Время не стоит на месте. В глубокой древности люди использовали как источник энергии только собственные силы, или, по возможности, силы домашних животных. Потом первым внешним источником энергии, который научились использовать люди, был огонь. Все, что вначале умели получить от огня, это приготовление еды и обогрев своего жилища. Сегодня на службе у человечества находятся источники энергии, которые превышают человеческую силу в миллионы раз. Сейчас мы готовим еду не только с помощью огня, специальной техникой поднимаем тонны грузов, используя ракеты, покоряем космос, заглядываем в глубины Земли и строим миллионы городов. Тем не менее, в мире все чаще возникают локальные энергетические кризисы, связанные с недостатком энергетических ресурсов.
Закон энергии
Энергия никогда не исчезает, она может менять форму и накапливаться. Например, растения нуждаются в солнечном свете, они превращают солнечную энергию и накапливают ее. Вместе с тем, они отдают ее нам в виде съедобных продуктов, люди и животные потребляют эти растения и превращают эту энергию, которая в них накапливается, например, в мышечную работу. С другой стороны, при сжигании дров на костре также освобождается энергия, происходящая от Солнца. Кроме того, все ископаемые ресурсы планеты, прежде всего уголь, природный газ, нефть являются накопителями солнечной энергии. Все эти топливно-энергетические ресурсы образовались из останков животных и растений, которые существовали миллионы лет назад, под действием давления и чрезвычайно высокой температуры в земной коре.
Средневековому человеку показалось бы волшебством, если бы перед его глазами кто-нибудь добыл свет из угля или привел бы в движение машину с помощью нефти. Но это волшебство заключается только в том, чтобы сделать возможным накопление энергии и переход ее из одной формы в другую. В наше время этот процесс стал для всех настолько обычным, что мало кто задумывается об энергетической проблеме и о тех ресурсах, которые мы для этого берем. С того времени, когда человечество начало разгадывать секреты энергии, оно старается добыть энергию с наименьшими затратами. Идеальным вариантом было бы изобрести машину времени, так называемую «перпертум мобиле», которая производила бы энергию сама, получая ее из ничего. Но, к сожалению, такой вечный двигатель, который бы решил все проблемы энергетических ресурсов, создать невозможно. Общее количество энергии всегда остается неизменным, ее нельзя создать, можно лишь освободить накопившуюся энергию и превратить в другую: световую, электрическую, тепловую, физическую, химическую и т. д.
Вода как источник энергии
Человек может использовать мощную силу воды, на некоторых этапах вмешиваться в природный кругооборот воды, чтобы таким образом добывать энергию. Сегодня на гидроэлектростанциях производится электроэнергия, которую можно накапливать или же сразу потреблять по назначению.
Невероятной силы морские волны ежесекундно разбиваются о многочисленные побережья, мощная энергия их выполняет свою работу. Но человечество до сих пор не в силах использовать силу морских волн для производства энергии, хотя существует бессчетное количество теоретических моделей и идей их реализации для решения энергетической проблемы. С недавнего времени, а именно после аварии на Чернобыльской АЭС правительства многих морских государств всерьез заинтересовались этим безопасным источником энергии, до этого проводились испытания в основном в области атомной энергетики.
Уголь
Все виды угля - это результат процесса, длившегося миллионы лет, во время которого останки разнообразной растительности разложились и превратились под действием высокого давления в торф, затем - в уголь. Эти залежи на протяжении миллионов лет все глубже и глубже проникали в земную кору, покрываясь сверху новыми пластами. Например, слой торфа в 50 метров уплотнялся до пласта угля в 3 метра. Первыми, еще в I столетии нашей эры, с помощью угля отапливали свои жилища римляне. Исследователи считают, что торф использовался для отопления еще в доисторический период. И только в XVI веке уголь стали использовать в Европе как топливо.
Уголь и нефть по своему происхождению и химическому составу принадлежат к одной группе. На самом деле из угля так же, как из нефти, можно получить бензин. Этот способ был разработан в Германии во время Второй мировой войны, когда нефти для производства бензина не хватало. Этот метод заключается в том, что в процессе сжигания уголь размельчается и проходит определенные химические процессы, в результате чего получается отличное топливо.
Нефть
Как и другие виды ископаемого топлива, которое человечество сжигает для получения тепла и электроэнергии, нефть имеет чрезвычайно почтенный возраст. Самые старые месторождения нефти были образованы 600 млн лет назад. Нефть заполняла все пустоты и щели земной коры, создавая громадные месторождения. В наше время они активно отыскиваются, бурятся скважины и добываются огромные запасы этих залежей.
Из нефти производят все больше и больше веществ, потребляемых человечеством. Бензин и дизельное топливо - не единственные продукты, потребляемые человеком. Нефть является сырьем для производства лекарств, искусственных тканей, ядов, минеральных удобрений, косметики, пластмассы. Мы даже не подозреваем, насколько человечество зависимо от этих топливно-энергетических ресурсов. Не зря самые богатые страны в мире - это страны-добытчики и производители нефти. В наше время везде господствует нефть. Ни одна другая форма по мощности пока не может заменить нефть как источник энергии.
Природный газ
Газ, используемый для отопления, приготовления еды или производства электроэнергии, - это в большинстве случаев пропан, бутан или природный газ. Он был обнаружен во время бурения первых нефтяных скважин почти случайно. Сегодня природный газ обеспечивает пятую часть мировой потребности в энергии.
Природный газ, который сгорает во время приготовления еды, выделяет энергии в два раза больше, чем электрический ток, производимый тепловыми электростанциями. Природный газ, так же как и уголь, является ископаемым топливом, но по своему происхождению ближе к нефти. Именно поэтому он добывается вместе с нефтью или в виде самостоятельных газовых образований. Проще всего добывать природный газ из месторождений, которые находятся под землей, как на Ближнем Востоке или в Сибири. Безопасность при его выработке обеспечивается системой соединительных труб и вентилей, с помощью которых регулируют давление, так как газовые месторождения постоянно находятся под огромным давлением.
Главные европейские месторождения газа находятся в Италии, Франции и Голландии, а также в Северном море, возле побережья Великобритании и Норвегии. Кроме этого, Россия поставляет сибирский газ разветвленной системой газопроводов в страны Центральной Европы. Россия - главный поставщик газа, из Сибири поступает третья часть всех используемых в мире запасов газа.
Энергия из атомов
Атомную энергию человечество научилось получать на электростанциях путем расщепления ядра атома урана. Именно этот элемент имеет нестабильное ядро и легче всего расщепляется под действием нейтронов. В результате распада ядра освобождаются новые нейтроны, которые, в свою очередь, расщепляют другие ядра атомов. Этот процесс превращается в цепную реакцию и освобождает огромное количество энергии, которая используется для превращения воды в пар, приводящий в движение турбину и электрогенератор. К сожалению, этот способ решения энергетической проблемы небезопасный, вместе с энергией атомных ядер происходит радиоактивное излучение, опасное для всех живых организмов. Поэтому защита с помощью специальных кожухов на таких электростанциях должна быть максимальной.
Мягкие энергии
По мнению ученых, решение энергетической проблемы в будущем за мягкими альтернативными видами энергии. Существуют такие формы, как энергия ветра, биоэнергия и солнечная энергия. Они не тратят полезные ископаемые и не вредят окружающей среде. Еще их называют возобновляемыми источниками энергии. До тех пор, пока существует жизнь на Земле, сила ветра, биоэнергия и солнечная энергия неисчерпаемы, а ископаемые источники в виде угля, газа и нефти когда-нибудь исчезнут.
