Физика и энергетика

Нетрадиционные источники энергии.

Почему именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из - за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетике. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует огромных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце прошлого века самая распространенная энергия - энергетическая играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт - часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт - часов! Гигантские числа, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало - потребности в ней растут ещё быстрее.

Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей, находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из неё металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека всё время растут, да и людей становится всё больше. 

Так в чём же проблема? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить всё больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счёт её преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда её не берущей, к сожалению, невозможны.

А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нём химической энергии, преобразовании её в электрическую на тепловых электростанциях.

Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Новые факторы - возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды - потребовали нового подхода к энергетике.

В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые страны, специалисты различных министерств и ведомств. С помощью новейших математических моделей ЭВМ рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса страны.

Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики страны на грядущие десятилетия.

Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах, структура её изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастает производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начинается использование пока ещё не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Широко будет, применятся природный газ, запасы, которых в стране намного превосходят запасы в других странах.

Энергетическая программа страны - основы нашей экономики в канун 21 века.

Но ученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, установленных Энергетической программой. На пороге 21 века они трезво отдают себе отчёт в реальностях третьего тысячелетия.

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. 

Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьёз задумываться над этим, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. К сожалению, многие  нефтедобывающие страны  живут сегодняшним днём. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдёт тогда - а это рано или поздно случится, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшие повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило задуматься о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались те страны, где нет собственных запасов нефти и газа и которым приходится их покупать.

А пока в мире всё больше учёных и инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников, которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут на разных направлениях.

Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии-энергии текущей воды и ветра, тепла земных недр, Солнца.

Много внимания уделяется развитию атомной энергетике, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

Что такое энергия?

В нашем индустриальном обществе от энергии зависит всё. С её помощью движутся автомобили, улетают в космос ракеты. С её помощью можно поджарить хлеб, обогреть жилище и привести в действие кондиционеры, осветить улицы, вывести в море корабли.

Могут сказать, что энергией являются нефть и природный газ. Однако это не так. Чтобы освободить заключенную в них энергию, их необходимо сжечь, так же как бензин, уголь или дрова.

Ученые могут сказать, что энергия-способность к совершению работы, а работа совершается, когда на объект действует физическая сила (такая как давление или гравитация). Согласно формуле, работа равна произведению силы на расстояние, на которое переместился объект. Попросту говоря, работа-энергия в действии.   

 Вы не раз видели, как подпрыгивает крышка закипающего кофейника, как несутся санки по склону горы, как набегающая волна приподнимает плот. Всё это примеры работы, энергии в действии, действующей на предметы.

Подпрыгивание крышки кофейника было вызвано давлением пара, возникшем при нагревании жидкости. Санки ехали потому, что существуют гравитационные силы. Энергия волн двигала плот.

В нашем работающем мире основой всего является энергия, без неё не будет совершаться работа. Когда энергия имеется в наличие и может быть использована, любой объект будет совершать работу иногда созидательную, иногда разрушительную. Даже музыкальный инструмент-рояль-спосбен совершать работу.

Представьте себе, что вдоль внешней стены многоквартирного дома поднимают рояль. Пока люди тянут за веревки, они прилагают силу, заставляющую двигаться рояль. В этом случае работу совершают люди, а не рояль. Он лишь накапливает потенциальную энергию по мере того, как всё выше и выше поднимается над землёй. Когда, наконец, рояль достигает пятого этажа, он сможет висеть на этом уровне до тех пор, пока люди внизу поддерживают его с помощью веревок и блоков. Однако представьте, что веревки обрываются. Немедленно проявится сила гравитации и потенциальная энергия, накопленная роялем, начнёт, высвобождаться. Рояль рухнет вниз. Он расплющит всё, что попадется ему на пути, ударится о тротуар и разобьется  вдребезги.  

Вся ситуация, разумеется, случайна, и, тем не менее, служит примером того, что и рояль может совершать работу. В данном случае-разрушительную,  но всё же работу.

Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы данного характера. Энергия может, находится в людях и животных, камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах. 

Энергия солнца:

В последние время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всё мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно. 

