Публикации
«Энергия и люди»
Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.
Скачать публикацию
Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: «Энергия и люди»
Автор: Санжарова Ольга Александровна
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: «Энергия и люди»
Автор: Санжарова Ольга Александровна
МБОУ Тацинская СОШ №3
Теоретический проект
Новые источники энергии
учитель физики Санжарова О.А.
2
Содержание стр.
Основные источники энергии сегодня------------------------------- 3
Гидроэнергия --------------------------------------------------------------- 3
Ядерная энергия------------------------------------------------------------- 5
Радиоизотопная энергия -------------------------------------------------- 7
Атомная батарейка------------------------------------------------------ 8
Антивещество------------------------------------------------------------ 8
Солнечная энергия------------------------------------------------------- 9
Энергия ветра------------------------------------------------------------- 13
Биоэнергетика------------------------------------------------------------ 15
Альтернативные источники энергии (энергия сточных вод, гравитации, геотермальная, солнечный парус, криоэнергия)------------------ 17
3
Основные источники энергии сегодня
Источники энергии, потребляемой в настоящее время, отнюдь не неисчерпаемы. В связи с этим, стоит серьезно задуматься над тем, откуда мы будем брать энергию завтра - через 50 или 100 лет. Энергия - это отопление, освещение, транспорт. Это промышленная и сельскохозяйственная продукция. Население земного шара растет. Сотни миллионов людей, которые сегодня терпят голод и нужду, хотят - и у них есть на это полное право - вырваться из такого состояния. Однако все это требует не только времени, усилий, денег, но и достаточное количество энергии.
В статистическом обзоре ООН были опубликованы оценочные данные, касающиеся ресурсов энергии на земном шаре. Оказалось, что при существующем росте спроса на энергию, запасов полезных ископаемых хватит, примерно:- угля до 2500 года;- нефти до 2100 года;- природного газа до 2035 года.
Пока на планете самым популярным топливом является продукция крекинга нефти: мазут, бензин, керосин. Параллельно с нефтью из недр планеты выкачивается огромное количество природного газа. Весь автомобильный транспорт привязан к бензину.
Есть еще другие виды энергии.
Гидроэнергия
Ресурсы гидроэнергии, практически неисчерпаемы, однако, количество энергии, которое может дать вода, ограничено техническими барьерами. Наряду с гидроэлектростанциями появились новые электростанции, которые используют энергию приливов и морских течений.
Как работает приливная электростанция
4
Сегодня хорошо известно, что этому грандиозному явлению природы, а именно, ритмичному движению морских вод, способствуют силы гравитации Солнца и Луны. Дважды в сутки Солнце и Луна силой тяготения заставляют морскую воду то наступать на берег, то отходить назад. Это явление известно людям с давних времен, однако использовать его с целью получения энергии человечество научилось лишь недавно.
Первую приливную электростанцию построили в 1913 г. вблизи Ливерпуля в бухте Ди, ее мощность достигала 635 кВт.
Ученые подсчитали, что для хорошей работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырех метров. Таким образом, с увеличением разницы высот воды увеличивается эффективность работы приливной электростанции. Хорошим местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который отсекается плотиной от океана. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу, которая очень удобна в использовании. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.
Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре цикла, это простой, по 1-2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4-5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, и электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, опять вращает рабочие колеса, теперь в обратную сторону. И вновь электростанция снова производит электрический ток, потому что рабочий агрегат обеспечивает одинаково хорошую работу при вращении колеса в любую из сторон. В промежутках между приливом и отливом движение колес останавливается. Какой же выход из этого положения? Чтобы не было перебоев, энергетики связывают приливную электростанцию с другими станциями. Это могут быть, например, тепловые или атомные электростанции. Получившееся энергетическое кольцо помогает во время пауз переложить нагрузку на соседей по кольцу.
К недостаткам традиционных приливных электростанций можно отнести их высокую стоимость. Она в 2,5 раза превышает стоимость гидроэлектростанций аналогичной
5
мощности. Однако к преимуществам ПЭС можно отнести ее экологичность и низкую себестоимость производства энергии.
Приливная электростанция на реке Ранс (Франция) Кислогубская приливная электростанция (Россия)
Эксперты из организации Greenpeace сделали вывод, что ресурсы приливной энергии в мире таковы, что при их использовании можно получить такое количество энергии, которое превысит современные потребности человечества в электроэнергии в 5 тысяч раз
В Ирландии заработала морская электростанция
У побережья Северной Ирландии заработала электростанция, получающая энергию из морских течений. Эту электростанцию нельзя назвать приливной, поскольку энергию она получает из морских течений, причем не самых быстрых (от 1 м/с). Электростанция состоит из группы юнитов, каждый из которых представляет собой нечто вроде воздушного змея, только парящего в толще воды. Юнит располагается таким образом, чтобы оптимально использовать энергию течения.
Каждый юнит снабжен крыльями с общим размахом в три метра, и турбиной, которую приводит в движение вода. К слову, кабель, на котором висит юнит, комплексный, состоящий из крепления, кабеля связи и энергокабеля.
Управляет всем этим оператор, который следит за работой каждого юнита, и направляет их так, чтобы общая эффективность работы была максимальной. Автором проекта является компания Minesto. К слову, пока что это — пилотный проект.
Ядерная энергия
6
Ядерная энергия(атомная энергия)— энергия, содержащаяся ватомных ядрахи выделяемая приядерных реакцияхирадиоактивном распаде. Атомные электростанции, использующие эту энергию, в 2012 году производили 13% мировой электроэнергии и
5,7% общего мирового производства энергии. Согласно отчётуМеждународного агентства по атомной энергии(МАГАТЭ), на 2013 год насчитывается 436 действующихядерныхэнергетических(то есть производящих утилизируемую электрическую и/или тепловую энергию)реакторов в31странемира. Кроме того, на разных стадиях сооружения находится ещё73 энергетическихядерных реакторов в15 странах. В настоящее время в мире имеется также около140 действующихнадводных кораблей и подводных лодок, использующих в общей сложности около180 реакторов.
Деление
В настоящее время из всех источников ядерной энергии наибольшее практическое применение имеет энергия, выделяющаяся при делении тяжёлых ядер. В условиях дефицита энергетических ресурсовядерная энергетикана реакторах деления считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия. Наатомных электрических станцияхядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы,атомные подводные лодки,атомные авианосцы).
Энергия деления ядеруранаилиплутонияприменяется вядерномитермоядерноморужии (как пускатель термоядерной реакции и как источник дополнительной энергии при делении ядер нейтронами, возникающими в термоядерных реакциях).
Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного загрязнения в случае аварии.
Термоядерный синтез
Энергия термоядерного синтеза применяется вводородной бомбе. Проблемауправляемого термоядерного синтезапока не решена, однако в случае решения этой проблемы он станет практически неограниченным источником дешёвой энергии.
Радиоактивный распад
Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, используется в долгоживущих источниках тепла и бета-гальванических элементах. Автоматические межпланетные станции типаПионериВояджер, а такжемарсоходыи другие межпланетные миссии используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Изотопный источник тепла использовали советские лунные миссии Луноход-1 и Луноход-2.
