Реферат: Альтернативные виды энергии

ВСТУПЛЕНИЕ

На порогеХХI века человек все чаще и чаще стал задумываться о том, что станет основойего существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющейжизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является однимиз главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, безосвоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать.Homo Sapiens прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоилдобычу основных традиционных энергетических ресурсов — угля, нефти и газа,научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”, но все активнееобсуждаются вопросы использования новых нетрадиционных, альтернативных видовэнергии.

По оценкамспециалистов, мировые ресурсы угля составляют 15, а по неофициальным данным 30триллионов тонн, нефти — 300 миллиардов тонн, газа — 220 триллионов кубометров.Разведанные запасы угля составляют 1685 миллиардов тонн, нефти — 137 миллиардовтонн, газа — 142 триллионов кубометров. Почему же наблюдается тенденция косвоению альтернативных видов энергии, при таких, казалось бы, внушительныхцифрах, при том, что в последние годы в шельфовых зонах морей открыты огромныезапасы нефти и газа?

Естьнесколько ответов на этот вопрос. Во-первых, непрерывный рост промышленности,как основного потребителя энергетической отрасли. Существует точка зрения, чтопри нынешней ситуации запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти на 35-40лет, газа на 50 лет. Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат наразведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организациейглубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными инаукоемкими технологиями. И, в третьих, экологические проблемы, связанные сдобычей энергетических ресурсов. Склады нефтепродуктов и окружающие ихтерритории подчас напоминают “города мертвых”, а кадры кинохроники о плавающихв нефтяной пленке морских птицах и животных тревожат не только Greenpeace.

Не менееважной причиной необходимости освоения альтернативных источников энергииявляется проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, чтодвуокись углерода (СО2), высвобождаемая при сжигании угля, нефти ибензина в процессе получения тепла, электроэнергии и  обеспечения работы транспортных средств,поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем исоздает так называемый парниковый эффект*.

В настоящеевремя выдвигаются множество различных идей и предложений по использованиювсевозможных возобновляемых видов энергии. Разработка некоторых проектов ещетолько начинается. Так, существуют предложения по использованию энергииразложения атомных частиц, искусственных смерчей и даже энергии молнии.Проводятся эксперименты по использованию “биоэнергетики”, например, энергии парногомолока для обогрева коровников.

Носуществуют и “традиционные” виды альтернативной энергии. Это энергия Солнца иветра, энергия морских волн, приливов и отливов. Есть проекты преобразования вэлектроэнергию газа, выделяющегося на мусорных свалках, а также из навоза назвероводческих фермах. Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии посправедливости считается Солнце. В Солнце сосредоточено 99, 886% всей массысолнечной системы. Солнце ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов разбольшую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235.

СОЛНЦЕ

Солнце — неисчерпаемый источник энергии — ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт,то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно толькоуметь пользоваться им. Например, Тибет — самая близкая к Солнцу часть нашейпланеты — по праву считает солнечную энергию своим богатством. На сегодня вТибетском автономном районе Китая построено уже более пятидесяти тысячгелиопечей. Солнечной энергией отапливаются жилые помещения площадью 150 тысячквадратных метров, созданы гелиотеплицы общей площадью миллион квадратныхметров.

Хотясолнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не всегдадостаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствоватьсолнечные элементы (см. рис.№1) и сделать их эффективнее. Новый рекорд в этомотношении принадлежит Центру прогрессивных технологий компании “Боинг”.Созданный там солнечный элемент преобразует в электроэнергию 37 процентовпопавшего на него солнечного света.

Это достижениестало возможным, с одной стороны, благодаря использованию двухслойнойконструкции. Верхний слой — из арсенида галлия. Он поглощает излучение видимойчасти спектра. Нижний слой — из антимонида галлия и предназначен улавливатьинфракрасное излучение, которое обычно теряется. С другой стороны, высокаяэффективность достигается благодаря специальному покрытию, преломляющему свет ифокусирующему его на активные области солнечной ячейки.

