Центрального административного округа школа №1276 с углубленным изучением английского языка Нетрадиционные источники энергии и их использование человеком итоговый реферат ученика 10 “Б” класса Савина Василия. Учитель географии Мурина Вера Николаевна Москва 2002
В данном докладе будут рассмотрены особенности, проблемы и перспективы использования нетрадиционных источников энергии в масштабах нашей планеты. Для этого сначала необходимо ввести само понятие нетрадиционных источников энергии (НИЭ); классифицируем элементы этой группы:
Приведённая схема помогает разобраться, что подразумевают, когда говорят о “нетрадиционной энергии”, а также даёт классификацию механизмов, позволяющих эту энергию использовать (перевести в виды, “удобоусвояемые” для человека- электрическую, механическую, тепловую etc. ). Рассмотрим, в каких отраслях мирового хозяйства перспективно применять такие механизмы. Говоря иначе, рассмотрим области применения НИЭ. В сельском хозяйстве потенциал использования НИЭ велик. Во-первых, объекты этой отрасли нередко значительно удалены от крупных электростанций; ведь хорошо известные нам сегодня ГЭС, ГРЭС, ТЭС не могут ориентироваться на потребителя в своём размещении. Электрификация сельскохозяйственных объектов сегодня составляет 70% себестоимости их производства! Во-вторых сельскохозяйственные производства вообще очень энергоёмки, еслии речь идёт об электроэнергии. В особенности велики расходы на поение животных. А с применением энергии из нетрадиционных источников, эти расходы снижаются почти в 3 раза. Для привода водоподъёмников и насосов целесообразнее всего способ получения энергии, основанный на анаэробном( в присутствии катализатора) сбраживании отходов. На перерабатывающих предприятиях также выгодно использовать энергию из нетрадиционных источников для получения, к примеру, ультразвука, токов высокой частоты. На нагрев воды и получение пара для стерилизации тоже выгодно использовать в качестве парогенераторов и дублёров парогенераторов ветроагрегаты: при этом расходы сокращаются на 30-40%! Области применения НИЭ многочисленны; в быту их удобно применять также для нагрева воды, теплоснабжения , а также можно упомянуть гелиодуши.
Данная таблица отражает масштабы использования НИЭ в мире в 90-тых годах прошлого века: использование НИЭ в мире 1983 1986 1989 1991 Всего, млн. долл. в ценах 1995 г. 1046, 2 662, 7 596, 5 638, 3 Солнечная энергия 463, 7 322, 4 286, 4 327, 2 Ветровая энергия 118, 5 86, 4 81, 0 88, 3 Энергия океанских течений 34 11, 8 10, 3 10, 9 Биомасса 197, 5 115, 7 91, 9 101, 6 Геотермальная энергия 232, 7 126, 5 99, 9 106, 1 Гидростанции (установки единичной мощности > 10 МВт) 3, 5 Малые ГЭС ( 0, 6
Данные цифры, однако же, не отражают возрастающего значения нетрадиционных источников энергии в мировом хозяйстве. Тем более нельзя по ним сделать вывод о потенциале использования т. н. возобновляемых источников энергии в мировом масштабе. А этот потенциал огромен даже по сравнению с современными объёмами выработки электроэнергии на земном шаре. Так, одни только запасы ветровой энергии составляют, по оценке Всемирной Метеорологической органиизации, 170 трлн кВт*ч/год(! ). Мировое производство электроэнергии-где-то 14, 1 трлн кВт*ч/год. Это составляет 50700 ПДж/год. Другие данные можно получить из следующей таблицы: потенциал использования НИЭ Возобновляемые Потенциал, ПДж/год источники энергии валовый технический экономический Солнечная энергия 69*106 69*103 375 Ветровая энергия 780*103 60*103 300 Энергия биомассы 300*103 1, 6*103 1050 Энергия малых рек 11*103 3, 75*103 1950 Геотермальная энергия 3450 Низкопотенциальное тепло 16*103 3, 15*103 945 Всего 70*106 137*103
Для того, чтобы составить более полную картину, предлагаю вашему вниманию третью таблицу: Сценарий развития использования НИЭ: Сценарии роста использования НВИЭ Источники минимальный максимальный энергии млн т н. Э. * доля в структуре НВИЭ, % млн т н. э. * доля в структуре НВИЭ, % Биомасса с использованием современных технологий 243 45 561 42 Солнечная энергия 109 20 355 26 Ветровая энергия 85 16 215 16 Геотермальная энергия 40 7 91 7 Энергия малых водотоков 48 9 69 5 Океаническая энергия 14 3 54 4 Итого 539 100 1345 100
% к суммарной мировой потребности в первичных энергоресурсах 3 - 4 8 - 12
*млн. т. н. Э. -миллионы тонн нефтяного эквивалента. 1млн. т. н. Э. =ок. 29000 ПДж=ок. 8 трлн кВт/ч Неутешительные выводы можно сделать из нынешнего положения использования НИЭ в мире. Несмотря на то, что количество энергии, которое теоретически можно получить из любого из многих возобновляемых источников, значительно превышает её мировое производство, использование НИЭ в мире не превышает 1% от общей выработки электроэнергии и других видов энергии (тепловой, механической и т. д. ). Чем же это объясняется?