Производство атомной энергии осуществляется без атмосферных выбросов, из-за чего многие политики и некоторые экологи считают, что это чистая альтернатива природному газу и углю. Однако атомная энергетика не является выходом из климатического кризиса. Серьезной проблемой являются финансы. Средняя смета АЭС за последние годы возросла
7
в четыре раза. Атомные электростанции прежней конструкции, в которых источником энергии служит радиоактивный распад урана, не решат проблему хотя бы потому, что разведанных месторождений урана хватит всего лишь до середины нынешнего столетия. Еще более важной проблемой в ядерной энергетике остается обеспечение ее безопасности
для людей и окружающей среды. Взрыв на комбинате Маяк где производится обогащение урана, громадные мёртвые территории после чернобыльской катастрофы, авария на станции Фукусима в Японии, да еще огромное количество радиоактивных отходов, которые десятки стран пытаются подсунуть друг другу на переработку или хранение. Более или менее реакторы нормально работают на огромных ледоколах и ещё на подводных лодках. К сожалению, пока международным сообществом так и не выработано единого стратегического направления в развитии этой важной отрасли промышленности.
Радиоизотопная энергия и способы её получения.
Тепловую энергию с использованием радиоактивных источников, можно получить несколькими способами. Сейчас энергию добывают тремя способами: во время радиоактивного распада, синтеза тяжелых ядер из легких и при обратном процессе (делении тяжелых ядер на легкие).
Подобные реакции (деления и синтеза ядер) имеют цепной характер и всегда характеризуются активным выделением энергии. В практической энергетике удалось реализовать первый и третий процесс, и активно ведутся поиски осуществления термоядерного синтеза в контролируемых условиях.
Главная причина применения радиоизотопных источников – ряд преимуществ перед другими энергоисточниками – это компактность, необслуживаемость, огромная энергоёмкость изотопов и доступность топлива, накопленного на АЭС за долгое время их работы.
Основные области применения ядерных батарей – космическое направление (межпланетные станции и спутники), удаленные территории (крайний север, Антарктика, открытое море) и глубоководные аппараты, - везде, где использование традиционных технологий нерентабельно или невозможно.
Существуют также образцы ядерных батареек для медицинского использования. В будущем планируется создание роботов-андроидов, лазеров космического базирования и боевых машин, работающих от радиоизотопных источников энергии.
Изотопная энергия позволит решать задачи обороны (автономное энергоснабжение радиолокационного наблюдения, специальной связи и ретранслирование информации, спутники военного назначения) и обеспечивать связь и телевещание (высокопроизводительные глобальные инфосистемы, системы связи с высокой пропускной способностью). Используя изотопы, накопившиеся в результате работы АЭС, человечество сможет частично решить проблему захоронения радиоактивных отходов и энергетические проблемы (космическое производство энергии и дистанционное снабжение Земли).
Возможен прорыв в научных исследованиях ( Марсианская экспедиция, создание базы на Луне, исследование Солнечной системы). Можно даже замахнуться на такие
8
космические задачи, о которых мечтали фантасты (защита Земли от столкновения с кометами, контроль над тайфунами и освещением локальных участков земли, вывод в космос опасных производств, восстановление озонового слоя и борьба с парниковым эффектом). У данного типа энергии есть множество перспектив.
Атомная батарейка
В качестве активного вещества в такой ядерной батарейке используется тритий. Если точнее, - радиоактивный изотоп трития с периодом полураспада в 12,3 года. При этом излучение, вызванное распадом трития, считается безопасным, и не в состоянии навредить даже верхнему слою кожи. В целом использование таких источников питания на данный момент довольно специфичное - труднодоступные потребители, возможно работающие в экстремальных условиях (батарейки выдерживают температуры от -50 до +150 градусов по Цельсию, широкий диапазон давлений и вибраций) и потребляющие незначительную мощность. Один такой аккумулятор способен выдавать от 0.8 до 2.4 В и от 50 до 300 нА в течении 20 лет.
Антивещество
Антивещество́—вещество, состоящее изантичастиц. По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующееядра, иэлектромагнитное взаимодействие, образующееатомыи молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит иханнигиляция, при этом образуются высокоэнергичныефотоныили пары частиц-античастиц. Подсчитано, что при вступлении во взаимодействие 1кг антивещества и 1кг вещества выделится приблизительно 1,81017 Джэнергии, что эквивалентно энергии выделяемой при взрыве 42,96 мегатоннтротила.
Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в1965 годуанти-дейтрон; затем были получены и более тяжёлые антиядра. В1995 годувЦЕРНебыл синтезирован атомантиводорода, состоящий изпозитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах, и было начато детальное изучение его свойств.
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле— по оценкамНАСА2006 года, производствомиллиграммапозитронов стоило примерно 25 миллионовдолларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объём, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.
В связи с тем, что при столкновении атомов вещества и антивещества образуется огромное количество энергии, изобретение эффективного способа получения и удерживания антивещества станет настоящим прорывом в энергетической и военной
9
отраслях, также, как иядерная энергияв XX веке. Согласно предположениям, можно создать достаточно компактную бомбу на антивеществе, способную уничтожить целую
планету, или реактор, способный один удовлетворить энергетические потребности целых континентов.
Солнечная энергия
Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.
Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий – красный. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые
10
одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.
Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:• Монокристаллические• Поликристаллические
Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности.
Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Если взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало, можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.
Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.
Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами. Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
11
До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.
Интересные цифры:
- Всего за одну секунду солнце вырабатывает так много энергии, что ее хватит на 500000 лет использования на Земле! - ..это эквивалентно четырем триллионам лампочек в 100 Вт.- За час на Землю попадает достаточно солнечного света, чтобы обеспечить мир электричеством на год вперед!- Одной солнечной батареи размером со Швецию (0,3% земной поверхности) хватит, чтобы мир целиком перешел на солнечную электроэнергию.- Германия, Испания и Италия являются тремя крупнейшими в мире производителями солнечной электроэнергии.- В Европе находятся 9 из 15 ключевых солнечных рынков в мире. За прошлый год количество энергии от установленных на территории Европы солнечных панелей составило почти 30% от электричества, производимого новыми европейскими электростанциями
Мобильная школа на солнечной энергии
Solar Powered Internet School – это новый оригинальный проект, организатором которого выступила южнокорейская корпорация Samsung. Целью реализации данного проекта является помощь детям из бедствующих районов планеты в получении доступа к современным технологиям в обучении. Первый в мире передвижной класс на солнечной энергии организовали год назад в небольшой деревне Фоломонг (Phomolong), расположенной в пригороде Йоханнесбурга, столицы Южно-Африканской Республики.
Что же такое мобильный класс, какие его основные составляющие? Основой его служит 12-метровый металлический контейнер. Он получает электроэнергию от солнечных панелей, прикрепленных к бокам и крыше контейнера. Сами батареи также не совсем простые, они изготовлены из каучукоподобного материала, что довольно серьезно облегчает их транспортирование без риска повреждения. Они позволяют вырабатывать электричество до 9 часов в течение суток, обеспечивая питанием все оборудование для классной комнаты. Помещение внутри оборудовано 50-дюймовой электронной интерактивной доской, переносными компьютерами, имеющими доступ в сеть Internet и работающими на солнечной энергии,
12
планшетными компьютерами GALAXY от Samsung, и в дополнение - WI-FI камерами, производящими снимки класса 1 раз через 15 секунд. Мобильный класс рассчитан на размещение 21 ученика одновременно, абсолютно весь учебно-методический материал от нулевого до двенадцатого класса находится на центральном сервере.
С помощью солнечных батарей также обеспечивается дополнительное охлаждение помещения, так как они принимают на себя главный удар от прямых солнечных лучей и играют своего рода роль зонтика. Благодаря использованию подобных решений, разница температур снаружи и внутри может достигать десяти градусов. Контейнер хорошо транспортабелен: он может быть погружен в грузовик и перевезен в любое место страны, независимо от его удаленности.
100 секунд про солнечные батареи
Как Вы думаете, когда была начата история солнечной батареи? В 1839 году Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект - преобразование энергии солнца в электричество. Примерно через 50 лет Чарльз Фриц выдвинул предположение, что такого эффекта можно достичь при помощи устройства из селена и золота с КПД менее 1%.