Биоэнергия
Биоэнергия - энергия, которая вырабатывается из растений. Для животных и людей растения являются самым важным источником энергии и пищевым продуктом. Растения получают запас энергии непосредственно от Солнца, древесина - носитель возобновляемой биоэнергии. Но потребности нашего индустриального общества настолько велики, что вся древесина на планете сможет удовлетворить только небольшую ее часть, не решая проблемы энергетической. Во многих странах древесина выступает основным источником энергии. Неконтролируемая вырубка ведет к уменьшению количества деревьев, поскольку часто для их насаждений не хватает денег. В таком случае этот источник постепенно становится невозобновляемым, что станет одной из причин энергетической проблемы.
Альтернативным и перспективным методом получения энергии считается производство биогаза. Он формируется из разрушенных веществ животного и растительного мира при отсутствии контакта с воздухом. Сельские хозяйства, где собирается в виде отходов много биомассы, могут использовать для производства метана специальные установки биогаза. Работа таких установок не вредит окружающей среде, а их использование не требует никаких затрат. Решение энергетической и сырьевой проблемы именно в таких альтернативных источниках. Но, конечно, сначала они должны быть построены, а первые опыты всегда связаны с большими расходами. Интересный способ расходовать меньше бензин, например, нашли в Бразилии. Они производят биоспирт - жидкость, получаемую из брожения сахарного тростника и кукурузы. Этот алкоголь добавляется к обычному бензину. Таким образом, страна становится менее зависимой от импорта бензина.
Еще один пример использования биоэнергии представляют собой калифорнийские побережья. На морских фермах выращивается одна из разновидностей морских водорослей, которые ежедневно вырастают на полметра. Их также перерабатывают для получения бензина, а другие виды водорослей используют как сырье на тепловых электростанциях, уменьшая энергетическую и сырьевую проблему.
Энергия ветра
Ветер - один из традиционных источников энергии. Еще в VII веке до н. э. в Персии использовали ветряки, а в 1920 году в США впервые ветряк использовали для производства электроэнергии. Еще спустя 10 лет в Австрии и Баварии были построены ветряные установки, которые обеспечивали собственным электричеством целые местности.
Современные силовые установки производят электроэнергию. С помощью силы ветра движутся электрогенераторы, которые питают электросеть или же накапливают энергию в аккумуляторных батареях. По мнению специалистов, использование силы ветра имеет большое будущее, если человечество отдаст предпочтение развитию технологии альтернативной энергетики, а не атомной энергетике и использованию нефти как источника энергии.
Солнечная энергия
С точки зрения производства энергии, мы можем рассматривать Солнце как разновидность атомного реактора чрезвычайной мощности. Только миниатюрная частичка достигает Земли, но даже она дает возможность жизни. Можно ли превращать солнечную энергию непосредственно в электрическую? Да, это вполне возможно с помощью солнечных батарей. Уже сегодня везде, где ярко светит Солнце и потребности в электроэнергии небольшие, получают энергию непосредственно от Солнца. Солнечные батареи - это пластины, которые имеют два чрезвычайно тонких слоя. Один слой состоит из кремния, второй - из кремния и бора. Вместе с солнечным светом, который попадает на солнечную батарею, на ее внешний слой проникают фотоны - мельчайшие частички света, излучаемые Солнцем. Они приводят в движение электроны, перенося их во второй слой и, таким образом, вызывают электрическое напряжение. Перемещаемые электроны попадают в накопитель тока, затем - в электрические проводники. Таким образом, например, станции на солнечных батареях уже решают энергетическую проблему Дальнего Востока.
Солнечные батареи постоянно совершенствуются. Пока они еще очень дорогие, но надеемся, что в недалеком будущем они станут достаточно эффективными и дешевыми и смогут решить глобальную энергетическую проблему, удовлетворить значительную часть потребностей человечества в электроэнергии. Такие солнечные фермы сейчас находятся в нежилых краях из-за чрезвычайной жары. Перспективы использования солнечной энергии огромные, по мнению специалистов, если техника для производства водорода будет дальше развиваться, то накопленную в пустынных районах солнечную энергию можно будет доставлять в виде водорода к странам-потребителям.
Зачем беречь энергетические запасы?
Залежи нефти, угля и природного газа, образованные нашей планетой на протяжении миллионов лет, человечество тратит за несколько лет. Когда мы бездумно тратим эти запасы с увеличением добычи энергоносителей, мы обворовываем своих потомков.
Этим мы нарушаем баланс энергии на Земле, ведь соотношение полученной энергии и отдаваемой обратно в космос должно быть уравновешенным. Если же человечество уничтожает и сжигает энергетические запасы, то образуются газы, которые препятствуют возвращению в космос излишка солнечной энергии. Как результат, возникает глобальная энергетическая проблема - наша планета становится теплее, возникает явление, называемое парниковым эффектом. Парниковый эффект может настолько изменить мировой климат, что произойдет расширение пустынь, образуются опустошающие смерчи, растает лед на полюсах, значительно поднимется уровень моря, множество побережий будут залиты водой.
Кроме того, время истощения энергетических ресурсов уже пришло. Ученые бьют тревогу, доказывая, что энергетических ископаемых запасов хватит на несколько десятков лет, затем потребление энергии снизится и благосостояние человечества тоже. Решение проблемы в быстром переходе общества к разумному потреблению энергетических запасов и разработке новых альтернативных и безопасных методов добычи энергии.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Основы современной энергетики
Энергемтика - область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной, энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:
Получение и концентрация энергетических ресурсов, примером может послужить добыча, переработка и обогащение ядерного топлива;
Передача ресурсов к энергетическим установкам, например доставка мазута на тепловую электростанцию;
Преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную, например химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию;
Передача вторичной энергии потребителям, например по линиям электропередачи.
Современная энергетика. Проблемы и перспективы.
В чем проблемы современной энергетики? Каковы пути и перспективы ее развития? Во времена Советского союза ответ на эти вопросы был бы однозначным и не подлежащим обсуждению: “Догнать, перегнать и оставить далеко позади государство-соперника (например, США, а тем самым и весь мир) по производству и потреблению энергии”. Такой позиции правительство придерживалось и в промышленности, где оно в отличие от гонки вооружений, преуспело, и Союз действительно далеко обогнал США и весь мир в тяжелой промышленности. Теперь мы видим перед собой результат такой политики - Россию, такую, какая она есть сейчас: с бедным народом и разрушенной экономикой. Посмотрим, к чему привели подобные действия в энергетике. Специалисты подсчитали, что в США потребление энергии в 6 раз превосходит среднемировой уровень и в 30 раз - уровень развивающихся стран. Чтобы подтянуться к уровню хотя бы современных Соединенных Штатов, этим странам нужно каждые несколько лет удваивать производство и потребление энергии, тем более что население этих стран стремительно растет, и для их индустриализации, для переселения новых и новых миллиардов латиноамериканцев, африканцев, арабов, индийцев, китайцев, индонезийцев и т.д. из хижин в благоустроенные жилища рост потребности энергии составляет 6-9% в год!
А теперь обратим внимание на информацию, которую предлагают нам ученые:
1. Если бы развивающиеся страны сумели добиться роста потребления минеральных ресурсов до уровня Соединенных Штатов, то разведанные запасы нефти истощились бы через 7 лет, природного газа - через 5 лет, угля - через 18 лет. Если учесть еще и потенциальные запасы, до которых пока не добрались геологи, то природного газа должно хватить на 72 года, нефти в обычных скважинах на 60 лет, а в сланцах и песках, откуда ее чрезвычайно трудно и дорого выкачивать, - на 660 лет, угля на 350 лет.