В Японииученые работают над совершенствованием фотогальванических элементов накремниевой основе. Если толщину солнечного элемента существующего стандартауменьшить в 100 раз, то такие тонкопленочные элементы потребуют гораздо меньшесырья, что обеспечит их высокую эффективность и экономичность. Кроме того, ихмалый вес и исключительная прозрачность позволят легко устанавливать их на фасадах зданий и даже на окнах, дляобеспечения электроэнергией жилых домов. Однако поскольку интенсивностьсолнечного света не всегда и не везде одинакова, то даже при установке множества солнечных батарей, зданиюпотребуется дополнительный источник электричества. Одним из возможных решенийэтого вопроса является использование солнечных элементов в комплексе с двухсторонним топливным элементом. Вдневное время, когда работают солнечные элементы, избыточную электроэнергиюможно пропускать через водородный топливный элемент (см. гл. ВОДОРОД) и такимобразом получать водород из воды. Ночью же топливный элемент сможетиспользовать этот водород для производства электроэнергии.

Компактнаяпередвижная электростанция сконструирована германским инженером ХербертомБойерманом. При собственном весе 500 кг она имеет мощность 4 КВт, иначе говоря,способна полностью обеспечить электротоком достаточной мощности загородноежилье. Это довольно хитроумный агрегат, где энергию вырабатывают сразу дваустройства — ветрогенератор нового типа и комплект солнечных панелей. Первыйоснащен тремя полусферами, которые (в отличие от обычного ветрового колеса)вращаются при малейшем движении воздуха, второй — автоматикой, аккуратноориентирующей солярные элементы на светило. Добытая энергия накапливается ваккумуляторном блоке, а тот стабильно снабжает током потребителей.

Глядявперед, в те времена, когда штат Калифорния будет нуждаться в удобных станцияхдля подзарядки электробатарей, “Южно-калифорнийская компания Эдисон” планируетначать испытание специальной автостанции для машин, работающих на солнечнойэнергии, которая в конечном счете должна стать обычной заправочной станцией сомножеством парковочных мест и различными магазинами. Солнечные панели на крышестанции, расположенной в городе Даймонд-Баре, обеспечат энергию для зарядкиэлектромобилей в течение всего рабочего дня даже зимой. А излишек, получаемыйот этих панелей, будет использоваться для нужд самой автостанции. Уже в 1981г.через пролив Ла-Манш совершил перелёт первый в мире самолёт двигателем,работающим от солнечных батарей. Чтобы совершить перелёт на расстояние 262 км,ему потребовалось 5,5 часа (см. рис. №2). А по прогнозам учёных конца прошлоговека, ожидалось, что к 2000 году на дорогах Калифорнии появится около 200000электромобилей. Возможно, и нам стоит подумать об использовании солнечнойэнергии в широких масштабах. В частности, в Крыму с его “солнцеобильностью”.

ВОДОРОД

Эти имногие другие современные разработки  начинают вырисовывать контуры будущего мира, в котором, несмотря напродолжающийся рост потребления энергии, получаемой преимущественно путемсжигания природного топлива, уровень содержания углекислого газа в атмосферереально начнет снижаться.

Ускорить этот процесс смогли бы и автомобили марки NECAR4,разрабатываемые в одной из лабораторий под Штутгартом. Этот экспериментальныйавтомобиль, разрабатываемый совместно компаниями   Ford, Daimler-Chrysler и  Canada's Ballard Power Systems, работает наводороде, запасов которого в природе более чем достаточно. Водород, в отличиеот ископаемых видов топлива, не содержит атомов углерода и поэтому необразует  двуокиси углерода (СО2).Однако водород также может загрязнять окружающуюсреду, так как при его сгорании происходит перегруппировка молекул воздуха, прикоторой образуется окись азота и озон. Но NECAR4 не сжигает водород. Наавтомобиле установлен бортовой топливный элемент, разработанный фирмой Ballard,который обеспечивает постепенное соединение водорода с кислородом при умереннойтемпературе. В результате на выходе получается обыкновенная вода (H2O) и электроэнергия.

Топливные элементы были изобретены еще в начале XIX века. В 60-егоды прошлого века НАСА использовало их для получения чистой энергии в космосе.Но только в прошедшем десятилетии удалось создать топливные элементы такихразмеров, которые позволили бы устанавливать их в легковых автомобилях. NECAR4создан на базе малолитражного автомобиля Mercedes-Benz, типа «седан» класса А.Этот автомобиль вмещает пять человек плюс багаж, развивает скорость до 145км/час и может пройти без заправки  450километров. По словам   ФердинандаПаника, руководителя проекта компании Diamler Chrysler, «значение топливногоэлемента соизмеримо разве что со значением микросхемы для развитиявычислительной техники”.