А реализовали технологию впервые только в 30-е годы ХХ столетия советские ученые. Американцев 1% КПД не устраивал, поэтому в 1954 году они изобрели кремниевую солнечную батарею, выдающую 6% КПД. Уже через 4 года солнечная энергия стала основным источником солнечной энергии в космических кораблях.
В 70-х годах КПД достигло 10%, однако о наземном использовании речи так и не шло, потому что стоимость изготовления солнечной батареи была очень велика. И лишь в 1989 году удалось добиться КПД в 30%.
Больше всего солнечные батареи используются в Германии – 36%. Там вырабатывается 1 ГВт электроэнергии ежегодно, за ней идут США и Испания. Батареи размещаются на крышах домов, заводов, а некоторые даже носят шапки с солнечными батареями, чтобы заряжать свои гаджеты. Samsung пошли дальше и выпустили первый в мире нетбук на солнечных батареях, время работы которого составляет около 15 часов. А мобильный телефон на солнечных батареях от Samsung сможет обеспечить 10 минут разговора за час зарядки от солнца.
13
Если ваша квартира выходит на солнечную сторону, вам повезло — возможно, в скором будущем этот концепт, созданный китайскими дизайнерами Kyuho Song и Boa Oh, превратится в реальный гаджет и, хоть и ненамного, но все же уменьшит расходы на электроэнергию.
Энергия ветра
Ветряные электростанции могут функционировать в районах со скоростью ветра выше 4,5 м/с. Они могут работать с сетью существующих электростанций либо быть автономными системами. Возникают также так называемые ветряные фермы - энергоблоки с некоторым количеством единиц техники, общих для всей системы.
Ветер, как неисчерпаемый источник экологически чистой энергии, находит все более широкое применение и приобретает все большую общественную поддержку.
Начало использования энергии ветра восходит к древнему Вавилону (осушение болот), Египту (помол зерна), Китаю и Маньчжурии (откачка воды с рисовых полей). В Европе эта технология появилась в XII веке, но современные технологии стали использоваться только в XX веке.
Несмотря на массовое производство, стоимость строительства современной ветряной электростанции велика. Однако, следует отметить, что ничтожна стоимость ее эксплуатации. Экологические и экономические выгоды зависят от правильного расположения.
Ее основными преимуществами являются:1. Отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.2. Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки.3. Территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей.
14
4. Минимальные потери при передаче энергии – ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети.5. Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.
Недостатки:
1. Высокие инвестиционные затраты - они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.2. Изменчивость мощности во времени - производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.3. Шум. (Исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.)4. Угроза для птиц - в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.5. Возможность искажения приема сигнала телевидения - незначительна.6. Изменения в ландшафте.
Несмотря на все преимущества, ветряки имели серьезные недостатки. Эффект их работы зависел от погодных условий, поэтому в безветренные дни и дни, когда ветер очень сильный, ветряки не могли работать.
Ветряные турбины с электрогенераторами – установки, преобразующие кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Они устанавливаются в гигантских комплексах
ветряных электростанций в виде длинных рядов, ориентированных перпендикулярно превалирующих направлений ветров в данной местности. Чаще всего они размещаются на равнинных участках или морских побережьях, где потоки воздуха постоянны и достаточно мощны.
Турбины современных конструкций разделены на две большие группы по типу ротора - горизонтально-осевые и вертикально-осевые. Горизонтально-осевые должны ловить ветер, с помощью специальной системы, поворачиваясь лопастями против ветра. Работа вертикально-осевых установок от направления воздушного потока не зависит.
15
Биоэнергетика
Биомасса (БМ) - термин, применяемый для обозначения совокупности живой и неживой, растительной и животной материи на нашей планете. В это понятие также входят органические остатки, отходы - навоз, выбросы мясных и молочных комбинатов, гнилые овощи, остатки сельскохозяйственных культур на полях, органические промышленные и бытовые отходы, отходы лесного хозяйства, скотобоен, пивоварен, зерноперерабатывающих, текстильных, бумажных заводов и т.д..
В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. Биомасса является продуктом фотосинтеза - важнейшего процесса рождения живого вещества за счет солнечной энергии. Получение энергии из биомассы (древесины, древесных отходов, соломы, навоза, сельскохозяйственных отходов, органической части твердых бытовых отходов) является отраслью, которая динамично развивается во многих странах мира. Этому способствуют такие свойства биомассы как топлива: большой потенциал и восстановительный характер, надежность систем энергоснабжения, на ней основанных, возможность существенно уменьшить выбросы СО2 в атмосферу, значительный вклад в решение экологических проблем благодаря использованию различных отходов, что помогает решению социальных вопросов и экономическому развитию регионов.
Одним из способов получения энергии из биомассы животного и частично растительного происхождения ее анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание. Для этого биомассу некоторое время выдерживают без доступа кислорода, как правило, при температуре 30-37 С или 55-60 С. В этих условиях под действием бактерий часть органических веществ разлагается и в результате образуется метан и углекислый газ, смесь которых и является биогазом. При нормальных условиях работы реактора (метантанка) полученный биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, немного сероводорода (до 3%), а также примеси водорода, аммиака и оксиды азота. Такой газ не имеет неприятного запаха, его теплота сгорания достигает 25 МДж/м3, что эквивалентно теплоте сгорания 0,6 л бензина, 0,85 л спирта или 1,7 кг дров.
Значительным преимуществом биогазовых установок является то, что они одновременно играют роль очистных сооружений, снижающих бактериальное и химическое загрязнение почвы, воды и воздуха. По сравнению с малыми ГЭС, ветро- и гелиоенергоустановками, которые являются пассивно чистыми (используют экологически чистые источники энергии), биогазовые установки - активно чистые, то есть устраняют экологическую опасность продуктов, применяемых в качестве источника первичной энергии.
Виды биотоплива
Биотопливо - это топливо, которое получают, как правило, из биологического сырья, в качестве которой используют стебли сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Могут также использоваться целлюлоза и различные типы органических отходов.
Различают твердое биотопливо (дрова, солома), жидкое биотопливо (этанол, метанол, биодизель), и газообразное
биотопливо (биогаз, водород).
Твердое биотопливо
Дрова - древнейшее топливо. Сейчас для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих растений. Из-за значительного роста цен на нефть в последнее время население многих стран сокращает потребление нефтяных топлив и увеличивает использование дров. Это приводит к истреблению лесов.
Твердые энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз, отходы древесина, торф) брикетируют, сушат и сжигают в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешевое электричество для бытовых и производственных нужд. Отходы древесины с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, кора, шелуха, солома и т.д.) прессуют в топливные брикеты или пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8-23 мм и длину 10-30 мм.
Жидкое биотопливо
Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый путем переработки растительного сырья и используемый как биотопливо. Этанол (этиловый спирт) - C2H5OH или CH3-CH2-OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, в просторечии - спирт или алкоголь. Существует 2 основных способа получения этанола - микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15% этанола, поскольку в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрирования, обычно путем дистилляции. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовом брожению.
Серьезным недостатком биоэтанола является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые наносят живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.
Биометанол - вид жидкого биотоплива на основе метилового (древесного) спирта, получаемого путем сухой перегонки отходов древесины и конверсией метана из биогаза. Производство биомассы может осуществляться путем культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола.
Диметиловый эфир - экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90% меньше, чем в бензине. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переработки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30% содержании в топливе.
Биодизель - топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации.
17
Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьем могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.
Биотопливо второго поколения - топливо, полученное разными методами пиролиза биомассы, или другие топлива, отличные от метанола, этанола, биодизеля.
Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно сделать автомобильное топливо или топливо для электростанций.
Газообразное биотопливо Биогаз - продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов.
Биотопливо третьего поколения - топливо, полученное из водорослей. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросного тепла ТЭЦ способно покрыть до 77% потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого тропического климата.
На практике то, что должно было стать лекарством — биодизель, который получают из рапса, сои и пальмового масла в Европе, и этанол, который получают из кукурузы в США, — стало намного страшнее самой болезни. Для производства пальмового масла для Европы Индонезия уничтожила столько болот и лесов, что теперь страна находится на 3-ем месте по количеству промышленных выбросов, тогда как раньше она была на 21-м. Также согласно одному исследованию, для того, чтобы применение биодизеля смогло компенсировать прямой урон, наносимый окружающей среде из-за осушения болот, нужно будет более 400 лет. Стоит учесть и непрямой урон нашей голодной планете, который состоит в том, что применение съедобных растений в роли топлива в многом меняет структуру использования земли. К примеру, высокие доходы от этанола стимулируют многих американских фермеров переключаться на кукурузу с производства сои. Из-за растущего спроса на сою бразильские производители начинают освоение новых земель — как правило, за счет пастбищ. Скотоводам приходиться вырубать под пастбища леса, все дальше вторгаясь в джунгли Амазонки, а это, в свою очередь, наносит окружающей среде такой урон, который будет компенсирован за счет биотоплива только через 167 лет.
Для того, чтобы единожды наполнить бак джипа, нужен годовой запас зерна для одного человека. Даже в том случае, если бы США пустили на производство этанола все свои зерновые, это смогло бы покрыть только одну пятую их спроса на бензин.
Альтернативные источники энергии
Новым источником электроэнергии могут стать сточные воды
18
В США каждый год вырабатывается 4,12 трлн киловатт-часов электрической энергии, из которых 2– 3% расходуется на очистку сточных вод. Во всем мире этот показатель составляет около 10%, что при дорогом ископаемом топливе, довольно сильно повышает цифры коммунальных платежей. Вкладывать средства в обработку сточных вод, это все равно, что просто пускать деньги на ветер. Ведь то, на что во всем мире тратится не одна сотня миллиардов киловатт-часов, по существу, является топливом из углеродосодержащих отходов, которое никто не пытался использовать.
Уже на протяжении нескольких лет ученые из разных стран стремятся решить проблему, используя для этого бактериальные топливные элементы (БТЭ). В них микробы разлагают органические отходы сточных вод и образуют электроны в процессе деятельности микроорганизмов. В БТЭ бактерии размещаются на аноде, который отделен от катода специальной мембраной, пропускающей протоны водорода от анодной камеры к катодной. При этом в катодной камере, за счет электронов от бактерий, происходит восстановление кислорода и образуется вода.
Гравитация и электричество – GravityLight
Группа инженеров английской компании Therefore разработала действующую модель лампочки, которая работает под действием гравитации.
Если к этому осветительному
устройству подвесить сумку с грузом или любой другой груз порядка десяти килограмм, то зажгутся светодиоды, которые продолжат светиться в течение получаса.
Этот инновационный осветительный прибор устроен по принципу механических настенных часов. Устройство, похожее на гиревой механизм, размещенное внутри коробки, с постоянной скоростью вращает шестеренки. Переменный ток, который питает лампочку GravityLigh, создает генерирующая катушка, вращающаяся в магнитном поле. В настоящее время эта чудо-лампочка на краудфандинговом сайте Indiegogo собрала более трехсот тысяч долларов инвестиций. Лампочку GravityLight можно закрепить в любом месте, даже в темном подвале или подполе. Она начинает светиться, если к ней подвесить
19
груз весом около 10 килограмм. В качестве такого груза можно использовать декоративные цветочные вазоны или камни.
Геотермальная энергия в пустынях
На севере Австралии разрабатывается необычный вид экологически чистой энергии. Под бассейном Купер в центральной пустыне страны огромное количество гранита раскаляется из-за радиогенного распада. На глубине 4 000 метров находятся раскаленные скалы, до которых можно легко добраться, благодаря современным буровым технологиям.
В отверстие закачивают воду, и та вырывается на поверхность раскаленным паром, который можно использовать для производства электричества.
Благодаря этой технологии мы можем легко удвоить мировой запас геотермической энергии. Целью компании GeoDinamix является преобразование подземного жара в электричество без лишних выбросов вредных веществ в атмосферу. Это первый удачный опыт компании, и вскоре первая электростанция начнет производить 1 МВт электричества. Использоваться она будет в основном для того чтобы продемонстрировать технологию государствам и потенциальным инвесторам, а добываемая энергия будет распределяться среди 12 населенных пунктов неподалеку. Если компании все удастся, то к 2016 году GeoDinamix будут обеспечивать электричеством около 800 тысяч человек.
При современных технологиях добычи энергии затраты на поддержание всех электростанций составит всего 5%.
Солнечный парус
Со́лнечный па́рус(также называемыйсветовым парусомилифотонным парусом)— приспособление, использующеедавление солнечного светаилилазераназеркальную поверхностьдля приведения в движениекосмического аппарата.
Следует различать понятия солнечныйсвет (потокфотонов, именно он используется солнечным парусом) и солнечный ветер (поток элементарных частиц и ионов, которыйиспользуетсядля полётов наэлектрическом парусе— другой разновидности космического паруса).Идея полетов вкосмосес использованием солнечного паруса возникла в1920-егоды в России. Принадлежит одному из пионеров
20
ракетостроенияФридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света— фотоны— имеютимпульси передают его любой освещаемой поверхности, создаваядавление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физикПётр Лебедевв1900 году.
Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите— около 510−6Н/м2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния отСолнца. Однако солнечный парус совсем не требуетракетного топлива, и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основногодвигателя.
Солнечный парус— самый перспективный и реалистичный на сегодня вариантзвездолёта.
Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволит увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении.
Недостатком солнечного парусника является тот факт, что за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций. Данный проект ставит проблему точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Солнечный парус диаметром 20 метров, разработанный в НАСА
Криоэнергетика
Все гениальное просто, и криогенный аккумулятор (CES) не исключение из правил. Чтобы усвоить временно ненужное электричество, воздух в CES охлаждается до -196C, а полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода закачивается в закрытое хранилище-термос, где с минимальными потерями (менее 0,5% в сутки) и при атмосферном давлении может храниться
21
неделями. В моменты, когда сети начинают проседать под нагрузкой, жидкий воздух поступает на испаритель и, расширяясь в 700 и более раз, раскручивает турбину. Предварительный нагрев испарителя необязателен – разницы в 210–230 градусов между буквально космическим холодом и обычной температурой за бортом вполне достаточно
для взрывного выброса скрытой энергии смеси. Совершивший работу ледяной воздух практически полностью возвращается в рабочий цикл.
Энергия всех видов была, есть и будет нам нужна. Само слово энергия происходит от греческого слова energia и означает деятельность, активность. Ее использование может быть разнообразным. Наиболее всего мы нуждаемся в ней в промышленном производстве, отоплении, транспорте, для освещения. Сегодня трудно представить себе жизнь без электроэнергии. Электричество нам необходимо так же, как вода и воздух.
Но самое идеальное топливо – это, конечно, вода. Но на этом пути столько сложностей, что водяной двигатель – дело далёкого будущего. Имеется в виду не электролиз, то есть разложение воды на кислород и водород, а совершенно другой принцип.
