Возобновляемые ресурсы

Введение.

      Возрастающая  с каждым годом выработка и  потребление энергии в мире создают  необходимые условия для ускорения  научно-технического процесса, который  позволяет улучшать  благосостояние людей планеты. Но вместе с тем  возрастающие объёмы потребления энергии требуют всё больших и больших объёмов углеводородного сырья, запасы которого не безграничны. Мировой энергетический кризис 1973-1974 гг. заставил многие страны пересмотреть своё отношение  к потреблению топливно-энергетических ресурсов и принять необходимые меры к снижению энергоёмкости ВВП и увеличению обеспеченности топливно-энергетическими ресурсами за счёт своих внутренних резервов и возобновляемых источников энергии.

      Электроэнергетика является важнейшей отраслью любой  страны, поскольку  её продукция (электроэнергия) относится к универсальному виду энергии. Её легко можно передавать на значительные расстояния, делить на большое количество потребителей. Без электроэнергии невозможно осуществить многие технологические процессы, как невозможно представить нашу жизнь без отопления, освещения, охлаждения, транспорта, телевизора, холодильника и т.д., которые тоже потребляют энергию.

      Одной из специфических особенностей электроэнергии является то, что её

продукция в отличие от других отраслей промышленности не может храниться на складах для последующего потребления. В каждый момент времени её производство должно соответствовать её потреблению.

       Существует  тесная взаимосвязь между энергообеспечением, богатством и

благосостоянием народа. Уровень развития общества определяется способом его энергообеспечения. По подсчётам академика А.Берга ещё 100 лет назад 98% потребляемой энергии приходилось на мускульную силу человека и животных. Энергия, вырабатываемая ветровыми мельницами, водяными колёсами, паровыми и электрическими машинами составила лишь малую долю в 2%.

         В настоящее время в результате  научно-технического прогресса почти  всю тяжёлую работу выполняют  машины, а на мускульную силу  людей приходится меньше 1% энергии.  Пользование даровыми природными  энергоресурсами (ветром и солнечным теплом) способствовало зарождению и становлению цивилизации. Последовательно сменяющиеся виды всё более калорийных энергоносителей – дрова, уголь, нефть, газ и, наконец, ядерное топливо – это этапы прогресса, которые, создавая блага для человечества, вместе с тем ухудшают экологическую среду, уменьшает предел экологической среды обитания человека.

    Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей воды и воздуха. Перечень таких загрязнителей удивительно длинен, а их количества чрезвычайно огромны. Вполне естественно возникает вопрос, всегда ли использование энергии и производство электроэнергии должно сопровождаться разрушением окружающей среды. И если правда, что любой вид человеческой деятельности неизбежно оказывает вредное воздействие на природу, то степень этого вреда различна. Мы не можем не влиять на среду, в которой живем, поскольку для поддержания жизненных процессов как таковых необходимо поглощать и использовать энергию.

    В результате увеличения потребления  энергии повысилось беспокойство об истощении природных ресурсов. Урон экологии и здоровью населения наносится  как использованием ресурсов планеты  в качестве энергоносителя, так и  при авариях при транспортировке этих энергоносителей от места добычи к месту переработки в топливо, то есть, непосредственно в источник энергии, а так же и в результате загрязнения отходами производства при переработке. Большая часть расходуемой энергии в конечном счете генерируется сгоранием ископаемого топлива, такого как уголь, нефть, и природный газ, и у мира есть только ограниченного количество этих ресурсов, которые вскоре будут израсходованы. Кроме того, при сгорании этих топлив выделяются различные вещества такое как моноокись углерода и двуокись серы, которые представляют угрозу здоровья и могут способствовать общему загрязнению среды обитания, выпадению кислотных дождей и глобальному потеплению. Кроме того, защитники окружающей среды становятся все более и более встревожены распространяющимися разрушениями микрофлоры чувствительных к чистоте окружающей среды участков планеты (тропические леса, арктической тундры, прибрежного шельфа) во время добычи и транспортировании их ресурсов.

    На  мой взгляд, необходимо увеличить  затраты на исследования, связанные с использованием альтернативных источников энергии: солнца, падающей воды, ветра. 

Энергия солнца.

    Солнце  как источник тепловой энергии - это  практически неисчерпаемый источник энергии. Ее можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредствованно через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями.

    Использование солнечного тепла - наиболее простой  и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжения расходуется около 25% производимой в стране энергии. В северных странах, в том числе и в Латвии, эта доля заметно выше. Между тем значительная доля тепла, необходимого для этих целей, может быть получена посредством улавливания энергии солнечных лучей. Эти возможности тем значительнее, чем больше прямой солнечной радиации поступает на поверхность земли.

    Наиболее  распространено улавливание солнечной энергии посредством различного вида коллекторов. В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания. Оба блока могут представлять единое целое. Коллекторы помещаются в прозрачную камеру, которая действует по принципу парника. Имеются также устройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведения, например, потоками воздуха или воды.