Результаты не заставят себя ждать. Первые  полевые испытания автомобилей с топливнымэлементом пройдут уже в этом году в Калифорнии. К 2004 году Diamler Chrysler,Ford, а также  General Motors, Toyota идругие компании, предполагают начать поставку автомобилей с топливным элементомна потребительский рынок.

Проблема,связанная с массовым серийным производством компактных топливных элементов длялегковых и грузовых автомобилей, еще до конца не решена, однако уже сейчасможно было бы начать производство крупногабаритных элементов, обеспечивающихработу промышленных предприятий и электростанций.

Теоретически, водород можно было бы получать из воды, используядля этого энергию солнца или ветра. Однако, даже при самых оптимистическихпрогнозах, связанных с совершенствованием таких технологий, затраты на производствоэлектроэнергии, необходимой для разделения молекул воды на молекулы водорода икислорода в настоящее время чрезвычайно велики. Поэтому первые установки длякрупномасштабного производства водорода будут, по всей видимости,  вырабатывать его из  традиционных видов   топлива. 

Такуютехнологию можно было бы, например, успешно применять в Китае, гдестремительный рост производства и огромные природные запасы угля угрожаютвызвать катастрофическое загрязнение атмосферы углекислым газом в течениеследующего столетия.

Основнойпроблемой, связанной с производством водорода по старым технологиям, являетсято, что при этом образуется двуокись углерода, которую нельзявыбрасывать в атмосферу. Существует, однако, альтернативный метод –закачивать углекислый газ под землю. В Норвегии, например, энергетическаякомпания Norsk Hydro строит электростанцию, которая будет работать на водороде,получаемом из природного газа. Образующаяся при этом двуокись углерода будетзакачиваться обратно в одно из месторождений нефти, расположенных наконтинентальном шельфе. С помощью такой технологии можно не только решитьпроблему загрязнения воздуха углекислым газом, но и повысить давление вместорождении, что значительно облегчит выкачивание из него оставшихся запасовнефти. Другим не менее эффективным способом борьбы с загрязнением атмосферыявляется закачивание двуокиси углерода в подземный водоносный слой, которое ужев настоящее время успешно применяется в Европе и  США.

ВЕТЕР

На первыйвзгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источниковэнергии. В отличие от Солнца он может “работать” зимой и летом, днем и ночью,на севере и на юге. Но ветер — это очень рассеянный энергоресурс. Природа несоздала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам.Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям.Основные параметры ветра — скорость и направление — меняются подчас оченьбыстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце. Такимобразом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценногоиспользования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическуюэнергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добитьсяравномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается струдом. Существуют интересные разработки по созданию принципиально новыхмеханизмов для преобразования энергии ветра в электрическую. Одна из такихустановок (патент РФ № 1783144) порождает искусственный сверхураган внутри себяпри скорости ветра в 5 м/с!

Ветровыедвигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные.Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромныепространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И темне менее всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, можетзаменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин (см. рис. №3;8).

МОРЕ

В последнеевремя в некоторых странах снова обратили внимание на те проекты, которые былиотвергнуты ранее как малоперспективные. Так, в частности, в 1982 г. британскоеправительство отменило государственное финансирование тех электростанций,которые используют энергию моря: часть таких исследований прекратилась, частьпродолжалась при явно недостаточных ассигнованиях от Европейской комиссии инекоторых промышленных фирм и компаний. Причиной отказа в государственной поддержкеназывалась недостаточная эффективность способов получения “морского”электричества по сравнению с другими его источниками, в частности — атомными.

В мае 1988г. в этой технической политике произошел переворот. Министерство торговли ипромышленности Великобритании прислушалось к мнению своего главного советникапо энергетике Т. Торпа, который сообщил, что три из шести имеющихся в странеэкспериментальных установок усовершенствованы и ныне стоимость 1 КВт/ч на нихсоставляет менее 6 пенсов, а это ниже минимального уровня конкурентоспособностина открытом рынке. Цена “морской” электроэнергии с 1987 г. снизилась вдесятеро.

Волны. Наиболее совершенен проект“Кивающая утка” (см. рис. №4), предложенный конструктором С. Солтером.Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1КВтч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, котораявырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это — 2,5пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 КВтч).