2. Предположим, что на нужды энергии можно использовать, как нефть, всю массу нашей планеты. Если скорость увеличения потребления энергии останется такой же, как сегодня, это “горючее” будет сожжено целиком всего за 342 года.
Допустим далее, что мы располагаем запасами горючего, скажем, на миллион лет. Если мы станем увеличивать размеры его потребления всего на 2% в год (а это - приблизительный темп роста мирового народонаселения), то запасов хватит на 501 год.
3. При современных темпах развития техники производство энергии на Земле через 240 лет превысит количество солнечной энергии, падающей на нашу планету, через 800 лет - всю энергию, выделяемую солнцем, а через 1300 лет - полное излучение всей нашей галактики.
Однако, главная проблема современной энергетики - не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая 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.
Энергия будущего: Cолнце, воздух и вода - наши лучшие друзья.
Нефть дорожает, и перспектива ее как источника энергии в будущем весьма неопределенна. Пять новых методов добычи энергии - от волновых электростанций, способных отнимать энергию у морских волн, до бактерий, выделяющих электричество из сточных вод, - могут вдохнуть новые силы в наш старый мир.
Представьте себе, что вы месяцами катаетесь на машине, не доливая в бак бензина, обеспечиваете дом энергией океанских волн или подключаете ваш ноутбук к розетке прямо на пиджаке. Впрочем, глядя на ценник на бензоколонке (18 рублей за литр 95-го), можно подумать, что эта энергетическая утопия - совсем уж далекая сказка. С другой стороны, нынешняя мрачная ситуация в энергетике имеет и утешительную сторону. Растущие цены, общая тревога и озабоченность, новая политика правительства - все это, хочешь не хочешь, подталкивает нас к новым усилиям, направленным на обновление всей энергосистемы. Для полномасштабного внедрения некоторых из этих идей потребуются годы и годы. Другие прямо сейчас можно брать на вооружение. Доживем ли мы когда-нибудь до эпохи с бездонными источниками энергии? Строго говоря, вряд ли. Запасы нефти на Земле безусловно ограниченны. Даже водород, которым питается ядерная реакция на Солнце, и тот - увы! - когда-нибудь закончится. До этого страшного мига осталось всего-то миллиардов пять лет. Если не брать в расчет шансов на неожиданный прорыв в технологиях ядерного синтеза, никакой другой источник не обещает в мановение ока решить все наши проблемы. Скорее, энергетические запросы человечества будут удовлетворяться путем объединения различных передовых технологий. В этом союзе сыграют свою роль энергия солнца, ветра, морских волн и другие альтернативные источники. Промышленность как потребитель тоже сделает шаг навстречу - современная технология успешно учится делать больше, потребляя меньше. Очерченные в этой статье пять генеральных идей должны облегчить бремя, которое человечество возлагает на ископаемые виды горючего. Каждая из этих идей подошла вплотную к этапу внедрения, а вместе они должны вымостить дорогу для дальнейших прорывов в производстве и энергосбережении. Не надейтесь, что завтра мы проснемся в новом мире, но сейчас, когда эти проблемы привлекают все более пристальное внимание со стороны ученых, промышленности и потребителей, темпы прогресса растут не по дням, а по часам. В конце концов, смиримся с тем, что запасы всех энергоресурсов ограниченны, зато безграничной остается способность человека порождать новые идеи.
Перспективными считаются реакторы на быстрых нейтронах. Они работают без замедлителя, но требуют несколько иного топлива - произведенного в обычных (тепловых) реакторах плутония. Главное их достоинство с точки зрения энергетики - способность в процессе работы не только производить электроэнергию, но и утилизировать непригодный в качестве ядерного горючего уран-238 для получения новых порций плутония. Фактически появляется возможность организовать так называемый «замкнутый топливный цикл». Впрочем, пока природный уран сравнительно дешев и доступен, эти технологии мало привлекают инвесторов, и за редким исключением реакторы на быстрых нейтронах - это просто реакторы для производства плутония и потенциальные установки для сжигания ядерных отходов. энергия хозяйственный экономический
Человек использует энергию атомного ядра уже 50 лет. Это до сих пор гораздо сложнее, чем топить печку углем или сжигать бензин в двигателе внутреннего сгорания. Начинка ядерных электростанций сделана из того же материала, что и атомная бомба, и все эти годы нас не покидает интуитивное ощущение тревоги и недоверия.
Возможно, еще лет через сто, когда подойдут к концу обычные источники энергии, а возобновляемой замены им так и не найдется, у человечества не будет иного выбора, кроме ядерной энергетики. И будучи реалистом, генеральный директор МАГАТЭ Мохаммед эль Барадеи, выступая в июне 2004 года на конференции в Москве, осторожно сказал так: «сейчас, когда атомная энергетика отмечает свое 50-летие, ее будущее - хоть оно, возможно, и становится многообещающим - все же остается неопределенным».
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Энергетика как совокупность естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Структура энергетики современной России, ее элементы и значение, перспективы развития.
презентация , добавлен 07.10.2013
Основы энергосбережения, энергетические ресурсы, выработка, преобразование, передача и использование различных видов энергии. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Структура производства и потребления электрической энергии.
реферат , добавлен 16.09.2010
История развития энергетики как науки, общая и вторичная энергетика, понятие "энергия", пути решения энергетических проблем. Электроэнергетика как самостоятельная отрасль. Технологии, используемые в процессе получения, передачи и использования энергии.
курсовая работа , добавлен 03.02.2012
Генерация электроэнергии как ее производство посредством преобразования из других видов энергии, с помощью специальных технических устройств. Отличительные признаки, приемы и эффективность промышленной и альтернативной энергетики. Типы электростанций.
презентация , добавлен 11.11.2013
Изучение мирового топливно-энергетического баланса, определение потенциальных энергоресурсов Земли. Анализ создания комфортных условий жизнедеятельности человека посредством преобразования разных видов энергии. Обзор основных свойств систем энергетики.
реферат , добавлен 03.02.2012
Описания отрасли энергетики, занимающейся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. Обзор работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным реактором. Вклад ядерной энергетики Украины в общую выработку.
реферат , добавлен 28.10.2013
Проблемы современной российской энергетики, перспективы использование возобновляемых источников энергии и местных видов топлива. Развитие в России рынка биотоплива. Главные преимущества использования биоресурсов на территории Свердловской области.
контрольная работа , добавлен 01.08.2012
Характеристика видов и классификации топливно-энергетических ресурсов или совокупности всех природных и преобразованных видов топлива и энергии. Вторичные топливно-энергетические ресурсы - горючие, тепловые и энергоресурсы избыточного давления (напора).
контрольная работа , добавлен 31.01.2015
Обзор развития современной энергетики и ее проблемы. Общая характеристика альтернативных источников получения энергии, возможности их применения, достоинства и недостатки. Разработки, применяемые в настоящее время для нетрадиционного получения энергии.
реферат , добавлен 29.03.2011
Типовые источники энергии. Проблемы современной энергетики. "Чистота" получаемой, производимой энергии как преимущество альтернативной энергетики. Направления развития альтернативных источников энергии. Водород как источник энергии, способы его получения.
Некоторые пути решения экологических проблем
В ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран.
Существенно уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду позволяют следующие пути и способы использования топлива (базирующиеся в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов):
1. Использование и совершенствование очистных устройств (улавливание твердых выбросов и окислов серы (96 %) и азота (80 %) и получение аммиачной селитры – удобрения и раствора сульфата натрия для химической промышленности).
2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу путем предварительной десульфурации углей (снижения в них содержания серы) и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива до 50 – 70 % серы до момента его сжигания.
