычайной сложности процесса, ведь ОЯТ будет сохранять смертельный уровень излучения многие сотни лет. Во время лоббирования в Госдуме законопроектов, разрешающих ввоз в Россию отработанного ядерного топлива (ОЯТ), атомщики обещали заработать 20 млрд долл. в течение 10 лет. Десять процентов от этой суммы, 2 млрд долл., должны были составить отчисления в бюджет. То есть каждому россиянину обещано примерно по полтора доллара в год в течение 10 лет. В то же время первоначальные инвестиции, необходимые для запуска этой программы, оценивались самим же Минатомом в те же 2 млрд долл. По оценкам других специалистов, в том числе из Госатомнадзора, эти изначальные затраты будут гораздо больше. Согласно плану, разработанному в Минатоме РФ, в течение ближайших 10 лет в Россию будет ввезено около 20 тыс. тонн ядерных отходов (отработавшее ядерное топливо с зарубежных АЭС). Законопроекты, изменяющие законы "Об охране окружающей среды" и "Об использовании атомной энергии", направлены на легализацию ввоза ядерных отходов. 21 декабря 2000 года Госдума приняла эти законопроекты в первом чтении, поверив в обещание атомной индустрии выручить до 20 миллиардов долларов на этой операции. С тех пор массовые протесты ввозу отходов прошли в более чем 30 городах России и более 20 региональных законодательных собраний в России выразили свой протест планам ввоза в Россию ядерных отходов. Однако, большинство депутатов Госдумы не желает прислушиваться к мнению 93,5% граждан страны. Именно столько людей выступает против ввоза ядерных отходов по опросу РОМИР.

Заключение

Энергия - это движущая сила любого производства. Тот факт, что в распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, в значительной степени способствовал индустриализации и развитию общества. Однако в настоящее время при огромной численности населения и производство, и потребление энергии становится потенциально опасным. Последние события на японской Фукусиме - яркий тому пример. Наряду с локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха и воды, эрозией почвы, существует опасность изменения мирового климата в результате действия парникового эффекта.

Человечество стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить благополучия людей, а с другой - сохранение существующих темпов ее производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды, серьезному ущербу для здоровья человека.

Сегодня около половины мирового энергобаланса приходится на долю нефти, около трети - на долю газа и атома (примерно по одной шестой) и около одной пятой - на долю угля. На все остальные источники энергии остается всего несколько процентов. Совершенно очевидно, что без тепловых и атомных электростанций на современном этапе человечество обойтись не в состоянии, и все же, там, где возможность, следует внедрять альтернативные источники энергии, чтобы смягчить неизбежный переход от традиционной энергетики к альтернативной. Тогда будет жизненно важно, сколько солнечных батарей успеет вступить в действие, сколько заработает "мини-ГЭС" и приливных станций, открывающих дорогу тысячам других, сколько цепочек ветряков встанет по горам и сколько цепочек волновых буйков закачается у побережий.

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету, суверенитет государств, обладающих запасами невозобновимых природных ресурсов, находится под угрозой. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро, влияют на подвижность материковых плит.

Первая половина 20 века ознаменовалась крупнейшей победой науки - техническим решением задачи использования громадных запасов энергии тяжелых атомных ядер - урана и тория. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана и тория хватит лишь на 100 - 200 лет. За этот же срок исчерпаются запасы угля и нефти.

Вторая половина 20 века стала веком термоядерной энергии. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах.

В термоядерных реакторах, безусловно, будет использоваться не обычный, а тяжелый водород. В результате использования водорода с атомным весом, отличным от наиболее часто встречающегося в природе, удастся получить ситуацию, при которой литр обычной воды по энергии окажется, равноценен примерно 400 литрам нефти. Элементарные расчеты показывают, что дейтерия (разновидность водорода, которая будет использоваться в подобных реакциях) хватит на земле на сотни лет при самом бурном развитии энергетики, в результате чего проблема заботы о топливе отпадет практически навсегда.

И все-таки вновь и вновь мы обращаемся к вопросу, из какого материала и какими методами в будущем человечество должно получать энергию?

На сегодня существует несколько основных концепций решения проблем:

1. Расширение сети станций на урановом топливе.

2. Переход к использованию в качестве ядерного топлива тория-232, который в природе более распространен, нежели уран.

3. Переход к атомным реакторам на быстрых нейтронах, которые могли бы обеспечить производство ядерного топлива более чем на 3000 лет, в настоящее время является сложной инженерной проблемой и несет в себе огромную экологическую опасность в связи с чем испытывает серьезное противодействие со стороны мировой экологической общественности и является малоперспективным.

4. Освоение термоядерных реакций, во время которых происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий .

В настоящее время наиболее разумным представляется развитие энергетики в расширении сети урановых и уран-ториевых атомных станций в период решения проблемы управления термоядерной реакцией.

Однако, главная проблема современной энергетики - не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая и политическая обстановка: еще задолго до того, как будут использованы все мыслимые ресурсы, разразиться экологическая катастрофа, которая превратит Землю в планету, совершенно не приспособленную для жизни человека.

Опрос: Проведя опрос в своей группе о наилучшем виде источников энергии: альтернативные (ветряки, солнечные электростанции и т.д.) или углеводородные (нефть, газ и т.д.); я составила следующую диаграмму:

Выводы и предложения

Проанализировав проблему, я пришла к выводу, что в процессе глобализации и интеграции всем странам мира , в том числе и России, стоит придерживаться так называемого оптимистического глобального вопроса, который в конечном итоге сводится к стратегии устойчивого развития.

Некоторые, на мой взгляд, наиболее эффективные способы использования альтернативной энергии общемирового масштаба:

Для ядерной энергетики выходом может послужить строительство реакторов-размножителей - они вырабатывают энергию и, в то же время. производят ядерное топливо. При использовании реакторов этого типа запасов урана хватит не менее чем на 6000 лет. Кроме того, в Германии, Франции, Италии вновь были введены в действие программы переработки угля в жидкое топливо, напоминающее бензин. Это смягчит последствия нефтяного кризиса. Предлагаются и другие заменители нефти, в том числе, продуты переработки древесины.

В Бразилии часть транспорта переведена с бензина на спирт, получаемый из стеблей сахарного тростника. Там также проводились испытания турбореактивных двигателей, работающих на топливе «прозен», состоящем из смеси растительных масел. Конечно, подобные виды горючего дороги и не могут производиться в больших количествах. Я считаю. Что нефтехимии России следует сделать особый акцент на развитие такого перспективного вида топлива.

То же относится и к энергии солнца, ветра. У России высокий научный потенциал, позволяющий создавать долгосрочные и относительно недорогие проекты использования АИ такого типа на нашей территории, опережая другие страны мира.

Более перспективно использование в качестве топлива дешёвого и экологически чистого водорода. На таком горючем уже ездят тысячи автомобилей в крупных городах.

Сохраняются перспективы развития ядерной энергетики, в частности овладение процессом управляемого термоядерного синтеза. Этот процесс основывается на использовании высокотемпературной плазмы - ионизированной смеси дейтерия и трития. Если удастся освоить эту технологию, человечество получит неисчерпаемый источник энергии. Все эти ресурсы относятся к возобновляемым. Однако, их восстановление сильно отстаёт от роста потребления.

Я считаю для нашей страны очень важно развивать альтернативную энергетику в следующих направлениях:

- создание принципиально нового оборудования взамен устаревшего;

- расширение реализации проекта термоядерного синтеза, включающего три этапа:

- модернизация имеющихся станций, работающих на реакторах чернобыльского типа;

- увеличение мощностей имеющихся станций и строительство новых;

- правильное, продуманное использование природных и погодных условий для перехода к АИ (например, для гидроэнергетики наибольший потенциал представляют территории Восточной Сибири и Европейской части России);

- использование имеющегося потенциала для более широкого распространения ветрогенераторов в качестве АИ.

Если население Земли будет увеличиваться с той же скоростью, что и сейчас, все виды ресурсов истощатся в ближайшие 200 лет - таков неутешительный вывод экспертов. Даже если люди всего мира согласятся с этим и перейдут на ресурсосберегающие технологии, то успеют ли они перестроиться за столь ограниченное время? На этот вопрос чёткий ответ дают только технологии АИ.

Используемая литература

I Источники:

1. Солнечная энергетика и солнечные батареи (solar-battery.narod.ru)

2. Интернет версия журнала «Наука и жизнь»

II Исследования:

3. Дементьев Б. А. Ядерные энергетические реакторы. М., 1984

4. Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. Кн. 3. М., 1985

III Справочные издания

5. Ф. Н. Мильков Общее землеведение-с.567-568

6. Б. С. Залогин 0кеаны-с.231-240

7. Б. С. Залогин Океан и человек-с.146-148

8. М. Р. Плоткин Основы промышленного производства-с.354-361

9. М. М. Дагаев Астрофизика-с.127-12

10. Л.Д.Юдасин. Энергетика: проблемы и надежды. - М., 1990 - с.344-356

11. Г.Г.Чибриков. Интернационализация хозяйственной жизни и глобальные проблемы современности. - М., 1989 - с. 227-244