Следуетзаметить, что использование источников альтернативных, возобновляемых видовэнергии может достаточно эффективно снизить процент выбросов в атмосферувредных веществ, то есть в какой-то степени решить одну из важных экологическихпроблем. Энергия моря может с полным основанием быть причисленной к такимисточникам.

Приливы. Первая большая электростанция, работающая на энергии приливов, была построена в1968г. в устье реки Ранс (Франция). Электростанция работает следующим образом.Когда начинается отлив, заслонки в дамбе закрывают, поддерживая высокий уровеньводы за плотиной. При разнице уровней в 3 м. заслонки открывают, и водаустремляется в море, вращая лопатки 24-х больших турбин, а вместе с ними ироторы электрогенераторов. Когда опять начинается прилив, вода через открытыезаслонки проходит за плотину, и цикл повторяется (см. рис. №5).

РЕКИ

Примерно1/5 часть энергии, потребляемой во всём мире, вырабатывают на ГЭС. Её получают,преобразуя энергию падающей воды в энергию вращения турбин, которая в своюочередь вращает генератор, вырабатывающий электричество. Гидростанции бываюточень мощными. Так, станция Итапу на реке Парана на границе между Бразилией иПарагваем развивает мощность до13 000 млн.Квт.

Энергиямалых рек также в ряде случаев может стать источником электроэнергии. Возможно,для использования этого источника необходимы специфические условия (например,речки с сильным течением), но в ряде мест его, где обычное электроснабжениеневыгодно, установка мини-ГЭС могла бы решить множество локальных проблем.Бесплотинные ГЭС для речек и речушек уже существуют. Этот двухметровый агрегатесть не что иное, как бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. В комплекте саккумулятором она обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию,отгонное пастбище или небольшую мастерскую… Была бы поблизости речушка!

Роторнаяустановка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину,притапливается на придонную “лыжу” и тросами закрепляется с двух берегов.Остальное — дело техники: мультипликатор вращает автомобильный генераторпостоянного тока напряжением 14 вольт, и энергия аккумулируется.

Опытныйобразец бесплотинной мини-ГЭС успешно зарекомендовал себя на речках ГорногоАлтая.

ЗЕМЛЯ

Тепло отгорячих горных пород в земной коре тоже может генерировать электричество (см.рис. №6). Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холоднаявода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину.Такой вид энергии называется геотермальнойэнергией. Она используется, например, в Новой Зеландии и Исландии.

ОТХОДЫ

Одним изнаиболее необычных видов использования отходов человеческой деятельностиявляется получение электроэнергии из мусора. Проблема городских свалок сталаодной из наиболее актуальных проблем современных мегаполисов. Но, оказывается,их можно еще использовать для производства электроэнергии. Во всяком случаеименно так поступили в США, в штате Пенсильвания. Когда построенная длясжигания мусора и одновременной выработки электроэнергии для 15000 домов печьстала получать недостаточно топлива, было решено восполнить его мусором с ужезакрытых свалок. Вырабатываемая из мусора энергия приносит округу около $ 4000прибыли еженедельно. Но главное- объем закрытых свалок сократился на 78%.

Разлагаясьна свалках, мусор выделяет газ, 50-55 % которого приходится на метан, а 45-50%- на углекислый газ и около одного процента — на другие соединения. Если раньшевыделяемый газ просто отравлял воздух, то теперь в США его начинаютиспользовать в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания с цельювыработки электроэнергии. Только в мае 1993 года 114 электростанций, работающихна газе от свалок, произвели 344 мегаджоуля электроэнергии. Самая крупная изних, в городе Уиттиер, производит за год 50 мегаджоулей. Станция мощностью 12мегаватт способна удовлетворить потребность в электроэнергии жителей 20 тысячдомов. По подсчетам специалистов, газа на свалках США хватит для работынебольших станций на 30-50 лет. Не стоит ли и нам задуматься над проблемойвторичного использования мусора? При наличии эффективной технологии мы могли бысократить количество мусорных “курганов”, а заодно значительно пополнить ивосполнить запасы энергии, благо “дефицита сырья” для ее производства непредвидится.

НАВОЗ

Казалосьбы, что может быть неприятнее навоза? Много проблем связано с загрязнениемводоемов отходами звероводческих хозяйств. Большие количества органическоговещества, попадающие в водоемы, способствуют их загрязнению.