3. Экономия электроэнергии – снижение энергоемкости изделий (в США на единицу получаемой продукции расходовалось в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР, в Японии – в 3 раза меньше), снижение металлоемкости продукции, повышение качества и, как следствие, увеличение срока службы.
4. Экономия энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Отказ от использования электроэнергии в качестве источника тепла, так как потери при производстве ее на ТЭС больше на 60 – 65 %, чем при получении тепловой энергии, а на АЭС больше 70 %.
5. Повышение КПД топлива при использовании его вместо ТЭС на ТЭЦ за счет приближения объектов получения энергии к потребителю и снижения теплового загрязнения водной среды при использовании на ТЭЦ тепла, улавливаемого охлаждающими агентами. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (когенерирование) непосредственно в зданиях.
Экономическая эффективность освоения энергосберегающих технологий в широких масштабах становится существенной при уровне энергопотребления примерно 10 кВт на одного человека. В России сейчас этот показатель держится на уровне примерно 2 кВт, причем в структуре энергопотребления довлеет промышленная составляющая.
Для примера: если в США на непромышленную сферу (бытовую, социально-культурную и т.п.) приходится более 50 % энергопотребле-ния, то в России - не более 25 %.
2.14.1. Альтернативные источники получения энергии
Основные проблемы современных источников энергии – исчерпаемость и загрязнение среды. Альтернативными источниками являются энергия Солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и др. источников. Хотя использование невозобновимых энергоресурсов ископаемых топлив создает самые серьезные экономические и экологические проблемы, человек намного меньше использует возобновимые энергоресурсы природы. Не потому, что они меньше (они намного больше), а потому, что их колоссальная энергия непостоянна, распределена на больших пространствах, мало концентрирована и плохо поддается контролю.
2.14.2. Энергия Солнца
Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые сможет использовать человечество. Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассивной форме - для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеют очень большую перспективу.
Однако больший интерес проявляют к способам концентрирования солнечной энергии и ее прямому преобразованию в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигла 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей - 100 МВт.
Энергию солнца можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредованно (через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, обусловленные влияниями солнца.
1. Солнце как источник тепловой энергии.
Использование солнечного тепла – наиболее простой и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжения расходуется около 25 % производимой в стране энергии. В северных странах, в том числе и в России, эта доля заметно выше. Между тем значительная доля тепла, необходимого для этих целей, может быть получена посредством улавливания энергии солнечных лучей. Эти возможности тем значительнее, чем больше прямой солнечной радиации поступает на поверхность Земли.
Способы использования:
а) солнечные коллекторы ;
Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного рода солнечных коллекторов.
В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания. Оба блока могут представлять единое целое.
Коллекторы помещаются в прозрачную камеру, которая действует по принципу парника. Имеются также устройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведения, например, потоками воздуха или воды.
б) нагревательные системы пассивного типа;
Еще более просты, чем коллекторы. Циркуляция теплоносителей здесь осуществляется в результате конвекционных токов: нагретый воздух или вода поднимаются вверх, а их место занимают охлажденные теплоносители. Пример: помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хорошими изоляционными свойствами материалов, способных длительно удерживать тепло. Для уменьшения перегрева днем и теплоотдачи ночью используются шторы, жалюзи, козырьки и другие защитные приспособления.
Проблема наиболее рационального использования солнечной энергии решается через правильное проектирование зданий. Некоторое удорожание строительства перекрывается эффектом использования дешевой и чистой энергии.
В США (Калифорния) имеются строения, которые даже при пассивном типе аккумуляции солнечных лучей позволяют экономить до 75 % расходов на энергию, при дополнительных строительных затратах 5 – 10 %.
На Кипре в 90 % коттеджей, многих отелях и многоквартирных домах проблема теплообеспечения и горячего водоснабжения решается за счет солнечных водонагревателей. В других странах целенаправленное использование солнечной энергии пока не велико, но интенсивно увеличивается производство различного рода солнечных коллекторов. В США сейчас действуют тысячи подобных систем, хотя обеспечивают они пока только 0,5 % горячего водоснабжения.
в) устройства для накопления тепла в солнечное время суток в парниках или других сооружениях;
Для этого в помещениях размещают материал с большой поверхностью и хорошей теплоемкостью. Это могут быть камни, крупный песок, вода, щебенка, металл. Днем они накапливают тепло, а ночью постепенно отдают его. Такие устройства широко используются в тепличных хозяйствах юга России, в Казахстане, Средней Азии.
2. Солнце как источник электроэнергии.
Способы использования:
а) фотоэлементы;
В фотоэлементах солнечная энергия индуцируется в электрический ток без дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей.
Основные трудности применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и потребностями в больших территориях для их размещения. Проблема в какой-то мере решаема за счет замены металлических фотопреобразователей энергии эластичными, синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей в космическое пространство.
В тех случаях, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно (калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы).
В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например, сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами. Солнечные станции привлекательны также возможностью быстрого ввода в строй и наращивания их мощности в процессе эксплуатации простым присоединением дополнительных батарей – солнцеприемников.
б) превращение воды в пар , который приводит в движение турбогенераторы;
В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды , состоящие из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего с прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет солевой раствор. Нагретая вода используется для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах.
3. Солнечная энергия как источник для получения водорода из воды путем электролиза.
Водород называют “топливом будущего”. Разложение воды и высвобождение водорода осуществляется в процессе пропускания между электродами электрического тока, полученного на гелеоустановках. Недостатки таких установок пока связаны с невысоким КПД (энергия, содержащаяся в водороде, лишь на 20 % превышает ту, которая затрачена на электролиз воды) и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости для хранения.
Германией рассматриваются проекты получения жидкого водорода, используя избыточные гидроресурсы Канады или размещения солнечных батарей в пустыне Сахара, а затем транспортировки полученного электролизом жидкого водорода в танкерах либо по сети трубопроводов к месту потребления. Особенно перспективно его применение как топлива для летательных аппаратов, автотранспорта и космической техники. Однако есть трудности для реализации проекта: получаемый водород может находиться в жидком состоянии при атмосферном давлении только при температуре -253 °С и при этом он легко испаряется, поэтому особые требования предъявляются к емкостям для хранения – необходимо сооружение контейнеров в виде сосуда Догоара для обеспечения сверхнизких температур и предохранения от быстрого испарения. Кроме того, цена водорода высока, дороже бензина.
4. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу (биотопливо).
В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1 % потока солнечной энергии. Однако эта энергия существенно превышает ту, которую получает человек из различных источников в настоящее время и будет получать в будущем.
Способы использования:
а) прямое сжигание биомассы ;
Это самый простой путь использования энергии фотосинтеза. В отдельных странах, не вступивших на путь промышленного развития, такой метод является основным.
б) переработка биомассы в другие виды топлива ;
Так можно получать биогаз (путем анаэробного – без доступа кислорода брожения) или этиловый спирт (путем аэробного брожения).
Это более оправданный способ. Имеются данные о том, что молочная ферма на 2 тысячи голов способна за счет использования отходов обеспечить биогазом не только само хозяйство, но и приносить ощутимый доход от реализации получаемой энергии. Большие энергетические ресурсы сосредоточены также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах.
Спирт, получаемый из биоресурсов, все более широко используют в двигателях внутреннего сгорания Так, Бразилия с 70-х годов ХХ века значительную часть автотранспорта перевела на спиртовое горючее или на смесь спирта с бензином - бензоспирт. Опыт использования спирта как энергоносителя имеется в США.