    Еще более просты нагревательные системы  пассивного типа. Циркуляция теплоносителей здесь осуществляется в результате конвекционных токов: нагретый воздух или вода поднимаются вверх, а их место занимают более охлажденные теплоносители. Примером такой системы может служить помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хорошими изоляционными свойствами материалов, способными длительно удерживать тепло. Для уменьшения перегрева днем и теплоотдачи ночью используются шторы, жалюзи, козырьки и другие защитные приспособления. В данном случае проблема наиболее рационального использования солнечной энергии решается через правильное проектирование зданий. Некоторое удорожание строительства перекрывается эффектом использования дешевой и идеально чистой энергии.

    Целенаправленное  использование солнечной энергии  пока не велико, но интенсивно увеличивается производство различного рода солнечных коллекторов. В США сейчас действуют тысячи подобных систем, хотя обеспечивают они пока только 0,5% горячего водоснабжения.

      Очень простые устройства используют иногда в парниках или других сооружениях. Для большего накопления тепла в солнечное время суток в таких помещениях размещают материал с большой поверхностью и хорошей теплоемкостью. Это могут быть камни, крупный песок, вода, щебенка, металл и т.п. Днем они накапливают тепло, а ночью постепенно отдают его. Такие устройства широко используются в тепличных хозяйствах.

      Преобразование  солнечной энергии в электрическую  возможно посредством использования  фотоэлементов, в которых солнечная  энергия индуцируется в электрический  ток безо всяких дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей. Основные трудности применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и занятием больших территорий для размещения. Проблема в какой-то мере решаема за счет замены металлических фотопреобразователей энергии эластичными синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей в космическое пространство и т.п.

      В тех случаях, когда требуется  получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно. В качестве примеров такого использования можно назвать калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы и т.п.

В странах  с большим количеством солнечной  радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким  путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами.

      Солнечные станции подкупают также возможностью быстрого ввода в строй и наращивания  их мощности в процессе эксплуатации простым присоединением дополнительных батарей-солнцеприемников. В Калифорнии построена гелиостанция, мощность которой достаточна для обеспечения электроэнергией 2400 домов.

      Второй  путь преобразования солнечной энергии  в электрическую связан с превращением воды в пар, который приводит в  движение турбогенераторы. В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды. Сущность последних заключается в том, что они состоят из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего, представленного прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет солевой раствор. Нагретая вода используется для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах.

      Солнечная энергия в ряде случаев перспективна также для получения из воды водорода, который называют "топливом будущего". Разложение воды и высвобождение  водорода осуществляется в процессе пропускания между электродами  электрического тока, полученного на гелеустановках. Недостатки таких установок пока связаны с невысоким КПД (энергия, содержащаяся в водороде, лишь на 20% превышает ту, которая затрачена на электролиз воды) и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости для хранения.

В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1% потока солнечной энергии. Однако эта  энергия существенно превышает  ту, которую получает человек из различных источников в настоящее  время и будет получать в будущем. 
 
 
 
 
 

Использование биомасс.

      Самый простой путь использования энергии  фотосинтеза - прямое сжигание биомассы. В отдельных странах, не вступивших на путь промышленного развития, такой  метод является основным. Более оправданной, однако, является переработка биомассы в другие виды топлива, например в биогаз или этиловый спирт. Первый является результатом анаэробного (без доступа кислорода), а второй аэробного (в кислородной среде) брожения.

      Имеются данные, что молочная ферма на 2 тысячи голов способна за счет использования  отходов обеспечить биогазом не только само хозяйство, но и приносить ощутимый доход от реализации получаемой энергии. Большие энергетические ресурсы сконцентрированы также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах.

      Спирт, получаемый из биоресурсов, все более  широко используют в двигателях внутреннего  сгорания. Так, Бразилия с 70-х годов  значительную часть автотранспорта перевела на спиртовое горючее или  на смесь спирта с бензином - бензоспирт. Опыт использования спирта как энергоносителя имеется в США и других странах.

      Для получения спирта используется разное органическое сырье. В Бразилии это  в основном сахарный тростник, в  США - кукуруза. В других странах - различные  зерновые культуры, картофель, древесная  масса. Ограничивающими факторами для использования спирта в качестве энергоносителя являются недостаток земель для получения органической массы и загрязнение среды при производстве спирта (сжигание ископаемого топлива), а также значительная дороговизна (он примерно в 2 раза дороже бензина).

      Для России, где большое количество древесины, особенно лиственных видов (береза, осина), практически не используется (не вырубается или оставляется на лесосеках), весьма перспективным является получение  спирта из этой биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. Большие резервы для получения спиртового горючего имеются также на базе отходов лесопильных и деревообрабатывающих предприятий.

      Другим  направлением исследований и экспериментов  с топливом является поиск альтернатив бензину. Можно использовать метанол, который произведен из древесины, угля или природного газа; этиловый спирт, алкоголь, произведенный из зерна, сахарного тростника, и других растений сельского хозяйства и в настоящее время используемый в некоторых типах американского моторного топлива (например, gasohol и E85, смесь 85%-ого этилового спирта и 15%-ый бензин); сжатый природный газ, который намного меньше загрязняет атмосферу чем бензин и в настоящее время используется 1.5 миллионами транспортных средств во всем мире.