Автомобили на водороде уже есть, но и здесь приходится решать много различных задач. Водородные элементы пока ещё очень дороги и невелики по мощности. Так, что в поисках альтернативных видов топлива много точек приложения инженерной мысли.
Теоретический проект
Новые источники энергии
учитель физики Санжарова О.А.
2
Содержание стр.
Основные источники энергии сегодня------------------------------- 3
Гидроэнергия --------------------------------------------------------------- 3
Ядерная энергия------------------------------------------------------------- 5
Радиоизотопная энергия -------------------------------------------------- 7
Атомная батарейка------------------------------------------------------ 8
Антивещество------------------------------------------------------------ 8
Солнечная энергия------------------------------------------------------- 9
Энергия ветра------------------------------------------------------------- 13
Биоэнергетика------------------------------------------------------------ 15
Альтернативные источники энергии (энергия сточных вод, гравитации, геотермальная, солнечный парус, криоэнергия)------------------ 17
3
Основные источники энергии сегодня
Источники энергии, потребляемой в настоящее время, отнюдь не неисчерпаемы. В связи с этим, стоит серьезно задуматься над тем, откуда мы будем брать энергию завтра - через 50 или 100 лет. Энергия - это отопление, освещение, транспорт. Это промышленная и сельскохозяйственная продукция. Население земного шара растет. Сотни миллионов людей, которые сегодня терпят голод и нужду, хотят - и у них есть на это полное право - вырваться из такого состояния. Однако все это требует не только времени, усилий, денег, но и достаточное количество энергии.
В статистическом обзоре ООН были опубликованы оценочные данные, касающиеся ресурсов энергии на земном шаре. Оказалось, что при существующем росте спроса на энергию, запасов полезных ископаемых хватит, примерно:- угля до 2500 года;- нефти до 2100 года;- природного газа до 2035 года.
Пока на планете самым популярным топливом является продукция крекинга нефти: мазут, бензин, керосин. Параллельно с нефтью из недр планеты выкачивается огромное количество природного газа. Весь автомобильный транспорт привязан к бензину.
Есть еще другие виды энергии.
Гидроэнергия
Ресурсы гидроэнергии, практически неисчерпаемы, однако, количество энергии, которое может дать вода, ограничено техническими барьерами. Наряду с гидроэлектростанциями появились новые электростанции, которые используют энергию приливов и морских течений.
Как работает приливная электростанция
4
Сегодня хорошо известно, что этому грандиозному явлению природы, а именно, ритмичному движению морских вод, способствуют силы гравитации Солнца и Луны. Дважды в сутки Солнце и Луна силой тяготения заставляют морскую воду то наступать на берег, то отходить назад. Это явление известно людям с давних времен, однако использовать его с целью получения энергии человечество научилось лишь недавно.
Первую приливную электростанцию построили в 1913 г. вблизи Ливерпуля в бухте Ди, ее мощность достигала 635 кВт.
Ученые подсчитали, что для хорошей работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырех метров. Таким образом, с увеличением разницы высот воды увеличивается эффективность работы приливной электростанции. Хорошим местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который отсекается плотиной от океана. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу, которая очень удобна в использовании. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.
Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре цикла, это простой, по 1-2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4-5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колеса капсульных агрегатов, и электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, опять вращает рабочие колеса, теперь в обратную сторону. И вновь электростанция снова производит электрический ток, потому что рабочий агрегат обеспечивает одинаково хорошую работу при вращении колеса в любую из сторон. В промежутках между приливом и отливом движение колес останавливается. Какой же выход из этого положения? Чтобы не было перебоев, энергетики связывают приливную электростанцию с другими станциями. Это могут быть, например, тепловые или атомные электростанции. Получившееся энергетическое кольцо помогает во время пауз переложить нагрузку на соседей по кольцу.
К недостаткам традиционных приливных электростанций можно отнести их высокую стоимость. Она в 2,5 раза превышает стоимость гидроэлектростанций аналогичной
5
мощности. Однако к преимуществам ПЭС можно отнести ее экологичность и низкую себестоимость производства энергии.
Приливная электростанция на реке Ранс (Франция) Кислогубская приливная электростанция (Россия)
Эксперты из организации Greenpeace сделали вывод, что ресурсы приливной энергии в мире таковы, что при их использовании можно получить такое количество энергии, которое превысит современные потребности человечества в электроэнергии в 5 тысяч раз
В Ирландии заработала морская электростанция
У побережья Северной Ирландии заработала электростанция, получающая энергию из морских течений. Эту электростанцию нельзя назвать приливной, поскольку энергию она получает из морских течений, причем не самых быстрых (от 1 м/с). Электростанция состоит из группы юнитов, каждый из которых представляет собой нечто вроде воздушного змея, только парящего в толще воды. Юнит располагается таким образом, чтобы оптимально использовать энергию течения.
Каждый юнит снабжен крыльями с общим размахом в три метра, и турбиной, которую приводит в движение вода. К слову, кабель, на котором висит юнит, комплексный, состоящий из крепления, кабеля связи и энергокабеля.
Управляет всем этим оператор, который следит за работой каждого юнита, и направляет их так, чтобы общая эффективность работы была максимальной. Автором проекта является компания Minesto. К слову, пока что это — пилотный проект.
Ядерная энергия
6
Ядерная энергия(атомная энергия)— энергия, содержащаяся ватомных ядрахи выделяемая приядерных реакцияхирадиоактивном распаде. Атомные электростанции, использующие эту энергию, в 2012 году производили 13% мировой электроэнергии и
5,7% общего мирового производства энергии. Согласно отчётуМеждународного агентства по атомной энергии(МАГАТЭ), на 2013 год насчитывается 436 действующихядерныхэнергетических(то есть производящих утилизируемую электрическую и/или тепловую энергию)реакторов в31странемира. Кроме того, на разных стадиях сооружения находится ещё73 энергетическихядерных реакторов в15 странах. В настоящее время в мире имеется также около140 действующихнадводных кораблей и подводных лодок, использующих в общей сложности около180 реакторов.
Деление
В настоящее время из всех источников ядерной энергии наибольшее практическое применение имеет энергия, выделяющаяся при делении тяжёлых ядер. В условиях дефицита энергетических ресурсовядерная энергетикана реакторах деления считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия. Наатомных электрических станцияхядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы,атомные подводные лодки,атомные авианосцы).
Энергия деления ядеруранаилиплутонияприменяется вядерномитермоядерноморужии (как пускатель термоядерной реакции и как источник дополнительной энергии при делении ядер нейтронами, возникающими в термоядерных реакциях).
Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного загрязнения в случае аварии.
Термоядерный синтез
Энергия термоядерного синтеза применяется вводородной бомбе. Проблемауправляемого термоядерного синтезапока не решена, однако в случае решения этой проблемы он станет практически неограниченным источником дешёвой энергии.
Радиоактивный распад
Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, используется в долгоживущих источниках тепла и бета-гальванических элементах. Автоматические межпланетные станции типаПионериВояджер, а такжемарсоходыи другие межпланетные миссии используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Изотопный источник тепла использовали советские лунные миссии Луноход-1 и Луноход-2.
Производство атомной энергии осуществляется без атмосферных выбросов, из-за чего многие политики и некоторые экологи считают, что это чистая альтернатива природному газу и углю. Однако атомная энергетика не является выходом из климатического кризиса. Серьезной проблемой являются финансы. Средняя смета АЭС за последние годы возросла
7
в четыре раза. Атомные электростанции прежней конструкции, в которых источником энергии служит радиоактивный распад урана, не решат проблему хотя бы потому, что разведанных месторождений урана хватит всего лишь до середины нынешнего столетия. Еще более важной проблемой в ядерной энергетике остается обеспечение ее безопасности
для людей и окружающей среды. Взрыв на комбинате Маяк где производится обогащение урана, громадные мёртвые территории после чернобыльской катастрофы, авария на станции Фукусима в Японии, да еще огромное количество радиоактивных отходов, которые десятки стран пытаются подсунуть друг другу на переработку или хранение. Более или менее реакторы нормально работают на огромных ледоколах и ещё на подводных лодках. К сожалению, пока международным сообществом так и не выработано единого стратегического направления в развитии этой важной отрасли промышленности.
Радиоизотопная энергия и способы её получения.
Тепловую энергию с использованием радиоактивных источников, можно получить несколькими способами. Сейчас энергию добывают тремя способами: во время радиоактивного распада, синтеза тяжелых ядер из легких и при обратном процессе (делении тяжелых ядер на легкие).
Подобные реакции (деления и синтеза ядер) имеют цепной характер и всегда характеризуются активным выделением энергии. В практической энергетике удалось реализовать первый и третий процесс, и активно ведутся поиски осуществления термоядерного синтеза в контролируемых условиях.
Главная причина применения радиоизотопных источников – ряд преимуществ перед другими энергоисточниками – это компактность, необслуживаемость, огромная энергоёмкость изотопов и доступность топлива, накопленного на АЭС за долгое время их работы.
Основные области применения ядерных батарей – космическое направление (межпланетные станции и спутники), удаленные территории (крайний север, Антарктика, открытое море) и глубоководные аппараты, - везде, где использование традиционных технологий нерентабельно или невозможно.
Существуют также образцы ядерных батареек для медицинского использования. В будущем планируется создание роботов-андроидов, лазеров космического базирования и боевых машин, работающих от радиоизотопных источников энергии.
Изотопная энергия позволит решать задачи обороны (автономное энергоснабжение радиолокационного наблюдения, специальной связи и ретранслирование информации, спутники военного назначения) и обеспечивать связь и телевещание (высокопроизводительные глобальные инфосистемы, системы связи с высокой пропускной способностью). Используя изотопы, накопившиеся в результате работы АЭС, человечество сможет частично решить проблему захоронения радиоактивных отходов и энергетические проблемы (космическое производство энергии и дистанционное снабжение Земли).
Возможен прорыв в научных исследованиях ( Марсианская экспедиция, создание базы на Луне, исследование Солнечной системы). Можно даже замахнуться на такие
8
космические задачи, о которых мечтали фантасты (защита Земли от столкновения с кометами, контроль над тайфунами и освещением локальных участков земли, вывод в космос опасных производств, восстановление озонового слоя и борьба с парниковым эффектом). У данного типа энергии есть множество перспектив.
Атомная батарейка
В качестве активного вещества в такой ядерной батарейке используется тритий. Если точнее, - радиоактивный изотоп трития с периодом полураспада в 12,3 года. При этом излучение, вызванное распадом трития, считается безопасным, и не в состоянии навредить даже верхнему слою кожи. В целом использование таких источников питания на данный момент довольно специфичное - труднодоступные потребители, возможно работающие в экстремальных условиях (батарейки выдерживают температуры от -50 до +150 градусов по Цельсию, широкий диапазон давлений и вибраций) и потребляющие незначительную мощность. Один такой аккумулятор способен выдавать от 0.8 до 2.4 В и от 50 до 300 нА в течении 20 лет.
Антивещество
Антивещество́—вещество, состоящее изантичастиц. По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующееядра, иэлектромагнитное взаимодействие, образующееатомыи молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит иханнигиляция, при этом образуются высокоэнергичныефотоныили пары частиц-античастиц. Подсчитано, что при вступлении во взаимодействие 1кг антивещества и 1кг вещества выделится приблизительно 1,81017 Джэнергии, что эквивалентно энергии выделяемой при взрыве 42,96 мегатоннтротила.
Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в1965 годуанти-дейтрон; затем были получены и более тяжёлые антиядра. В1995 годувЦЕРНебыл синтезирован атомантиводорода, состоящий изпозитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах, и было начато детальное изучение его свойств.
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле— по оценкамНАСА2006 года, производствомиллиграммапозитронов стоило примерно 25 миллионовдолларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объём, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.
В связи с тем, что при столкновении атомов вещества и антивещества образуется огромное количество энергии, изобретение эффективного способа получения и удерживания антивещества станет настоящим прорывом в энергетической и военной
9
отраслях, также, как иядерная энергияв XX веке. Согласно предположениям, можно создать достаточно компактную бомбу на антивеществе, способную уничтожить целую
планету, или реактор, способный один удовлетворить энергетические потребности целых континентов.
Солнечная энергия
Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.
Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий – красный. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые
10
одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.
Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:• Монокристаллические• Поликристаллические
Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности.
Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Если взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало, можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.
Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.
Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами. Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
11
До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.
Интересные цифры:
- Всего за одну секунду солнце вырабатывает так много энергии, что ее хватит на 500000 лет использования на Земле! - ..это эквивалентно четырем триллионам лампочек в 100 Вт.- За час на Землю попадает достаточно солнечного света, чтобы обеспечить мир электричеством на год вперед!- Одной солнечной батареи размером со Швецию (0,3% земной поверхности) хватит, чтобы мир целиком перешел на солнечную электроэнергию.- Германия, Испания и Италия являются тремя крупнейшими в мире производителями солнечной электроэнергии.- В Европе находятся 9 из 15 ключевых солнечных рынков в мире. За прошлый год количество энергии от установленных на территории Европы солнечных панелей составило почти 30% от электричества, производимого новыми европейскими электростанциями
Мобильная школа на солнечной энергии
Solar Powered Internet School – это новый оригинальный проект, организатором которого выступила южнокорейская корпорация Samsung. Целью реализации данного проекта является помощь детям из бедствующих районов планеты в получении доступа к современным технологиям в обучении. Первый в мире передвижной класс на солнечной энергии организовали год назад в небольшой деревне Фоломонг (Phomolong), расположенной в пригороде Йоханнесбурга, столицы Южно-Африканской Республики.
Что же такое мобильный класс, какие его основные составляющие? Основой его служит 12-метровый металлический контейнер. Он получает электроэнергию от солнечных панелей, прикрепленных к бокам и крыше контейнера. Сами батареи также не совсем простые, они изготовлены из каучукоподобного материала, что довольно серьезно облегчает их транспортирование без риска повреждения. Они позволяют вырабатывать электричество до 9 часов в течение суток, обеспечивая питанием все оборудование для классной комнаты. Помещение внутри оборудовано 50-дюймовой электронной интерактивной доской, переносными компьютерами, имеющими доступ в сеть Internet и работающими на солнечной энергии,
12
планшетными компьютерами GALAXY от Samsung, и в дополнение - WI-FI камерами, производящими снимки класса 1 раз через 15 секунд. Мобильный класс рассчитан на размещение 21 ученика одновременно, абсолютно весь учебно-методический материал от нулевого до двенадцатого класса находится на центральном сервере.
С помощью солнечных батарей также обеспечивается дополнительное охлаждение помещения, так как они принимают на себя главный удар от прямых солнечных лучей и играют своего рода роль зонтика. Благодаря использованию подобных решений, разница температур снаружи и внутри может достигать десяти градусов. Контейнер хорошо транспортабелен: он может быть погружен в грузовик и перевезен в любое место страны, независимо от его удаленности.
100 секунд про солнечные батареи
Как Вы думаете, когда была начата история солнечной батареи? В 1839 году Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект - преобразование энергии солнца в электричество. Примерно через 50 лет Чарльз Фриц выдвинул предположение, что такого эффекта можно достичь при помощи устройства из селена и золота с КПД менее 1%.