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0.0125%  этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5% - полностью покрыть потребности на перспективу.

К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250Вт/м. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного света излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км!

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров,    кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты.

Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счёт солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчётам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1км, требует примерно 10 тонн алюминия.

Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17 10тонн.

Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счёт солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1 10 до 3 10км. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет 13 10 км.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечёт за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчёты показывают, что для производства 1 Мвт год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетики на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов. 

Пока ещё электрической энергии, рожденными солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые открыли, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.     

Ветровая энергия:

Огромная энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергия ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветра от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все её потребности и электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнерготехнику на огромной территории-от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный, да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывает всего одну тысячную мировых потребностей энергии.

Техника 20 века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой-получении электроэнергии. В начале века Н.Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.

В наши дни к созданию конструкций ветроколеса-сердце любой ветроэнергетической установки-привлекаются специалисты самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Энергия рек:

Многие тысячелетия, верно, служит человеку энергия, заключенная в текущей воде. Запасы её на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученные считают, что наши планеты правильнее было бы называть не Земля, а Вода-ведь около трёх четвертей поверхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан, поглощающий большую её часть, поступаю от Солнца. Здесь плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. Рождаются могучие реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских её запасов. Раньше всего люди научились энергию рек.

Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье – в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что много вековой опыт у неё уже имелся.

Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колёс мог бы оказать не малую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка маленькой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки турбины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним окажется ничтожным. Поэтому в начале 20 века было построено несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием "Белый уголь". Это было лишь началом.

Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волоховская ГЭС, в следующем - началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни в одной стране мира, развита система мощных гидроэнергетических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как  Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились большие промышленные комплексы. 

Но пока людям служит лишь не большая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы колоссальное количество энергии.

Энергия земли:

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно не большого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится - нет пока у людей возможности обуздать  не покорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявление энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через   огнедышащие жерла вулканов.

Маленькая европейская страна Исландия - "страна льда" в дословном переводе - полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами – фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из - под земли. И хотя не исландцам она принадлежит приоритет принадлежит в использовании тепла подземных источников, жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица - Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счёт подземных источников.

Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем ещё маломощная, была построена в 1904году в небольшом итальянском городке Лардерелли, который ещё в 1827году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали всё новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигала уже внушительные величины - 360тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, её мощность 160 тысяч киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500тысяч киловатт.

Атомная энергия:

Открытие излучения урана впоследствии стало ключом к энергетическим кладовым природы. Главным, сразу заинтересовавшим исследователей был вопрос: откуда берётся энергия лучей, испускаемых ураном, и почему уран всегда чуточку теплее окружающей среды? Под сомнение ставился либо закон сохранения энергии, либо утвержденный народом принцип неизменности атомов? Огромная научная смелость требовалась от ученых, которые перешагнули границы привычного, отказались от устоявшихся представлений. Такими смельчаками оказались молодые ученые Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. Два года упорного труда по излучению радиоактивности привёл их к революционному тогда выводу: атомы некоторых элементов подвержены распаду, сопровождающемуся излучению энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях. Невиданными темпами развивается атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт! Некоторые ученые высказывают своё мнение, что к 21 веку около половины всей электроэнергии в мире будет вырабатываться на атомных электростанциях. В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто - в нём, так же как и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распадов атома урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет большого парового котла, состоящего из тысячи километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил небольшой ядерный реактор. Самый распространенный в настоящее время тип реактора водографитовый. Ещё одна распространённая конструкция реакторов - так называемые водо-водяные. В них вода не только отбирает тепло от твэлов, но и служит замедлителем нейтронов вместо графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Но всё-таки будущее нашей энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкции которых предложены учеными - реакторами на быстрых нейтронах. Их называют ещё реакторами- размножителями. 

Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она, безусловно, будет развиваться и впредь, безотказно поставляю столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а учёные и инженеры сумеют найти  необходимые решения.           

Источники: 

1. Володин В., Хазановский П. "Энергия, век двадцать первый".

2. Голдин А. "Океаны энергии".

3. Юдасин Л.С. "Энергетика: проблемы и надежды".

1



2