Для получения спирта используется разное органическое сырье – сахарный тростник в Бразилии, кукуруза в США, различные зерновые культуры, картофель, древесная масса (опилки) – в других странах. Ограничивающими факторами для использования спирта в качестве энергоносителя являются недостаток земель для получения органической массы и загрязнение среды при производстве спирта (сжигание ископаемого топлива), а также более высокая стоимость (примерно в два раза дороже бензина).
Для России, где большое количество древесины, особенно лиственных пород (береза, осина), практически не используются (не вырубается или остается на лесосеках), весьма перспективным является получение спирта из этой биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. Большие резервы для получения спиртового горючего или тепловой энергии имеются также на базе отходов лесопильных и деревообрабатывающих предприятий.
в) выращивание “энергетических культур” или “энергетических лесов”;
“Энергетические леса” – это фитоценозы, выращиваемые для переработки их биомассы в газ или жидкое горючее. Под “энергетические леса” обычно отводятся земли, на которых по интенсивным технологиям за короткие сроки (5 – 10 лет) выращивается и снимается урожай быстрорастущих видов деревьев (тополя, эвкалипты и другие). В целом же биотопливо можно рассматривать как существенную помощь в решении энергетических проблем в будущем. Основное преимущество этого ресурса – его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.
2.14.3. Ветер как источник энергии
Ветер, как и движущаяся вода, являются наиболее древними источниками энергии. В течение нескольких столетий эти источники использовались как механические на мельницах, пилорамах, в системах подачи воды к местам потребления. Они же используются и для получения электроэнергии, хотя доля ветра в общем объеме производства крайне незначительна (в Дании 3,7 % от общего объема производства электроэнергии).
Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности.
Оправдано использование ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств). Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин, объединенных в одну систему.
В США сооружена ветроэлектростанция на базе объединения большого числа мелких ветротурбин мощностью около 1500 МВт (примерно 1,5 АЭС). Широко ведутся работы по использованию энергии ветра в Канаде, Нидерландах, Дании, Швеции, Германии. Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2-3 раза меньше, чем на ТЭС и АЭС.
Для большинства известных ветрогенераторов расчетная скорость ветра, при которой обеспечивается номинальная мощность, должна составлять 8-14 м/с и по экономическим соображениям должна выдерживаться не менее 2500 часов в год. Такие условия на значительной части территорий РФ отсутствуют.
2.14.4. Использование нетрадиционных гидроресурсов
Гидроресурсы остаются важным потенциальным источником энергии при условии использования более экологичных, чем современные, методов ее получения. Например, крайне недостаточно используются энергоресурсы средних и малых рек (длина от 10 до 200 км). Только в России таких рек имеется более 150 тысяч. В прошлом именно малые и средние реки являлись важнейшим источником получения энергии.
Небольшие плотины на реках не столько нарушают сколько оптимизируют гидрологический режим рек и прилежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обусловленного природопользования, мягкого вмешательства в природные процессы.
Водохранилища, создававшиеся на малых реках, обычно не выходили за пределы русел. Такие водохранилища гасят колебания воды в реках и стабилизируют уровни грунтовых вод под прилежащими пойменными землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и устойчивости как водных, так и пойменных экосистем. Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС.
В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.
2.14.5. Энергетические ресурсы морских, океанических
и термальных вод
Большими энергоресурсами обладают водные массы морей и океанов. К ним относятся энергия приливов и отливов, морских течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля в энергобалансе не будет повышаться.
1. В мире пока действуют три приливно-отливные электростанции. В России возможности приливно-отливной энергии значительны на Белом море. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.
2. В океанических водах для получения энергии можно использовать разность температур на различных глубинах. В теплых течениях, например, в Гольфстриме, они достигают 20 °С. В основе принципа лежит применение жидкостей, кипящих и конденсирующихся при небольших разностях температур.
Теплая вода поверхностных слоев и используется для превращения жидкости в пар, который вращает турбину. Холодные глубинные массы – для конденсации пара в жидкость. Трудности связаны с громоздкостью сооружений и их дороговизной. Установки такого типа находятся пока на стадии испытаний (например, в США).
3. Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются не поверхность в виде гейзеров (например, на Камчатке). Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества.
4. Ведутся также опыты по использованию тепла, содержащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие термальные воды.
Уже в настоящее время отдельные города или предприятия обеспечиваются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии – Рейкъявику. В начале 80-х годов в мире производилось на геотермальных электростанциях около 5000 МВт электроэнергии (примерно 5 АЭС). В России значительные ресурсы геотермальных вод имеются на Камчатке, но используются они пока в небольшом объеме. В бывшем СССР за счет этого вида ресурсов производилось только около 20 МВт электроэнергии.
2.14.6. Термоядерная энергия
Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики.
Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходным элементом для синтеза является водород, конечным – гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния не среду и практически неисчерпаемы. Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно.
Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется.
Ученые пошли по пути поиска возможностей осуществления реакций в среде, не способной к испарению Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле. Установка такого типа получила название ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитным полем), разработана в институте им. Курчатова. Второй путь – использование лазерных лучей, за счет которых обеспечивается получение нужной температуры и в места концентрации которых подается водород.
Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических и экологических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.
ªВопросы для самопроверки
1. Какие новые методы использования топлива позволяют уменьшить воздействие энергетики на ОС?
2. В чем преимущества использования солнечной энергии по сравнению с другими видами энергии?
3. Назовите способы использования солнца как источника тепловой и электроэнергии.
4. Каковы перспективы применения жидкого водорода в энергетике?
5. Что такое биотопливо, как его получают?
6. Что такое “энергетический лес” ?
7. Какие проблемы препятствуют широкому использованию ветра как источника энергии?
8. Сравните воздействие на ОС малых и крупных ГЭС.
9. В чем заключается отрицательное влияние приливно–отливных ГЭС на экосистемы?
10. Каков принцип получения энергии за счет градиентов температур в океане?
11. Каковы условия протекания реакции термоядерного синтеза и какие сложности с этим связаны в настоящее время?
Современную жизнь невозможно представить без электричества и тепла. Материальный комфорт, который окружает нас сегодня, как и дальнейшее развитие человеческой мысли накрепко связаны с изобретением электричества и использованием энергии.
С древних времен люди нуждались в силе, точнее в двигателях, которые давали бы им силу большую человеческой, для того, чтобы строить дома, заниматься земледелием, осваивать новые территории.
Первые аккумуляторы пирамид
В пирамидах Древнего Египта ученые нашли сосуды, напоминающие аккумуляторы. В 1937 году во время раскопок под Багдадом немецкий археолог Вильгельм Кениг обнаружил глиняные кувшины, внутри которых находились цилиндры из меди. Эти цилиндры были закреплены на дне глиняных сосудов слоем смолы.
Впервые явления, которые сегодня называют электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в древней Греции. Древнегреческий философ Фалес Милетский в VI веке до нашей эры отмечал способность янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря – «электрон» – это явление стали называть электризацией.
Сегодня нам уже будет нетрудно разгадать «тайну» янтаря, натертого шерстью. В самом деле, почему янтарь электризуется? Оказывается, при трении шерсти о янтарь на его поверхности появляется избыток электронов, и возникает отрицательный электрический заряд. Мы как бы «отбираем» электроны у атомов шерсти и переносим их па поверхность янтаря. Электрическое поле, созданное этими электронами, притягивает бумагу. Если вместо янтаря взять стекло, то здесь наблюдается другая картина. Натирая стекло шелком, мы «снимаем» о его поверхности электроны. В результате на стекле оказывается недостаток электронов, и оно заряжается положительно. Впоследствии, чтобы различать эти заряды, их стали условно обозначать знаками, дошедшими до наших дней, минус и плюс.
