Почему же 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 энергетики. Разра­батываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия - энергетическая - играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! Гигант­ские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало, а потребности в ней растут еще 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 нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израс­ходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше.

Так за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все 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 счет ее пре­образований из других форм. Вечные двигатели, якобы производя­щие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложи­лась таким образом, что четыре из каждых 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 нем химической энергии, преобразовании ее 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 нашей страны, специалисты различных минис­терств и ведомств. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины 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 ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Су­щественно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канс­ко-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах.

Энергетическая программа страны - основа нашей техники и экономики в канун 21 века.

Но ученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, уста­новленных Энергетической программой. На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет 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 всерьез задумываться над тем, 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 днем. 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 произойдет тогда –, а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшее 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 тогда те страны, где нет собс­твенных запасов нефти и газа и которым приходится их покупать.

А пока в мире все больше ученых 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 пу­тях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии-энергии текущей воды и вет­ра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

Энергия – с чего все началось

Сегодня нам может казаться, что развитие и совершенствование человека происходило невообразимо медленно. Ему в буквальном смысле слова приходилось ждать милостей от природы. Он был практически беззащит н перед холодом, ему непрестанно угрожали дикие звер , его жизнь постоянно висела на волоске. Но постепен о человек развился настолько, что сумел найти оружие, которое в сочетании со способностью мыслить и творить окончательно возвысило его над всем живым окружением. Сначала огонь добывали случайно – например, из горящих деревьев, в которые ударила молния, затем стали добывать сознательно: за счет трения друг о друга двух подходящих кусков дерева человек впервые зажег огонь 80–150 тысяч лет назад. Животворный, таинственный, вселяющий уверенность и чувство гордости ОГОНЬ.

После этого люди уже не отказывались от возможности использовать огонь в борьбе против суровых холодов и хищных зверей, для приготовления с трудом добытой пищи. Сколько ловкости, настойчивости, опыта да и просто везения это требовало! Представим себе человека, окруженного нетронутой природой – без построек, которые бы его защищали, без знания хотя бы элементарных физических законов, с запасом слов, не превышающим нескольких десятков. (Кстати, многие ли из нас, даже обладающие солидной научной подготовкой, смогли бы зажечь огонь, не прибегая к каким-либо техническим средствам–хотя бы спичкам?) К этому открытию человек шел очень долго и распространялось Оно медленно, но ознаменовало собой один из важнейших переломных этапов в истории цивилизации.

Шло время. Люди научились получать тепло, но ста ре располагали никакой силой, кроме собственных мускулов, которая помогала бы им подчинить себе природу. И все же постепенно, мало-помалу они стали использовать силу прирученных животных, ветра и воды. По данным историков, первые тягловые животные была запряжены в плуг около 5000 лет назад. Упоминание о первом использовании водной энергии – запуске первой мельницы с колесом, приводимым в движение водяным потоком,– относится к началу нашего летосчисления. Однако потребовалась еще тысяча лет, прежде чем это изобретение получило распространение. А древнейшие из известных сегодня ветряных мельниц в Европа были построены в XI в.

На протяжении столетий степень использования новых источников энергии - домашних животных, ветра и воды – оставалась очень низкой. Главным же источником энергии, при помощи которой человек строил жилье, обрабатывал поля, «путешествовал», защищался и нападал, служила сила его собственных рук и ног. И так продолжалось примерно до середины нашего тысячелетия. Правда, уже в 1470 г. был спущен на воду первый большой четырехмачтовый корабль; около 1500 г. гениальный Леонардо да Винчи предложил не только весьма остроумную модель ткацкого станка, но и проект сооружения летающей машины. Ему же принадлежат многие другие, для того времени просто фантастические идеи и замыслы, осуществление которых должно было способствовать расширению знаний и производительных сил. Но подлинный перелом в технической мысли человечества наступил сравнительно недавно, немногим боле тр х столетий назад.

Одним из первых гигантов на пути научного прогресса человечества, несомн нно, был Исаак Ньютон. Этот выдающийся английский естествоиспытатель всю свою долгую жизнь и незаурядный талант посвятил пауке: физике, астрономии и математик . Он сформулировал основны законы классической механики, разработал т ор ю тяготен я, заложил основы гидродинамики и акустики, в значит льной мере способствовал развитию оптики, вместе с Лейб иц м создал начала теории исчислен я бескон чно малых и теории симметричных функций. Физику XVIII и XIX столетий по праву называют ньюто овской. Труды Исаака Ньютона во многом помогл умножит силу человеческих мускулов и творч ские в зможности человеческого мозга.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны – постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным.

Поэтому в начале XX века было построено всего 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 Волховская 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 гидроэлектрических 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 мощные промышленные комплексы.

Но пока людям служит лишь небольшая 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 дополнительно колоссальное количество энергии.

Геотермальная энергия

Земля, эта маленькая зеленая планета,–наш общий дом, из которого мы пока не можем, да и не хотим, ухо­дить. По сравнению с мириадами других планет Земля действительно невелика: большая ее часть покрыта уют­ной и живительной зеленью. Но эта прекрасная и спо­койная планета порой приходит в ярость, и тогда с ней шутки плохи – она способна уничтожить все, что мило­стиво дарила нам с незапамятных времен. Грозные смерчи и тайфуны уносят тысячи жизней, неукротимые воды рек и морей разрушают все на своем пути, лесные пожары за считанные часы опустошают огромные тер­ритории вместе с постройками и посевами.

Но все это мелочи по сравнению с извержением про­снувшегося вулкана. Едва ли сыщешь на Земле другие примеры стихийного высвобождения природной энергии, которые по силе могли бы соперничать с некоторыми вулканами.

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 небольшого 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 возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли – геотермальная энергетика базируется на использова­нии природной теплоты Земли. Верхняя часть земной ко­ры имеет термический градиент, равный 20–30 °С в рас­чете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), ко­личество теплоты, содержащейся в земной коре до глу­бины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6-10^26 Дж. Эти ресурсы эквивалент­ны теплосодержанию 4,6·10 16 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-10 9 Дж/т), что бо­лее чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресур­сов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, что­бы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

С геологической точки зрения геотермальные энерго­ресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

Гидротермальные системы

К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, ко­торые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование та­ких систем связано с наличием источника теплоты го­рячен или расплавленной скальной породой, располо­женной относительно близко к поверхности земли. Над этой зоной высокотемпературной скальной породы на­ходится формация из проницаемой горной породы, содержащая воду, которая поднимается вверх в резуль­тате ее подстилающей горячей породой. Про­ницаемая порода, в свою очередь, сверху покрыта непро­ницаемой скальной породой, образующей «ловушку» для перегретой воды. Однако наличие в этой породе трещин или пор позволяет горячей воде или пароводяной смеси подниматься к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении го­рячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепарато­ра, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извле­чением из нее минералов. Примерами геотермальных месторождений с горячей водой являются Уайракей и Бродлендс в Новой Зеландии, Серро-Прието в Мексике, Солтон-Си в Калифорнии, Отаке в Японии.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двух­контурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовав­шийся в результате кипения этой жидкости, использует­ся для привода турбины. Отработавший пар конденси­руется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замк утый цикл. Установки, исполь­зующие фреон в качестве теплоносителя второго контура, о настоящее время подготовлены для промышленного освоения в диапазоне температур 75–150 °С и при еди­ничной электрической мощности в пределах 10–100 кВт. Такие установки могут быть использованы для произ­водства электроэнергии в подходящих для этого местах, особенно в отдаленных сельских районах.

Горячие системы вулканического происхождения

Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся маг­ма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны за­стывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скаль­ные породы). Получение геотермальной энергии непо­средственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматри­вают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу (рис. 5 ). Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещино­ватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагрева­ется II извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотрен­ных ранее способов.

Системы с высоким тепловым потоком

Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплово­го потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из сква­жин, может достигать 100 °С.

Особая категория месторождений этого типа нахо­дится в районах, где нормальный тепловой поток через грунт оказывается в ловушке из изолирующих непрони­цаемых пластов глины, образовавшихся в быстро опускающихся геосинклинальных зонах или в областях опускания земной коры. Температу­ра воды, поступающей из геотермальных месторождений в зонах геодавления, может достигать 150–180 °С, а давление у устья скважины 28–56 МПа. Суточная про­изводительность в расчете на одну скважину может со­ставлять несколько миллионов кубических метров флюида. Геотермальные бассейны в зонах повышенного геодавле­ния найдены во многих районах в ходе нефтегазоразведки, например, в Северной и Южной Америке, на Даль­нем и Ближнем Востоке, в Африке и Европе. Возмож­ность использования таких месторождений в энергетиче­ских целях пока еще не продемонстрирована.

Энергия мирового океана

Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его полученном, сообщения об истощении топливных ресурсов – все эти видимые признаки энергетического кризиса вызвали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

Тепловая энергия океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км 2) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км 2 . Атлантического – 93 млн. км 2 , Индийского – 75 млн. км 2 .Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10 26 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10 18 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразованиетепловой энергии океана – речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло­виной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если но считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точ­нее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабаты­ваемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой виды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подоб ого типа.

Новые станции ОТЕС на мощ ость во много десятков и сотен мегаватт проект руются без судна. Это – одна грандио ная труба, в верхней части которой аходится круглый маши ный зал, где размещены все необходимые устройства для реобразования анергии (рис. 6 ). Верхний конец трубопровода хо одной воды расположится в океане на глубине 25– 0 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут уста овлены турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудовани . асса всег сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде мале ького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для обслуживания сист мы и д я связи с берегом.

Энергия приливов и отливов.

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные поды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой (так называемая сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением

где р – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе.

Как видно из (формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны».

Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт.

Поскольку энергия солнечного излучен я распред лена по большо площади (иными словами, име т н зкую плотность), любая уста овка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточ ой поверхностью.

Простейшее устройство такого рода– лоский к лл ктор; в принципе это черная плита, хорошо золированная снизу Она прикрыта ст клом или пластмассой, которая пропускает свет, но не ро ускает нфракрасное т плово излуче ие. В пространстве между л той и стеклом чаще всего размещают черные трубки, ч р з которые текут вода, масло, ртуть, воздух, с рнистый ангидрид и т. п. Солнечное излучени , прон кая через стекло или пластмассу в коллектор, поглоща тся черными трубками и плитой и нагр ва т рабочее в щество в трубках. Тепловое излучен е не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значит льно выш (па 200–500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые пар ики, по сути дела, представляют собой простые колл кт ры солнечного злучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эфф е тивен горизо тальный коллектор, а поворачивать его всл д за С лнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавл вают под определенным оптимальным углом к югу.

Более сложным дорогостоящим коллектором явля тся вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной г ометрической точки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу–это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов остигает 3000°С и выше.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет 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. Подсчеты 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 энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы. Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят и они работают.

С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха, туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистота воздуха, целебно для человека.

Крымская СЭС невелика – мощность всего 5 МВт. В определенном смысле она – проба сил. Хотя, казалось бы, чего еще надо пробовать, когда известен опыт строительства гелиостанций в других странах.

На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.

Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

Но, для примера, электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточной выработкой 500 МВт·ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупная ГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной поверх­ности около 500000 м 2 . Ясно, что такое огромное коли­чество солнечных полупроводниковых элементов может. окупиться только тогда, когда их производство будет действительно дешево. Эффективность солнечных элек­тростанций в других зонах Земли была бы мала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно сла­бой интенсивности солнечной радиации, которую здесь даже в солнечные дни сильнее поглощает атмосфера, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.

Тем не менее солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле – в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радио­аппаратура, электрические бритвы и зажигалки и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спут­нике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).

Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии. Нужны новые варианты, новые идеи. Недостатка в них нет. С реализацией хуже.

Атомная энергия.

При исследовании распада атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Это объясняется тем, что при объединении протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 г эквивалентна такому количеству тепловой энергии, какое получилось бы при сжигании 300 вагонов каменного угля. Не уди­вительно поэтому, что исследователи приложили все силы, стремясь найти ключ, который позволил бы «открыть» атомное ядро и высвободить скрытую в нем огромную энергию.

Вначале эта задача казалась неразрешимой. В ка­честве инструмента ученые не случайно выбрали ней­трон. Эта частица электрически нейтральна, и на нее не действуют электрические силы отталкивания. По­этому нейтрон легко может проникнуть в атомное ядро. Нейтронами бомбардировали ядра атомов отдельных эле­ментов. Когда же очередь до­шла до урана, обнаружилось, что этот тяжелый элемент ве­дет себя иначе, чем другие. Кстати, следует напомнить, что встречающийся в природе уран содержит три изотопа: уран-238 (238 U), уран-235 (235 U) и уран-234 (234 U), при­чем цифра означает массовое число.

Атомное ядро урана-235 оказалось значительно менее устойчивым, чем ядра других элементов и изотопов. Под действием одного нейтрона наступает деление (расщеп­ление) урана, его ядро распадается па два приблизи­тельно одинаковых осколка, например на ядра крипто­на и бария. Эти осколки с огромными скоростями раз­летаются в разных направлениях.

Но главное в этом процессе, что при распаде одного ядра урана возникают два-три новых свободных ней­трона. Причина заключается в том, что тяжелое ядро урана содержит больше нейтронов, чем их требуется для образования двух меньших атомных ядер. «Строи­тельного материала» слишком много, и атомное ядро должно от него избавиться.

