Атомная энергетика

Физический вариант

В настоящее время разработано несколько вариантов устройств для использования солнечной энергии. Энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал.

Солнечные коллекторы. В них солнечная Э. непосредственно преобразуется в тепловую. Широко применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, Египте, на Кипре для нагревания воды и отопления домов. В Германии осуществлен проект «2000 солнечных крыш», В США установлены солнечные нагреватели в 1,5 млн. домов.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП, фотогальванические элементы). Это самый новый вариант гелиоэнергетики, был открыт в 1952г. Вначале Э., получаемая с помощью ФЭП, была очень дорогой и использовалась только для обеспечения энергией спутников, но в дальнейшем стоимость Э. стала снижаться (см. табл.), и ФЭП стали широко применяться.

Стоимость Э., полученной с помощью ФЭП

Годы	Стоимость Э., полученной с помощью ФЭП, за 1 кВт
	70$
	3,5$

В Японии создан фотогальванический кровельный материал, а в США, Германии и Швейцарии фотогальванический материал встраивается в фасады новых офисных зданий. Лидерами среди стран-производителей являются Япония, США, Евросоюз. Существенным недостатком, ограничивающим применение ФЭП, является использование химически чистого кремния. В настоящее время стоимость его равна стоимости урана. Однако работы по созданию технологии получения более дешевого кремния ведутся во многих станах.

Солнечные электростанции (СЭС). В этих устройствах энергия солнца концентрируется системой зеркал и нагревает масло в трубах. Энергия СЭС в 5-7 раз дешевле, чем энергия ФЭП, хотя КПД СЭС низкий (~15%). В США применяются гибридные солнечно-топливные электростанции (их КПД составляет ~23%), стоимость энергии ниже, т.к. одновременно вырабатывается и электроэнергия и тепло.

Недостатками СЭС являются:

- большие затраты металла и цемента на их сооружение;

- они занимают большие площади, поэтому их строительство перспективно только в пустынях (построена на юге Лос-Анжелеса, разработаны проекты строительства в пустынях Гоби и Сахара);

- строительство СЭС рентабельно только тогда, когда число часов солнечного сияния не меньше 2000 в год, а интенсивность солнечного света составляет не меньше 600-800 Вт/кв.м. Это ограничивает строительство СЭС определенными районами.

1.2. Биологический вариант (использование биомассы).

1.2.1. Используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органических веществах растений (обычно в древесине). Количество углекислого газа, выделяемого при сжигании древесной массы, равно его усвоения при росте растений (суммарные нулевые выбросы).

Сегодня 55% древесины – это топливо, применяемое в бытовых целях, н-р, для обогрева помещений, для приготовления пищи. КПД составляет не более 10%. Для получения древесины высаживаются быстрорастущие породы деревьев (быстрорастущие тополь, ива и др.). Например, срезка быстрорастущего тополя производится через 3 года после посадки, при этом высота ствола составляет ~4 м, диаметр ствола ~6 м.

Также используют биомассу быстрорастущих бурых водорослей. В США работают электростанции, сжигающие отходы кукурузы, а в Бразилии из отходов сахарного тростника получают топливо для автомобилей – этиловый спирт.

1.2.2 получение биогаза из органических отходов.

- получение биогаза из навоза (широко применяется в Китае и Индии);

- получение биогаза при сортировке мусора. Газ называется невельгаз. Он образуется при пиролизе органических бытовых отходов в специальных установках;

- получение «свалочного газа», который образуется в результате гниения органических отходов на свалках. Для получения газа в толщу свалок пробуриваются скважины. В США была испытана система гигантских биореакторов: дно свалки покрывается изолирующим материалом, а после заполнения свалки отходами, свалка покрывается газонепроницаемым материалом. Для отведения метана используются специальные трубы. Срок эксплуатации биореактра составляет примерно 10 лет, т.к. в течение такого времени разлагается органика.

Таким образом, получение энергии за счет солнечной энергии – одно из самых перспективных направлений альтернативной энергетики. По прогнозам к 2020 году эта отрасль будет давать от5 до 25% мирового производства энергии.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА. Вариант альтернативной энергетики, при котором используется чистый для окружающей среды и неисчерпаемый источник энергии – ветер.

Наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Англии, Голландии, Дании, США (в штате Калифорния работает 15 тыс. ветряков).

Существует два вида ветряных энергетических установок (ВЭУ)

· «ветряные монстры» мощностью 100-500 кВт;

· небольшие ВЭУ мощностью до 15 кВт.

Мощные ВЭУ обычно сооружают в море, т.к. при работе этих установок создаётся шумовое загрязнение, которое в море менее опасно, чем на суше. По морским ВЭУ лидирует Дания, а лидерство в разработке проектов принадлежит Германии, где создан проект морской ВЭУ с диаметром ротора 100м и мощностью 5 МВт. Попытки соорудить мощные ВЭУ на суше оказались неудачными (на Эльбе была построена ВЭУ мощностью 3 МВт, а в США в штате Огайо – мощностью 10МВт). Эти установки вызывают сильное шумовое загрязнение на больших территориях, примыкающих к ВЭУ (в штате Огайо ВЭУ проработала несколько суток и была демонтирована и продана на металлолом).