А реализовали технологию впервые только в 30-е годы ХХ столетия советские ученые. Американцев 1% КПД не устраивал, поэтому в 1954 году они изобрели кремниевую солнечную батарею, выдающую 6% КПД. Уже через 4 года солнечная энергия стала основным источником солнечной энергии в космических кораблях.
В 70-х годах КПД достигло 10%, однако о наземном использовании речи так и не шло, потому что стоимость изготовления солнечной батареи была очень велика. И лишь в 1989 году удалось добиться КПД в 30%.
Больше всего солнечные батареи используются в Германии – 36%. Там вырабатывается 1 ГВт электроэнергии ежегодно, за ней идут США и Испания. Батареи размещаются на крышах домов, заводов, а некоторые даже носят шапки с солнечными батареями, чтобы заряжать свои гаджеты. Samsung пошли дальше и выпустили первый в мире нетбук на солнечных батареях, время работы которого составляет около 15 часов. А мобильный телефон на солнечных батареях от Samsung сможет обеспечить 10 минут разговора за час зарядки от солнца.
13
Если ваша квартира выходит на солнечную сторону, вам повезло — возможно, в скором будущем этот концепт, созданный китайскими дизайнерами Kyuho Song и Boa Oh, превратится в реальный гаджет и, хоть и ненамного, но все же уменьшит расходы на электроэнергию.
Энергия ветра
Ветряные электростанции могут функционировать в районах со скоростью ветра выше 4,5 м/с. Они могут работать с сетью существующих электростанций либо быть автономными системами. Возникают также так называемые ветряные фермы - энергоблоки с некоторым количеством единиц техники, общих для всей системы.
Ветер, как неисчерпаемый источник экологически чистой энергии, находит все более широкое применение и приобретает все большую общественную поддержку.
Начало использования энергии ветра восходит к древнему Вавилону (осушение болот), Египту (помол зерна), Китаю и Маньчжурии (откачка воды с рисовых полей). В Европе эта технология появилась в XII веке, но современные технологии стали использоваться только в XX веке.
Несмотря на массовое производство, стоимость строительства современной ветряной электростанции велика. Однако, следует отметить, что ничтожна стоимость ее эксплуатации. Экологические и экономические выгоды зависят от правильного расположения.
Ее основными преимуществами являются:1. Отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.2. Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки.3. Территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей.
14
4. Минимальные потери при передаче энергии – ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети.5. Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.
Недостатки:
1. Высокие инвестиционные затраты - они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.2. Изменчивость мощности во времени - производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.3. Шум. (Исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.)4. Угроза для птиц - в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.5. Возможность искажения приема сигнала телевидения - незначительна.6. Изменения в ландшафте.
Несмотря на все преимущества, ветряки имели серьезные недостатки. Эффект их работы зависел от погодных условий, поэтому в безветренные дни и дни, когда ветер очень сильный, ветряки не могли работать.
Ветряные турбины с электрогенераторами – установки, преобразующие кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Они устанавливаются в гигантских комплексах
ветряных электростанций в виде длинных рядов, ориентированных перпендикулярно превалирующих направлений ветров в данной местности. Чаще всего они размещаются на равнинных участках или морских побережьях, где потоки воздуха постоянны и достаточно мощны.
Турбины современных конструкций разделены на две большие группы по типу ротора - горизонтально-осевые и вертикально-осевые. Горизонтально-осевые должны ловить ветер, с помощью специальной системы, поворачиваясь лопастями против ветра. Работа вертикально-осевых установок от направления воздушного потока не зависит.
15
Биоэнергетика
Биомасса (БМ) - термин, применяемый для обозначения совокупности живой и неживой, растительной и животной материи на нашей планете. В это понятие также входят органические остатки, отходы - навоз, выбросы мясных и молочных комбинатов, гнилые овощи, остатки сельскохозяйственных культур на полях, органические промышленные и бытовые отходы, отходы лесного хозяйства, скотобоен, пивоварен, зерноперерабатывающих, текстильных, бумажных заводов и т.д..
В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. Биомасса является продуктом фотосинтеза - важнейшего процесса рождения живого вещества за счет солнечной энергии. Получение энергии из биомассы (древесины, древесных отходов, соломы, навоза, сельскохозяйственных отходов, органической части твердых бытовых отходов) является отраслью, которая динамично развивается во многих странах мира. Этому способствуют такие свойства биомассы как топлива: большой потенциал и восстановительный характер, надежность систем энергоснабжения, на ней основанных, возможность существенно уменьшить выбросы СО2 в атмосферу, значительный вклад в решение экологических проблем благодаря использованию различных отходов, что помогает решению социальных вопросов и экономическому развитию регионов.
Одним из способов получения энергии из биомассы животного и частично растительного происхождения ее анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание. Для этого биомассу некоторое время выдерживают без доступа кислорода, как правило, при температуре 30-37 С или 55-60 С. В этих условиях под действием бактерий часть органических веществ разлагается и в результате образуется метан и углекислый газ, смесь которых и является биогазом. При нормальных условиях работы реактора (метантанка) полученный биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, немного сероводорода (до 3%), а также примеси водорода, аммиака и оксиды азота. Такой газ не имеет неприятного запаха, его теплота сгорания достигает 25 МДж/м3, что эквивалентно теплоте сгорания 0,6 л бензина, 0,85 л спирта или 1,7 кг дров.
Значительным преимуществом биогазовых установок является то, что они одновременно играют роль очистных сооружений, снижающих бактериальное и химическое загрязнение почвы, воды и воздуха. По сравнению с малыми ГЭС, ветро- и гелиоенергоустановками, которые являются пассивно чистыми (используют экологически чистые источники энергии), биогазовые установки - активно чистые, то есть устраняют экологическую опасность продуктов, применяемых в качестве источника первичной энергии.
Виды биотоплива
Биотопливо - это топливо, которое получают, как правило, из биологического сырья, в качестве которой используют стебли сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Могут также использоваться целлюлоза и различные типы органических отходов.
Различают твердое биотопливо (дрова, солома), жидкое биотопливо (этанол, метанол, биодизель), и газообразное
биотопливо (биогаз, водород).
Твердое биотопливо
Дрова - древнейшее топливо. Сейчас для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих растений. Из-за значительного роста цен на нефть в последнее время население многих стран сокращает потребление нефтяных топлив и увеличивает использование дров. Это приводит к истреблению лесов.
Твердые энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз, отходы древесина, торф) брикетируют, сушат и сжигают в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешевое электричество для бытовых и производственных нужд. Отходы древесины с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, кора, шелуха, солома и т.д.) прессуют в топливные брикеты или пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8-23 мм и длину 10-30 мм.
Жидкое биотопливо
Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый путем переработки растительного сырья и используемый как биотопливо. Этанол (этиловый спирт) - C2H5OH или CH3-CH2-OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, в просторечии - спирт или алкоголь. Существует 2 основных способа получения этанола - микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15% этанола, поскольку в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрирования, обычно путем дистилляции. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовом брожению.
Серьезным недостатком биоэтанола является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые наносят живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.
Биометанол - вид жидкого биотоплива на основе метилового (древесного) спирта, получаемого путем сухой перегонки отходов древесины и конверсией метана из биогаза. Производство биомассы может осуществляться путем культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола.
Диметиловый эфир - экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90% меньше, чем в бензине. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переработки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30% содержании в топливе.
Биодизель - топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации.
17
Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьем могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.
Биотопливо второго поколения - топливо, полученное разными методами пиролиза биомассы, или другие топлива, отличные от метанола, этанола, биодизеля.
Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно сделать автомобильное топливо или топливо для электростанций.