Каждый из новых нейтронов может сделать то же, что сделал первый, когда расщепил одно ядро. В самом деле, выгодная калькуляция: вместо одного нейтрона получаем два-три с такой же способностью расщепить следующие два-три ядра урана-235. И так продолжает­ся дальше: происходит цепная реакция, и, если ею не управлять, она приобретает лавинный характер и за­канчивается мощнейшим взрывом – взрывом атомной бомбы. Научившись регулировать этот процесс, люди получили возможность практически непрерывно получать энергию из атомных ядер урана. Управление этим процессом осуществляют в ядерных реакторах.

Ядерный реактор – устройство, в котором протекает управляемая цепная реакция. При этом распад атом­ных ядер служит регулируемым источником и тепла, и нейтронов.

Первый проект ядерного реактора разработал в 1939 г. французский ученый Фредерик Жолио-Кюри. Но вскоре Францию оккупировали фашисты, и проект не был реализован.

Цепная реакция деления урана впервые была осу­ществлена в 1942 г. в США, в реакторе, который груп­па исследователей во главе с итальянским ученым Энрико Ферми построила в помещении стадиона Чи­кагского университета. Этот реактор имел размеры 6х6х6,7 м и мощность 20 кВт; он работал без внеш­него охлаждения.

Первый ядерный реактор в СССР (и в Европе) был построен под руководством акад. И. В. Курчатова и запущен в 1946 г.

Невиданными темпами развивается сегодня атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт! Некоторые ученые высказывают 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 нем, так же как и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.

Атомные реакторы на тепловых нейтронах различаются между собой главным образом по двум признакам: какие вещества используются в качестве замедлителя нейтронов и какие в качестве теплоносителя, с помощью которого производится отвод тепла из активной зоны реактора. Наибольшее распространение в настоящее время имеют водо-водяные реакторы, в которых обычная вода служит и замедлителем нейтронов, и теплоносителем, уран-графитовые реакторы (замедлитель – графит, теплоноситель – обычная вода), газографитовые реакторы (замедлитель – графит, теплоноситель – газ, часто углекислота), тяжеловодные реакторы (замедлитель – тяжелая вода, теплоноситель – либо тяжелая, либо обычная вода).

Ни рис. 9 представлена принципиальная схема водо-водяного реактора. Активная зона реактора представляет собой толстостенный сосуд, в котором находятся вода и погруженные в нее сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Тепло, выделяемое ТВЭЛами забирается водой, температура которой значительно повышается.

Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожской, Балаковской и других атомных электростанциях. Вскоре реакторы такой конструкции, видимо, догонят по мощности и рекордсмена - полуторамиллионик с Игналинской АЭС.

Но все-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными, - реакторами на быстрых нейтронах. Их называют еще реакторами-размножителями. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе – уране-235, которого в природном уране всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудь продолжительное время или же человечество вновь столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов?

Более тридцати лет назад эта проблема была поставлена перед коллективом лаборатории Физико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лаборатории Александром Ильичом Лейпунским была предложена конструкция реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка. Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы природных урана и тория, а они огромны – только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.

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

Водородная энергетика

Многие специалисты высказывают опасение по поводу все возрастающей тенденции к сплошной электрификации экономики и хозяйства: на тепловых электростанциях сжигается все больше химического топлива, а сотни новых атомных электростанций, как и зарождающиеся солнечные, ветряные и геотермальные станции, будут во все более широком масштабе (и в конце концов исключительно) работать для производства электрической энергии. Поэтому ученые заняты поиском принципиально новых энергетических систем.

К.п.д. тепловых электростанций относительно низок, хотя конструкторы прилагают все силы, чтобы его повысить. В современных электростанциях на органическом топливе он составляет около 40%, а в атомных электростанциях – 33%. При этом большая доля энергии теряется с отходящим теплом (например, вместе со сбрасываемой из систем охлаждения теплой водой), что приводит к так называемому тепловому загрязнению окружающей среды. Отсюда следует, что тепловые электростанции нужно строить в тех местах, где имеется а достаточном количестве охлаждающая вода, или же в открытых ветрам местностях, где воздушное охлаждение не будет оказывать отрицательного влияния на микроклимат. К этому добавляются вопросы безопасности и гигиены. Вот почему будущие крупные АЭС должны располагаться как можно дальше от густонаселенных районов. Но тем самым источники электроэнергии удаляются от ее потребителей, что значительно усложняет проблему электропередачи.

Передача электроэнергии по проводам обходится очень дорого: она составляет около трети себестоимости энергии для потребителя. Чтобы снизить расходы, строят линии электропередачи все более высокого напряжения – оно скоро достигнет 1500 кВ. Но воздушные высоковольтные линии требуют отчуждения большой земельной площади, к тому же они уязвимы для очень сильных ветров и иных метеорологических факторов. А подземные кабельные линии обходятся в 10 – 20 раз дороже, и их прокладывают лишь в исключительных случаях (например, когда это вызвано соображениями архитектуры или надежности).

Серьезнейшую проблему составляет накопление и хранение электроэнергии, поскольку электростанции наиболее экономично работают при постоянной мощности и полной нагрузке. Между тем спрос на электроэнергию меняется в течение суток, недели и года, так что мощность электростанций приходится к нему приспосабливать. Единственную возможность сохранять впрок большие количества электроэнергии в настоящее время дают гидроаккумулирующие электростанции, но и они в свою очередь связаны с множеством проблем.

Все эти проблемы, стоящие перед современной энергетикой, могло бы – по мнению многих специалистов – разрешить использование водорода в качестве топлива и создание так называемого водородного энергетического хозяйства.

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача тоги же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока с напряжением 40кВ, а па расстоянии свыше 900 км – дешевле воздушной линии электропередачи переменного тока с напряжением 500 кВ.

Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

Современные и перспективные методы производства водорода

Сейчас водород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичный для энергети­ки процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода, обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому же себестоимость такого во­дорода постоянно возрастает по мере повышения цен на нефть.

Небольшое количество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методом электро­лиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будет расширяться и с развитием атом­ной энергетики станет дешевле. Вблизи атомных элек­тростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия, выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода. Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрического тока, зато расходы на тран­спортировку и распределение водорода настолько малы, что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению с ценой электроэнергии.

Сегодня исследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессов крупнотон­нажного производства водорода за счет более эффек­тивного разложения воды, используя высокотемпера­турный электролиз водяного пара, применяя катализа­торы, полунепроницаемые мембраны и т. п.

Большое внимание уделяют термолитическому мето­ду, который (в перспективе) заключается в разложе­нии воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высо­котемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому исследовате­ли стремятся разработать процессы, протекающие в не­сколько стадий, что позволило бы вырабатывать водо­род в температурных интервалах ниже 1000°С.

В 1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатацию установка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% при температуре 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Вода в установке разлагается на водород и кислород, а остальные реаген­ты циркулируют в повторных циклах. Другие – скон­струированные установки работали – при температурах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реак­торы позволят поднять к.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать, сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видов энергии проявляют тен­денцию к росту, можно предположить, что в долго­срочной перспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в форме природного газа, а возможно, и в форме электрического тока.

Использование водорода

Когда водород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, он сможет всюду его заме­нить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, в водонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти или совсем не будут отли­чаться от современных горелок, применяемых для сжи­гания природного газа.

Как мы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктов сгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов для отопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся при горении водяной пар можно считать полезным продуктом - он увлажняет воздух (как известно, в современных квартирах с цен­тральным отоплением воздух слишком сух). А отсут­ствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов, но и повышает к. п. д. отопле­ния на 30%.

Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при про­изводстве удобрений и продуктов питания, в металлур­гии и нефтехимии. Его можно использовать и для вы­работки электроэнергии на местных тепловых электро­станциях.

Заключение.

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальней­шем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой дея­тельности, которая не требовала бы – прямо или кос­венно – больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизнен­ного уровня. В те времена, когда человек добывал пи­щу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овла­дения огнем эта величина возросла до 16 МДж: в при­митивном сельскохозяйственном обществе она составля­ла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного "корма".

Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти.

И вот новый виток в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.

Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.

А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю... Всегда было так: следующий источник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться, "воинствующая" линия энергетики.

В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.

Но времена изменились. Сейчас, в конце 20 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика "щадящая". Построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Яркий пример тому - быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная. Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется к энергетике, зависит от нее.

Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, "черных дырах", вакууме, - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.

Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед. Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим, что мы на пути к Эре Энергетического Изобилия и что все препоны, преграды и трудности будут преодолены.

Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому. следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: "Нет простых решений, есть только разумный выбор".

Список литературы

1. 1. Аугуста Голдин. Океаны энергии. – Пер. с англ. – М.: Знание, 1983. – 144 с.

2. 2. Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.

3. 3. Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 215 с.

4. 4. Бурдаков В.П.. Электроэнергия из космоса. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 152 с.

5. 5. Вершинский Н. В. Энергия океана. – М.: Наука, 1986. – 152 с.

6. 6. Гуревич Ю. Холодное горение. //Квант. – 1990 г. - №6. – ст. 9-15.

7. 7. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с.

8. 8. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1990. – 128 с.

9. 9. Кононов Ю. Д.. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 1981. – 190 с.

10.10.Меркулов О. П. У пошуках енергії майбутнього. – К.: Наукова думка, 1991. – 123 с.

11.11.Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г./ Пер. с англ. под ред. Ю. Н. Старшикова. – М.: Энергия, 1980. – 256 с.

12.12.Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с.

13.13.Подгорный А. Н. Водородная энергетика. – М.: Наука, 1988.– 96 с.

14.14.Соснов А. Я. Энергия Земли. – Л.: Лениздат, 1986. – 104 с.

15.15.Шейдлин А. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 1987. – 463 с.

16.16.Шульга В. Г., Коробко Б. П., Жовмір М. М. Основні результати та завдання впровадження нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії в Україні.// Энергетика и электрификация. – 1995 г. - №2. – ст. 39-42.

17.17.Энергетика мира: Переводы докладов XI конгресса МИРЭК/ Под ред. П. С. Непорожнего. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 216 с.

18.18.Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.

19.19.Ю. Тёльдеши, Ю. Лесны. Мир ищет энергию. – М.: Мир, 1981. – 440 с.

20.20.Юдасин Л. С.. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.

На пороге XXI века человек все чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Люди прошли путь от первого костра до атомных электростанций, однако энергия была и остается главной составляющей жизни человека.

Существуют «традиционные» виды альтернативной энергии: энергия Солнца и ветра, морских волн и горячих источников, приливов и отливов. На основе этих природных ресурсов были созданы электростанции: ветряные, приливные, геотермальные, солнечные.

Сейчас, как никогда остро встал вопрос, о том, каким будет будущее планеты в энергетическом плане. Что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? В газетах и различных журналах все чаще и чаще встречаются 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 энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце XIX века энергия играла, в общем, вспомогательную и незначительную роль в мировом балансе, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. С течением времени - гигантские цифры, огромные темпы роста! И все равно энергии будет мало - потребности в ней растут еще быстрее.

Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрена классификация альтернативных источников энергии, способы нахождения новых видов топлива и опыт России и других зарубежных стран в изобретении и использовании энергосберегающих ресурсов.

1. Альтернативные источники энергии

К альтернативным источникам энергии относят энергию Солнца, земли, ветра, воздуха, атомную и биоэнергию.

Солнечная энергия

Солнце - центр нашей системы из 8 планет (не считая мелких, таких как Плутон, Церера и др.), является первичным и главным источником энергии в нашей системе планет. Являясь большим термоядерным реактором, выделяющим громадное количество энергии, оно согревает Землю, приводит в движение и верхние слои атмосферы, океанские течения и реки. Под воздействием солнечных лучей и благодаря фотосинтезу, на нашей планете вырастает около одного квадриллиона тонн растений, дающих в свою очередь жизнь, 10 триллионам тонн животных организмов. Благодаря совместному труду Солнца, воды и воздуха, за миллионы лет, на 3емле накоплены запасы углеводородов - угля, нефти, газа и пр., которые мы сейчас активно расходуем.

Для удовлетворения потребностей человечества в энергоресурсах, на сегодняшний день, требуется сжечь около десяти миллиардов тонн углеводородного топлива в год. Считается, что на 3емле имеется около шести триллионов тонн различных углеводородов. Если взять энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, и перевести в углеводородное топливо, которое мы сжигаем, то получим около ста триллионов тонн, что в десять тысяч раз превышает необходимый нам объем энергоресурсов.

Для обеспечения потребностей человечества энергией на несколько веков хватит и сотой доли той энергии, которая доходит от Солнца до Земли за один год, и если мы сможем взять этот процент, то это бы решило многие проблемы с генерацией энергии на многие века вперед. Как взять этот столь необходимый для нас процент солнечной энергии в теории понятно, дело остается за более совершенными технологиями преобразования энергий. Среди возобновляемых источников энергии, солнечная радиация по объемам ресурсов, распространенности, доступности и экологической чистоте наиболее перспективна.

В начале 20 века многие ученые мира, всерьез задумывались об использовании солнечной энергии. Наш соотечественник, основатель теоретической космонавтики К.Э. Циолковский, во второй части своей книги: "Исследования мировых пространств реактивными приборами" писал следующее: "Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два млрд. раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле".

Альберт Эйнштейн основатель всемирно известной теории относительности, в 1921 году был удостоен Нобелевской премии за объяснение законов внешнего фотоэффекта. В 1905 году была опубликована его работа, в которой, опираясь на гипотезу Планка, Эйнштейн описал как именно и в каких количествах кванты света выбивают из металла электроны. Применить данную гипотезу на практике впервые удалось советским физикам в 30-е годы под руководством знаменитого академика А.Ф. Иоффе.

В Физикотехническом институте, были разработаны и созданы первые сернисто-талиевые фотоэлементы, правда, КПД этих элементов не дотягивал до 1%.

Позднее в 1954 году американскими учеными Пирсоном, Фуллерром и Чапином был запатентован первый элемент с КПД порядка 6%. В 70-х годах КПД солнечных фотоэлементов приближался к 10%, но их производство было довольно дорого и экономически неоправданно, посему использование солнечных батарей в основном ограничивалось космонавтикой. Для производства элементов, требовался кремний (Si, силициум) высокой отчистки и особого качества, в сравнении со стоимостью сжигаемых углеводородов, переработка кремния виделась дорогой и неоправданной, хотя данный элемент таблицы Менделеева в изобилии располагается на пляжах в виде песка (SiO 2). Вследствие чего, исследования по разработке технологий в области солнечной энергетики, были урезаны в финансировании или и вовсе свернуты.

К началу 21 века КПД солнечных батарей удалось увеличить до 20%. Несложно догадаться, почему человечество отступило от разработки солнечной энергии. В середине прошлого века наша цивилизация разгадала тайну ядерной энергии, и все силы науки были брошены на поиски новых способов обогащения урана и создание более совершенных ядерных реакторов, в ущерб технологиям для выработки кремния и разработки новых видов солнечных элементов.

Тем не менее, все это выглядит немного странно, учитывая тот факт, что более прогрессивные технологии получения силициума давно существуют. Еще в 1974 году фирмой Siemens (Германия) была разработана технология получения кремния с помощью карботермического цикла, что понизило себестоимость процесса на порядок. Однако для данной технологии требуется уже не обычный песок, а так называемые особо чистые кварцы, запасы которых в нашей стране самые крупные, что, несомненно, выгодно для России, ведь имеющихся запасов хватит на всех.

Солнечные батареи как форма использования солнечной энергии

Солнце - мощнейший источник энергии в нашей солнечной системе. Давление в его внутренней части порядка 100 миллиардов атмосфер, а температура достигает 16 миллионов градусов. До Земли доходит лишь одна двухмиллиардная доля всего излучения. Но даже эта малая часть превосходит по мощности все земные источники энергии (в том числе и энергию земного ядра). Использование солнечной энергии сегодня стало распространенным явлением, а солнечные батареи обретают все большую популярность.
Первые солнечные батареи были использованы в 1957 году при покорении космоса. Их установили на спутник для преобразования солнечной энергии в электрическую, которая была необходима для работы спутника. При создании солнечных батарей используют полупроводниковые материалы, как правило, кремний.

Принцип работы солнечных элементов построен на фотоэлектрическом эффекте - преобразовании энергии света в электричество. Когда солнечная энергия попадает на неоднородный полупроводник (неоднородность может достигаться различными путями, например легированием), в нем создаются неравновесные носители заряда обоих типов. При подключении данной системы к внешней цепи можно «собирать» электроны, соответственно создавая электрический ток. Есть много эффектов, которые отрицательно сказываются на величине получаемого тока (например, частичное отражение солнечных лучей или их рассеяние), поэтому исследовательская работа по созданию наиболее подходящего материала очень актуальна на сегодняшний день.
Солнечные батареи - это большие по площади модули, которые собираются из отдельных элементов. Эти элементы - это обычно небольшие пластины (размеры которых в среднем 130×130мм), с припаянными к ним контактами.
Этот вид энергии абсолютно экологичен, так как нет никаких ядовитых и опасных выбросов в атмосферу, они не загрязняют воду или почву, у них даже отсутствует опасное излучение. К тому же это весьма надежный источник альтернативной энергии - по расчетам ученых солнце будет светить еще несколько миллионов лет. К тому же, энергия солнца абсолютна бесплатна. Другое дело, конечно, что создание самого солнечного элемента является довольно дорогой процедурой.

Но у данного вопроса есть и обратная сторона. Притом, что энергия солнца бесплатна и огромна, она непостоянна. Работа солнечных батарей сильно зависит от погоды. В пасмурную погоду количество вырабатываемого электричества падает в разы, а ночью и вовсе прекращается. Пытаясь как-то справиться с этим, ученые разработали всевозможные аккумуляторы. Но при нагрузке таких огромных солнечных станций, аккумуляторы не выдерживают больше часа. Поэтому использование солнечных батарей возможно только совместно со стабильным источником электроэнергии.
Солнечные батареи распространены в тропических и субтропических регионах. Количество солнечных дней в странах этих регионов максимально, следовательно, максимально и количество вырабатываемого электричества.

Энергию солнца могут использовать не только крупные компании, но и владельцы частных домов. Например в Германии солнечные батареи устанавливаются на крыши домов, что позволяет хозяевам экономить порядка 50% всех затрат на электроэнергию. Учитывая, что стоимость электроэнергии в этой стране довольно высока. В солнечные дни количество перерабатываемой энергии может превышать необходимое. В той же Германии государство скупает эти излишки у частных лиц и перепродает скупленную электроэнергию в ночное время по более низкой цене, чем стимулирует интерес населения к установке солнечных батарей.
В самых безоблачных регионах строятся целые гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Принцип их работы несколько отличается от солнечных батарей. Эти солнечные установки концентрируют солнечную энергию и используют ее для приведения в действие турбин, тепловых машин и т.д. В качестве примера можно привести солнечную башню в Испании. Множество зеркал направляют солнечные лучи на ее верхнюю часть, разогревая находящуюся там воду до 250 градусов. Это выгодно по многим параметрам.
Еще одним преимуществом солнечных батарей можно считать их мобильность. Небольшой элемент в условиях яркого солнечного освещения может вырабатывать электроэнергию достаточную, например, для подзарядки сотового телефона или маломощного ноутбука.

Энергия земли

Планета Земля - самый удивительный и загадочный объект, будоражащий умы людей на протяжении многих веков. Она дает жизнь, делясь теплом, водой, пищей, и отбирает ее, обрушиваясь ураганами, землетрясениями, потопами или извержениями вулканов. Для выживания человеку необходима энергия и он берет ее, разворовывая недра нашей планеты: добывает тоннами нефть, уголь, вырубает леса и т.д. Несмотря на то, что наша планета очень богата, ее запасы все же небезграничны. Эта проблема тревожит умы глав государств и научных работников уже не первый год - постоянно ищутся все новые источники альтернативной энергии.

Одним из возможных решений этой насущной проблемы стала геотермальная энергетика, то есть использование внутреннего тепла земли и превращение его в электроэнергию.

Приблизительная температура земного ядра 5000°С, а давление там достигает 361 ГПа. Такие невероятно высокие значения достигаются вследствие радиоактивности ядра. Оно разогревает близлежащие пласты породы, создавая тем самым горячие потоки, размером с континенты. Они медленно поднимаются из глубины земных недр, заставляя двигаться континенты, провоцируя извержения вулканов и землетрясения.

При удалении от ядра температура постоянно уменьшается, но жар при извержении вулканов говорит о том, что даже «низкая» для ядра температура, просто колоссальна. Тепловая энергия земли огромна, но загвоздка в том, что современные технологии пока не позволяют использовать ее если не полностью, то хотя бы наполовину.

В некотором смысле земное ядро можно считать вечным двигателем: есть сильное давление (а оно благодаря гравитации будет всегда), значит есть высокая температура и атомные реакции. Но пока не создано ни технологий, ни материалов, которые смогли бы выдержать столь жесткие условия и позволить добраться до ядра. Сегодня мы можем использовать тепло приповерхностных слоев, температура которых несравнима с тысячами градусов, но вполне достаточна для выгодного ее использования.
Существует несколько способов использования геотермальной энергии. Например, можно использовать горячие подземные воды для обогрева жилых домов, всевозможных предприятий или учреждений. Но больший интерес вызывает использование тепловой энергии для преобразования ее в электроэнергию.

Геотермальную энергию различают по форме, в которой она вырывается из-под земли:

• «Сухой пар» . Это пар, вырывающийся из-под земли без капелек воды и примесей. Его очень удобно использовать для вращения турбин, вырабатывающих электрическую энергию. А конденсированная вода, как правило, остается довольно чистой и ее можно возвращать обратно в землю или даже в ближайшие водоемы.
• «Влажный пар» . Это смесь воды и пара. В данном случае задача несколько усложняется, поскольку приходится сначала отделить пар от воды, а лишь потом его использовать. Капли воды могут повредить турбины.
• «Система с бинарным циклом» . Из-под земли вырывается просто горячая вода. Используя эту воду, изобутан переводят в газообразное состояние. А затем используют изобутановый пар для вращения турбин. Эту воду можно использовать для непосредственного обогрева помещений - централизованное теплоснабжение.

Недостаток таких установок в том, что они привязаны географически к районам геотермальной активности, которые расположены совсем неравномерно по поверхности земли. В России источники геотермальной энергии расположены на Камчатке, Курильских островах и Сахалине - экономически плохо развитых регионах. Поскольку в них слабо развита инфраструктура, они малонаселенны, обладают сложным рельефом местности и высокой сейсмической активностью, эти районы являются экономически невыгодными для создания там тепловых станций. Но ведь это не может стать ограничением тепловой энергии нашей планеты.
В середине 19 века британский физик Уильям Томсон заложил фундамент технологии теплового насоса. Принцип его работы можно объяснить схематично в виде трех замкнутых контуров.

Во внешнем контуре циркулирует так называемый теплоноситель, который поглощает тепло окружающей среды. Обычно этот контур представляет собой трубопровод, который максимально приближен к источнику внешнего тепла (грунт, река, море и т.д.) с циркулирующим антифризом (незамерзающей жидкостью).

Во втором контуре циркулирует вещество, которое испаряется благодаря теплу вещества первого контура, и конденсируется, отдавая тепло веществу последнего третьего контура. Во втором контуре в качестве испаряемого вещества используется хладагент (вещество с низкой температурой испарения). В этот же контур встроены конденсатор, испаритель и устройства, меняющие давление хладагента. Третий контур и является нагревательным элементом, который передает тепло помещениям.
Имеется еще один проект, преобразующий тепло земной коры в электроэнергию. Этот проект разработали ученые одной из национальных лабораторий министерства энергетики США. Технология заключается в бурении двух неглубоких скважин глубиной около четырех километров, которые доходят до твердых скальных пород. Далее скалы дробятся при помощи подземных взрывов, увеличивая глубину скважины. Одна из скважин наполняется водой, где она нагревается до 176 градусов. Притом, что температура сравнительно небольшая, ее вполне хватает для обогрева помещений и выработки электроэнергии. Затем, вода поднимается по другой скважине (ее стараются располагать на значительном удалении от первой) и поступает на электростанцию.

Преимуществом данного метода стала его независимость от геотермальной активности местности - он пригоден для установки почти везде.
Уже достаточно давно умы ученых будоражит еще один вид энергии Земли - энергия магнитного поля. На сегодняшний день не создано ни одного реально существующего проекта. Но огромный потенциал магнитного поля постоянно подталкивает на изобретение все более новых и более хитрых приборов. Одним из которых является электромобиль Тесла. Принцип работы этого прибора так и остался для всех загадкой.

Никола Тесла заменил бензиновый двигатель обычного автомобиля стандартным электромотором переменного тока мощностью в 80л.с., у которого отсутствовали видимые внешние источники питания. Автомобиль мог развивать скорость до 150 км/ч. По заявлению самого ученого машина работала благодаря «эфиру, который вокруг нас!». Современные исследователи полагают, что физик использовал в своем генераторе энергию магнитного поля нашей планеты. Он мог настраивать свою высокочастотную схему переменного тока на резонансную частоту 7,5 Гц. Но это всего лишь догадки.
Такие альтернативные источники энергии, как тепловая или магнитная, вскоре станут не фантазиями или гипотезами, а необходимостью. Ну а благодаря своим преимуществам: высокой экологичности, независимости от местоположения и погодных или климатических условий, низким уровнем затрат на производство и, конечно же, неисчерпаемости, эти источники энергетики становится весьма перспективными.

Энергия ветра Начало формы

Воздух - это ветер, один из альтернативных источников энергии на нашей планете.

Современность определяет ветер, как поток воздуха, движущийся вдоль земной поверхности со скоростью свыше 0,6 м/с. Он возникает из-за неравномерного распределения атмосферного давления, которое постоянно меняется, смещая огромные пласты воздуха из зоны высокого давления в зону низкого. В древности же обо всех этих хитрых определениях не имелось ни единого представления, но это не помешало древним людям научиться использовать энергию ветра в своих целях.

Еще до нашей эры умелые египтяне переплывали Нил на первых парусных лодках. В итоге это стало первым шагом в развитии парусного дела. Не менее изобретательными оказались и викинги. Их боевые парусные корабли, подгоняемые сильными порывами ветра, превосходили по скорости и легкости все корабли Западной Европы, наводя страх и ужас на местное население. Создание первых ветряных мельниц в 12 веке привело к рождению первого печеного хлеба, без которого невозможно представить себе ни один современный стол.

Использование ветряной энергии нашло большое применение в Голландии. Эта страна часто затапливается, поскольку находится ниже уровня моря, и использование энергии ветра в 14 веке для откачки воды с полей позволило ей войти в список самых богатых стран на то время. Впоследствии другие страны Европы стали использовать такой альтернативный источник энергии для достижения обратного эффекта - подачи воды на засушливые поля.

К 19 веку ветряки стали уже привычным делом на людей. К 1900 году в одной только Дании насчитывалось больше двух тысяч ветряных мельниц. А создание первой ветряной мельницы, преобразующей ветер в электроэнергию, стало началом нового витка в истории современной энергетики - ветроэнергетики.

Ветроэнергетика стала весьма перспективной, потому что ветер является возобновляемым источником энергии. Развитие данной отрасли энергетики идет очень активно: к 2008 году общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 120 гигаватт. Поскольку мощность ветрогенератора зависит от площади лопасти генератора, имеется тенденция к увеличению их размеров, и эти сооружения мельницами не назовешь - теперь это турбины.

Большое распространение данный вид энергетики получил в США. К середине 20 века там было построено несколько сотен тысяч турбин. С течением времени ветряные фермы стали весьма распространенным явлением в ветряной Калифорнии, да и по всей территории штатов, а после выхода в свет закона об обязательной скупке коммунальными предприятиями лишней электроэнергии, полученной из ветра, у рядовых граждан, эта область стала привлекательной и материально.

Важным является экологический аспект ветроэнергетики. По данным Global Wind Energy Council к 2050 году эта отрасль поможет уменьшить ежегодные выбросы углекислого газа (СО 2) на 1,5 млрд. тонн. Турбины занимают совсем небольшую площадь ветряной фермы (порядка 1%), следовательно, остальная площадь открыта для сельского хозяйства. Это имеет большое значение в небольших густонаселенных странах.
Значение ветроэнергетики возросло в 1973 году, когда ОПЕК ввело эмбарго на добычу нефти и ежегодно стало отслеживать ее количество. Стоимость на нефть возросла в разы, заставив государства изучать и развивать альтернативные источники энергии. С каждым годом стоимость технологии ветряной электродобычи уменьшается, увеличивая долю ветроэнергетики в общем объёме. На сегодняшний день этот вклад по всему миру составляет всего 2%, но с каждой минутой эта цифра растет.

Энергия воды

Вода - источник жизни на земле. Это одно из самых уникальных и удивительных явлений на нашей планете, обладающее множеством уникальных свойств, использование которых может быть очень выгодно и полезно для человека.

Энергия воды - один из первых источников энергии, который люди научились использовать в своих целях. Так принцип работы первых речных мельниц прост и в то же время гениален: движущийся поток воды вращает колесо, преобразуя кинетическую энергию воды в механическую работу колеса. По сути, все современные гидроэлектростанции работают аналогично, только с одним важным дополнением: далее механическая энергия колеса преобразуется в электрическую.

Энергию воды грубо можно разделить на три типа по ее виду, в котором она преобразовывается:

1. Энергия приливов и отливов . Явление отлива очень интересно и долгое время оно никак не могло быть объяснено. Большие массивные (и разумеется близкие к Земле) космические объекты, такие как Луна или Солнце, действием своей гравитации приводят к неравномерному распределению воды в океане, создавая «горбы» из воды. Из-за вращения земли начинается движение этих «горбов» и их перемещение к берегам. Но из-за того же вращения Земли, положение океана относительно Луны изменяется, уменьшая тем самым действие гравитации.

Во время прилива заполняются специальные резервуары, располагающиеся на береговой линии. Резервуары образуются благодаря дамбам. Во время отлива вода начинает свое обратное движение, которое и используется для вращения турбин и преобразования энергии. Важно, чтобы разница высот во время прилива и отлива была как можно больше, иначе подобная станция просто не сможет себя оправдывать. Поэтому приливные электростанции создаются, как правило, в узких местах, где высота приливов достигает хотя бы 10м. Например, приливная станция во Франции в устье реки Ранс.

Но такие станции имеют и свои минусы: создание дамбы приводит к увеличению амплитуды приливов со стороны океана, а это влечет за собой затопление суши соленой водой. Как следствие - изменение флоры и фауны биологической системы, причем не в самую лучшую сторону.
2. Энергия морских волн. Несмотря на то, что природа этой энергии весьма схожа с энергией приливов и отливов, ее все же принято выделять в отдельную ветвь. Данный вид энергии обладает довольно высокой удельной мощностью (приблизительная мощность волнения океанов достигает 15 кВт/м). Если высота волны будет около двух метров, то это значение может увеличиться до 80 кВт/м. Перевести всю энергию волнения в электрическую не удается, но все же коэффициент преобразования довольно высок - 85%.
На сегодняшний день использование энергии морских волн не особо распространено из-за ряда сложностей, возникающих при создании установок. Пока эта сфера находится только на стадии экспериментальных исследований.
3. Гидроэлектростанции . Этот вид энергии стал доступным для человека благодаря совместной «работе» трех стихий: воды, воздуха и, конечно же, солнца. Солнце испаряет с поверхности озер, морей и океанов воду, образуя облака. Ветер перемещает газообразную воду к возвышенным областям, где она конденсируется и, выпадая в виде осадков, начинает стекать обратно к своим первоисточникам. На пути этих потоков ставятся гидроэлектростанции, которые перехватывают энергию падающей воды и преобразуют ее в электрическую. Мощность, вырабатываемая станцией, зависит от высоты падения воды, поэтому на ГЭС стали создаваться дамбы. Они так же позволяют регулировать величину потока. Создание такого огромного сооружения стоит очень дорого, но ГЭС полностью себя окупает благодаря неисчерпаемости используемого ресурса и свободного доступа к нему.
У данного типа энергии, по аналогии с остальными, имеются как плюсы, так и минусы. Так же как в случае использования энергии приливов, создание ГЭС приводит к затоплению большой площади и нанесению непоправимого ущерба местной фауне. Но даже с учетом этого обстоятельства можно говорить о высокой экологичности ГЭС: они наносят только локальный ущерб, не загрязняя атмосферу Земли. В попытках уменьшить ущерб, наносимый станциями, разрабатываются все более новые методы их работы, постоянно совершенствуется конструкция самих турбин.

Одним из предложенных методов стало «накачивание» аккумуляторов. Вода, прошедшая через турбины не утекает дальше, а накапливается в больших резервуарах. Когда нагрузка на ГЭС становится минимальной, за счет энергии атомной или тепловой станции сохраненная вода перекачивается обратно вверх и все повторяется. Этот метод выигрывает как по экологическим, так и по экономическим показателям.
Еще одну интересную область использования водной энергии придумали эксперты Комиссии по атомной энергетике в Гренобле, Франция. Они предлагают использовать энергию падающего дождя. Каждая падающая капля, попадая на пьезокерамический элемент, воздействует на него физически, что приводит к возникновению электрического потенциала. Далее электрический заряд видоизменяется (так же как в микрофонах электрический сигнал преобразуется в колебания).

Благодаря многообразию своих форм, вода обладает поистине громадным энергетическим потенциалом. На сегодняшний день гидроэнергетика уже весьма развита и составляет 25% от мирового производства электроэнергии, а, учитывая темпы ее развития можно смело говорить, что она является весьма перспективным направлением.

Атомная энергия Начало формы

В конце 20 века проблема поиска альтернативных источников энергии стала весьма актуальной. Несмотря на то, что наша планета поистине богата природными ископаемыми, такими как нефть, уголь, древесина и т.д., все эти богатства исчерпаемые. Поэтому приходится искать все более новые и совершенные источники энергии.

На протяжении долгого времени человечество находило те или иные варианты решения вопроса альтернативных источников энергии, но настоящим прорывом в истории энергетики стало появление ядерной энергии.

Ядерная теория прошла долгий путь развития, прежде чем люди научились применять ее в своих целях. Все началось еще в 1896 году, когда А.Беккерель зарегистрировал невидимые лучи, которые испускала урановая руда, и которые обладали большой проникающей способностью. В дальнейшем это явление получило название радиоактивности.

История развития ядерной энергии содержит в себе несколько десятков выдающихся фамилий, в том числе и советских физиков. Завершающим этапом развития можно назвать 1939 год - когда Ю.Б.Харитон и Я.Б.Зельдович теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235. Далее развитие ядерной энергетики шло семимильными шагами. По самым приблизительным подсчетам энергию, которая выделяется при расщеплении 1кг урана, можно сравнить с энергией, которая получается при сжигании 2500000кг каменного угля.

В период Второй мировой войны все исследования были перенаправлены в военную область. Первым примером ядерной энергии, который человек смог продемонстрировать всему миру, стала атомная бомба, потом водородная.

Лишь спустя годы научное сообщество обратило свое внимание на более мирные области, где применение ядерной энергии могло бы стать действительно полезным. Так начался рассвет самой молодой области энергетики. Стали появляться атомные электростанции (АЭС), причем первая в мире АЭС была построена в городе Обнинске Калужской области.

На сегодняшний день насчитывается несколько сотен атомных электростанций по всему миру. Развитие ядерной энергетики происходило невероятно стремительно. Меньше чем за 100 лет она смогла достигнуть сверхвысокого уровня технологического развития. То количество энергии, которое выделяется при делении ядер урана или плутония, несравнимо велико - это сделало возможным создание крупных атомных электростанций промышленного типа.

Эту энергию получают в результате цепной реакции деления ядер некоторых радиоактивных элементов. Обычно используется уран-235 или плутоний. Деление ядра начинается, когда в него попадает нейтрон - элементарная частица, не имеющая заряда, но обладающая сравнительно большой массой (на 0,14 % больше, чем масса протона). В результате образуются осколки деления и новые нейтроны, обладающие высокой кинетической энергией, которая в свою очередь активно преобразуется в тепло.
Данный вид энергии производят не только на АЭС. Он так же используется на атомных подводных лодках и атомных ледоколах.
Для нормального функционирования АЭС необходимо топливо. Как правило, это уран. Этот элемент имеет широкое распространение в природе, но при этом труднодоступен. В природе не существует залежей урана (как например нефти), он как бы «размазан» по всей земной коре. Самые богатые урановые руды, которые встречаются очень редко, содержат до 10% чистого урана. Уран обычно содержится в урансодержащих минералах в качестве изоморфно замещающего элемента. Но при всем это общее количество урана на планете грандиозно велико. Возможно, в ближайшем будущем новейшие технологии позволят увеличить процент добычи урана.

Столь мощный источник энергии, а значит и силы, не может не вызывать опасений. Постоянно ведутся споры о его надежности и безопасности. Трудно оценить какой ущерб наносит атомная энергетика окружающей среде. Однако если бы завтра на нашей планете закончились все запасы источников традиционной энергии, то ядерная энергетика, пожалуй, стала бы единственной областью, которая реально смогла бы заменить ее. Нельзя отрицать ее преимущества, но и не стоит забывать о возможных последствиях.

Биоэнергия

С понятием биоэнергии связанно немало путаницы.

По определению биоэнергетика - это отрасль альтернативной энергетики, то есть энергетики, которая считается возобновимой. Количество потребляемой энергии всем человечеством в год - просто огромно. Поэтому встает вопрос о том, сможет ли хоть какой-нибудь ресурс восстанавливаться соответственно скорости его потребления.

Биоэнергия - это совокупность целого спектра альтернативных источников энергии. Этот спектр объединяют одним общим понятием биомасса. По сути это результат жизнедеятельности всех живых организмов нашей планеты.

Ежегодно прирост биомассы на планете достигает 130 млрд. тонн сухого вещества. Это соответствует 660 000 ТВтч в год, притом, что мировой общественности требуется всего лишь 15000 ТВтч в год.
Сегодня более 99% автовладельцев используют топливо, производимое из нефти. И с каждым днем количество автомобилей на дорогах растет. Нефтяное топливо едва ли можно считать возобновляемым. Количество нефти с каждым годом неумолимо уменьшается, что приводит к повышению цены на нее. А поскольку экономика многих стран только развивается, то, несмотря на повышение цен, спрос на нефть все равно будет расти. Замкнутый круг, выходом из которого может стать биотопливо.
Долгое время биотопливо считалось неконкурентоспособным, потому что уступало ископаемому топливу и по производимой мощности и по сложности внедрения. Но постоянно развивающиеся технологии помогли решить эти проблемы. Биотопливо бывает разных типов:

• жидким : метанол, этанол, биодизель;
• газообразным: водород, сжиженный нефтяной газ (пропанобутановые фракции);
• твердым : дрова, уголь, солома.

Недавно созданное жидкое биотопливо отличается своей экологичностью и доступностью, но помимо этого имеет и еще одно важное преимущество. Для перехода на жидкое биотопливо не понадобиться существенных изменений в структуре двигателей и оборудования. Само биотопливо представляет собой сырьё, получаемое при переработке, как правило, семян рапса, сои, стеблей сахарного тростника или кукурузы. Развивается еще много направлений получения органического топлива (например, из целлюлозы).

Природный газ, водород и подобное сырье нельзя отнести к возобновляемым источникам, поэтому их можно считать в определенной степени полумерой при переходе на биотопливо. К тому же, немало трудностей связанно с внедрением такой технологии. Например, водородный двигатель мог бы стать очень перспективным представителем своего «семейства», но для нормального функционирования автомобиля было бы необходимо закрепить целую цистерну на крыше авто, что не очень удобно. А в сжатом состоянии водород очень взрывоопасен.

На помощь пришли новейшие изобретения в области нанотехнологий - разрабатывается проект по созданию нанокапсул для хранения водорода и других взрывоопасных газов. Каждая нанокапсула (модифицированная нанотрубка) будет наполняться определенным количеством молекул газа и «закупориваться» фуллереном, что позволит разделить газ на порции, сделав его безопасным.

Гораздо проще обстоит ситуация с биодизельным топливом. Биодизельное топливо - это растительное масло переэтерифицированное метанолом (иногда может использоваться этанол или изопропиловый спирт). Реакция обычно проходит при нормальном давлении и температуре 60 °С. Растительные масла получают из самых различных представителей флоры (более 20 наименований), но лидером остается Рапс. Это маслянистое растение, которое легко выращивается в сельскохозяйственных условиях.
Но на этом преимущества биоэнергетики не заканчиваются. Помимо того, что она отвечает на актуальные вопросы современности о поиске альтернативных источников энергии и ее экологичности, важно отметить и материальный аспект.

Импорт нефти сильно сказывается на бюджете страны, учитывая постоянное повышение цены на нее. А биотопливо наоборот дешевеет с каждым днем. Отсюда можно утверждать, что экономия при переходе на биотопливо может оказаться весьма существенной.

В феврале 2006 года Евросоюзом был принят документ «Стратегия для биотоплива», который описывает рыночный, законодательный и исследовательский потенциал по увеличению использования биотоплива. Пусть сегодня процентная доля биотоплива в мировой топливной энергетике не достигает даже одного процента, с таким количеством преимуществ ситуация должна сильно измениться уже в ближайшее время.

2. Проблемы энергосбережения в России и за рубежом, пути их решения

Поистине эпохальное для России событие по итогам 2009 года это принятие Федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности». За последние несколько лет его проект выдержал не одну редакцию, а бурные дебаты вокруг отдельных положений этого документа приобрели общенациональный масштаб, выплеснувшись за пределы профессионального сообщества и близких к законодательным органам кругов.

Энергорасточительность российских граждан не случайна. В первую очередь она обязана историческим и климатическим факторам. Другим весомым показателем является неразвитость законодательства по сравнению с обширнейшим законодательным опытом развитых стран. В России законотворчество в области энергосбережения только началось, инициативу на комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики 30 сентября 2009 года проявил президент Дмитрий Медведев. А 11 ноября 2009 года Государственная дума приняла уже в третьем чтении федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

По своему действию он охватит всех и каждого, со времен принятия Налогового кодекса Госдума не рассматривала законопроект, столь масштабно затрагивающий быт буквально каждого гражданина и производство каждой компании. С точки зрения государства это крайне важные шаги. Конечная цель мероприятия - экономия топлива.

Энергопотребление в России достигает почти 1млрд тонн условного топлива. По оценке Минэнерго России, при снижении энергоемкости до европейского уровня наше потребление снизилось бы до 650 млн. тонн условного топлива.

Рассмотрим в качестве важнейших энергосберегающих направлений энергосберегающие лампочки и пассивные дома.

Энергосберегающие лампочки

Обычная лампа накаливания, которая повсеместно используется более сотни лет для освещения, хорошо греет и плохо светит. Ее световая отдача (то есть количество излучаемых люменов на единицу потребляемой мощности) крайне невысока. Аргумент в пользу альтернативных ламп, по большому счету, один - они дают столько же света при меньшем потреблении энергии и более длительном сроке службы.

Однако позиции Дмитрия Медведева по идее замены ламп накаливания на энергоэффективные получила весьма неоднозначное отражение в последующих действиях чиновниках.

С 1 января 2011 года запрещаются приобретение для государственных и муниципальных нужд любых ламп накаливания и оборот ламп накаливания от 100 Вт и выше. Далее законопроект декларирует, что с 1 января 2013 года может быть введен запрет для 75-ваттных лампочек, а с 1 января 2014 года и 25-ваттных. Шедевр «лампы 75 и 25 ватт, может, будут запрещены, а может, нет» не позволяет предприятиям даже в минимальном приближении сформировать свои инвестиционные программы. Нарастить импорт компактных люминесцентных ламп можно в одночасье, а для организации производства нужно как-никак иметь точный план на некоторый, хоть сколько-нибудь приличный срок. Можно с уверенностью прогнозировать, что при таком подходе российскому бизнесу будет крайне сложно инвестировать в новое производство.

Принятый в данной редакции закон приведет к очевидной лихорадке на рынке осветительных приборов, росту импорта дешевых компактных люминесцентных ламп и распространению мнимых фобий, связанных с вредностью и ядовитостью этих ламп.

Принятый закон требует от всех нас тотального перехода на приборный учет производимых, передаваемых и потребляемых энергетических ресурсов. Поскольку прежде чем, что-то сэкономить, надо знать, сколько ты потребил.

Два года отводится населению на тотальное оснащение счетчиками своей собственности - квартир, офисов, складов, заводских помещений. Оплата установки и замены счетчика возлагается на потребителей. Закон «Об энергосбережении» прямо затронет карман граждан. Помимо лампочек придется потратиться как минимум на счетчики энергии, газа, воды и тепла.

Учет электрической энергии, природного газа, тепла и воды технически и экономически решаемая проблема, имеющая наработанные стандартные решения. Однако парадоксальным образом существующая нормативная база сейчас препятствует населению переходить на учет ресурсов по счетчику. Особенно ярко это проявляется в учете воды. Устанавливая счетчик сейчас, гражданин вместо экономии затрат может получить возросшие расходы. До момента, когда все до единого жителя дома сделают то же самое, установивший счетчик будет умножать показания своего прибора на коэффициент, зависящий от числа прописанных в доме, потерь воды, расхода на общедомовые нужды, установленных нормативов потребления воды для жителей, не имеющих счетчиков, а также с учетом фактического потребления.

Чтобы избавиться от этой дикости, когда расходы во многом зависят не от потребления, а от числа прописанных в доме соседей и частоты их водных процедур, мало принять закон об энергосбережении и энергоэффективности. Потребуется тщательно и детально переписать постановление правительства РФ от 23 мая 2006 года №307 «О порядке предоставления коммунальных услуг гражданам».

Следующим шагом по снижению потребления тепла, воды и электрической энергии является перечень мероприятий, которые граждане должны провести сами. Пока списка в природе не существует. Сам перечень и принципы его внедрения установит правительство РФ. Утверждать же его будут региональные власти. Каждые пять лет требования к энергетической эффективности зданий, а, следовательно, и к серьезности проводимых мероприятий будут ужесточаться.

Данные мероприятия будут включать не только замену лампочек. Наверно, будет что-то по замене советских окон на современные стеклопакеты. По большому счету, это все, что доступно отдельно взятому гражданину в отдельно взятой квартире или офисе. Возможны мероприятия, связанные с утеплением и энергосбережением всего дома. В идеальном варианте грамотная управляющая компания сможет заключить энергосервисный договор, который позволит жильцам оплатить утепление фасада в рассрочку, за счет экономии от снижения потребления тепла. Вместо типовых технических решений и финансово-правовых механизмов улучшения действующего жилого фонда закон надеется на живое творчество масс и жэков.

К сожалению, законопроект практически не замечает и принципиальной разницы между новым строительством и уже построенными зданиями. В области нового строительства вполне может сработать «лампочкин» метод запрета, например, на холодный бетон и поощрения теплого пористого кирпича. Среди пяти главных принципов создания теплого и светлого дома числятся в основном те, что используются строителями с древнейших времен: хорошая теплоизоляция стен, крыши и фундамента, правильная ориентация окон по сторонам света и снижение теплопотерь через окна.

Работающий, эффективный закон об энергосбережении должен состоять из множества конструкций, которые вызовут интерес повышать энергоэффективность у сотни и тысячи рыночных субъектов. В российском законопроекте есть лишь их зачатки. Перечислим имеющиеся в законе стимулирующие меры.

Предприятие теперь сможет получить инвестиционный налоговый кредит (отсрочку уплаты налога на прибыль или регионального налога на период от одного года до пяти лет), если повысит энергетическую эффективность производства товаров, выполнения работ, оказания услуг.

В отношении объектов генерации представлены более строгие критерии. Создание объекта электрической или тепловой генерации с КПД более 57% или использующего возобновляемые источники энергии дает основание на налоговый кредит до 30% стоимости приобретаемого оборудования. В этот пока еще короткий перечень правительство России обязано внести другие объекты и технологии, имеющие высокую энергетическую эффективность.

Наше отставание в энергоэффективности означает, что мы должны, не теряя времени на поиск пути, использовать опыт других стран. В поддержку плана действий «группы восьми», куда входит и Россия, и по поручению лидеров стран «восьмерки» Международное энергетическое агентство (МЭА) подготовила специальный 586-страничный доклад «Перспективы энергетических технологий: сценарии и стратегии развития до 2050 года». МЭА уверено, что первостепенное значение для решения задач безопасной и экологически чистой энергетики, изменения климата и устойчивого развития имеет энергоэффективность. В своем докладе агентство привело множество требуемых для этого технологий, уже разработанных или близких к коммерциализации. Так, новые строения могут быть на 70% более эффективными по экономии энергии, новые системы освещения - на 30-60% более экономичными, тепловые потери через современные окна - в три раза меньше (все это в сравнении с типичными западными технологиями, а не типичными российскими).

Не утруждая себя более полной интеграцией, освоением международного опыта и более детальной проработкой соответствующих механизмов в российском законодательном поле, авторы законопроекта, видимо, понадеялись на действенность штрафов. Теперь за энергорасточительность уполномоченный орган сможет в массовом порядке налагать штрафы на граждан и организации.

По подсчетам некоторых аналитиков, 40% потребляемой в России энергии можно "высвободить" за счет простой экономии. Данный факт означает, что в нашей стране ежегодно тратится впустую, почти половина всей производимой энергии, и не зря нам присваивают статус, одной из самых энергорасточительных стран в мире. Количество впустую сожженной и потерянной энергии сравнимо с объемом всей экспортируемой из России нефти и нефтепродуктов. Каждый день, мы забываем или ленимся гасить свои осветительные приборы, а в масштабах всей страны это уже миллионы, если не миллиарды ламп.

Тем не менее, популярность использования энергосберегающих ламп в нашей стране набирает обороты, спрос на данный товар растет с каждым днем. Интерес к энергосберегающим светилам, вызван не только мировыми тенденциями к энергосбережению, но, и как показывает практика, это и в самом деле, очень практичное решение для освещения жилья.

Чем же отличаются энергосберегающие лампы, от традиционных ламп накаливания и является ли экономия электроэнергии единственной отличной характеристикой? Давайте попробуем разобраться в этих вопросах. Для начала рассмотрим, как устроена энергосберегающая лампа.

Энергосберегающая лампа состоит из 3 основных компонентов: цоколя, электронного блока, люминесцентной лампы.

Цоколь - предназначен для подключения лампы к осветительным прибором.

Электронный блок - (ЭПРА: электронный пускорегулирующий аппарат) обеспечивает запуск и дальнейшее поддержание процесса свечения люминесцентной лампы. Также Электронный блок преобразует поступающее напряжение 220В в напряжение, необходимое для работы люминесцентной лампы.

Люминесцентная лампа - собственно сама светящаяся часть лампы, наполнена инертным газом (аргоном) и парами ртути. Внутренние стенки лампы покрыты люминофорным покрытием.

Теперь ознакомимся с характеристиками энергосберегающих ламп.
Энергосберегающие лампы еще называют - Компактные Люминесцентные Лампы или сокращенно - КЛЛ.

Принцип работы у них аналогичен люминесцентным лампам: трубка в форме спирали или система дуговых трубок, наполненная инертным газом (аргоном или ксеноном) и парами ртути. Внутренние стенки лампы покрыты люминофором. Под действием высокого напряжения в лампе происходит движение электронов, они сталкиваются с атомами ртути, при этом образуется ультрафиолетовое излучение, которое, проходя сквозь люминофор, создает видимое нашему глазу свечение.

Исполнение ламп бывает различным, обычно их производят в виде трубок скрученных в спираль, но также компактные образцы, представлены в традиционных формах груши, свечи, шара или цилиндра. В последних образцах уже отсутствует электронный блок (ЭПРА), вернее он есть, просто инженеры умудрились всунуть его в цоколь.

Световой поток и мощность

Мощность указывается в ваттах, зачастую указан и эквивалент по мощности обычной лампочки, выдающей равное с энергосберегающей количества света. Например, если на энергосберегающей лампе написано 8W, то светить она будет как 40W лампочка накаливания. Ниже приведены среднестатистические значения мощности и соответствующего светового потока:
. 5W (25W) - 250 Lm;

• 8W (40W) - 400 Lm;
• 12W (60W) - 630 Lm;
• 15W (75W) - 900 Lm;
• 20W (100W) - 1200 Lm;
• 24W (120W) - 1500 Lm;
• 30W - 150W - 1900 Lm;

Температура света

Данный параметр будет не совсем правильно применять к люминесцентным лампам, так как он берётся из температуры нагретой нити в лампе накаливания, при этом температура измеряется в кельвинах (К). Температура нити накала традиционной лампочки равна 2700 К или 2427 С, при этом лампочка светит жёлтым светом.
Производители люминесцентных ламп придерживаются таких температурных диапазонов:

• 2700 К - тёплый белый, соответствует свету от обычной лампочки накаливания;
• 3300-3500 К - белый, не распространенный тип КЛЛ.
• 4000-4200 К - холодный белый, лампа светит с слабым голубым оттенком. Мощность таких ламп рекомендуется выбирать больше, так как с такой температурой света маломощная лампа светит тускло.
• 6000-6500К - дневной. Свечение ламп соответствует люминесцентным трубкам большой мощности.

Срок службы

Некоторые производители весьма не дешевых энергосберегающих ламп дают гарантии, на 12000-15000 часов работы их продукции. Лампы средней ценовой категории работают до 6000-10000 часов. Самый бюджетный вариант имеет срок службы 3000-4000 часов, что порой не соответствует действительности.

Коэффициент цветопередачи

Немаловажный коэффициент, чем он выше - тем лучше. Минимальное необходимое значение R=82. Если коэффициент ниже, чем 82, то создаётся эффект затуманенности, тени от такого света получаются не чёткие, оттенки предметов белого цвета - резкие с зелёноватыми или синими бликами. Глядя на лампочку с низким R, ловишь «зайчиков» в глазах, как от взгляда на сварку или на солнце.

Недостатки
К недостаткам можно отнести экологическую частоту, мы все прекрасно знаем что пары ртути - это яд, поэтому разбивать энергосберегающие лампы крайне не рекомендуется. Также нужно отметить, что бракованные компактные люминесцентные лампы - не редкость. Как правило, брак часто встречается в бюджетной категории товаров из-за не совершенства технологии производства, и большой процент дешёвых ламп умирает или начинает гореть тускло после первых 1000 часов работы.
Рекомендации
Для продления жизни энергосберегающих ламп, существуют определённые рекомендации по использованию, которые помогут продлить срок их службы. Как и для обычных ламп накаливания, на сроке жизни энергосберегающих сказываются частые включения и выключения, рекомендуется выключать лампочку не менее, чем после 5-10 минут работы.
Нельзя использовать энергосберегающие лампы с устройствами плавного старта или защитными блоками от скачков напряжения, которые используют с обычными лампами накаливания.

Также рекомендуется использовать энергосберегающие лампы с интегрированной системой плавного старта, так как такой вид включения продлит срок службы, на несколько тысяч часов. Первых пару минут лампа будет разогреваться, гореть не на полную мощность.
Экономия
Несмотря на изначально высокую цену, КЛЛ становиться более экономным и практичным решением. Произведем небольшой расчет перехода с обычных ламп накаливания на энергосберегающие:
Средний срок службы лампы накаливания около 1000 часов, аналогичной энергосберегающей - 6000 часов. Стоимость лампы накаливания - 15 рублей, энергосберегающей лампы - 120 рублей. Мощности ламп - 100 W и 20 W соответственно. Стоимость электроэнергии возьмём 2 рубля за 1 кВ/ч. За 6000 часов работы вам нужно 6 обычных ламп по 15 рублей, что равно 90 руб. За 6000 часов работы 6 лампочек по 100W сожгут 600 кВ/ч. энергии по 2 рубля, а это равно 1200 рублей. Итого получаем 90+1200=1290 рублей.

Энергосберегающая лампа стоит 120 руб. мощность составляет 20W, получается, что за 6000 часов работы она израсходует 120 кВ/ч на 240 рублей. Итого получаем 120+240=360 рублей.

Затраты получаются в 3,5 раза ниже. На практике этот показатель может быть как больше, так и меньше. А выводы делайте сами.

Пассивные дома

В Европе одним из основных трендов в развитии жилищного строительства становится создание пассивных домов. Основные их преимущества - минимальные затраты на отопление и здоровый микроклимат.

Пассивные дома - это достаточно новый стандарт для жилых строений. Благодаря утеплению и герметизации оболочки здания, затраты на отопление в нем ничтожно малы и нет нужды в привычных системах отопления. Тема пассивных домов так популярна сегодня в Германии и Австрии, что можно говорить о начале тихой домостроительной революции. За десятилетие там построено более 16 тыс. таких домов, причем в последние три-четыре года объемы растут экспоненциально. Требования к эффективности зданий в Германии постоянно ужесточаются, все чаще можно услышать, что через несколько лет пассивные дома могут стать обязательным общегерманским стандартом. Другие дома строить не будут вовсе.

В основе концепции пассивного дома очень простой эффект - автономное пространство, откуда не выходит тепло, можно отопить всего одной свечой. По аналогии: для дома-термоса, не имеющего тепловых потерь, даже в морозы будет достаточно тепла человека (в сутки человеческое тело выделяет 100 кВт тепловой энергии), солнечной энергии и энергии, выделяемой электроприборами.

В середине 1980-х годов германский инженер-физик Вольфанг Файст сделал математические расчеты дома-термоса, который не надо было бы обогревать. Главный результат расчетов в том, что такой пассивный дом оказался не математическим феноменом, а вполне реальной вещью. В частности, для эффективного утепления здания не нужны толстые кирпичные стены - достаточно слоя утеплителя менее полуметра.

Для проверки расчетов Файста в 1991 году в Дармштадте был построен первый пассивный дом. Детальное изучение подтвердило: здание действительно практически не потребляет тепла. Экспериментальный дом оказался всего на 25% дороже обычного здания, что вполне приемлемо для первого образца. В середине 1980-х независимо от Файста подобные расчеты сделал и российский физик Юрий Лапин. Однако отечественное градостроительное начальство посчитало, что такого не может быть в принципе, и идею даже проверять не стали.

Уже в первом пассивном здании доктора Файста были сформулированы пять основных принципов пассивного дома. Принцип первый - хорошая теплоизоляция всех частей здания. Для утепления стен, кровли и фундамента в климате центральной части Германии достаточно высокоэффективных утеплителей толщиной 30-40 сантиметров, что по тепловым свойствам эквивалентно кирпичной кладке толщиной шесть-восемь метров.

Второй - использование трех камерных стеклопакетов с низким показателем теплопередачи. Третий - особое внимание уделяется тонкой работе с так называемыми мостиками холода (стыки элементов, металлические части, углы здания), через которые тепло активно уходит. Например, металлические детали заменяются пластиковыми. Четвертый - проводится герметизация здания, и оно действительно становится термосом, не выпускающим воздух.

Правда, тут возникает проблема: люди дышат, а значит, необходима постоянная подача свежего воздуха. В советской практике предполагалось, что вентиляция помещений происходит естественно - через форточки и щели в окнах-дверях. Понятно, что для герметичного пассивного дома такой подход неприемлем, так как зимой здание будет терять тепло. Выход был найден в системе искусственной вентиляции с рекуператорами-теплообменниками. Это и есть пятый принцип возведения пассивного дома.

Свежий воздух подается в постройку по трубе, проходит через теплообменник, где забирает часть тепла у выходящего воздуха, имеющего комнатную температуру. В пассивных домах уровень рекуперации достигает 75%, а значит, выходящий воздух передает значительную часть энергии входящему. Зимой входящий воздух, если это необходимо, дополнительно подогревается. То есть система отопления в зданиях все-таки есть, но она воздушная и потребляющая мало энергии.

Результат: необходимость в отоплении пространства резко снижается. Критерием пассивного дома является потребление тепловой энергии - 15 кВт на один квадратный метр в год. Это в десять раз меньше, чем у рядовых германских зданий 1950-1980-х годов постройки и в 10-15 раз меньше, чем у советских домов, возведенных в 1970-х. Наконец, пассивные европейские дома потребляют в пять-семь раз меньше тепловой энергии, чем современные российские здания. Можно посчитать и по-другому: для отопления 30-метровой комнаты пассивного дома достаточно энергии 30 свечей.

В первом пассивном доме был еще один элемент, от которого впоследствии отказались. В нем попытались использовать энергию земли. Воздухозаборник ставился на некотором расстоянии от здания, и свежий воздух сначала шел по подземной трубе. Проходя под землей, где даже в сильные морозы температура остается плюсовой, воздух прогревался. Система работала, но после расчетов и экспериментов от данного элемента решили отказаться - слишком дорого.

Отказ этот весьма показателен. Суть пассивного дома в его экономичности. Немцы постоянно проверяли идеи на практике, различные способы экономии и производства энергии сравнивались по их цене за 1 кВт - в результате были приняты те принципы технологии «пассивный дом», которые дают максимальный финансовый эффект. Так, расчеты Института пассивных домов показали, что эффективнее вкладывать деньги в экономию энергии, чем в ее производство, что в Германии при строительстве дома с нуля выгоднее инвестировать средства в системы пассивного дома, чем, к примеру, в установку солнечных батарей.

Именно соображения экономии заставили немцев остановиться на базовом показателе затрат на отопление в 15 кВт на один метр в год. В принципе этот показатель можно снизить, но расчеты Института пассивных домов продемонстрировали, что именно при 15 кВт чисто математически достигается экстремум по показателю «эффект/затраты». Если пытаться снизить до нуля затраты на тепло, резко возрастают затраты на строительство и сложность системы.

Сегодня в мире строится немало экодомов, в том числе и довольно экзотических. В них применяются необычные материалы, солнечные батареи, ветряки и так далее. Есть стандарт домов так называемого нулевого потребления, когда здания полностью автономны, обеспечивают себя энергией. На фоне красивых картинок и ярких концептов пассивные дома могут показаться суховатыми. Но простота пассивных домов продуманная: из системы недрогнувшей рукой вычеркнуты все недостаточно практичные элементы. При этом система открытая, хозяин, естественно, может добавить в свой дом любой дополнительный элемент.

И именно этой эффективностью вызван успех пассивных домов на рынке. Если еще десять лет назад в год строились десятки таких зданий, то в последние три-пять лет, ежегодно возводятся уже тысячи домов. Львиная доля пассивных домов строится в Германии и Австрии. В Вене уже 20% новостроек возводится именно так. Начато строительство огромного муниципального района на 200 тыс. жилых «пассивных» единиц. В последние годы все больше пассивных домов появляется в Дании и Франции, созданы прототипы в Испании, Турции.

Для энергоэффективных домов разрабатываются специальные материалы: например, стекла с переменной управляемой прозрачностью и черепицу с фотоэлементами. Ведутся исследовательские проекты по адаптации системы "пассивный дом" для стран с различным климатом.

По пассивному дому можно безошибочно определять стороны света. На юг выходят большие панорамные окна. Окна на север намного меньше. Впрочем, использовать дом как компас можно только с учетом климата страны. Большие окна на юг отражают положение в Германии, где хочется зацепить больше солнечной энергии. Энергоэффективные дома в Южной Европе, наоборот, будут ориентироваться окнами на север, чтобы защититься от лишнего тепла.

Окна - это всегда предмет компромисса. С одной стороны, через них в комнаты попадает свет и солнечная энергия, а с другой - в них велики теплопотери, которые можно радикально снизить, только вставив очень дорогие стеклопакеты. В каждом случае размер окон и их параметры по тепло- и светопередаче рассчитывают архитекторы исходя из бюджета стройки.

В целом по архитектуре пассивные дома практически не отличаются от обычных, все интересное внутри. В таком доме имеется отдельная комната для инженерного оборудования, обычно в подвале. Множество труб с воздухом и водой запаковано либо в резиновые кожухи, либо в изоляцию с фольгой - немцы решительно борются с теплопотерями. В угол ставится рекуператор размером чуть больше холодильника. В трубу с входящим воздухом монтируются места для нескольких фильтров - как в автомобиле. Фильтры периодически меняются, что гарантирует чистый воздух в доме.

В каждом пассивном доме на стене висит небольшая коробочка - пульт управления климатом. Чаще всего там два регулятора: первый задает температуру, второй регулирует скорость подачи чистого воздуха. Так что на коробочке несколько положений типа «один дома» (не менее 300л воздуха в час), «вдвоем», «вечеринка».

По себестоимости пассивный дом несколько дороже обычного. В таком доме нет котла и системы отопления - это удешевляющий момент; зато есть расходы на дополнительное утепление, герметизацию, рекуперацию и так далее. Однако, 20 лет развития технологии не прошли даром: стоимость пассивного дома резко снизилась. Если первый пассивный дом доктора Файста был дороже обычного здания на 25%, то сегодня превышение - всего 5-10%. Впрочем, ожидать дальнейшего радикального снижения себестоимости вряд ли стоит. Немецкие архитекторы пассивных домов бьются за доли процента, экономя на длине труб или разыгрывая правильную ориентацию здания по сторонам света.

Дополнительные вложения в систему «пассивный дом» окупаются в среднем через семь-десять лет за счет пониженных платежей за тепло.

Выводы. Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы постепенно приводят к глобальным изменениям климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к использованию нетрадиционных, альтернативных источников энергии. Они экологичны и возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли, воды и воздуха.

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальней-шем развитии цивилизации. Сегодня активно проводятся исследования всех возможных восстанавливаемых источников энергии. В некоторых случаях результаты даже выглядят весьма оптимистично и позволяют надеяться на определенные

Изменения.

Энергия - не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.
Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных видов природного топлива (нефти, угля, газа и др.) исчерпаемы. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория.

Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Список литературы

1. Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Бернер М., Рябов Е. Замени лампочку - помоги Родине // Эксперт, 21-31 декабря 2009. - №49-50.
3. Информация об энергосбережении и повышении энергетической эффективности: проблемы, пути решения, передовой опыт // Энергосбережение и водоподготовка, 2010. - №1(63).
4. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: в вопросах и ответах. - М.: Знание, 1990.
5. Нетрадиционные источники энергии. - М.: Знание, 1982.
6. Щукин А. Энергия свечей, человека и земли // Эксперт, 5-11 октября 2009. - №38.
7. Энергетические ресурсы мира. Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. - М.: Энергоатомиздат, 1995.
8. http://www.energy-source.ru/
9. http://www.energija.ru/
10. http://solar-battery.narod.ru/
11. http://dom-en.ru/

Ни для кого не секрет, что используемые сегодня человечеством ресурсы конечны, более того, их дальнейшая добыча и использование может привести не только к энергетической, но и к экологической катастрофе. Традиционно используемые человечеством ресурсы — уголь, газ и нефть — закончатся уже спустя несколько десятилетий, и меры нужно принимать уже сейчас, в наше время. Конечно, можно надеяться, что мы вновь найдем какое-либо богатое месторождение, так же как было в первой половине прошлого века, однако ученые уверены, что таких крупных залежей уже нет. Но в любом случае даже открытие новых месторождений только отсрочит неизбежное, необходимо найти способы производства альтернативной энергии, и переходить на возобновляемые ресурсы, такие как ветер, солнце, геотермальная энергия, энергия водных потоков и другие, а наряду с этим нужно продолжать разработки энергосберегающих технологий.

В этой статье мы рассмотрим несколько самых перспективных, на взгляд современных ученых, идей, на которых будет строиться энергетика будущего.

Солнечные станции

Люди издавна задумывались над тем, возможно ли Под солнечными лучами нагревали воду, сушили одежду и глиняную посуду перед ее отправкой в печь, однако эти способы нельзя назвать эффективными. Первые технические средства, преобразующие солнечную энергию, появились еще в 18 веке. Французский ученый Ж. Бюффон показал опыт, в котором ему удалось с помощью большого вогнутого зеркала в ясную погоду воспламенить сухое дерево с расстояния около 70 метров. Его соотечественник, известный ученый А. Лавуазье, применял линзы, чтобы концентрировать энергию солнца, а в Англии создали двояковыпуклое стекло, которое, фокусируя солнечные лучи, расплавляло чугун всего за несколько минут.

Естествоиспытатели проводили множество опытов, которые доказывали, что солнца на земле возможно. Однако солнечная батарея, которая превращала бы солнечную энергию в механическую, появилась сравнительно недавно, в 1953 году. Ее создали ученые из Национального аэрокосмического агентства США. Уже в 1959 году солнечную батарею впервые применили для оснащения космического спутника.

Возможно уже тогда, осознав, что в космосе такие батареи гораздо эффективнее, ученым пришла идея о создании космических солнечных станций, ведь за час солнце вырабатывать столько энергии, сколько все человечество не потребляет и за год, так почему же не использовать это? Какой будет солнечная энергетика будущего?

С одной стороны кажется, что использование солнечной энергии идеальный вариант. Однако себестоимость огромной космической солнечной станции очень высока, да и к тому же она будет дорога в эксплуатации. Со временем, когда будут введены новые технологии по доставке грузов в космос, а также новые материалы, реализация подобного проекта станет возможной, но пока мы можем пользоваться только относительно небольшими батареями на поверхности планеты. Многие скажут, что это тоже неплохо. Да, возможно в условиях частного дома, но для энергообеспечения больших городов, соответственно, необходимо либо множество солнечных батарей, либо технология, которая сделает их эффективнее.

Экономическая сторона вопроса здесь тоже присутствует: любой бюджет сильно пострадает, если на него будет возложена задача перевести целый город (или всю страну) на солнечные батареи. Казалось бы, можно обязать жителей городов выплачивать некоторые суммы на переоснащение, но в таком случае недовольны будут они, ведь если бы люди готовы были бы пойти на такие траты, они уже давно сделали бы это сами: возможность купить солнечную батарею есть у каждого.

Касательно солнечной энергии есть и еще один парадокс: затраты на производство. Перевод энергии солнца в электричество напрямую — не самая эффективная вещь. До сих пор еще не найдено способа лучше, чем использовать солнечные лучи для нагревания воды, которая, превращаясь в пар, в свою очередь вращает динамо-машину. В таком случае энергопотеря минимальна. Человечество хочет использовать "экологичные" солнечные панели и солнечные станции, чтобы сохранить ресурсы на земле, однако для подобного проекта потребуется огромное количество тех же ресурсов, и "неэкологичной" энергии. Например, во Франции недавно была построена солнечная электростанция, площадью около двух квадратных километров. Стоимость постройки составила около 110 миллионов евро, не считая затрат на эксплуатацию. При всем этом следует учитывать, что срок службы подобных механизмов составляет около 25 лет.

Ветер

Энергия ветра — также использовалась людьми еще с древности, самым простым примером можно назвать хождение под парусом и ветряные мельницы. Ветряки используются и сейчас, особенно они эффективны в областях с постоянными ветрами, например на побережье. Ученые постоянно выдвигают идеи, как модернизировать уже имеющиеся приспособления для преобразования ветряной энергии, одна из них - ветряки в виде парящих турбин. За счет постоянного вращения они могли бы "висеть" в воздухе на расстоянии нескольких сотен метров от земли, где ветер сильный и постоянный. Это помогло бы в электрификации сельской местности, где невозможно использование стандартных ветряков. К тому же такие парящие турбины могли бы быть оснащены интернет-модулями, с помощью которых осуществлялось бы обеспечение людей доступом в мировую паутину.

Приливы и волны

Бум на солнечную и ветряную энергетику постепенно проходит, и интерес исследователей привлекла другая природная энергия. Более перспективной считается использование приливов и отливов. Уже сейчас этим вопросом занимается около ста компаний по всему миру, существует и несколько проектов, доказавших эффективность данного способа добычи электричества. Преимущество перед солнечной энергетикой в том, что потери при переводе одной энергии в другую минимальны: приливная волна вращает огромную турбину, которая и вырабатывает электричество.

Проект "Устрица" — это идея установить на дне океана шарнирный клапан, который будет подавать воду на берег, тем самым вращая простую гидроэлектрическую турбину. Всего одна такая установка могла бы обеспечить электричеством небольшой микрорайон.

Уже сейчас в Австралии успешно применяют приливные волны: в городе Перте установлены опреснители, работающие на этом типе энергии. Их работа позволяет обеспечить пресной водой около полумиллиона человек. Природная энергетика и промышленность также могут сочетаться в этой отрасли производства энергии.

Использование несколько отличается от технологий, которые мы привыкли видеть в речных гидроэлектростанциях. Часто ГЭС наносят вред окружающей среде: затопляются прилегающие территории, разрушается экосистема, а вот станции, работающие на приливных волнах, в этом плане гораздо безопаснее.

Энергия человека

Одним из самых фантастических проектов в нашем списке можно назвать использование энергии живых людей. Звучит ошеломляюще и даже несколько ужасающе, но не все так страшно. Ученые лелеют мысль о том, как использовать механическую энергию движения. Речь в этих проектах идет о микроэлектронике и нанотехнологиях с низким энергопотреблением. Пока звучит как утопия, реальных разработок нет, но идея весьма интересная и не покидает умы ученых. Согласитесь, весьма удобны будут устройства, которые подобно часам с автоматической подзаводкой, будут заряжаться от того, что по сенсору проводят пальцем, или от того, что планшет или телефон просто болтается в сумке при ходьбе. Не говоря уж об одежде, которая, наполненная разными микроустройствами, могла бы преобразовывать в электричество энергию движения человека.

В Беркли, в лаборатории Лоуренса, например, ученые попытались воплотить в жизнь идею о том, чтобы использовать вирусы для давления в электричество. Небольшие механизмы, работающие от движения, так же имеются, однако пока что на поток подобная технология не поставлена. Да, с глобальным энергетическим кризисом подобным образом не справиться: скольким же людям придется "крутить педали", чтобы заставить работать целый завод? Но как одна из мер, применяемых в комплексе, теория вполне жизнеспособна.

Особенно подобные технологии будут эффективны в труднодоступных местах, на полярных станциях, в горах и тайге, среди путешественников и туристов, у которых не всегда есть возможность зарядить свой гаджет, а вот оставаться на связи важно, особенно если группа попала в критическую ситуацию. Как много всего можно было бы предотвратить, если бы у людей всегда было надежное устройство связи, не зависящее "от розетки".

Топливные ячейки водорода

Пожалуй, у каждого владельца авто, глядящего на индикатор количества бензина, приближающийся к нулю, возникала мысль о том, как отлично было бы, если бы машина работала на воде. Но сейчас ее атомы попали в поле зрения ученых как настоящие объекты энергетики. Дело в том, что в частицах водорода — самого распространенного газа во вселенной — содержится громадное количество энергии. Более того, двигатель сжигает этот газ практически без побочных продуктов, то есть, мы получаем очень экологичное топливо.

Водородом заправляют некоторые модули МКС и шатлы, но на Земле он существует в основном в виде соединений, таких как вода. В восьмидесятых годах в России были разработки самолетов, использующих в качестве топлива водород, эти технологии даже применяли на практике, и экспериментальные модели доказали свою эффективность. Когда водород отделяется, он перемещается в специальную топливную ячейку, после чего возможна генерация электричества напрямую. Это не энергетика будущего, это уже реальность. Подобные автомобили уже производятся и довольно большими партиями. Компания Honda, дабы подчеркнуть универсальность источника энергии и авто в целом, провела эксперимент в результате которого машина была подключена к электрической домашней сети, однако не для того, чтобы получить подзарядку. Автомобиль может обеспечивать энергией частный дом в течение нескольких дней, или проехать без дозаправки почти пятьсот километров.

Единственный недостаток подобного источника энергии на данный момент — это относительно высокая стоимость таких экологичных машин, и, конечно, достаточно небольшое количество водородных заправок, однако во многих странах уже планируется их постройка. Например, в Германии уже стоит план об установке ста заправочных станций к 2017 году.

Тепло земли

Превращение тепловой энергии в электричество — это и есть сущность геотермальной энергетики. В некоторых странах, где затруднено использование других отраслей, она используется довольно широко. Например, на Филлипинах 27 % всего электричества приходится именно на геотермальные станции, а в Исландии этот показатель составляет около 30 %. Сущность этого способа добычи энергии довольно проста, механизм схож с простой паровой машиной. До предполагаемого "озера" магмы необходимо пробурить скважину, через которую подается вода. При контакте с раскаленной магмой вода мгновенно превращается в пар. Он поднимается, где крутит механическую турбину, тем самым вырабатывая электричество.

Будущее геотермальной энергетики состоит в том, чтобы найти большие "хранилища" магмы. Например, в вышеупомянутой Исландии это удалось: раскаленная магма за долю секунды превратила всю закачанную воду в пар температурой около 450 градусов по Цельсию, что является абсолютным рекордом. Подобный пар высокого давления способен повысить эффективность геотермальной станции в несколько раз, это может стать толчком к развитию геотермальной энергетики во всем мире, особенно в областях, насыщенных вулканами и термальными источниками.

Использование ядерных отходов

Атомная энергетика, в свое время, произвела настоящий фурор. Так было до тех пор, пока люди не осознали всю опасность этой отрасли энергетики. Аварии возможны, от подобных случаев никто не застрахован, но они весьма редки, а вот радиоактивные отходы появляются стабильно и до недавнего времени ученые не могли решить эту проблему. Дело в том, что стержни урана — традиционное "топливо" АЭС, может быть использовано только на 5 %. После выработки этой небольшой части, весь стержень отправляется на "свалку".

Ранее применялась технология, при которой стержни погружались в воду, которая замедляет нейтроны, поддерживая устойчивую реакцию. Сейчас вместо воды стали использовать жидкий натрий. Эта замена позволяет не только использовать весь объем урана, но и переработать десятки тысяч тонн радиоактивных отходов.

Избавить планету от отходов атомной энергетики важно, но в самой технологии есть одно "но". Уран относится к ресурсам, и его запасы на Земле конечны. В случае если всю планету перевести исключительно на энергию, получаемую от АЭС (к примеру, в США АЭС производят лишь 20% всего потребляемого электричества), запасы урана будут истощены довольно быстро, и это снова приведет человечество на порог энергетического кризиса, так что атомная энергетика, пусть и модернизированная, только временная мера.

Растительное топливо

Еще Генри Форд, создав свою "Модель Т", рассчитывал, что она уже будет работать на биотопливе. Однако в то время были открыты новые нефтяные месторождения, и нужда в альтернативных источниках энергии отпала еще на несколько десятков лет, но теперь снова возвращается.

За последние пятнадцать лет использование растительных видов топлива, таких как этанол и биодизель, возросло в несколько раз. Их используют как самостоятельные источники энергии, так и в качестве добавок к бензину. Некоторое время назад надежды возлагались на особую просяную культуру, получившую название "канола". Она совершенно непригодна в пищу ни для людей, ни для скота, однако обладает высокими показателями масличности. Из этого масла и стали производить "биодизель". Но эта культура займет слишком много места, если попытаться вырастить ее столько, чтобы обеспечить топливом хотя бы часть планеты.

Теперь ученые заговорили об использовании водорослей. Их масличность около 50 %, что позволит так же легко извлекать масло, а отходы можно превращать в удобрения, на основе которых будут выращиваться новые водоросли. Идея считается интересной, но свою жизнеспособность пока что не доказала: публикация об успешных экспериментах в этой области пока не опубликовано.

Термоядерный синтез

Будущая энергетика мира, по мнению современных ученых, невозможна без технологий Это, на данный момент, самая перспективная разработка, в которую уже вкладывают миллиарды долларов.

В используется энергия деления. Она опасна тем, что есть угроза возникновения неуправляемой реакции, которая уничтожит реактор, и приведет к выбросу огромного количества радиоактивных веществ: пожалуй, все помнят аварию на Чернобыльской АЭС.

В реакциях термоядерного синтеза, что следует из названия, используется энергия, выделяемая при слиянии атомов. В результате, в отличие от атомного деления, не образуется никаких радиоактивных отходов.

Главной проблемой является то, что в результате термоядерного синтеза образуется вещество, имеющее настолько высокую температуру, что может уничтожить весь реактор.

Будущего — реальность. И фантазии здесь неуместны, на данный момент на территории Франции уже началась постройка реактора. Несколько миллиардов долларов вложено в экспериментальный проект, который профинансирован многими странами, в число которых, помимо ЕС, входят Китай и Япония, США, Россия и другие. Изначально первые эксперименты планировалось запустить уже в 2016 году, однако расчеты показали, что бюджет слишком мал (вместо 5 миллиардов потребовалось 19), и запуск перенесли еще на 9 лет. Возможно, через несколько лет мы увидим, на что способна термоядерная энергетика.

Проблемы настоящего и возможности будущего

Не только ученые, но и писатели-фантасты, дают множество идей для воплощения технологии будущего в энергетике, однако все сходятся на том, что пока что ни один из предложенных вариантов не может произвести полное обеспечение всех потребностей нашей цивилизации. К примеру, если все автомобили в США будут ездить на биотопливе, полями канолы придется засадить территорию, равную половине всей страны, без учета того, что земель, пригодных для земледелия в Штатах не так уж много. Более того, пока что все способы производства альтернативной энергии - дороги. Пожалуй, каждый из простых городских жителей, согласен, что важно использовать экологически чистые, возобновляемые ресурсы, однако не в случае, когда им озвучивают стоимость такого перехода на данный момент. Ученым предстоит еще много работать в этой сфере. Новые открытия, новые материалы, новые идеи - все это поможет человечеству успешно справиться с назревающим ресурсным кризисом. Решить планеты можно только комплексными мерами. В некоторых областях удобнее применять добычу энергии с помощью ветра, где-то - солнечные батареи, и так далее. Но, возможно, главным фактором станет снижение энергопотребления в целом и создание энергосберегающих технологий. Каждый человек должен понимать, что несет ответственность за планету, и каждый должен задать себе вопрос: "Какую энергетику я выбираю для будущего?" Прежде чем перейти на другие ресурсы, каждый должен осознать, что это действительно необходимо. Только при комплексном подходе удастся решить проблему энергопотребления.

Перспективы использования альтернативных источников энергии

Традиционные источники энергии становятся неактуальными. Множество причин заставляет человечество отказываться от них. Сегодня основное внимание направлено на альтернативные способы, уже применяющиеся на практике и планируемые на будущее. Исследования продолжаются, поэтому наука движется вперёд, не останавливаясь на достигнутых результатах. Сейчас можно оценить некоторые достижения, уже давшие первые результаты, чтобы понять, насколько выгодными станут новые направления через несколько лет.

Альтернативная энергия продолжает распространяться. Причиной являются её явные преимущества перед традиционными источниками, которые сложно опровергнуть. В некоторых странах правительство ведёт сложные государственные программы с колоссальными денежными вложениями для постепенной замены, но пока результаты остаются незначительными.

Какие основные виды можно выделить?

• Энергия молнии;
• Энергия атома.

Бесконечные исследования позволяют сопоставить возможности, предлагаемые природой. Человечество продолжает искать новые направления, которые в будущем наверняка превратятся в идеальную замену традиционных источников. Подробное описание даст общую информацию, а также укажет, какие виды уже нашли применение в повседневной жизни населения планеты.

Энергия солнца используется человеком давно. Первоначальные попытки делались в древние времена, когда посредством направленного луча люди зажигали дерево. Современные способы основываются на использовании больших площадей батарей, собирающих потоки для последующей обработки и накопления в аккумуляторах.

При помощи такой энергии летают все космические станции и спутники. На орбите доступ к звезде открыт, но и на Земле некоторые страны активно пользуются новым источником. Одним из примеров являются целые «поля» батарей, обеспечивающие небольшие городки. Хотя намного интереснее рассмотреть новые небольшие автономные источники, где площадь поверхности не превышает крыши маленького дома. Они устанавливаются в частном порядке по всему миру, чтобы осуществлять отопление без лишних затрат.

Энергия ветра используется человечеством испокон веков. Лучшим примером этого являются парусники, двигающиеся за счёт постоянного воздушного потока. Теперь научные исследования позволили создать специальные генераторы, обеспечивающие электричеством целые города. Причём они работают по двум принципам:

• Автономно;
• Параллельно с основной сетью.

В обоих случаях удаётся постепенно заменять традиционный источник, сокращая пагубное воздействие на окружающую среду. Сейчас можно оценить достигнутые результаты, подтверждающие правильность выбора. Данные подсказывают, что в Дании 25% получаемой энергии приходится именно на ветряные электростанции. Многие страны стараются постепенно перейти на новые источники, но это возможно только на открытых пространствах. Из-за чего в отдельных районах использование лучшего варианта остаётся недоступным.

Энергия воды остаётся незаменимой. Раньше она применялась на простых мельницах и кораблях, а сейчас огромные турбинные ГЭС поставляют электричество в целых регионах. Последние разработки предлагают человечеству познакомиться с фантастическим будущим, которое будет построено на новейших источниках. Какие альтернативы уже используются странами?

• Приливные электростанции;
• Волновые электростанции;
• Микро и мини ГЭС;
• Аэро ГЭС.

Приливные электростанции используют энергию приливов. Их высота и мощь зависит от воздействия Луны, поэтому стабильность подачи остаётся некоторой проблемой. Хотя во Франции, Индии, Великобритании и нескольких других государствах проект воплощён в жизнь и успешно используется в качестве незаменимой поддержки.

Волновые электростанции строятся на берегах океанов, где мощь регулярных ударов о побережье превышают мыслимые пределы. В этом случае ограничением становится недостаточная сила. Она не позволяет получить достаточное количество энергии.

Микро и мини ГЭС подходят для узких горных рек. Их небольшие размеры позволяют свободно найти время, а их мощность подходит для обеспечения маленьких поселений. Опытные модели проверены, поэтому сейчас строятся действующие объекты, обладающие неплохими показателями.

Аэро ГЭС – новейшая технология, которая пока ещё проходит проверку. Она основана на конденсации влаги из атмосферы. Действующие установки пока остаются призрачной мечтой, но есть определённые показатели, подтверждающие целесообразность вложения денежных средств в разработки.

Геотермальная энергия остаётся распространённой. Такой альтернативный источник используется несколькими различными способами. Он остаётся одним из самых интересных для определённых регионов, поэтому отказ от неё не имеет смысла. Единственной проблемой является высокая стоимость установок, что ограничивает их количество. Какие варианты возможны?

• Тепловые электростанции;
• Грунтовые теплообменники.

Энергия молнии

Энергия молнии – новое веяние. Это направление только начинает разрабатываться, но учёные утверждают, что есть возможность использования доступных гигаватт. Они теряются впустую, уходя в грунт. Американская компания приступила к исследованиям, которые ориентированы на создание специальных установок для улавливания гроз.

Энергия молнии – мощный источник, способный обеспечить электроэнергией крупный район мегаполиса. Ориентировочные денежные затраты на строительство должны окупаться в течение 5─7 лет, так что целесообразность подобных вложений остаётся неоспоримой. Остаётся только дождаться окончания исследований для внедрения новой технологии в широкий обиход.

Предисловие

Солнце и ветер как альтернативные источники энергии известны давно, хотя в России они распространены не так широко, как в европейских странах.

Cодержание

Традиционными источниками энергии является органическое топливо, но запасы угля, газа и нефти ограничены. Поэтому приходится искать альтернативные источники энергии – возобновляемые, а потому неиссякаемые. Потратившись на установку лишь единожды, использование альтернативных источников энергии возможно пожизненно – конечно, при условии периодического ухода за установками.

Какие бывают альтернативные источники энергии, и как они используются, вы узнаете на этой странице.

Солнце и ветер как альтернативные источники энергии известны давно, хотя в России они распространены не так широко, как в европейских странах. Однако обойти вниманием этот бесплатный природный ресурс для получения электрической энергии невозможно. Тем более что применение альтернативных источников энергии не только экономически довольно выгодно, но и экологически безопасно.

Ветер является альтернативным источником энергии

Одним из условий, которые позволят использовать энергию ветра в качестве альтернативного источника энергии, является необходимость иметь ветряк - ветроэнергетическую установку. Кроме того, важно иметь дом на территории, где сильные ветры не редкость, хотя и небольших порывов будет достаточно для работы ветряка мощностью 1,5-4 кВт. Такой альтернативный источник энергии для дома вполне обеспечит скромные потребности: свет, просмотр телевизора, подзарядку ноутбука. Для этого достаточно установки мощностью 500-600 Вт.

Данный вид альтернативного источника энергии представляет собой конструкцию, состоящую из следующих элементов:

ветроголовки с тремя лопастями,

генератора,

опорно-поворотного узла,

контроллера,

зарядного устройства,

аккумулятора,

инвертора.

Ветроэнергетическая установка работает так: лопасти, зафиксированные на колесе, приходят во вращение под воздействием ветра; колесо сообщает крутящий момент на вал генератора, который вырабатывает энергию. Между ее количеством и размером колеса есть прямая зависимость: чем больше колесо, тем легче оно захватывает ветер, тем больше энергии вырабатывается. Энергия поступает в зарядное устройство, которое трансформирует ее в постоянный электрический ток, необходимый для зарядки аккумуляторов. Всеми процессами управляет контроллер. Для получения переменного тока, на котором работает вся бытовая техника, имеется инвертор.

Чтобы смонтировать этот альтернативный источник электрической энергии, необходимо подготовить бетонный фундамент, включающий закладной элемент (железобетонное кольцо), залитый раствором. Стальную мачту в вертикальном положении удерживают растяжки.

В настоящее время приобрести ветроэнергетическую установку, причем не только импортного, но и отечественного производства, не проблема. Понятно, что стоимость ее напрямую зависит от мощности, например ветроэнергетическая установка в 1 кВт (она даст 120 кВт в месяц) обойдется примерно в 35 000 руб.

Фото этого альтернативного источника энергии можно посмотреть здесь:

К альтернативным источникам энергии относят солнечные батареи

Наличием сильных ветров на территории России могут похвастаться не все регионы. Это же относится и к солнечным дням, количество которых в разной местности различно, хотя даже сильная облачность не мешает получать 100 Вт с 1 м2. Чтобы выработать 10 кВт энергии, необходимо, чтобы площадь солнечных батарей составляла 100 м2.

Чтобы использовать солнце как альтернативный источник энергии, солнечную энергию нужно преобразовать в электрическую. Для этого потребуются специальные элементы, сам же процесс трансформации называется фотоэлектрическим эффектом, а модуль, использующийся для этого,- фотоэлектрическим элементом.

По обе стороны фотоэлемента смонтированы токоотводы. Когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент, часть света (фотон) поглощается. При этом освобождается один электрон. В этот момент образуется ток. Электричество, образованное в солнечном элементе, может сразу использоваться или накапливаться в аккумуляторной батарее. Отдельные фотоэлементы не в состоянии обеспечить дом необходимым количеством энергии, поэтому их собирают в панели, различные по размеру и типу. Как правило, для использования солнечной энергии как альтернативного источника энергии панели собирают в кремниевые фотоэлектрические модули, размер которых варьируется от 0,4 до 1,6 м2, мощностью 40-160 Вт.

Применение солнечной энергии как альтернативного источника электрической энергии

Будучи объединенными, панели образуют солнечные батареи - альтернативный источник энергии, коэффициент полезного действия которого пока невелик и составляет 5-15% (только 15% света преобразуется в электрическую энергию).

Комплекс солнечных батарей с контроллером, инвертором, аккумуляторами, кабелем, электронагрузкой и поддерживающей структурой называется солнечной станцией, которая может рассматриваться и применяться в качестве системы аварийного источника электроснабжения.

Стоимость станции из четырех модулей мощностью 115 Вт, двух аккумуляторов, инвертора мощностью 1 кВт и контроллера составит примерно 125000руб. Достаточно ли такого альтернативного источника энергии для дачи, зависит от энергозатрат, которые перед покупкой комплекса необходимо подсчитать. Если электричество в доме есть, то помогут показания счетчика за месяц; если оно не заведено, то следует установить все предметы, которые являются потребителями энергии, сложить их мощность и умножить на количество часов работы в месяц - это и будет количество энергозатрат. Разумеется, необходимо оптимизировать количество потребляемой энергии, например, за счет установки энергосберегающих лампочек, уличных фонариков, работающих от солнечной батареи, и т. д.

Соединения и ответвления проводов и кабелей необходимо выполнять в специально предназначенных для этого разветвительных и соединительных коробках (их можно различить по количеству отверстий: в первых их четыре, во вторых - два).

Надо признать, что альтернативные источники энергии еще не превратились в обыденность, поскольку первоначальные затраты на приобретение оборудования достаточно высоки, и окупятся они не ранее чем через 10 лет. Однако перспективы, которые открываются, как утверждают ученые, огромные.

Какие есть ещё альтернативные источники энергии

Ниже вы узнаете, какие есть ещё альтернативные источники энергии, способные заменить традиционные.

К альтернативным источникам энергии относят передвижные электростанции. Они мобильны, компактны, мощны, обладают значительным ресурсом, долговечны, работают с достаточно низким уровнем шума и при большом перепаде температур - от +45 до -50 °С.

Основными комплектующими передвижной электростанции являются генератор и двигатель внутреннего сгорания. Альтернативным источником энергии являются станции синхронные (для применения при аварийной ситуации) и асинхронные (для поддержания напряжения в сети и подключения электроприборов, реагирующих на скачки напряжения).

Передвижные станции могут работать на бензине или дизельном топливе. Первые используют в качестве источника электроснабжения при перебоях с подачей электричества. Их мощность колеблется в пределах от 0,5 до 12 кВт, чего вполне хватает для выполнения незначительных объемов работ. Генератор оснащен автозапуском, т. е. он начинает действовать при отключении электричества. Уровень шума бензиновых электростанций примерно на 20-30% ниже, чем дизельных.

Дизельная электростанция рассчитана на постоянную работу. Ее мощность варьируется в значительном пределе - от 12 до 2500 кВт. Станции могут давать разное количество оборотов в минуту - до 3000 об/мин. Для постоянного энергоснабжения дома и участка достаточно, если этот параметр будет составлять 1500 об/мин. Дизельные станции последнего поколения могут бесперебойно работать круглый год.

При покупке передвижной электростанции надо выбрать агрегат необходимой мощности. Для этого надо установить, какие именно приборы будут работать от нее. Среди постоянных потребителей энергии нужно назвать холодильник, лампы, среди периодически включаемых - утюг, электроинструмент и т. п. Чтобы рассчитать мощность станции, надо суммировать мощности тех приборов, которые активно эксплуатируются, и прибавить дополнительно 20 %. Если потребности небольшого садового домика обеспечит станция мощностью 2 кВт, то для индивидуального благоустроенного дома потребуется станция мощностью 10- 20 кВт.