Небольшие ВЭУ – хорошие источники энергии для сельскохозяйственных ферм, дачных участков. Также практикуется создание так называемых ветряных ферм, когда на одной площадке устанавливается большое число ВЭУ. Самая большая ферма сооружена в Калифорнии и состоит из 1000 ВЭУ, её общая мощность 100МВт.

Недостатки ветроэнергетических установок:

шумовое загрязнение;

производство алюминия, который необходим для ветряных «колёс» и башен, является одним из наиболее энергоемких и экологически грязных процессов.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. Получение тепловой или электрической энергии за счет тепла земных глубин. Является экономически эффективно в тех районах, где горячие воды приближены к поверхности земной коры.

В настоящее время геотермальная энергия в широких масштабах используется в США, Мексике и на Филиппинах. Доля геотермальной энергетики в энергетическом балансе Филиппин составляет 19%, Мексики – 4%, США (только для отопления) – 1%. Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии Рейкьявик (в 1943г. Было пробурено 32 скважины на глубину от 440 до 2400м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130⁰С).

Развитие геотермальной энергетики сдерживается ограниченностью числа районов, где она экономически рентабельна. Кроме того, экологическую опасность представляют сильно засоленные воды, получаемые при конденсации горячего пара.

ПРИЛИВНО-ОТЛИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. Осуществляется получение электрической энергии за счет использования энергии приливов и отливов, а также энергии волн. В мире сооружено 30 приливно-отливных электростанций (ПЭС), так как для обеспечения их нормальной работы разница уровней прилива и отлива должна быть не менее 10м.

ПЭС не нарушает экологического равновесия. Во Франции работает крупная ПЭС с мощностью 240 МВт, 25-летний опыт эксплуатации которой показал абсолютную экологическую чистоту таких сооружений.

В Японии, Великобритании, Норвегии созданы электростанции, использующие энергию волн (наиболее крупная создана в Норвегии и имеет мощность 500кВт).

Разрабатываются проекты использования тепловой энергии Мирового океана и энергии крупных течений (Гольфстрим, Куросио), а также использования различий температуры поверхностных и глубинных вод океана для получения энергии.

Атомная энергетика – это получение электрической энергии с использованием ядерных реакторов, на которых улавливается тепловая энергия радиоактивного распада ядерного топлива. Ядерное топливо - это обогащенный уран и некоторые другие радиоактивные металлы.

Первое ядерное электричество было получено в США в 1952г. В настоящее время в 88 странах мира работает 437 ядерных энергоблоков и строится примерно 50.

Характеристика атомной энергетики

Страна	Доля АЭС в энергетике страны, %	Число энергоблоков
действующие	строящиеся
Франция	76,4		-
Литва	73,3		-
Бельгия	56,8		-
Словакия	53,4
Украина	47,3
Япония	33,8
Армения	33,3		-
Финляндия	32,1		-
Германия	30,6		-
Великобритания	21,9		-
США	19,8		-
Россия	14,9
Канада	11,8		-
Южная Африка	6,7		-
Нидерланды	4,0		-
Мексика	3,9		-
Индия	3,1		-
Пакистан	1,7		-
Бразилия	1,4		-
Китай	1,2

Достоинства атомной энергетики:

1. Сравнительная дешевизна энергии (один стакан урана-235 дает столько же энергии, сколько 10 тыс. т угля);

2. Небольшое количество отходов(отсутствие выбросов в атмосферу диоксида углерода и токсично и радиоактивной золы).

3. Площадь отчуждаемой земли, необходимая для строительства АЭС, значительно меньше по сравнению с другими электростанциями.

Площадь отчуждаемых земель, необходимые для производства 1МВт электроэнергии в год

на электростанциях разного типа

Тип электростанции	Площадь, м2
АЭС
ТЭС на жидком топливе на природном газе на угле
СЭС
ГЭС
ВЭУ

Недостатки атомной энергетики:

1. Образование радиоактивных отходов в процессе работы АЭС. В их состав входят отработанных тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), конструкции АЭС при демонтаже и ремонте, рабочая одежда сотрудников АЭС и др.

2. Обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов значительно повышают себестоимость электроэнергии.

3. Образование в качестве отхода высокоактивного плутония, который не встречается в окружающей среде. Его период полураспада составляет 24110 лет. Плутоний – основа создания ядерных бомб, поэтому его количество является объектом пристального внимания Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).

4. Сложности обеспечения полной безопасности топливного цикла.

5. Риск аварий на АЭС.

1. меньше радиоактивных отходов.