Часть 4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ

Возобновляемые энергоисточники

Возобновляемые энергоисточники можно сгруппировать в пять категорий: солнечные, ветряные, водные, геотермальные и биомасса. Категория «водные» включает энергию, получаемую от рек и океанов. Все эти источники энергии, кроме геотермальных, существуют благодаря энергии Солнца. Биомасса состоит из растительного вещества, которое накопило свою энергию от солнечной путем фотосинтеза. Реки питаются дождями, которые возникают из-за испарения океанов и озер под действием солнечного тепла. Ветер дует над поверхностью земли вследствие неравномерного нагревания поверхности Земли Солнцем. Геотермальная энергия - это энергия подземного тепла. Мы рассмотрим только наиболее разработанные и перспективные источники.

§ 20. Солнце

Солнце посылает в отрытый космос огромный диапазон длин волн. Около одной трети доходящего до нас солнечного излучения приходится на инфракрасное излучение (тепловые лучи). Человек не может видеть ультро-инфра-микроволновое и, тем более, рентгеновское излучение. Видимый свет - это не более одного процента от общего излучения солнца.

Плотность потока солнечного излучения прошедшего все слои атмосферы и дошедшего до Земли от Солнца, составляет примерно 1 кВт/м•кв. Солнечное излучение состоит из фотонов которые, отрываясь от поверхности Солнца, несут энергию от 1 до 3 эВ. (электрон-вольт). Фотоны - это световые частицы, несущие количество энергии, которые, попадая на предметы, могут выбивать электроны с поверхности предмета. Этим объясняется фотоэффект.

Волновой диапазон солнечного излучения

Рис. 3.1. Волновой диапазон солнечного излучения

На поверхности Земли мы уже видим как прямой поток, так и рассеянное атмосферой излучение.

Из всех существующих возобновляемых источников энергии, солнце, наряду с ветром, является самым доступным и экологически чистым. Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы: как уловить его наибольший поток, сохранить и передать тепло потребителю без потерь.

 

На сегодня специалисты, работающие над этими вопросами, достигли больших успехов. Они создали всевозможные устройства: сушилки, печки, коллекторы, опреснители воды, концентраторы, фотоэлементы и многие другие. Можно с уверенностью говорить, что эти устройства будут быстро внедряться, так как их стоимость с каждым годом снижается. A в некоторых странах правительства выплачивают деньги тем, кто использует возобновляемые источники энергии у себя дома. Таким образом государство способствует внедрению технологий альтернативных источников энергии.

Самыми распространенными способами использования солнечной энергии, как и много лет назад, являются установки, не требующие капитальных вложений, но дающие необходимую энергию для таких бытовых нужд, как опреснение воды, нагревание воды и отопление домов. Нагревание воды и отопление домов мы рассмотрим более подробно, так как важно понять, что происходит с теплом и куда оно девается. К тому же, Вы сами у себя дома можете попробовать использовать полученные знания.

Опреснение воды

Для жизнедеятельности человека в пустынных районах необходимо наличие пресной воды. Многие пустынные районы имеют значительные запасы соленой воды и намного дешевле ее опреснять, чем привозить из других мест.

солнечный дистилятор-бассейн

Рис. 3.2.

Самым простым устройством является солнечный дистилятор-бассейн (рис. 3.2). Он состоит из неглубокого бассейна с черными стенками и дном и прозрачной паронепроницаемой крышкой, заполненного соленой водой. Поток солнечной энергии, прошедший через крышку, нагревает воду, часть которой при этом испаряется. Водяной пар, вследствие тепловой конвекции, поднимается вверх с нагретой поверхности и осажда ется на более холодной крышке. Затем уже капли воды скатываются по крышке в желоб, откуда и идут на потребление.

Нагревание воды и отопление домов

Ранее для этой цели использовали открытые резервуары (рис. 3.3а), затем стали создавать изолированные, в которых температура повышалась в несколько раз (рис. 3.3б) и вакуумные, где потери тепла полностью отсутствуют (рис. 3.3в).

Нагревание воды

Рис. 3.3.

Ниже, в задачах мы дадим несколько примеров, как можно самим построить это у себя дома.

черный бак или бочка, расположенная на солнце

Самый простой способ - черный бак или бочка, расположенная на солнце (рис. 3.4). Таким образом, у Вас нагреется вода, например, для душа, в ясный летний день.

А если подобный бак Вы поместите в ящик со стеклянной крышкой и хорошо изолируeте (рис. 3.5), затем расположите на южную сторону, то тогда Вы сможете принимать душ или мыть посуду даже в более прохладный и облачный день.

бак в ящике со стеклянной крышкой
Рис. 3.4. Рис. 3.5.

А вот еще одна более усовершенствованная система для нагревания воды, которую Вы сами сможете сделать (рис. 3.6). Описание вы найдете в конце главы.

В данном случае эффективность повышается из-за того, что меньший объем теплоносителя (здесь это вода) циркулирует через площадь, поглощающую большее количество солнечного излучения, а потери тепла сокращаются за счет хорошей изоляции.

Мы сможем более регулярно использовать солнечные системы и внешние нагреватели воды для отопления домов. Конечно, они более удобны в регулировании, подаче в нужное место, аккумулировании и позволяют получать достаточно высокие температуры.

Но, для того, чтобы получить максимальный эффект, можно строить большие комплексы с использованием дорогих материалов (медь, алюминий).

Вот так выглядит коллектор, способный нагреть воду до +90 °С. Преимушества таких систем - увеличение степени поглощения солнечного излучения и при хорошей изоляции возможность сохранять тепло в зимнии дни. Как правило, такие комплексы интегрируются в систему отопления жилых домов.

усовершенствованная система для нагревания воды
Рис. 3.6.

Отопление солнечным излучением

Идея отапливать дома энергией солнечного излучения известна с древнейших времен, когда наши предки строили дома окнами на юг (для человечества живущего на северном полушарии). Но и в наше время мы можем видеть, как инженеры проектируют муниципальные и частные дома, основанные на пассивном отоплении. При простых архитектурных приспособлениях, путем удачного расположения окон, стен и крыши можно сэкономить тепло, а значит и деньги. На практике дома с пассивными системами отопления обогреваются еще лучше, если в них имеются вентиляторы, благодаря которым теплый воздух циркулирует между комнатами.

   

Почему же комната нагревается? На этот вопрос ответ, вспомнив свойства солнечного излучения, описанные в самом начале главы.

Из всего диапазона длин волн солнечного излучения (см. рис. 3.1.) в дневное время суток в наш дом лучше всего проходит сквозь стекло коротковолновое излучение. Там оно нагревает предметы и переходит в часть длинноволнового излучения, которое не может пройти обратно через стекло, то есть наружу. Таким образом, комната постепенно нагревается. Вы наверно уже читали о парниковом эффекте, который таким образом нагревает нашу планету, но там длинноволновые лучи не могут выйти в космос из-за нашей атмосферы, где скопились парниковые газы.