Газообразное биотопливо Биогаз - продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов.
Биотопливо третьего поколения - топливо, полученное из водорослей. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросного тепла ТЭЦ способно покрыть до 77% потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого тропического климата.
На практике то, что должно было стать лекарством — биодизель, который получают из рапса, сои и пальмового масла в Европе, и этанол, который получают из кукурузы в США, — стало намного страшнее самой болезни. Для производства пальмового масла для Европы Индонезия уничтожила столько болот и лесов, что теперь страна находится на 3-ем месте по количеству промышленных выбросов, тогда как раньше она была на 21-м. Также согласно одному исследованию, для того, чтобы применение биодизеля смогло компенсировать прямой урон, наносимый окружающей среде из-за осушения болот, нужно будет более 400 лет. Стоит учесть и непрямой урон нашей голодной планете, который состоит в том, что применение съедобных растений в роли топлива в многом меняет структуру использования земли. К примеру, высокие доходы от этанола стимулируют многих американских фермеров переключаться на кукурузу с производства сои. Из-за растущего спроса на сою бразильские производители начинают освоение новых земель — как правило, за счет пастбищ. Скотоводам приходиться вырубать под пастбища леса, все дальше вторгаясь в джунгли Амазонки, а это, в свою очередь, наносит окружающей среде такой урон, который будет компенсирован за счет биотоплива только через 167 лет.
Для того, чтобы единожды наполнить бак джипа, нужен годовой запас зерна для одного человека. Даже в том случае, если бы США пустили на производство этанола все свои зерновые, это смогло бы покрыть только одну пятую их спроса на бензин.
Альтернативные источники энергии
Новым источником электроэнергии могут стать сточные воды
18
В США каждый год вырабатывается 4,12 трлн киловатт-часов электрической энергии, из которых 2– 3% расходуется на очистку сточных вод. Во всем мире этот показатель составляет около 10%, что при дорогом ископаемом топливе, довольно сильно повышает цифры коммунальных платежей. Вкладывать средства в обработку сточных вод, это все равно, что просто пускать деньги на ветер. Ведь то, на что во всем мире тратится не одна сотня миллиардов киловатт-часов, по существу, является топливом из углеродосодержащих отходов, которое никто не пытался использовать.
Уже на протяжении нескольких лет ученые из разных стран стремятся решить проблему, используя для этого бактериальные топливные элементы (БТЭ). В них микробы разлагают органические отходы сточных вод и образуют электроны в процессе деятельности микроорганизмов. В БТЭ бактерии размещаются на аноде, который отделен от катода специальной мембраной, пропускающей протоны водорода от анодной камеры к катодной. При этом в катодной камере, за счет электронов от бактерий, происходит восстановление кислорода и образуется вода.
Гравитация и электричество – GravityLight
Группа инженеров английской компании Therefore разработала действующую модель лампочки, которая работает под действием гравитации.
Если к этому осветительному
устройству подвесить сумку с грузом или любой другой груз порядка десяти килограмм, то зажгутся светодиоды, которые продолжат светиться в течение получаса.
Этот инновационный осветительный прибор устроен по принципу механических настенных часов. Устройство, похожее на гиревой механизм, размещенное внутри коробки, с постоянной скоростью вращает шестеренки. Переменный ток, который питает лампочку GravityLigh, создает генерирующая катушка, вращающаяся в магнитном поле. В настоящее время эта чудо-лампочка на краудфандинговом сайте Indiegogo собрала более трехсот тысяч долларов инвестиций. Лампочку GravityLight можно закрепить в любом месте, даже в темном подвале или подполе. Она начинает светиться, если к ней подвесить
19
груз весом около 10 килограмм. В качестве такого груза можно использовать декоративные цветочные вазоны или камни.
Геотермальная энергия в пустынях
На севере Австралии разрабатывается необычный вид экологически чистой энергии. Под бассейном Купер в центральной пустыне страны огромное количество гранита раскаляется из-за радиогенного распада. На глубине 4 000 метров находятся раскаленные скалы, до которых можно легко добраться, благодаря современным буровым технологиям.
В отверстие закачивают воду, и та вырывается на поверхность раскаленным паром, который можно использовать для производства электричества.
Благодаря этой технологии мы можем легко удвоить мировой запас геотермической энергии. Целью компании GeoDinamix является преобразование подземного жара в электричество без лишних выбросов вредных веществ в атмосферу. Это первый удачный опыт компании, и вскоре первая электростанция начнет производить 1 МВт электричества. Использоваться она будет в основном для того чтобы продемонстрировать технологию государствам и потенциальным инвесторам, а добываемая энергия будет распределяться среди 12 населенных пунктов неподалеку. Если компании все удастся, то к 2016 году GeoDinamix будут обеспечивать электричеством около 800 тысяч человек.
При современных технологиях добычи энергии затраты на поддержание всех электростанций составит всего 5%.
Солнечный парус
Со́лнечный па́рус(также называемыйсветовым парусомилифотонным парусом)— приспособление, использующеедавление солнечного светаилилазераназеркальную поверхностьдля приведения в движениекосмического аппарата.
Следует различать понятия солнечныйсвет (потокфотонов, именно он используется солнечным парусом) и солнечный ветер (поток элементарных частиц и ионов, которыйиспользуетсядля полётов наэлектрическом парусе— другой разновидности космического паруса).Идея полетов вкосмосес использованием солнечного паруса возникла в1920-егоды в России. Принадлежит одному из пионеров
20
ракетостроенияФридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света— фотоны— имеютимпульси передают его любой освещаемой поверхности, создаваядавление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физикПётр Лебедевв1900 году.
Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите— около 510−6Н/м2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния отСолнца. Однако солнечный парус совсем не требуетракетного топлива, и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основногодвигателя.
Солнечный парус— самый перспективный и реалистичный на сегодня вариантзвездолёта.
Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволит увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении.
Недостатком солнечного парусника является тот факт, что за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций. Данный проект ставит проблему точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.
Солнечный парус диаметром 20 метров, разработанный в НАСА
Криоэнергетика
Все гениальное просто, и криогенный аккумулятор (CES) не исключение из правил. Чтобы усвоить временно ненужное электричество, воздух в CES охлаждается до -196C, а полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода закачивается в закрытое хранилище-термос, где с минимальными потерями (менее 0,5% в сутки) и при атмосферном давлении может храниться
21
неделями. В моменты, когда сети начинают проседать под нагрузкой, жидкий воздух поступает на испаритель и, расширяясь в 700 и более раз, раскручивает турбину. Предварительный нагрев испарителя необязателен – разницы в 210–230 градусов между буквально космическим холодом и обычной температурой за бортом вполне достаточно
для взрывного выброса скрытой энергии смеси. Совершивший работу ледяной воздух практически полностью возвращается в рабочий цикл.
Энергия всех видов была, есть и будет нам нужна. Само слово энергия происходит от греческого слова energia и означает деятельность, активность. Ее использование может быть разнообразным. Наиболее всего мы нуждаемся в ней в промышленном производстве, отоплении, транспорте, для освещения. Сегодня трудно представить себе жизнь без электроэнергии. Электричество нам необходимо так же, как вода и воздух.
Но самое идеальное топливо – это, конечно, вода. Но на этом пути столько сложностей, что водяной двигатель – дело далёкого будущего. Имеется в виду не электролиз, то есть разложение воды на кислород и водород, а совершенно другой принцип.
Автомобили на водороде уже есть, но и здесь приходится решать много различных задач. Водородные элементы пока ещё очень дороги и невелики по мощности. Так, что в поисках альтернативных видов топлива много точек приложения инженерной мысли.
