Доклад на тему "Энергетика будущего. Солнечно космический век"

Энергетика будущего. Солнечно космический век

Цель: ознакомить учеников с основными видами энергии в мире, о значении энергии для всего человечества, рассказать о ближайшем будущем энергетики, воспитывать ответственное отношение к природе, исчезающим видам энергоресурсов.

«Вся жизнь есть энергия,                                                                                 

Энергия – вечный восторг» – 

в таких поэтических строках выразил свое философское кредо знаменитый английский поэт XVIII века Уильям Блейк. И действительно, роль энергии в жизни человечества исключительно велика.

Иногда, чтобы подчеркнуть важность какого-либо явления, например трения, в жизни человека, описываются картины типа «жизнь без трения». Картина получается то комической (отпадают пуговицы, развязываются шнурки), то трагической (аварии машин, зданий, невозможно передвигаться и т. д.), но все-таки получается. Картины же «что было бы без энергии» не получится: без энергии ничего не было бы.

Потребление энергии важнейший показатель, во многом определяющий уровень экономического развития, национальную безопасность любой страны. Рост энергопотреб­ления всегда сопровождал развитие экономического общества, но особенно стремительным он был на протяжении XX века. В XXI веке его рост, несомненно, будет продолжаться, особенно в развивающих странах, для которых экономическое развитие и повышение качества жизни населения неизбежно связаны со значительным увеличением количества потребляемой энергии, в первую очередь её наиболее универсального вида – электричества. К средине XXI века прогнозируется удвоение мирового энергопотребления и утроения потребления электроэнергии.

Общая тенденция роста энергопотребления усиливает зависимость большинства стран от импорта нефти и природного газа, обостряет конкуренцию за доступ к источникам энергоресурсов, продолжает угрозу глобальной безопасности. Одновременно возрастает озабоченность экологическими последствиями производства энергии, в первую очередь из-за опасности недопустимого загрязнения атмосферы выбросами продуктов сжигания углеводородного топлива.

Поэтому в не столь уж далёком будущем человечество будет вынуждено перейти на использование альтернативных «безуглеродных» технологий производства энергии, которые позволят в течение длительного времени надёжно удовлетворять растущие потребности в энергии без недопустимых экологических последствий. Однако приходится признать, что известные на сегодня возобновляемые источники энергии – ветровой, солнечной, геотермальной, приливной и др. – по своим потенциальным возможностям не могут служить для крупномасштабного энергопроизводства. А весьма много обещающая технология управляемого термоядерного синтеза всё ещё на стадии исследований и создания демонстрационного  ядерного реактора.

Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы тради­ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Поэтому важно на сегодняшний день найти выгодные источники электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции, долговечности станций.

Энергия (от греческого слова energeia – действие, деятельность) – это общая количественная мера различных форм движения материи.

Энергетика – это область народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу различных видов энергии. Ведущая область энергетики – электроэнергетика.

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

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

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

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

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

В нашем работающем мире основой всего является энергия, без нее и не будет совершаться работа. Когда энергия имеется в наличии и может быть использована, любой объект будет совершать работу - иногда созидательную, иногда разрушительную. 

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

Важную роль в жизни современного общества играет энергетика. Энергетика народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку преобразования, передачу и использование различных видов энергии. Ведущая область энергетики – электроэнергетика.

Существует в мире семь видов электростанций:

1.ГЭС (гидроэлектростанции)

2.ТЭС (тепловые электростанции)

3.ВЭС (ветряные электростанции)

4.СЭС (солнечные электростанции)

5.ПЭС (приливные электростанции)

6.ГеоТЭС (геотермальная электростанция)

7.АЭС (атомные электростанции).

ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Тепловая электростанция (ТЭС), - электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в кон. 19 в и получили преимущественное распространение. В середине 70-х гг. XX в. ТЭС – основной вид электрической станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в России и США св. 80% (1975), в мире около 76% (1973).

Часто в городах используются ТЭЦ - теплоэлектроцентрали, производящие не только электроэнергию, но и тепло в виде горячей воды. Такая система является довольно-таки непрактичной т.к. в отличие от электрокабеля надежность теплотрасс чрезвычайно низка на больших расстояниях, эффективность централизованного теплоснабжения сильно снижается, вследствие уменьшения температуры теплоносителя. Подсчитано, что при протяженности теплотрасс более 20 км (типичная ситуация для большинства городов) установка электрического бойлера в отдельно стоящем доме становится экономически выгодна.

На тепловых электростанциях преобразуется химическая энергия топлива сначала в механическую, а затем в электрическую.

Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Тепловые электрические стан­ции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили По мнению ученых в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах. Но 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.

По мнению ученых в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах. Но 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.

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.

ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Гидроэлектрическая станция, гидроэлектростанция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечи­вающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию. По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.  В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, пе­регораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.
Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами – их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

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

Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье – в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся. Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891году.

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 кол-во материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным. Поэтому в начале 20 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.

ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА

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

Техника XXI века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики,  задача которой стала другой – получение электроэнергии. Современные ветро­энергетические установки делятся два класс: мощные, в сотни тысяч киловатт, называются сетевыми потому, что при безветрии обеспечение потребителя энергией идёт из сети; и автономные, в паре с аккумулятором. Как правило, мощность автономных установок не превышает 5-10 кило­ватт. Они называются: ветроэлектрические установки малой мощности (ВЭУММ).

ВЭУММ просты и дёшевы в монтаже, эксплу­атации и ремонте, экономичны, и не требуют при работе практически никакого обслуживания, периодической подстройки др. Такие энергетические установки могут обеспечить энергоснабжение в регионах со средней скоростью ветра всего 3-5 м/с. Фактически обладатель  ВЭУММ приобретает почти полную независимость, как от традиционных производителей энергии, так и от природных явлений.

По сравнению с Европой и США ветроустановок в нашей стране выпускается намного меньше. Возможно, здесь сказывается недостаточная информированность потенциальных потребителей или относительная дешевизна жидкого топлива, однако изготовители ветровых  генераторов в стране есть, и их продукция по качеству не уступает зарубежной.

ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ.      

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно 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.

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

Атомная электростанция (АЭС) – электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu). Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

По мнению многих специалистов, реальным энергетическим выбором человечества в XXI век станет широкое использование ядерной энергетики на основе реакторов деления.  

Но АЭС имеют свой ряд достоинст и недостатков.

Достоинства атомной энергетики:

n  Огромные запасы топлива, его компактность и продолжительность использования

n  Независимость размещения АЭС от источников топлива

n  Не загрязняет атмосферу

n  Экономичность пропорциональна мощности

Недостатки:

n  Нанесение ущерба водным источникам

n  Вредное воздействие радиоактивного излучения на живые организмы

n  Проблема безопасного хранения и утилизации радиоактивных отходов

n  Высокие требования к уровню образования сотрудников АЭС

n   Высокая вероятность аварийных ситуации

То есть имеющиеся виды электростанций обладают как достоинствами, так и недостатками. А хотелось бы иметь идеальную электростанцию, которая должна приносить как можно меньше вреда окружающей среде и иметь малую себестоимость, большие источники топлива и малые затраты для их добычи. 

Слышу я

Природы голос,

Порывающийся крикнуть,

Как и с кем она боролась,

Чтоб из хаоса возникнуть?

Может, и не во имя

Обязательно нас с вами,

Но чтоб стали мы живыми

Мыслящими существами.

И твердит природы голос:

«В вашей власти, в вашей власти»,

Чтобы, все не раскололось

На бессмысленные части.

Л. Мартынов

Создание атомной техники по праву признано революцией в энергетике, и ее творцы не без оснований утверждают, что сердцевиной энергетики будущего должна стать и станет атомная энергия. Так можно ли в этих условиях вести речь о каком-то «солнечном веке» энергетики? Да, еще совсем недавно такие разговоры были бы безосновательны. Но сегодня при быстром сокращении легкодоступных запасов нефти и газа и постоянном ужесточении требований к химической, радиационной и тепловой чистоте энергопроизводства уже очевидно, что скоро развитие земной энергетики будет сдерживаться не техническими, а экологическими барьерами, и мощные термоядерные электростанции скорее всего придется располагать вне Земли. В то же время идет быстрое совершенствование процессов улавливания и преобразования абсолютно чистой во всех отношениях солнечной энергии.

Еще более замечательные перспективы открываются перед солнечной энергетикой в космосе.

В наши дни проблема овладения солнечной энергией космоса становится одним из основных стимулов развития внеземного производства, подобно тому как в конце прошлого века она послужила основой самого рождения научной космонавтики.

Идея сооружения Международной опытной космической электростанции (КСЭС), подающей электроэнергию земным потребителям, возникла в 1960 году и не сходит с тех пор со страниц популярных и научных изданий.

КСЭС в совокупности с промежуточными атмосферными сооружениями сможет не только подавать электроэнергию земным потребителям. Но и непосредственно освещать большие участки земной поверхности ночью и затенять их днем, регулировать климатические условия, уничтожать тайфуны и смерчи, снабжать энергией космические корабли, воздушные средства, наземный транспорт, удаленные от линий электропередачи промышленные предприятия и т.д.