Описав удивительные свойства янтаря в поэтических легендах, древние греки так и не продолжили его изучение. Следующего прорыва в деле покорения свободной энергии человечеству пришлось ждать много веков. Зато когда он все-таки был совершен, мир в буквальном смысле слова преобразился. Еще в 3 тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для лодок, но только в VII в. н.э. изобрели ветряную мельницу с крыльями. Началась история ветряных двигателей. Водяные колеса использовали на Ниле, Эфрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до ХVII века являлись основными типами двигателей.
Эпоха открытий
В истории попыток использования пара записаны имена многих ученых и изобретателей. Так Леонардо да Винчи оставил 5000 страниц научных и технических описаний, чертежей, эскизов различных приспособлений.
Джанбаттиста делла Порта исследовал образование пара из воды, что было важно для дальнейшего использования пара в паровых машинах, исследовал свойства магнита.
В 1600 году придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гилберт изучил все, что было известно древним народам о свойствах янтаря, и сам провел опыты с янтарем и магнитами.
Кто придумал электричество?
Термин "электричество" ввел английский естествоиспытатель, лейб-медик королевы Елизаветы Уильям Гилберт. Впервые он употребил это слово в своем трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» в 1600 году. Ученый объяснял действие магнитного компаса, а также приводил описания некоторых опытов с наэлектризованными телами.
В целом практических знаний об электричестве за XVI – XVII столетия было накоплено не так уж много, но все открытия были предвестниками по-настоящему больших перемен. Это было время, когда опыты с электричеством ставили не только ученые, но и аптекари, и врачи, и даже монархи.
Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х годов в Париже он вместе с голландским физиком Кристианом Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нем.
В 1680 году Дени Папен приехал в Англию и создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив.
Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Французский учёный изобрёл паровой котёл с рычажным предохранительным клапаном.
В 1774 году Уатт Джеймс в результате ряда экспериментов создал уникальную паровую машину. Для обеспечения работы двигателя он применил центробежный регулятор, соединённый с заслонкой на выпускном паропроводе. Уатт детально исследовал работу пара в цилиндре, впервые сконструировав для этой цели индикатор.
В 1782 году Уатт получил английский патент на паровой двигатель с расширением. Он же ввёл первую единицу мощности - лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности - ватт). Паровая машина Уатта благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству.
Итальянский анатом Луиджи Гальвани в 1791 году опубликовал труд «Трактат о силах электричества при мышечном движении».
Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям человеческого организма с помощью биоэлектрических токов. Обнаруживались больные органы при исследовании их электрических сигналов. Работа любого органа (сердца, мозга) сопровождается биологическими электрическими сигналами, имеющими для каждого органа свою форму. Если орган не в порядке, сигналы изменяют свою форму, и при сравнении «здоровых» и «больных» сигналов обнаруживаются причины заболевания.
Опыты Гальвани натолкнули на изобретение нового источника электричества профессора Тессинского университета Алессандро Вольта. Он дал опытам Гальвани с лягушкой и разнородными металлами иное объяснение, доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, объясняются только тем, что определенная пара разнородных металлов, разделенная слоем специальной электропроводящей жидкости, служит источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи. Эта теория, разработанная Вольтой в 1794 году, позволила создать первый в мире источник электрического тока, который назывался Вольтов столб.
Он представлял собой набор пластин из двух металлов, меди и цинка, разделенных прокладками из войлока, смоченного в соляном растворе или щелочи. Вольта создал прибор, способный за счет химической энергии производить электризацию тел и, следовательно, поддерживать в проводнике движение зарядов, то есть электрический ток. Скромный Вольта назвал свое изобретение в честь Гальвани «гальваническим элементом», а электрический ток, получающийся от этого элемента – «гальваническим током».
Первые законы электротехники
В начале XIX века опыты с электрическим током привлекали внимание ученых из разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки компаса под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В 1820 году это явление в своем докладе подробно описал датский физик Ганс Христиан Эрстед. Небольшая, всего в пять страниц, книжка Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках и произвела огромное впечатление на коллег Эрстеда из разных стран.
Однако правильно объяснить причину явления, которое описал Эрстед, первым сумел французский ученый Андре Мари Ампер. Оказалось, ток способствует возникновению в проводнике магнитного поля. Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления – электричество и магнетизм – одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы.
Воодушевленный открытиями Эрстеда и Ампера, другой ученый, англичанин Майкл Фарадей предположил, что не только магнитное поле может воздействовать на магнит, но и наоборот – двигающийся магнит будет оказывать воздействие на проводник. Серия опытов подтвердила эту блестящую догадку – Фарадей добился того, что подвижное магнитное поле создало в проводнике электрический ток.
Позже это открытие послужило основой для создания трех главных устройств электротехники – электрического генератора, электрического трансформатора и электрического двигателя.
Начальный период использования электричества
У истоков освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович Петров, профессор медицинско-хирургической Академии в Петербурге. Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, он в 1802 году сделал свое знаменитое открытие – электрическую дугу, сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры.
Жертвы ради науки
Русский учёный Василий Петров, первым в мире в 1802 году описавший явление электрической дуги, не жалел себя при проведении экспериментов. В то время не было таких приборов, как амперметр или вольтметр, и Петров проверял качество работы батарей по ощущению от электрического тока в пальцах. Чтобы чувствовать слабые токи, учёный срезал верхний слой кожи с кончиков пальцев.
Наблюдения и анализ Петровым свойств электрической дуги легли в основу создания электродуговых ламп, ламп накаливания и много другого.
В 1875 году Павел Николаевич Яблочков создает электрическую свечу, состоящую из двух угольных стержней, расположенных вертикально и параллельно друг другу, между которыми проложена изоляция из каолина (глины). Чтобы горение было более продолжительным, на одном подсвечнике помещалось четыре свечи, которые горели последовательно.
В свою очередь, Александр Николаевич Лодыгин ещё в 1872 году предложил вместо угольных электродов использовать нить накаливания, которая при протекании электрического тока ярко светилась. В 1874 году Лодыгин получил патент на изобретение лампы накаливания с угольным стерженьком и ежегодную Ломоносовскую премию Академии наук. Устройство было запатентовано также в Бельгии, Франции, Великобритании, Австро-Венгрии.
В 1876 году Павел Яблочков завершил разработку конструкции электрической свечи, начатой в 1875 г. и 23 марта получил французский патент, содержащий краткое описание свечи в её первоначальных формах и изображение этих форм. «Свеча Яблочкова» оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем лампа А. Н. Лодыгина. Под названием «русский свет» свечи Яблочкова использовались позже для уличного освещения во многих городах мира. Так же Яблочков предложил первые практически применявшиеся трансформаторы переменного тока с разомкнутой магнитной системой.
Тогда же в 1876 году в России была сооружена первая электростанция на Сормовском машиностроительном заводе, ее прародительница была построена в 1873 году под руководством бельгийско-французского изобретателя З.Т. Грамма для питания системы освещения завода, так называемая блок-станция.
В 1879 русские электротехники Яблочков, Лодыгин и Чиколев совместно с рядом других электротехников и физиков организовали в составе Русского технического общества Особый Электротехнический отдел. Задачей отдела было содействие развитию электротехники.
Уже в апреле 1879 года впервые в России электрическими фонарями освещен мост – мост Александра II (ныне Литейный мост) в Санкт-Петербурге. При содействии Отдела на Литейном мосту введена первая в России установка наружного электрического освещения (дуговыми лампами Яблочкова в светильниках, изготовленных по проекту архитектора Кавоса), положившая начало созданию местных систем освещения дуговыми лампами некоторых общественных зданий Петербурга, Москвы и других больших городов. Электрическое освещение моста устроенное В.Н. Чиколевым, где горело 12 свечей Яблочкова вместо 112 газовых рожков, функционировало всего 227 дней.