Известно,что теплоцентрали — активные загрязнители окружающей среды, свинофермы икоровники — тоже. Однако из этих двух зол можно составить нечто хорошее. Именноэто произошло в английском городе Пиделхинтоне, где разработана технологияпереработки навоза свиней в электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу наэлектростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биологическойпереработке. Образующийся газ используется для получения электроэнергии, апереработанные бактериями отходы — для удобрения. Перерабатывая 70 тонн навозаежедневно, можно получить 40 КВт/ч.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕРЕВНИ

Кромезамены традиционных источников энергии альтернативными, существуют проекты посозданию экологически чистых и сбалансированных городов и деревень будущего.Основой для их создания будут служить применение экономичных материалов, атакже оптимальный режим использования энергии, который смогут поддерживать спомощью компьютерных программ.

Хранителемдомашнего очага и незримым существом в доме, по старинным поверьям, служиттеплый домовой. Техническую помощь ему в скандинавских странах, в первуюочередь в Швеции, оказывает теперь программно управляемая бытовая теплоцентраль“Аквае 47 ОД”. Разработанная шведской фирмой “Электро стандард”, эта установкадовольствуется скромным местом, скажем, площадью кухни.

Тепловыенасосы и узел нагрева воды вмонтированы в нее еще на заводе-изготовителе.Принцип экономного вторичного обогрева таков: из использованного воздуха ваннойкомнаты, кухни и подсобок тепловая энергия возвращается в систему отоплениятрадиционного типа и утилизируется водогрейным котлом. Дополнительные калорииот внешних источников газа или жидкого топлива отбираются на эти цели лишь помере необходимости. Особые клапаны в наружных стенах, снабженные противопылевымфильтром и входящие в комплект установки, обеспечивают подвод чистого воздуха иравномерную безвытяжную смену его в доме. Это достижение компьютернойтеплотехники предназначено прежде всего для односемейных домов, например, длязагородных коттеджей; оно сокращает наполовину обычный расход энергии.

В испанскомпоселке Сант-Джосеп на острове Ивиса сооружается первая в мире экологическаядеревня будущего, где поселятся четыреста человек. В проекте участвуютспециалисты из всех стран Европы. Чтобы оптимально использовать солнечный свет,“умные” дома сами станут регулировать внутреннюю температуру. Это позволяет какновая технология, так и сами материалы — каркас из алюминия и поликарбоната согромными застекленными поверхностями, где циркулирует прозрачная жидкость.Получится своеобразный щит, впускающий солнечный свет, но удерживающий тепло.Температура зимой и летом будет одинаковая — 20-22 градуса. Избыток энергиипоступит в термический теплонакопитель. Электроэнергию там станут вырабатыватьтакже ветряные мельницы и солнечные батареи, избыток ее опять же сберегутогромные аккумуляторы. Биоочистная установка превратит органические отходы — мусор и сточные воды, в метан, преобразуемый затем в электричество. Структураздания гарантирует сохранность свыше 85 процентов энергии. На гигантской биофермебудут выращивать скот, рыбу, а так же овощи, фрукты и злаки.

Возможно,такие проекты пока невозможно реализовать в значительных масштабах. Досерийного производства “умных” экологически чистых домов еще далеко, но ужесейчас реализация некоторых проектов (постройка мини-ГЭС, солнечных, ветровых,мусорных электростанции) вполне реальна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В обозримом будущем природное топливо по-прежнему будетважным источником энергии. Однако природные ресурсы ограничены, и в концеконцов человечество будет вынуждено перейти на использование энергии ветра иСолнца, о чем с незапамятных времен мечтают защитники окружающей среды.

Теоретически,каждое предприятие, здание, жилой дом и автомобиль может иметь свой собственныйэкологически чистый, возобновляемый источник энергии, что позволит человечествуобходиться без нефтяных скважин, угольных шахт, электростанций, линийэлектропередачи и избавиться, таким образом, от всех негативных последствий ихиспользования. Однако на данный момент перед человечеством  стоит более неотложная задача: остановитьперегревание планеты и сделать это как можно быстрее. Благодаря автомобилям стопливными элементами, более совершенным ветровым турбинам и солнечнымэлементам, и другим описанным в данном реферате проектам, внедрение которых ужестановится реальностью, угроза глобального потепления кажется теперь не стольустрашающей, какой она представлялась еще несколько лет назад.