Целесообразность создания КСЭС и КТЭС  диктуется неисчерпаемостью, как солнечной энергии, так и горючего для КТЭС – космического водорода, экологическими соображениями и необходимостью сохранить ныне широко применяемые природные химические энергоресурсы для нужд химической промышленности.

КСЭС с периодически сменяемым персоналом могла бы стать не только прообразом сверхмощных станций будущего. Но и одновременно выполнять огромное количество обычной “космической работы” (исследования, наблюдения, эксперименты). Потребность в такой опытной КСЭС имеется уже сейчас, причем не только потребность, но и возможность ее создания при условии международного сотрудничества.

При этом следует учесть, что наша страна первой в мире освоила пилотируемые космические полеты с пребыванием людей на станции в течение одного года. У нас создан и опробован в космосе уникальный монтажный инструмент. Космонавтами получен уникальный опыт работы по развертыванию крупногабаритных космических сооружений, в том числе и дополнительных панелей солнечных батарей, освоены длительные рабочие выходы космонавтов в открытый космос, успешно проведены первые испытания новой универсальной ракеты-носителя “Энергия”, способной выводить на околоземную орбиту более 100 т полезного груза.

В связи с печальным опытом аварии на Чернобыльской АЭС возникает вопрос, а не грозит ли создание КСЭС какими-либо новыми бедами людям, ведь передача энергии будет происходить через атмосферу, а, следовательно, воздействовать на ее состав и динамику. Будет ли это воздействие положительным? Расчеты вселяют оптимизм, но окончательный ответ может дать только опытная эксплуатация электропередачи Космос-Земля.

В космической энергетике большая роль отводится аккумуляторам. Самые лучшие из современных маховиков способны накапливать весьма значительную энергию – до 1 МДж/кг, хотя существуют и такие экспериментальные устройства, которые способны накапливать энергию до 12 МДж/кг. Но для расчетов ограничиваются значением 0,07 МДж/кг.

Размещение электростанций на околоземной орбите входит в планы многих стран мира. В ближайшие несколько десятков лет обещают добывать солнечную энергию в космосе Япония (в 2015 году собираются вывести на орбиту аппарат с мощностью в 100 киловатт,США (в 2016 году обещают питать из космоса округ Фресно, мощность 200 мегаватт), Россия. Теперь к ним присоединилась EADS Astrium, европейская авиационно-космическая компания, одна из крупнейших в своем роде в Европе. Европейцы признают тот факт, что размещение электростанций в космосе и передача солнечной энергии для массовых нужд — дело будущего. И первые разработки, готовые к эксплуатации, могут появиться уже через 20-30 лет.

Солнечная энергия является безграничным источником энергии. Размещение электростанций на орбите позволит вырабатывать чистую энергию 24 часа в сутки, 365 дней в году. К тому же генерация энергии Солнца в космосе в несколько раз выше, чем на Земле, поскольку панели будут лучше улавливать свет, которому не помешают ни облака, ни пыль, ни другие явления атмосферы.

Одной из нерешенных проблем остается способ передачи энергии из космоса на Землю. В планах американских компаний — использование СВЧ-волн, Япония находится в раздумьях, выбирая между микроволновым излучателем и лазером, а вот EADS Astrium остановилась на инфракрасном лазерном луче.

Ученые признают, что данный вид получения энергии слишком дорогостоящ, его стоимость перекрывает все преимущества. Также необходимо оптимизировать дизайн лазера и приемника. Мощный излучатель должен быть довольно легким. Следует правильно сфокусировать силовой луч, чтобы при отклонениях от цели он ничего не «поджарил» на Земле. Технический директор Astrium Роберт Лейн обещает минимализировать все риски, а также в ближайшие пять лет запустить демонстрационный спутник, способный передавать на Землю 10-20 киловатт. Скромный, но успех.

Таким образом, легко доступные и дешевые запасы, такие как нефть, газ, уголь ограничены: с учетом роста потребления энергии они могут быть в значительной мере исчерпаны уже в обозримом будущем.Поэтому  целесообразность создания КСЭС диктуется неисчерпаемостью солнечной энергии, экологическими соображениями и необходимостью сохранять ныне широко применяемые природные энергоносители для нужд химической промышленности.

На сегодня сформировалось мнение, что энергетические потребности человечества могут сделать рентабельными КЭС уже в самом начале XXI века. В результате эта тема превратилась в одну из наиболее обсуждаемых на международных и национальных конгрессах и симпозиумах по космонавтике.