   

Солнечные системы для получения электричества

Концентрация солнечной энергии позволяет получать высокие температуры (до +70 °С), что вполне достаточно для работы теплового двигателя. К примеру, если создать параболический концентратор диаметром до 30 м, то его мощность составит 700 кВт, а этого вполне достаточно для получения 200 кВт электроэнергии.

   
 

Существуют станции, состоящие из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за солнцем. Таких концентраторов может быть несколько десятков и более. Все они передают солнечную энергию жидкости теплоносителю, которая собирается от всех коллекторов к центральной энергостанции и, преобразуясь в парогенераторе, поступает далее в виде электричества потребителю.

А вот еще один наиболее распространенный способ, позволяющий получать электрическую энергию прямо из солнечного излучения. Вы встречаете этот способ на каждом шагу - это фотоэлементы. Хотя у них есть один недостаток, как и у всех устройств работающих от солнечного излучения - они работают только при ясном солнечном дне. Принцип действия их прост.

Как Вы уже знаете, свет представляет собой частицы, их называют фотонами. Они несут энергию, количество ее зависит от того в какой области, длинноволновой или коротковолновой они находятся. Попадая на предметы, они выбивают электроны с его поверхности. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом и может происходить на металлической поверхности, в жидкости и в отдельном атоме газа. Самым простым и удобным материалом является металл.  Однако не все металлы могут дать одинаковый для всех фотоэффект. Так медь и платина неспособны дать эффекта при воздействии видимой части спектра. Самым лучшим материалом оказался кремний. К тому же на Земле по запасам он на втором месте после кислорода, что в будущем будет способствовать его масштабному освоению.

карманные калькуляторы

Развитие фотоэлементов происходило интенсивно по мере освоения космоса, когда создавались фотобатареи для спутников и космических станций. Лишь в конце XX века промышленность настроилась на народное хозяйство.

Вы наверно встречали карманные калькуляторы или часы? К нашему счастью, цены на них постоянно падают, и мы уже видим их применение в жилом комплексе, автотранспорте и быту.

 

Задачи:

СОЛНЕЧНАЯ ПЕЧЬ

Вам необходимо:

  1. Ящик из картона или досок (примерно 30x40x20);
  2. Аллюминевая фольга (около 0, 5 кв. м);
  3. Стекло или органическое стекло (размер по крышке ящика);
  4. Веревка (примерно 1 метр);
  5. Клейкая пленка (скотч, самоклейка);
  6. Термометр;
   

Далее Вы должны:

  1. Покрыть ящик внутри фольгой.
  2. Покрыть крышку ящика фольгой (лучше разглаженной).
  3. Прикрепить веревку на внешнюю сторону крышки ящика (для регулирования позиции крышки).
  4. Закрыть ящик стеклом, установить ящик на солнце и отрегулировать позицию крышки для оптимального отражения солнечных лучей на на внутреннюю часть ящика .
  5. Положите термометр в ящик и следите за повышением температуры.
  6. Измерьте, какой максимальной температуры внутри ящика удалось достичь.
  7. Попробуй что-нибудь приготовить в печи: яичницу, чашку чая, сварить сосиски или что - нибудь другое (расположите кастрюльку или сковородку в центре ящика).
 

Дополнительные вопросы:

  1. Сколько стоит постройка солнечной печки? Сколько стоит приготовление яичницы на дровах? Сколько дров необходимо обычной семье для приготовления пищи в течении одного года?
  2. Сделайте дополнительные «крылья» из фольги для ящика. Повысит ли это температуру в ящике?

СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Вот один из способов сделать самому солнечный коллектор для нагревания воды. Возьмите неглубокий металлический ящик (глубина должна быть достаточной для размещения там жестяного листа и изоляции), темный жестяной лист равный по площади внутренней площади ящика, и пластиковый шланг (рис. 3.8.). В стенках жестяного ящика в противоположных углах расположены «сгоны» - углубления для шланга.

солнечный коллектор для нагревания воды

Рис. 3.8.

Затем все по порядку уложите в жестяной ящик. Вначале изоляцию (это может быть солома, ветошь, тряпка), потом темный жестяной лист, который лучше покрасить в черный цвет (это больше уловит солнечных лучей) и затем шланг из ПВХ поверх листа и закрепите, чтоб не болтался.

Оба конца вставьте в сгоны. Все это накройте листом стекла толщиной 3 - 4 мм и места контакта стекла с жестяным корпусом постарайтесь изолировать от воды и воздуха.

Подсоединив свободные концы шланга к баку, заполненному водой (один конец - в верхней части бака, другой - в нижней) вы получите простое устройство для нагрева воды (рис. 3.9.).

простое устройство для нагрева воды

Рис. 3.9.

Подумайте и ответьте

  1. Какую одежду лучше надеть в жаркий солнечный день - светлую или темную? Почему?
  2. На дачных участках многие устраивают душ, устанавливая над душевой кабиной бак с водой, которая нагревается солнцем. В какой цвет надо красить этот бак? Какое это использование солнечной энергии - пассивное или активное?
  3. Выгодно ли использовать солнечные элементы для получения электроэнергии в С. - Петербурге? Почему?
  4. Почему именно работа над космическими программами сильно продвинула вперед использование солнечных элементов для получения энергии?

§ 21. Биоэнергия

Это больше, чем обогрев с помощью древесины

Биоэнергия была самой распространенной формой энергии до тех пор, пока человечество не начало использовать гидроэнергию и энергию невозобновляемых источников. Выбросы углекислого газа от сжигания биотоплива не изменяют содержания углекислого газа в атмосфере до тех пор, пока сжигаемое количество не превышает ежегодный прирост биомассы. Это происходит потому, что деревья и растения потребляют углекислый газ для своего роста. Мы об этом уже рассказывали в прошлой главе.

Что такое биоэнергия

Энергия, которая получается из различных видов биологической массы (биомассы) называется биоэнергией. Откуда же взялась энергия, заключенная в биомассе? От Солнца. Зеленые листья улавливают солнечное излучение в процессе фотосинтеза с помощью особого зеленого вещества - хлорофилла. В результате фотосинтеза из простых химических веществ - углекислого газа и воды - синтезируются*органические вещества и выделяется кислород.

Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле, пожалуй, нет более удивительного процесса, который смог бы в такой степени преобразовать нашу планету. Фотосинтез - энергетическая основа биологических процессов. Энергия при фотосинтезе образуется в очень удобной для биологического использования форме - молекулярной, в виде богатых энергией химических связей в сахарах, белках, жирах, которые в любой момент могут быть использованы растениями для роста, а затем и съевшими эти растения животными или людьми. Именно благодаря фотосинтезу солнечная энергия может быть запасена на миллионы лет (при образовании нефти, газа, угля, торфа). Практически вся живая материя на Земле представляет собой прямой или отдаленный результат фотосинтетической деятельности растений.

Масштабы фотосинтетического преобразования солнечной энергии огромны. Общее потребление энергии в мировом масштабе составляет только 10% всей энергии, запасаемой за год благодаря фотосинтезу! Оберегая от вырубки леса - легкие нашей планеты, мы сохраняем и преумножаем результаты фотосинтетического труда миллиардов растений, а с ними - жизнь на Земле. Запасенная через фотосинтез в биомассе солнечная энергия сама может служить потом источником энергии. Обычно это тепловая энергия. Но из биомассы можно производить и электроэнергию, жидкое топливо и водород.

Приведем примеры самых важных источников биомассы:

Распространенными источниками биомассы являются отходы бумажной и деревообрабатывающей промышленности, санитарная вырубка лесов.

Общий прирост биомассы на Земле достигает 130 миллиардов тонн сухого вещества в год. Это соответствует 660 000 ТВт•ч в год. Мировое потребление биоэнергии составляет 15 000 ТВт•ч в год, это примерно 15% мирового энергопотребления. Для половины на селения мира биомасса является основным энергоисточником. Россия обладает более 1/5 мировых запасов древесины.

Возможности для роста потребления биоэнергии велики, частично путем увеличения производства и использования биомассы, частично путем улучшения энергопроизводства. Но увеличение потребления биомассы в производстве энергии может вступить в противоречие с необходимостью увеличения использования биомассы в производстве продуктов питания для растущего населения Земли.

От биомассы к биоэнергии

Зная природу фотосинтеза, можно уже сделать выводы о преимуществах использования биомассы как источника энергии, при сжигании которого содержание углекислого газа в атмосфере не увеличивается. Растения потребляют углекислый газ и перерабатывают его для своего роста. При горении биомассы не может образоваться этого газа больше, чем было поглощено растением при жизни. Использование биомассы для производства энергии не увеличивает концентрации углекислого газа в атмосфере!

Итак, мы рассмотрели причины энергетической ценности биологических масс. Как же можно преобразовывать и использовать их энергию?

Сжигание

Самый старый способ преобразования биомассы в биоэнергию - сжигание древесины. 70% населения развивающихся стран используют древесину как источник энергии. Средний расход древесины для производства энергии в этих странах составляет примерно 700 кг в год на одного человека.

Более половины вырубаемой древесины сжигается для получения тепла. Часто для этого используются старые печи, которые выбрасывают загрязняющие вещества в окружающую среду. Если использовать новые конструкции печей с катализаторами, нейтрализующими вредные вещества, загрязнение окружающей среды можно намного уменьшить.

Пиролиз

Пиролиз - это разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. Пиролиз древесины происходит при 450 - 500 °С. Нагревается биомасса до такой температуры обычно с помощью газа, однако расходы последнего с лихвой окупаются. Продуктами пиролиза являются древесный уголь и горючие газы (метан, оксид углерода), при сгорании которых уже в присутствии кислорода выделяется огромное (по сравнению с затраченным на нагрев) количество тепла. Именно эти продукты используют как топливо для обогрева и как сырье в некоторых отраслях промышленности.

Ферментация навоза

Даже навоз может служить источником энергии! Как топливо используют не только навоз, но и продукты его переработки. Перерабатывают навоз чаще совместно с отходами коммунального хозяйства. Дело в том, что оба вида биомассы содержат микроорганизмы, которые в определенных условиях (в частности, при температуре 50 - 60 °С, без доступа воздуха) разлагают органические вещества до биогаза*. Этот процесс обязательно происходит с участием особых веществ - ферментов - и поэтому называется ферментацией. Основной составляющей биогаза является метан, при сгорании которого выделяется тепло. Установки для ферментации навоза очень удобно использовать на фермах, полностью обеспечивая их потребности в энергии (рисунок).

 

Ферментация навоза - очень экономичная технология. Недостатками получения и использования биогаза являются его повышенная взрывоопасность и возможность заражения человека паразитами, обитающими в разлагающейся биомассе.

Другие способы получения биоэнергии

В Бразилии и США выполняются самые крупные в мире программы производства этилового спирта*из биомассы. В Бразилии из сахарного тростника, выращенного специально для этих целей, производится столько этилового спирта, что это покрывает около половины потребностей страны в автомобильном топливе. Большинство автомобилей работает на спирто-бензиновой смеси, содержащей 20%спирта, хотя некоторые используют как топливо чистый этиловый спирт. Использование спиртосодержащего топлива в автомобильных двигателях вместо бензина снижает загрязнение атмосферы выхлопными газами. В Европе использование спиртосодержащего топлива очень перспективно, потому что здесь образуются огромные отходы сельскохозяйственного производства и излишки сельскохозяйственной продукции, которые можноиспользовать для производства такого топлива.

Из других источников биоэнергии назвовем рисовую шелуху, скорлупу кокосовых орехов, стебли и коробочки хлопка, фруктовые косточки, шелуху кофе, разнообразную солому.

Преимущества биоэнергии

Недостатки биоэнергии

Подумайте и ответьте

  1. Что такое биоэнергия?
  2. Почему биоэнергию относят к возобновляемым источникам энергии?
  3. Как зеленые листья могут преобразовывать и запасать энергию Солнца?
  4. Какой процесс производства биоэнергии рациональнее - пиролиз или простое сжигание биомассы? Почему?
  5. Зачем нужно выращивать новые леса взамен вырубленных? Только ли для восстановления запасов древесины?
  6. Проведите аналогию между листьями - «ловушками» солнечной энергии - и солнечными элементами. Сравните такие особенности, как необходимая площадь поверхности, необходимость ориентации на солнце, структура и цвет поверхности, и в каком виде хранится полученная от Солнца энергия.

Представьте себе,

Что с лица Земли исчезли все леса. Как это отразится на судьбе человечества?

ПРАКТИКУМ

Задание 16
Биоэнергия в вашей местности

Подумайте и напишите, какие источники биомассы есть в вашей местности. Биомасса может состоять из следующего:

  • отходы лесоводства;
  • удобрения и биологические отходы сельского хозяйства;
  • технические культуры ((рапс и др.);
  • органические отходы домашнего хозяйства и промышленности;
  • сточные воды;
  • торф.

Конечно же, что-нибудь из перечислен ного найдется в вашей области. Отходы лесоводства могут использоваться для производства брикетов. Удобрения и биологические отходы сельского хозяйства могут быть использованы для обогрева. Технические культуры могут быть использованы для производства биотоплива. Сжигая органические отходы домашнего хозяйства и промышленности, можно получать тепловую энергию, а сточные воды можно использовать для производства биогазов*, которые в свою очередь могут применяться при производстве электричества.

 

§ 22. Ветер

Около 1% солнечной энергии, которую по лучает Земля, приводит в движение атмосферные воздушные массы. Это происходит, когда воздух начинает перемещаться из-за разницы температур в различных местах Земли. В целом эта энергия в 100 раз превышает все энергопотребление в мире. Но только маленькая часть этой энергии используется на практике.

Человечество научилось использовать энергию ветра на ранней стадии своего развития. Уже 3000 лет назад человек пускался в плавание на длинные расстояния, используя ветровую энергию. Сегодня ветряные источники энергии переживают свое второе рождение и используются все больше и больше.

Ветряные электростанции производят электроэнергию только тогда, когда дует достаточно сильный ветер. Для ветряных турбин с горизонтальной осью вращения он должен превышать 4 - 5 м/сек - если их мощность велика, более 200 кВт, или 2 - 3 м/сек, если их мощность менее 100 кВт. Подобные ветроэлектростанции обычно состоят из башни, на вершине которой располагается кабина с электрогенератором и редуктором, к оси которого прикреплены лопасти ветровой турбины. Кабина с машинным отделени ем поворачивается в зависимости от направления ветра, используя электрический мотор или сам ветер.

Менее распространены ветряные электростанции с вертикальной осью вращения. Их преимущество - расположение электрогенератора на земле, отсутствие необходимости ориентации на ветер. Однако эта ветротурбина требует для нормальной работы значительно более высоких скоростей ветра и предварительной раскрутки от внешнего источника.

Изменчивая природа ветра рождает основную проблему ветроэнергетики - переменную в каждый момент времени мощность ветряной электростанции. Поэтому невозможно получить от одной изолированно работающей ветроэлектростанции стабильный по величиен мощности источник энергии. Для преодоления этого недостатка ветроэлектростанция должна иметь аккумуляторы электроэнергии, что и делается для ветроэлектрических установок небольшой мощности, или она должна быть присоединена к энергосистеме. В энергосистеме использование энергии ветра будет приводить к экономии органического топлива. Кроме того, в энергосистеме, включающей в себя гидроэлектростанции с большими водохранилищами возможно аккумулировать энергию ветра в больших объёмах. Аккумулирование энергии ветра возможно в больших объёмах за счёт производства водорода.

Ветровая энергия широко используется в странах, имеющих благоприятный ветровой климат, плоский рельеф и испытывающих недостаток в других природных энергетических ресурсах, таких, как нефть, газ, уголь. К числу передовых стран по использованию ветровой энергии относятся, прежде всего, Германия, Дания, Испания, США. Мировым лидером является Германия, в которой отказались в 90-х годах от строительства атомных электростанций и за короткое время построили более 8700 МВт ветроэлектрических агрегатов, выработка которых превышает выработку атомной электростанции в 3000 МВт. Серийная единичная мощность ветроэлектрических агрегатов увеличилась за последнее время с 400 кВт до 2, 5 - 3 МВт. В число ведущих стран по использованию энергии ветра вошла Индия, где на настоящее время построено столько же ветротурбин, сколько и в Дании. Производство ветряных электростанций стало важной частью экспорта Дании и Германии. Эта отрасль в последние 10 лет обеспечила работой более 50 000 человек в Европе и развивалась быстрее, чем отрасль телекоммуникации (мобильные телефоны)!

Применение ветроэнергеэтики - не только вопрос уровня развития технологии и наличия ветроресурса. В Дании ветроресурс выше, чем в Германии, но в Германии ветроэнергетика развивается более интенсивно, поскольку приняты политические решения, способствующие внедрению возобновляемых источников энергии.

В России за последние 5 лет построено и пущено в эксплуатацию несколько новых ветроэнергетических установок. В Башкирии установлены 4 агрегата по 550 кВт, в Калининградской области, на берегу моря стоит уже 20 установок, и установленная мощность ветропарка составила 4, 5 МВт на Командорских островах возведены две ветротурбины по 250 кВт каждая, в Мурманске вошла в строй одна ветроустановка мощностью 200 кВт. Общая установленная мощность ветроагрегатов в России превысила в 2003 г. 10 МВт.

Бывшие федеративные республики СССР, ныне - независимые государства, тоже приступили к освоению своих потенциальных ветроэнергоресурсов. На Украине даже принят специальный закон облегчающий создание и работу ветроэнергетических станций. Согласно данным международной статистики, установленная мощность ветроагрегатов Украины превысила 5 МВт. В целом быстро осваивают свои ресурсы энергии ветра там, где нет собственных топливных ресурсов и там, где потребитель очень удален от энергосистем. Так, в Эстонии и других странах Балтии, ветроустановки распространены на хуторах, на островах Балтийского моря и в прибрежных районах. В Белоруссии возведено несколько ВЭУ суммарной мощностью около 1 МВт. Активно занимаются ветроэнергетикой в Республике Казахстан. Там подготовлен инвестиционный проект ветроэлектрической станции Джунгарские ворота, мощностью 5 МВт. Другие республики, расположенные в Средней Азии так же могут использовать наличие на своих территориях пустынь, степей, предгорий и морских побережий, где режим ветра позволяет возводить ВЭУ. Однако, у некоторых из них имеются значительные залежи органических топлив, которые могут успешно конкурировать с энергией ветра, например в Туркменистане.

Подобная же ситуация в такой кавказской независимой республике, как Азербайджан. Хотя дальновидной политикой является политика сохранения невозобновляемых топливных ресурсов и усиленная эксплуатация возобновляемых. Наиболее сложная ситуация в Армении и Грузии. В горах ветер конечно есть, но определить точно перспективные площадки для ВЭУ в горах, так же как и строить значительно сложнее, чем на равнинах. Кроме того, в Армении имеется вновь запущенная атомная электростанция. Правда местоположение её на геологическом разломе не даёт полной уверенности в её долговременной надёжности и безопасности.

Российская Федерация - это страна с самой большой территорией на Земле, расположенной в разных климатических поясах, что определяет высокий потенциал энергии ветра. Технический потенциал составляет более 6200 миллиардов киловатт часов, или почти в 7 раз превышает всё современное производство электроэнергии в стране (876 млрд. кВтч в 2000 г).

Наиболее сильные и устойчивые ветры в России наблюдаются по побережьям морей и океанов, в районах степей и пустынь. Как раз здесь крупные ветропарки могли бы обеспечить значительный объём электроэнергии, так как мощность ветрового потока, а значит и его энергия, находятся в кубической зависимости от скорости ветра! Таких мест в России не много - это восточное побережье острова Сахалин, крайний юг Камчатки, окрестности поселков Певек и Билибино на Чукотке, прибрежные районы Магадан ской области, расположенные вблизи высоковольтных сетей «Магаданэнерго» , южное побережье российского Дальнего Востока, вблизи высоковольтных сетей Владивосток Николаевск-на-Амуре - Комсомольск-на-Амуре, в степных районах вблизи реки Волга, в степях и предгорьях Северного Кавказа и на Кольском полуострове. Здесь имеются крупные промышленные потребители, существует развитая сеть линий электропередач и возможность компенсировать нестабильность поступления ветровой энергии за счёт работы гидроэлектростанций.

Большая часть территорий с повышенным ветровым энергопотенциалом - малонаселенные тундры и степи, арктические пустыни. Здесь применение энергии ветра возможно для снабжения электроэнергией удаленных, изолированных малых потребителей. В настоящее время эти потребители используют дизель-электрические генераторы. Внедрение здесь ветроэлектрических агрегатов позволит сэкономить дорогое привозное дизельное топливо.

При высокой плотности населения всегда возникает конфликт между различными интересами в отношении использования земли. В Европе, в связи с этим, возникла проблема отсутствия свободных площадей подкрупные ветропарки. Основную массу протестов против строительства новых ветропарков вызывает так называемое «визуальное воздействие» на ландщафт. Во избежании этого, в настоящее время обычным стало размещение новых крупных ветропарков на неглубоких прибрежных акваториях морей, вдали от людных побережий. При этом так называемое «офф-шорное» расположение ветропарка улучшает его энергетические показатели. В Европе планируется получить более 10%электропотребления от подобных «офф-шорных» ветропарков.

Как и любая новая отрасль человеческой деятельности, ветроэнергетика оказывает влияние на окружающую среду. Шум от ветроагрегатов, столкновение птиц с лопастями ветротурбин, влияние ВЭУ на радио сигналы - вот аргументы, наиболее часто используемые против развития ветроэнергетики. Правильное планирование размещения ВЭУ позволяет избежать расположения ветроэлектрических станций в наиболее «чувствительных» местах и на практике таких проблем не возникает.

Особенно перспективно развитие ветроэнергетики в комплексе с другими возобновляемыми источниками для энергоснабжения изолированных населенных пунктов, удаленных от других энергоисточников.

Преимущества ветряных электростанций

  1. Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду.
  2. Ветровая энергия, так же, как биоэнергия, при определенных условиях (высокая скорость ветра, дорогое топливо для обычных электростанций) успешно может конкурировать с невозобновляемыми энергоисточниками.

Недостатки ветряных электростанций - кажущиеся и действительные

  1. Ветер очень нестабилен, с неожиданными сильными порывами и затишьями. Это затрудняет использование ветровой энергии. Это пожалуй, единственный и неоспоримый недостаток ветра. Поиск технических решений, которые позволили бы компенсировать этот недостаток - задача номер один ветроэнергетики.
  2. Ветряные электростанции создают много шума и выглядят уродливо на фоне сельской местности. Этот тезис очень спорный - по европейским правилам ветротурбины ставятся на таком расстоянии от жилых зданий, что бы шум от лопастей не превышал 35 - 40 децибел. Для сравнения шум в офисе составляет 50 - 60 децибел, а в салоне автомобиля - 70 - 80 децибел, но никто на этом основании не отменяет офисы и автомобили. С точки зрения обычного человека, ветротурбина выглядит отнюдь не уродливо, а даже очень изящно и украшает деревенский пейзаж.
  3. Ветряные электростанции создают помехи теле-и радиосигналам. Повсеместное применение ветроустановок - только в густонаселенной Европе их более 25 000 штук, позволяет думать, что этот тезис неверен, так как прежде чем построить ветроустановку разрешение на это даётся в том числе и органами радио и телевещания.
  4. Ветряные электростанции наносят вред птицам, если располагаются в районе птичьих базаров, на путях массовой миграции и гнездования птиц. Поэтому процесс получения разрешения на строительство ветротурбин начинается с обхода природоохранных организаций.
  5. Ветряные электростанции занимают полезные сельскохозяйственные земли. Статистика применения ветротурбин в Европе и в мире показывает, что они занимают не более 1%территории, на которой располагаются. Для того чтобы не портить воздушный поток расположенной рядом ветротурбины, они должны находиться на расстоянии не менее 10 - 15 диаметров рабочего колеса - для современных установок это расстояние составляет 200 - 500 метров. И практически на всем этом расстоянии можно выращивать любые культуры, пасти животных и т. п.

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО...

ветроэнергетика - это самый быстро растущий источник энергии за последние 30 лет.

Дания была пионером включения энергии ветра в систему энергоснабжения страны. В начале развития - в 70-ые годы технология ветроэнергетики была крайне простой, а единичная мощность агрегатов едва достигала 100 кВт. В настоящее время ветроэнергетика стала одной из ведущих отраслей промышленности, обеспечивающей как собственный энергетический рынок, так и экспортируя большую часть произведённых ветроагрегатов.

Подумайте и ответьте

  1. Почему ветер относят к возобновляемым источникам энергии?
  2. Приведите примеры использования энергии ветра в сегодняшнем мире и в истории.
  3. В чем, по-вашему, главный недостаток ветра как энергоисточника?

ПРАКТИКУМ

Задание 17
Водяная или ветряная мельница

Сделайте ветряную (водяную) мельницу своими руками. Вы можете использовать картонную упаковку из-под молока или сока и скрепки. Отрежьте низ и верх картонки, и отрежьте все оставшееся до высоты 5 см. Сложите стороны, как показано на рисунке. Сожмите противоположные стороны вместе с помощью скрепки, часть скрепки может быть сложена так, чтобы сформировать ось (вал), или вы можете выпрямить третью скрепку и вдеть его в середину мельничного колеса. Держите мельницу под краном и включите воду. Вы также можете заставить мельничное колесо двигаться, дуя на него.

 

§ 23. Гидроэнергия

Многие тысячелетия верно служит человеку энергия, заключенная в текущей воде.

Когда наступил век электричества, произошло возрождение водяного колеса в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать во да. Так появлись гидроэлектростанции (ГЭС). Схема гидроэлектростанции изображена на рисунке. Преимущества ГЭС очевидны: они не загрязняют окружающую среду, используют неиссякаемый источник энергии и просты в эксплуатации. В России 20% электроэнергии производится на гидроэлектростанциях (ГЭС). Гидроэлектроэнергия - это возобновляемый энергоисточник, т. к. «топливо» - вода постоянно пополняется и в производстве гидроэлектроэнергии в атмосферу не выбрасываются вредные вещества. Тем не менее, водохранилища и плотины гидроэлектростанций сильно влияют на сельскую местность и могут изменить состояние природной среды. Водохранилища и плотины мешают движению рыбных косяков. Одна ко если мы будем заботиться о рыбе и делать специальные рыбопропускные устройства в плотинах, можно исключить этот недостаток. В общем, можно сказать, что, хотя сами гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду, они ухудшают состояние природной среды и ландшафт.

Мощность гидроэлектростанции зависит от расхода воды и высоты ее падения. Это означает, что даже реки с небольшим расходом воды могут производить большое количество энергии, если высота падения достаточно большая.

Мощность (кВт)=9,8•объем воды куб.м/с•высота падения (м)

На морских побережьях источником энергии могут служить приливы и отливы. Начиная с 1966 года, два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет приливных электростанций. Гигантскую приливную волну создает притяжение Луны. Приливная волна вращает турбины, связанные с электрическим генератором, как на обычных ГЭС.

Подумайте и ответьте

Самый известный (но не самый большой) Ниагарский водопад имеет высоту пример но 50 м, расход воды 5900 куб.м/с. Если бы всю энергию Ниагарского водопада можно было бы превратить в электрическую, сколько квартир, таких, как ваша, можно было бы обеспечить электроэнергией в течение месяца? Для расчета узнайте у родителей, сколько кВт•ч электроэнергии тратит ваша семья в месяц.

Представьте себе,

Что вы марсианин, и прилетели на Землю в поисках братьев по разуму. Вы с завистью обнаружили, что землянам доступны такие возобновляемые источники энергии, которых нет у вас на Марсе. Что это за источники и почему у вас их нет?

ПРАКТИКУМ

Задание 18
Сравните возобновляемые источники энергии

Заполните таблицу и сравните Солнце, ветер, воду и биомассу как источники энергии. Какой источник наиболее подходит для вашей местности?

Энергоисточник Положительные стороны Отрицательные стороны
     
 

НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ЭНЕРГОИСТОЧНИКИ

Рассмотрим самые важные невозобновляемые энергоисточники. Невозобновляемыми называют энергоисточники, которые образовались в недрах Земли в течение миллионов лет. У всех невозобновляемых энергоисточников общее то, что они будут исчерпаны через относительно короткое время - 100 - 200 лет. Возобновляемые энергоисточники будут доступны, пока существует Солнце.

Мы рассмотрим, какие невозобновляемые энергоисточники больше всего потребляет человечество, узнаем об их положительных и отрицательных свойствах, о том, какие последствия для экологической ситуации на Земле имеет использование таких источников и почему необходимо сокращать их потребление.

Современное индустриальное общество немыслимо без таких невозобновляемых энергоисточников, как газ, нефть и уголь. Высокоразвитые страны получают около 80% энергии из этих энергоисточников.

Кроме того, что запасы этих энергоисточников ограничены, их огромным недостатком является загрязнение окружающей среды как в местном, так и во всепланетном масштабе. При этом масса образующихся газообразных или твердых продуктов сгорания, поступающих в окружающую среду, в несколько раз превышает массу использованного топлива. Например, при сжигании природного газа - в 5 раз, при сжигании угля - в 4 раза!

Благодаря применению более совершенных технологий в производстве энергии удается несколько снизить отрицательное воздействие топливно-энергетического комплекса*(ТЭК) на окружающую среду (см. рисунок).

воздействие топливно-энергетического комплекса на окружающую среду

§ 24. Уголь

Уголь был первым используемым невозобновляемым энергоисточником. Главная роль в освоении угля как источника энергии принадлежит Англии. Там же началась промышленная революция. Как мы увидим, уголь был решающим фактором в развитии европейской цивилизации. уголь был решающим фактором в развитии европейской цивилизации

В 1774 - 1784 годах Дж. Уатт разработал и построил универсальный паровой двигатель, который в основных чертах не изменился до настоящего времени. Паровой двигатель превращал тепловую энергию, уголь был решающим фактором в развитии европейской цивилизации образующуюся при сгорании угля, в механическую энергию. Примитивные паровые машины использовались уже с начала 18 века, но только универсальная машина Уатта могла быть приспособлена к различным промышленным процессам. Уголь таким образом становился универсальным энергоносителем. Паровые суда и поезда облегчили передвижение, и уголь можно было перевозить по всей Англии и, в конце концов, по всему миру. Новые города росли вокруг заводов, работающих на энергии угля и ориентированных на мировой рынок. Можно сказать, что уголь и пар обеспечили победу капитализма над феодализмом и положили начало эпохе промышленного капитализма в Европе и Америке.

В результате использования угля для производства энергии загрязнение окружающей среды увеличилось, но прекратился еще худший процесс - уничтожение лесов. В 18 - 19 веках загрязнение атмосферы становится проблемой больших городов. Смог (смесь дыма с туманом), и сегодня является самой большой проблемой загрязнения в Англии.

Еще в 1965 году уголь был самым важным энергоисточником в мире. В 1985 году уголь давал 31% производимой человечеством энергии. Уголь удобен для производства электричества и других промышленных процессов. Он дает дешевую энергию в странах, где этот энергоисточник доступен.

В качестве энергоисточника в основном используется природный и древесный уголь.

Природный уголь представляет собой продукт разложения болотнvых растений (их возраст - до 300 млн. лет). Растения отмирали, погружались в болото и были погребе ны под слоями песка. Постепенно образовывались толстые слои таких отложений. Эти отложения под действием давления, температуры и микроорганизмов превращались сначала в торф, а затем в уголь.

После добычи большая часть угля поступает на тепловые электростанции, где выделяющееся при его сгорании тепло нагревает воду до кипения, образующийся пар вращает турбины, связанные с электрическим генератором, который и вырабатывает электрический ток. При этом только одна треть тепла расходуется на производство электроэнергии, остальные же две трети тепловой энергии излучаются в атмосферу. Добыча угля - опасная профессия. Строжайшие требования должны предъявляться к системам вентиляции шахт, к технике безопасности на шахтах, к восстановлению земель, из которых добывается уголь.

Уголь как энергоисточник опасен для окружающей среды. При сжигании угля образуются ядовитые газы, такие, как угарный газ (окись углерода), сернистый газ (двуокись серы) и газы, влияющие на климат, на пример, углекислый газ. Выбросы этих газов сильно увеличились со времен промышленной революции. Никакой другой тип невозобновляемого энергоисточника не выбрасывает так много углекислого газа, как уголь. Загрязнение производят также угольная пыль и сажа.

С помощью современных технологий можно несколько уменьшить отрицательные последствия применения угля для получения энергии. Основные из этих технологических способов следующие:

  1. применение усовершенствованных конструкций котлов, снижающих образование оксидов серы и азота и выбросы золы,
  2. применение очистных сооружений и фильтров для очистки дымовых газов от серы, азота и золы,
  3. применение водно-угольных суспензий* вместо угля,
  4. утилизация отходов в интересах народного хозяйства.

Подумайте и ответьте

  1. Как образуется уголь в природе?
  2. Почему уголь был решающим фактором промышленной революции в Англии и во всем мире?
  3. Почему именно уголь долгое время оставался основным энергоисточником в промышленности и на транспорте?
  4. В чем преимущества угля как источника энергии?
  5. В чем главный недостаток угля как энергоисточника?

§ 25. Нефть

Нефть является не только источником энергии. Она служит также сырьем для нефтехимической промышленности, производства пластмасс и даже лекарств. Приблизительно 90% всей добываемой нефти используют в качестве топлива, остальная часть используется для получения нефтехимических продуктов. Такое расточительство явно неразумно.

Некоторые составляющие сырой (необработанной) нефти использовались для получения энергии сотни лет. Современная же нефтяная промышленность родилась в Пенсильвании в 1859 году. С тех пор нефтяная промышленность уверенно развивалась и сейчас лидирует на мировом рынке энергоисточников. Сырая нефть распределена на Земле неравномерно, и также неравномерно потребляется жителями Земли. Основные запасы нефти (не считая России) сосредоточены на Ближнем Востоке, в Латинской Америке и Африке. Крупные потребители нефти - США и европейские страны, где её запасы не так велики. Промышленно развитые страны повысили свой жизненный уровень в первую очередь именно благодаря большему потреблению нефти, чем в бедных странах. Территориальное разделение производства и потребления нефти в мире породило крупномасштабную международную торговлю, которая из экономического явления превратилась в политическое и таит в себе опасность возникновения энергетических и экономических кризисов. Недаром нефть часто называют «черным золотом».

Нефть - это сложная смесь углеводородов, представляющая собой продукт разложения одноклеточных растений и организмов, живших сотни миллионов лет назад. Погибая, они формировали отложения на глубинах от 30 метров до 8 километров.

Прежде чем добывать нефть, надо провести геологическую разведку, то есть найти залежи ископаемого. Потом бурят скважины с помощью буровых установок, чтобы добывать нефть из земных глубин. Затем сырая нефть поступает на нефтеперерабатывающие заводы, где из нее получают бензин, керосин, дизельное топливо, парафин, битум и другие нефтепродукты. Нефть также может поступать на тепловые электростанции для сжигания.

Много нефти и нефтепродуктов потребляет транспорт. Но сейчас возрос интерес к разработке электромобилей, к использованию газов метана и пропана в двигателях грузовиков и автобусов, и т. д. В дальнейшем эти меры помогут заменить нефть.

Нефть легко транспортировать. Обычно её транспортируют по нефтепроводам или морем в нефтеналивных танкерах*.

Нефть - очень ограниченный по запасам энергоисточник. Трудно сказать, на сколько еще хватит запасов нефти. Они могут быть истощены через 50 - 100 лет, если не будут найдены новые залежи. В любом случае, мы срочно должны найти замену нефти. Необходимо найти другие энергоисточники, безопасные для окружающей среды и которых хватит надолго.

И добыча, и транспортировка, и переработка нефти сопряжена с вредными воздействиями на окружающую среду. Часто происходят разливы нефти в результате ее утечки из скважин или при транспортировке. Время от времени мы видим, какой вред наносят природе аварии нефтяных танкеров. Разливы нефти близко от берегов особенно вредны для морских птиц, икры и мальков рыб, обитающих около поверхности в прибрежных водах. Более крупная рыба находится в глубинных водах, куда нефть обычно не проникает. На прибрежных пространствах, которые открыты ветру, течениям и волнам, проходит 4 - 5 лет до того, как исчезнут все последствия разлива нефти. В более защищенных от ветра и волн водах этот процесс может занять 10 - 15 лет.

На поверхности воды нефть создает тончайшую масляную пленку. У морских животных, птиц, на тела которых попала такая пленка, нарушается терморегуляция, животные могут ослепнуть при попадании нефти в глаза и погибнуть.

При сжигании нефтепродуктов в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа. При переработке нефти в окружающую среду выделяются угарный газ, соединения свинца, оксиды азота и серы, вызывая болезни растений, животных, человека.

Таким образом, использование нефти причиняет большой ущерб окружающей среде - океанам, атмосфере и живым организмам. Поэтому следует использовать её только там, где она незаменима. Для производства тепла мы можем использовать другие источники, кроме нефти, - здесь она вполне заменима.

Подумайте и ответьте

  1. Как образуется нефть в природе?
  2. В чем преимущества нефти как источника энергии по сравнению с углем?
  3. Используется ли нефть где-нибудь ещё, кроме производства энергии?
  4. Связаны ли вредные последствия от использования нефти только с выбросами загрязняющих газов при её горении?

§ 26. Природный газ

25% энергии в мире вырабатывается из природного газа. По добыче газа Россия устойчиво занимает первое место в мире.

Залежи природного газа обычно находятся вместе с нефтью, хотя существуют чисто газовые месторождения. Природный газ, как нефть и уголь, образовался в земле из останков растений и мелких животных.

Содержание энергии в природном газе почти такое же высокое, как в нефти. Природный газ используется как топливо на электростанциях, как бытовое топливо, как сырье в промышленности, и т. д.

Природный газ является самой чистой формой невозобновляемой энергии: в нем очень низкое содержание ядовитых веществ, и он может сгорать очень быстро, поэтому он прост в использовании. Тем не менее, проблемы выбросов углекислого газа при использовании природного газа остаются.

Газ можно транспортировать к месту потребления по трубам. Можно снизить температуру, чтобы газ перешел в жидкое состояние. Тогда его можно перевозить в нефтяных танкерах.

 

Подумайте и ответьте

  1. Почему природный газ считается самым экологически чистым из невозобновляемых источников энергии?
  2. В чем, по-вашему, преимущества и недостатки природного газа как источника энергии?

ПРАКТИКУМ

Задание 19. Мытье под душем

Когда мы принимаем ванну, моемся под душем или моем посуду, то мы используем много горячей воды. Для нагрева воды используется энергия. Поэтому важно, чтобы мы разумно использовали горячую воду.

Когда мы моемся под душем, количество используемой воды зависит от того, сколько времени мы моемся и сколько воды пропускает лейка душа.

Существуют новые виды душевых леек, которые снижают количество используемой воды и, в то же время, удобны для мытья. Новые душевые лейки используют около половины того количества воды, которое использовалось старыми душевыми головками.

 

Упражнение:

  1. Запишите, сколько времени вы проводите в душе и сколько раз в неделю вы моетесь под душем.
  2. Спросите других членов своей семьи, сколько времени они моются под душем и сколько раз в неделю они принимают душ.
  3. Сколько раз принимают душ все члены вашей семьи в неделю?
  4. Сколько минут это составляет в неделю?
  5. Измерьте, сколько воды проходит через вашу душевую лейку при нормальном давлении. Для этого измерьте, сколько времени заполняется мерное ведро. Повторите измерение несколько раз и вычислите среднее время. Чтобы подсчитать расход воды в минуту, подставьте ваши результаты в уравнение внизу.
  6. Используйте эту информацию вместе с ответами на 3 и 4 пункты, чтобы выяснить, сколько литров воды вы и ваша семья используете в неделю.
  7. Подсчитайте, сколько энергии используется для нагрева этой воды. Чтобы увеличить температуру 1 л воды на 1 °С, необходимо 4,2 кДж (4200 Дж). Температура холодной водопроводной воды равна примерно 6 °С. Вот пример подобного расчета. Сколько энергии необходимо, чтобы нагреть 1000 литров воды от 6 °С до 50 °С? 1000 • 4200 • (50 - 6)=184,8 МДж.
  8. Рассчитайте, сколько газа необходимо было сжечь для нагревания воды, которую использует ваша семья для мытья под душем в течение недели и в течение года. При сжигании 1 куб. м природного газа выделяется 35,5 МДж энергии. Если вы живете в доме, где нет горячего водоснабжения, рассчитайте, сколько электроэнергии вы тратите для нагревания воды для хозяйственных нужд. Узнайте у родителей, сколько примерно воды нужно нагреть для мытья посуды за сутки. Дальше выполните пунк ты 6 и 7, и вы узнаете сколько электроэнергии требуется для мытья посуды в вашей семье в течение недели и в течение целого года.

§ 27. Атомные электростанции

Атомная энергия сегодня используется практически только для производства электричества, хотя существуют проекты тепловых атом ных станций. Первая атомная электростанция, поставляющая электроэнергию в общую сеть, была построена и пущена в СССР в 1954 г. в городе Обнинске Калужской области.

Сегодня во всем мире атомные электростанции (АЭС) дают примерно 17% производимой на Земле электроэнергии. В России на десяти АЭС производится примерно 16% электроэнергии. Подчеркнем, что речь идет о производстве именно электроэнергии, в общем мировом производстве всех видов энергии доля атомной энергетики скромнее - чуть больше 6%.

В разных странах по-разному относятся к АЭС. Лидером в использовании энергии «мирного атома» является Франция. Около 80%электроэнергии здесь вырабатывается на АЭС. В Германии, наоборот, принято решение к 2020 году закрыть все АЭС на территории страны. В США после нескольких лет спада в ядерной энергетике она вновь объявлена одним из главных направлений энергетической стратегии. В Австрии по результатам общенационального референдума было принято решения не вводить в эксплуатацию единственную построенную там атомную станцию. Дания полностью отказалась от применения атомной энергии.

 

Как работают атомные электростанции?

Прежде всего надо сказать, что выражения «атомная электростанция» , «атомная энергия» , строго говоря, неверны. Правильно говорить не об атомной энергии, а о ядерной энергии, т. е. энергии атомного ядра. На АЭС в качестве источника энергии используют радиоактивные химические элементы уран или плутоний. Ядра этих элементов неустойчивые и самопроизвольно распадаются на более легкие ядра. При распаде ядер этих элементов выделяется большое количество тепловой энергии. Реакция радиоактивного распада происходит в ядерных реакторах.

Рис. 3. 9.

Схема наиболее распространенного в России типа ядерных реакторов изображена на рисунке 3. 9. Выделившееся в активной зоне реактора тепло поглощается жидким теплоносителем, который прокачивается через активную зону реактора насосом. Теплоноситель доставляет тепловую энергию в теплообменник (парогенератор), где она передается во вторичный контур и использует ся для превращения воды в пар. Далее парнаправляется на обычную паровую турбину, которая вращает электрогенератор, и эта система работает как на обычной тепловой электростанции. Теплоноситель во вторичном контуре никак не соприкасается с активной зоной реактора.

Ядерная энергетика - это сложное производство, которое включает в себя не только АЭС. Содержащие уран горные породы добывают в рудниках. Из руды выделяют оксид урана, а радиоактивные отходы идут в отвал. Далее оксид урана направляют на завод по производству топливных таблеток. Несколько таких таблеток помещают в оболочку из сплава циркония, таким образом получается тепловыделяющий элемент (твэл). Несколько твэлов объединяют в сборки, которые доставляют на АЭС и помещают в активную зону ядерного реактора. Отработанное ядерное горючее извлекают из реактора, охлаждают на территории АЭС и отправляют в специальное хранилище, так как оно имеет высокий уровень радиоактивности. В настоящее время не существует технологии безопасной переработки, транспортировки и хранения радиоактивных отходов и они сохраняют опасность для человека и природы миллионы лет.

Преимущества и недостатки АЭС

Ядерная энергия обладает очень высокой степенью концентрации. По количеству производимой энергии 1 кг урана равен 2, 5 тысячам тонн лучшего угля! При работе АЭС в нормальном режиме нет выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, в частности, углекислого газа. АЭС не загрязняют почву и водоемы золой и шлаками. Но АЭС производят значительное тепловое загрязнение природных водоемов, используемых для забора и выброса воды, используемой для охлаждения реактора. В зимнее время разница температуры сбросных вод и естественной температуры воды может достигать 10 °С. Тепловое загрязнение усиливает процессы эвтрофирования водоемов, приводит к изменению естественных условий обитания живых организмов.

Строительство АЭС обходится пример но в 5 раз дороже, чем строительство обычной тепловой электростанции, работающей на угле. Высокая стоимость ядерных реакторов и АЭС в целом объясняется необходимостью обеспечить строгие меры безопасности для предотвращения аварий. Кроме того, не следует забывать, что стоимость транспортировки, хранения и переработки радиоактивных отходов АЭС очень высока. Поэтому, вопреки мифу о дешевизне атомной энергии, она является самой дорогой энергией, если учесть все расходы, включая добычу и транспортировку радиоактивного сырья, строительство АЭС и утилизацию отходов.

Чрезвычайно сложным и опасным процессом является демонтаж АЭС по окончании ее нормальной эксплуатации (после исчерпания ресурса).

Серьезная опасность, обусловленная использованием ядерной энергии, таится в распространении по миру радиоактивных веществ, которые используются для изготовления ядерного оружия и, как следствие, могут быть использованы в ядерной войне или в ядерном терроризме.

Аварии на АЭС. Основная опасность АЭС - возможность аварий с тяжелыми последствиями. Авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году - самая крупная из аварий такого рода. Масштабы этой аварии носят поистине глобальный характер. Ее последствия ощутило население многих стран. Экономический ущерб от Чернобыльской катастрофы в три раза превышает экономический эффект от использования атомной энергии за весь срок ее существования до катастрофы. Пока проблема обеспечения безопасности ядерной энергетики остается нерешенной.

Подумайте и ответьте

  1. Какой из невозобновляемых источников человек начал использовать раньше всего?
  2. Как можно беречь уголь, нефть и газ? И почему это необходимо?
  3. Какая форма энергии в какую превращается на АЭС?
  4. Можно ли утверждать, что энергия, вырабатываемая на АЭС, дешевле, чем энергия, получаемая из других источников?
  5. В чем заключается опасность АЭС для людей и окружающей среды?

Большие надежды ученые возлагают на такой перспективный источник энергии, как управляемый термоядерный синтез. При ядерной реакции слияния (синтеза) легких ядер водорода в более тяжелое ядро гелия выделяется огромное количество энергии. Если бы процесс синтеза удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы примерно в 6 раз эффективнее реакции деления урана. Источник сырья практически неограничен - водород можно получать из океанской воды. В одном кубическом метре воды содержится столько ядер водорода, что они могут дать такое же количество энергии, которое получается при сжигании 200 тонн нефти. При управляемом термоядерном синтезе отходов нет вообще (не считать же отходом химически инертный газ гелий!), никакой радиационной опасности тоже нет.

Источником энергии Солнца является именно реакция термоядерного синтеза, протекающая в недрах нашего светила. Главная трудность в осуществлении управляемой термоядерной реакции - как создать и поддержать температуру во много миллионов градусов, которая необходима для протекания этой реакции.

До сих пор, несмотря на все усилия ученых разных стран, осуществить управляемую реакцию термоядерного синтеза не удается.

Далее...