Трамвай Пироцкого
Вагон электрического трамвая изобрел Федор Аполлонович Пироцкий в 1880 году. Первые трамвайные линии в Санкт-Петербурге были проложены только зимой 1885 года по льду Невы в районе Мытнинской набережной, так как право на использование улиц для пассажирских перевозок имели только владельцы конок – рельсового транспорта, который передвигался при помощи лошадей.
В 80-е годы возникли первые центральные станции, они были более целесообразны и более экономичны, чем блок-станции, так как снабжали электричеством сразу много предприятий.
В то время массовыми потребителями электроэнергии были источники света – дуговые лампы и лампы накаливания. Первые электростанции Петербурга вначале размещались на баржах у причалов рек Мойки и Фонтанки. Мощность каждой станции составляла примерно 200 кВт.
Первая в мире центральная станция была пущена в работу в 1882 году в Нью-Йорке, она имела мощность 500 кВт.
В Москве электрическое освещение впервые появилось в 1881 году, уже в 1883 году электрические светильники иллюминировали Кремль. Специально для этого была сооружена передвижная электростанция, которую обслуживали 18 локомобилей и 40 динамо-машин. Первая стационарная городская электростанция появилась в Москве в 1888 году.
Нельзя забывать и о нетрадиционных источниках энергии.
Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.
План ГОЭЛРО
В России создавались электростанции в конце XIX и начале XX веков, однако, бурный рост электроэнергетики и теплоэнергетики в 20-е годы XX столетия после принятия по предложению В.И. Ленина плана ГОЭЛРО (Государственной электрификации России).
22 декабря 1920 года VIII Всероссийский съезд Советов рассмотрел и утвердил Государственный план электрификации России – ГОЭЛРО, подготовленный комиссией, под председательством Г.М. Кржижановского.
План ГОЭЛРО должен был быть реализован в течении десяти-пятнадцати лет, а его результатом должно было стать создание «крупного индустриального хозяйства страны». Для экономического развития страны это решение имело огромное значение. Недаром свой профессиональный праздник российские энергетики отмечают именно 22 декабря.
В плане много уделялось проблеме использования местных энергетических ресурсов (торфа, воды рек, местного угля и др.) для производства электрической энергии.
8 октября 1922 года состоялся официальный пуск станции «Уткина заводь» - первой торфяной электростанции в Петрограде.
Первая ТЭЦ России
Самая первая тепловая электростанция, построенная по плану ГОЭЛРО в 1922 году, называлась «Уткина заводь». В день пуска участники торжественного митинга переименовали ее в «Красный октябрь», и под этим именем она проработала до 2010 года. Сегодня это Правобережная ТЭЦ ПАО «ТГК-1».
В 1925 году запустили Шатурскую электростанцию на торфе, в тот же год на Каширской электростанции начали освоение новой технологии сжигания подмосковного угля в виде пыли.
Днем начала теплофикации в России можно считать 25 ноября 1924 года – тогда заработал первый теплопровод от ГЭС-3, предназначенный для общего пользования в доме номер девяносто шесть на набережной реки Фонтанки. Электростанция № 3, которую переоборудовали для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, является первой в России теплоэлектроцентралью, а Ленинград – пионером теплофикации. Централизованное снабжение горячей водой жилого дома функционировало без сбоев, и через год ГЭС-3 стало снабжать горячей водой бывшую Обуховскую больницу и бани, находящиеся в Казачьем переулке. В ноябре 1928 года к тепловым сетям государственной электростанции № 3 подключили здание бывших Павловских казарм, располагавшихся на Марсовом поле.
В 1926 году была пущена в эксплуатацию мощная Волховская ГЭС, энергия которой по линии электропередачи напряжением 110 кВ, протяженностью 130 км поступала в Ленинград.
Атомная энергетика XX века
20 декабря 1951 года, ядерный реактор впервые в истории произвел пригодное для использования количество электроэнергии - в нынешней Национальной Лаборатории INEEL Департамента энергии США. Реактор выработал достаточную мощность, чтобы зажечь простую цепочку из четырех 100-ваттных лампочек. После второго эксперимента, проведенного на следующий день, 16 участвовавших в нем учёных и инженеров «увековечили» свое историческое достижение, написав мелом свои имена на бетонной стене генератора.
Советские ученые приступили к разработке первых проектов мирного использования атомной энергии ещё во второй половине 1940-х годов. А 27 июня 1954 года в городе Обниск была запущена первая атомная электростанция.
Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева). К концу ХХ века в мире насчитывалось уже более 400 атомных электростанций.
Современная энергетика. Конец XX века
Конец XX века ознаменован различными событиями, связанными как с высокими темпами строительства новых станции, началом развития возобновляемых источников энергии, ак и с появлением первых проблем от сформировавшейся огромной мировой энергосистемы и попытками их решить.
Блэкаут
Американцы называют ночь на 13 июля 1977 «Ночью страха». Тогда случилась огромная по своим размерам и последствиям авария на электрических сетях в Нью-Йорке. Из-за попадания молнии в линию электропередачи на 25 часов была прервана подача электричества в Нью-Йорк и 9 млн жителей оказались без электроснабжения. Трагедии сопутствовал финансовый кризис, в котором пребывал мегаполис, необыкновенно жаркая погода, и небывалый разгул преступности. После отключения электричества на фешенебельные кварталы города набросились банды из бедных кварталов. Считается, что именно после тех страшных событий в Нью-Йорке понятие «блэкаут» стало повсеместно использоваться применительно к авариям в электроэнергетике.
Так как современное сообщество всё больше зависит от электроэнергии, аварии на электросетях наносят ощутимые убытки предприятиям, населению и правительствам. Во время аварии выключаются осветительные приборы, не работают лифты, светофоры, метро. На жизненно важных объектах (больницы, военные объекты и т. д.) для функционирования жизнедеятельности во время аварий в энергосистемах используются автономные источники питания: аккумуляторы, генераторы. Статистика показывает значительное увеличение аварий в 90-е гг. XX - начале XXI вв.
В те годы продолжалось развитие альтернативной энергетики. В сентябре 1985 года состоялось пробное включение генератора первой солнечной электростанции СССР в сеть. Проект первой в СССР Крымской СЭС был создан в начале 80-х в рижском отделении института «Атомтеплоэлектропроект» при участии тринадцати других проектно-конструкторских организаций Министерства энергетики и электрификации СССР. Полностью станция вступила в строй в 1986 году.
В 1992 году началось строительство крупнейшей в мире ГЭС «Три ущелья» в Китае на реке Янцзы. Мощность станции - 22,5 ГВт. Напорные сооружения ГЭС образуют крупное водохранилище площадью 1 045 км², полезной ёмкостью 22 км³. При создании водохранилища было затоплено 27 820 га обрабатываемых земель, было переселено около 1,2 млн человек. Под воду ушли города Ваньсянь и Ушань. Полное завершение строительства и ввод в официальную эксплуатацию состоялся 4 июля 2012 года.
Развитие энергетики неотделимо от проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. В Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата был принят Киотский протокол. Он обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов в 2008 – 2012 годах по сравнению с 1990 годом. Период подписания протокола открылся 16 марта 1998 года и завершился 15 марта 1999 года.
По состоянию на 26 марта 2009 Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов). Заметным исключением из этого списка являются США. Первый период осуществления протокола начался 1 января 2008 года и продлится пять лет до 31 декабря 2012 года, после чего, как ожидается, на смену ему придёт новое соглашение.
Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночном механизме регулирования - механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов.
XXI век, а точнее 2008 год, стал знаковым для энергетической системы России, было ликвидировано Российское открытое акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России» (ОАО РАО «ЕЭС России»)-российская энергетическая компания, существовавшая в 1992-2008 годах. Компания объединяла практически всю российскую энергетику, являлась монополистом на рынке генерации и энерготранспортировки России. На её месте возникли государственные естественно-монопольные компании, а также приватизированные генерирующие и сбытовые компании.
В XXI веке в России строительство электростанций выходит на новый уровень, начинается эра применения парогазового цикла. Россия способствует наращиванию новых генерирующих мощностей. 28 сентября 2009 года началось строительство Адлерской теплоэлектростанции. Станция будет создана на основе 2-х энергоблоков парогазовой установки общей мощностью 360 МВт (тепловая мощность - 227 Гкал/ч) с КПД 52%.
Современная технология парогазового цикла обеспечивает высокий КПД, низкий расход топлива и снижение уровня вредных выбросов в атмосферу в среднем на 30% по сравнению с традиционными паросиловыми установками. В будущем ТЭС должна стать не только источником тепла и электричества для объектов зимних Олимпийских игр 2014 года, но и весомым вкладом в энергобаланс г. Сочи и прилегающих районов. ТЭС включена в утвержденную Правительством РФ Программу строительства олимпийских объектов и развития г. Сочи как горноклиматического курорта.
24 июня 2009 года в Израиле заработала первая гибридная солнечно-газовая электростанция. Построена она из 30 солнечных отражателей и одной "цветочной" башни. Для сохранения мощности системы 24 часа в сутки, она может переключиться на газовую турбину во время наступления темноты. Установка занимает относительно немного места, и может работать в удалённых районах, которые не подключены к центральным энергетическим системам.
Новые технологии, используемые в гибридных станциях, постепенно распространяются по всему миру, так в Турции планируется построить гибридную электростанцию, которая будет работать одновременно уже на трех источниках возобновляемой энергии - на ветре, природном газе и солнечной энергии.
Альтернативная электростанция спроектирована так, что все ее составляющие дополняют друг друга, поэтому американские специалисты сошлись во мнении, что в будущем у подобных станций есть все шансы стать конкурентоспособными, и поставлять электричество по умеренной цене.
Энергетическая проблема - одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Резкий рост производства и потребления энергии выдвинул новую острую проблему загрязнения окружающей среды, которое представляет серьезную опасность для человечества.
Мировые энергетические потребности в ближайшее десятилетия будут интенсивно возрастать. Какой-либо один источник энергии не сможет их обеспечить, поэтому необходимо развивать все источники энергии и эффективно использовать энергетические ресурсы.
На ближайшем этапе развития энергетики (первые десятилетия XXI в.) наиболее перспективными останутся угольная энергетика и ядерная энергетика с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах. Однако можно надеяться, что человечество не остановится на пути прогресса, связанного с потреблением энергии во всевозрастающих количествах.
Слово «энергия» с греческого означает действие, деятельность. Важность понятия энергии определяется тем, что она подчиняется закону сохранения. Представление об энергии помогает понять невозможность создания вечного двигателя. Работа может совершаться только в результате определенных изменений окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды). Способность тела при переходе его из одного состояния в другое совершать определенную работу (работоспособность) и была названа энергией. Сейчас как никогда остро встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие. Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразования из других форм. Вечные двигатели к сожалению невозможны. А сегодня 4 из 5 произведенных киловатт электроэнергии получаются при сжигании топлива или использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых станциях. Возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике.
Не зря говорят: «Энергетика - хлеб промышленности». Чем более развиты промышленность и техника, тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие - «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один новый город или просто дом нельзя построить до того, как будет определен или создан заново источник энергии,
которую они станут потреблять. Вот почему по количеству добываемой и используемой энергии довольно точно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря - о богатстве любого государства.
В природе запасы энергии огромны. Ее несут солнечные лучи, ветры и движущиеся массы воды, она хранится в древесине, залежах газа, нефти, каменного угля. Практически безгранична энергия, «запечатанная» в ядрах атомов вещества. Но не все ее формы пригодны для прямого использования.
За долгую историю энергетики накопилось много технических средств и способов добывания энергии и преобразования ее в нужные людям формы. Собственно, и человек-то стал человеком только тогда, когда научился получать и использовать тепловую энергию. Огонь костров зажгли первые люди, еще не понимавшие его природы, однако этот способ преобразования химической
энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.
К энергии собственных мускулов и огня люди добавили мускульную энергию животных. Они изобрели технику для удаления химически связанной воды из глины с помощью тепловой энергии огня - гончарные печи, в которых получали прочные керамические изделия. Конечно, процессы, происходящие при этом, человек познал только тысячелетия спустя.
Потом люди придумали мельницы - технику для преобразования энергии ветряных потоков и ветра в механическую энергии вращающегося вала. Но только с изобретением паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, гидравлической, паровой и газовой турбин, электрических генератора и двигателя, человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные
технические устройства. Они способны преобразовать природную энергию в иные ее виды, удобные для применения и получения больших количеств работы. Поиск новых источников энергии на этом не завершился: были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи солнечной энергии в электрическую и - уже в середине ХХ столетия - атомные реакторы.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей более чем шестимиллиардного населения Земли становится сейчас все более насущной.
Основу современной мировой энергетики составляют тепло- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, на которых работают тепловые станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. К тому же многие страны не располагают собственными топливными ресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на ТЭС происходит выброс вредных веществ в атмосферу. Причем если топливом служит уголь, особенно бурый, малоценный для другого вида использования и с большим содержанием ненужных примесей, выбросы достигают колоссальных размеров. И, наконец, аварии на ТЭС наносят большой ущерб природе, сопоставимый с вредом любого крупного пожара. В худшем случае такой пожар может сопровождаться взрывом с образованием облака угольной пыли или сажи.
Гидроэнергетические ресурсы в развитых странах используются практически полностью: большинство речных участков, пригодных для гидротехнического строительства, уже освоены. А какой вред причиняют природе гидроэлектростанции! Выбросов в воздух от ГЭС нет никаких, но зато
вред водной среде наносит довольно большой. В первую очередь страдают рыбы, которые не могут преодолеть плотины ГЭС. На реках, где построены гидроэлектростанции, особенно если их несколько – так называемые каскады ГЭС, - резко меняется количество воды до и после плотин. На равнинных реках разливаются огромные водохранилища, и затопленные земли безвозвратно потеряны для сельского хозяйства, лесов, лугов и расселения людей. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все находящиеся ниже плотины ГЭС. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.
Выход из создавшегося положения виделся в развитии атомной энергетики. На конец 1989 года в мире построено и работало более 400 атомных электростанций (АЭС). Однако сегодня АЭС уже не считаются источником дешевой и экологически чистой энергией. Топливом для АЭС служит урановая руда – дорогостоящее и трудно добываемое сырье, запасы которого ограничены. К тому же строительство и эксплуатация АЭС сопряжены с большими трудностями и затратами. Лишь немногие страны сейчас продолжают строительство новых АЭС. Серьезным тормозом для дальнейшего развития атомной энергетики являются проблемы загрязнения окружающей среды. Все это дополнительно осложняет отношение к атомной энергетике. Все чаще звучат призывы, требующие отказаться от использования ядерного топлива вообще, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также использовать так называемые возобновимые – малые, или «нетрадиционные», - виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле.