2018-01-08
1320
Наиболее распространенными на планете энергоносителем является уголь. По оценкам специалистов его запасы составляют около 7 * 1012 т. Только разведанных месторождений угля (3 * 1010 т) при нынешних темпах использования хватит на несколько веков. Основные залежи угля образовались 210…280 млн лет назад в каменно угольный период и сосредоточены в России, США, Китае и Украине. В этих странах сосредоточено почти 88 % известных запасов угля. Энергетический потенциал мировых залежей угля в 25 раз превосходит нефтяной.
К сожалению, уголь нельзя отнести к экологически чистым видам топлива. Теплоэлектростанции (ТЭС), работающие на угле дают 10…25 кг вредных выбросов на 1кВт × ч энергии. Поэтому на долю лидеров угольной энергетики приходится и основные выбросы вредных веществ в атмосферу.
Широкое использование природного газа в энергоустановках, преимущественно встационарных, связано с тем, что он имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами топлива. Газ легко транспортируется на большие расстояния, практически не требует подготовки и переработки перед использованием. Количествовредных выбросов на 1кВт × ч при сжигании газа минимально. Энергоустановки, работающие на газу, легко автоматизируются.
Нефть в чистом виде как энергоноситель не используется. В результате ее перегонки получается бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масла и т.д. Бензин и дизельное топливо используется в двигателях внутреннего сгорания, керосин – в турбореактивных и реактивных двигателях летательных аппаратов, а мазут сжигается в электростанциях и в котельных. По сравнению с природным газом нефть и нефтепродукты при сжигании дают значительно большее количество вредных веществ, что связано с наличием примесей серы, фосфора и т.д.
При современных темпах энергопотребления разведанных запасов нефти хватит примерно на 35…40 лет, газа – на 50…60 лет, угля – на 300 лет.
В настоящее время использовано примерно 30% известных и доступных для добычи запасов нефти, и почти 40% известных запасов природного газа. Это заставляет искать новые источники энергии.
Атомная энергетика до катастрофы на ЧАЭС и недавней катастрофы на АЭС Фукусима (Япония) не вызвала больших опасений. Теперь очевидно, что наиболее опасным и широкомасштабным вмешательством человека в природу является использование энергии деления ядра.
Кроме того, надо признать, что до сих пор нет способов эффективной утилизации радиоактивныхотходов. Наука пока не решила эту задачу.
Альтернативные источники энергии (ветер, солнце, приливы и отливы и т.д.) ограничены. Поэтому до сих пор остается много сторонников использования ядерного топлива.
Вместе с тем, нет ответа и на вопрос – чем закрыть «энергетическую брешь» в топливно-энергетическом комплексе планеты, которая возникнет уже в этом столетии.
Возобновляемые источники энергии: солнечная, ветровая, движущейся воды, геотермальная и т.д. являются в достаточной степени чистыми.
В настоящее время наиболее широко используется энергия движущейся воды в реках. В топливно-энергетическом балансе планеты гидроэнергетика занимает до 6% – это достаточно весомый вклад.
Строительство ГЭС на равнинных реках приносит ощутимый экологический вред: затапливаются достаточно большие площади лесов и сельхозугодий, разрушаются сложившиеся тысячи лет водные экосистемы, гигантские водохранилища оказывают влияние на климат.
Во многих странах начато строительство и построены приливные электростанции (ПЭС).
Начинает находить практическое применение и геотермальная энергия. В ядре Земли температура достигает 5000 0С (к примеру, температура на Солнце 5500 0С). Эта энергия поступает к поверхности за счет теплопроводности коры Земли, с потоками расплавленной магмы при извержении вулканов, и потоками воды горячих ключей и гейзеров. Геотермальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран. Отопление жилых и производственных помещений в столице Исландии Рекьявике в основном осуществляется за счет энергии геотермальных вод.
История использования энергии ветра уходит в глубокую древность. Первоначально ее использовали для движения парусных судов. Затем человек научился строить ветряные мельницы. Электрическая энергия с помощью ветроустановки впервые получена в Дании в 1890 г. и использовалась для зарядки аккумуляторов.
Наиболее эффективный способ преобразования энергии ветра – это производство электроэнергии в ветроэнергетической установке.
К экологическим недостаткам ветроэнергетических установок следует отметить шум, электромагнитные поля. Также крупномасштабное их применение в каком-то одном районе может вызвать климатические изменения, т.к. скорость движения воздуха после комплекса ветроэнергетических установок существенно снижается.
Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, практически неисчерпаема. Среднегодовая мощность солнечной энергии, доходящей до поверхности планеты, по различным источникам примерно составляет (40…100)*1015 Вт. Это колоссальная мощность, использование ее всего на 0,01% позволило бы с избытком решить энергетические проблемы цивилизации.
Сегодня известно два основных способа использования солнечной энергии:
1)преобразование в тепловую с последующим использованием в нагревательных системах;
2)преобразование в электрическую энергию.
Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется в основном двумя путями. На гелиотермических станциях солнечная энергия превращается в тепловую энергию пара, а затем в парогенераторе в электрическую. Самый крупный комплекс, работающий по схожему циклу в США (Калифорния, пустыня Мохава). Установки расположены на территории свыше 740га, их мощность 354 МВт. Кривые зеркала фокусирует солнечный свет на трубках с синтетическим маслом, которое нагревается до 4000С. Это тепло превращается в пар, который поступаетв турбогенератор.
В России разработан проект солнечной электростанции с комбинированным использованием солнечной энергии (гелиотермический и фотоэлектрический способы) для Северного Кавказа мощностью 1,5 МВт.
Многие специалисты считают, что солнечные электростанции являются экологически чистыми. Это не совсем верно. Для производства фотоэлектрических элементов необходимы соединения кремния. Отходы такого производства являются высокотоксичными, и существует проблема их обезвреживания и утилизации. Но экологический вред от солнечных электростанций значительно ниже, чем от ТЭС, работающих на угле, мазуте и даже на газе, т.к. при этом не происходят выбросы «парниковых газов», соединений серы, азота, фосфора и т.п.
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
В последние годы во всех развитых странах мира пристальное внимание уделяется энергосбережению. Для понимания сущности этого явления рассмотрим фундаментальныезаконы термодинамики.
В соответствии с первым законом термодинамики энергия не может быть утеряна или создана из ничего. Она может лишь превращаться из одной формы в другую. Превращение энергии имеет место во всех процессах, происходящих во Вселенной, от взрывов звезд до процессов в живой клетке.
Использование энергии предполагает превращение ее из одной формы в другую. В процессе превращения энергииимеет место частичное рассеивание (диссипация) энергии в пространстве в виде низкотемпературного тепла. Это означает, что при любом превращении качество энергии на выходе всегда ниже, чем на входе. Для характеристики качества энергии и эффективности процесса превращения использует показатель, называемый эксергией.
Эксергия – это механическая работа, в которую может быть превращена энергия, находящаяся в виде одной форм в материальной системе.
Энергосбережение предполагает уменьшение количества превращений, т.к. КПД каждого превращения всегда ниже 100%. Например, для обогрева помещения можно использовать электроэнергию, которая получена на ТЭС при сжигании угля или природного газа. При этом практически вся электроэнергия превращается в тепловую и на первый взгляд, как будто, имеет место высокая эффективность использования энергии. Но если учесть всю цепочку преобразования энергии, то энергетическая эффективностьтакого обогревателя составит всего 10%. Но этот же газ можно сжигать в мини-котельной, расположенной в подвале обогреваемого здания. Энергетическая эффективность такого обогрева в несколько раз выше.Электрическую энергию же, обладающую высоким уровнем эксергии, целесообразно использовать для выполнения механической работы.