Для того, чтобы исследовать этот вопрос, надо сначала сформулировать проблему, затем искать или доказывать правильность путей её решения. Проблемы, с которыми сталкивается человечество в процессе развития электроэнергетики, да и всех других отраслей промышленности, не назовёшь новой, её может сформулировать сегодня любой гражданин страны с высоким или средним уровнем экономического развития...
Первое место по известности, конечно же, занимают различные виды загрязнения окружающей среды: тепловое, химическое, радиоактивное.
О химическом загрязнении следует заметить, что большая часть нефти попадает в Мировой океан не из-за аварий на танкерах, а как следствие повседневных операций. Статистика:
Общее загрязнение нефтью Мирового океана- 2-5 млн. тонн в год, в т. числе: Из речного стока-41% Через сточные воды-12% Вследствие естественных излияний со дна океана-15%
из-за морских перевозок (аварии и нормальные раб. операции): 20% Выпадает с атмосферными осадками: 4% Сток из городских районов: 3%. Нефтеперегонные заводы на суше-.... менее 1% Половина всей этой нефти- это отработанные масла машинных двигателей. То есть, участие здесь нетрадиционных источников энергии менее эффективно, чем кажется на первый взгляд.
Однако если говорить о химических загрязнениях в целом, можно предположить, что замена привычных нам ДВС , к примеру, водородными двигателями, поможет нам значительно сократить выбросы в атмосферу ядовитых соединений серы, фосфора, свинца.
Так ли это? Не совсем, если говорить о нынешнем уровне технического развития в этой области. К примеру, свинцовые аккумуляторы в электромобилях являются причиной более значительного выброса свинцовой пыли, чем в обычных автомашинах. А без таких аккумуляторов почти невозможно реализовать многие проекты, казалось бы, спасительные для окружающей среды и для мировой энергетики. Тепловые загрязнения также в большинстве случаев не удастся решить посредством использования НИЭ, т. к. большинство устройств для извлечения энергии из НИ основаны на преобразовании этой энергии в электрическую, а ведь тепловые“отходы” именно этого процесса остаются главной причиной этого явления Большое влияние, однако же, может оказать использование НИЭ на снижение объёмов радиоактивного загрязнения окружающей среды. К тому же, использование энергии расщепления атомного ядра сопряжено с огромной опасностью для близлежащих к такой электростанции районов.
“Опасность”ядерной энергии показана человечеству на примере не только хрестоматийной Чернобыльской аварии, но и менее значительных (скажем так, менее губительных), однако многочисленных случаев, таких как аварийная ситуация на АЭС Три-Майл-Авент.
Из наиболее “экзотических”можно назвать проблемы нефтедобычи и газодобычи в США. Во-первых, современные способы отделения“полезных” от “пустых” веществ всё ещё оставляют желать лучшего. В США появляется всё больше “открытых” месторождений нефти. “Открытый”-значит, заброшенный за неимением требуемых технических возможностей для разработки. А для отделения метана от“плотных” формаций в 60-ых годах была организована т. н. кампания “Плаушар”. Суть программы состояла в использовании подземных ядерных взрывов для дробления разделяющих стенок из горных пород между небольшими месторождениями. Хотя в штатах Нью-Мехико и Колорадо были проведены три эксперимента, программа прекратила существование, поскольку население штатов , где должны были производиться атомные взрывы, было обеспокоено последствиями этих взрывов. К тому же получаемый газ сам оказался слаборадиоактивным.
Но нас интересуют не столько такие комические ситуации, сколько общая тенденция к пониманию роли защиты окружающей среды в экономически развитых странах. Также учтём особо крупные масштабы потребления электроэнергии этими странами, что объясняет актуальность для них темы энергетического кризиса. По разным источникам, разведанных запасов полезных ископаемых хватит на несколько десятков лет. Мои источники дают следующие цифры: при современном уровне потребления энергоресурсов нефти должно хватить на 50 лет, природного газа - на 73, каменного угля - на 170, бурого угля - на 500 лет.
Поэтому значение НИЭ постепенно повышается. В нашей стране перспективно использование биомассы( как уже упоминалось), а также строительство приливных электростанций (ПЭС). Энергию из биомассы также широко получают в Бразилии, США
В Греции, Израиле, Кипре, Турции успешно используются генераторы солнечной энергии. В Дании, ОК, Индии, Китае , Калифорнии- ветроагрегаты. А помимо России ПЭС эксплуатируются во Франции, Канаде, Индии, Китае.
Однако же рост масштабов использования НИЭ затруднён, помимо упомянутых, ещё и другими трудностями.
Главным бедствиям разнообразных ветроагрегатов всегда была их шумность. “Ветряные фермы”возникает необходимость удалять от населённых пунктов, что затрудняет ориентацию производителей электроэнергии на потребителя. Для решения этой проблемы постоянно модифицируются рабочие лопасти ветроагрегатов, а также происходит видоизменение оси рабочей оси.
Ветроагрегаты могут работать только при силе ветра, лежащей в установленных пределах. При штормовом ветре может произойти поломка устройства, или“усталость”лопастей (уменьшение прочности металла при больших нагрузках). Одним из примеров здесь можно назвать поломку восьмитонной лопасти ветродвигателя на холме Грандпас-Ноб в 1941 году.
Важным недостатком как ветровой, так и солнечной энергии, является её рассеянность. Так, например, удельная мощность потока солнечной энергии на поверхности Земли не превышает 1 кВт/м2, а плотность мощности воздушного потока при его скорости 7 м/с около 150 Вт/м2. Это означает, что для получения от НВИЭ сколько-нибудь заметных мощностей необходимо собирать энергию с весьма больших площадей, что требует создания больших и дорогостоящих установок
Солнечные батареи фирм “Красное Знамя”(Рязань) и “Солнечный ветер” (Краснодар) Важным недостатком как ветровой, так и солнечной энергии, является её рассеянность. Так, например, удельная мощность потока солнечной энергии на поверхности Земли не превышает 1 кВт/м2, а плотность мощности воздушного потока при его скорости 7 м/с около 150 Вт/м2. Это означает, что для получения от НВИЭ сколько-нибудь заметных мощностей необходимо собирать энергию с весьма больших площадей, что требует создания больших и дорогостоящих установок
Но проблемы НИЭ привлекают к своему решению практически весь научный и промышленный потенциал государства. Развитие НИЭ является стимулом развития экономики.
Рассмотрим перспективы создания водородного двигателя . Его выхлоп- чистая вода, он компактен, удобен в применении. Самый главный вопрос здесь- как получить топливо для такого двигателя в достаточном количестве. Современной науке известно 2 способа разложения воды на кислород и водород- электролиз (разложение под действием эл. тока) и пиролиз (под действием высоких температур и катализатора). Но оба этих способа очень энергоёмки. Над рещением данной проблемы бьются учёные всех специальностей, многих стран мира. Химики ищут катализаторы реакции разложения воды, физики-дешёвые способы получения электричества, биологи изучают бактерии, способные разлагать воду на кислород и водород. Такие бактерии биологами уже найдены, но количество выделяемого ими(бактериями) водорода столь мало, что о промышленном масштабе говорить не приходится, и ищутся способы повышать производительность таких бактерий. В решении проблемы поиска дешёвого способа получения водорода, возможно, кроется возможность совершения энергетической революции.
По выражению депутата Госдумы РФ В. Овченкова, эффективное использование НВИЭ позволит улучшить социальные и экологические условия жизни и сохранить потенциал невозобновляемых энерго-ресурсов для будущих поколений. Об этом было упомянуто в связи с рассмотрением нового законопроекта, в соответствии с которым использование НИЭ в нашей стране будет управляться государством через специальный федеральный орган, а финансирование программ использования НИЭ будет осуществляться из федерального бюджета“на условиях возвратности и платности”. То есть, фактически НВИЭ в их нынешнем составе придаётся стратегическая важность.
Использование их на территориях российского Крайнего Севера и приравненных к ним удалённых районов позволит уже сейчас сократить поставки топлива к ним на 15-17%
Помимо упомянутых мною видов НИЭ, в законопроекте упоминаются в качестве таковых тепло земли, а также т. н. природный градиент температур. Природный градиент температур- это разница температур на разных высотах. Правда, на практике чаще применяются системы лучистого обогрева, действие которых основано на разности нагрева крыши и нижних этажей зданий (из-за конвекции). Эти устройства распределяют тепло с крыши в виде инфракрасных лучей по полезной площади здания, т. е. туда, где находятся люди. Они отличаются экономичностью и экологической чистотой.
Говоря о тепле земли как источнике энергии, следует, разумеется, пояснить, что речь идёт о процессах , протекающих в земных недрах. К сожалению, я не смог подобрать информацию по устройствам, осуществляющим переход тепла земных недр в иные виды энергии. Эта информация не является общедоступной. В качестве примера для установок, использующихся для освоения НИЭ приведу основные технические характеристики лучших из выпускаемых сегодня в нашей стране агрегатов. СОЛНЕЧНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ СВУ 1, СВУ2
Для использования солнечной энергии НП АО "Электромаш" разработана серия солнечных водонагревательных установок СВУ-1, СВУ-2, СВУ-М. Солнечная водонагревательная установка СВУ-1 состоит из бака-аккумулятора емкостью 1000 литров и 10 плоских солнечных коллекторов.
Тепловоспринимающая площадь каждого плоского коллектора СВУ-1 – 1, 1 м2. Данная установка обеспечит горячей водой в объеме 1000 литров в сутки в течение всего периода активного солнца (апрель - октябрь). Возможно подключение на параллельную работу неограниченного количества коллекторов. Установка работает по одноконтурной схеме - т. е. вода проходит через систему плоских коллекторов, нагревается, поступает в бак–накопитель, а затем к потребителю. При необходимости установка может комплектоваться циркуляционным насосом.
Солнечная водонагревательная установка СВУ-2 применяется в тех случаях, когда не требуется большого количества нагретой воды.
СВУ-М по своему назначению соответствует установке СВУ-2. Основные отличия СВУ-М от СВУ-2 заключаются в следующем: увеличена емкость бака-аккумулятора с 80 до 120 литров;
увеличена площадь тепловоспринимающей панели с 1, 1 м2 до 1, 8 м2; предусмотрена возможность раздельного монтажа тепловоспринимающей панели и бака-аккумулятора; коллектор тепловоспринимающей панели и внутренняя емкость
бака-аккумулятора выполнены из антикоррозионных материалов; предусмотрена возможность комплектации бака-аккумулятора электрическим нагревателей мощностью 3 кВт с регулируемым термостатом на случай пасмурной погоды. Серийные поставки СВУ-М возможны с 2002 года.
Солнечные водонагревательные установки рассчитаны на многолетний срок службы. На 1 м2 поверхности солнечной водонагревательной установки
за 10 часов светового дня поступает энергия, равная 5, 7 кВт/ч. Этой энергии достаточно для нагрева 80 литров воды от температуры 13С до 65С. Для коммунального пользования СВУ-1:
состоит из бака–аккумулятора и плоских нагревательных коллекторов; емкость бака 1000 л (по желанию заказчика); количество коллекторов – 10 шт; площадь поверхности коллектора – 1, 1 м2; масса (без воды) – 550 кг. Для индивидуального пользования СВУ-2-80:
состоит из бака–аккумулятора и нагревательного коллектора, совмещенных в одном корпусе; емкость бака 80 л; площадь поверхности коллектора – 1, 1 м2; масса (без воды) – 85 кг. Для индивидуального пользования СВУ-2-120:
состоит из бака–аккумулятора и нагревательного коллектора, совмещенных в одном корпусе; емкость бака 120 л; площадь поверхности коллектора – 1, 1 м2; масса (без воды) – 100 кг. Все типы СВУ обеспечивают нагрев воды в солнечную погоду до 50С за 3–4 часа. АГРЕГАТ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АВЭ-250С Номинальная выходная мощность, кВт200 Напряжение переменного трехфазного тока, В380 Начало выработки электроэнергии при скорости ветра, м/с4, 0
Скорость ветра при достижении номинальной мощности, м/с14, 5 Прекращение выработки электроэнергии при скорости ветра, м/с25 Механизм ориентациипассивный (виндозное устройство) Диаметр ветроколеса, м25 Частота вращения ветроколеса, об/мин47, 6 Количество лопастей, шт. 3 Материал лопасти стеклопластик Масса агрегата (без фундамента), т22 Вывод.
Прогресс немыслим без борьбы с потребительским подходом к природе и её ресурсам. НИЭ есть альтернатива использованию невозобновимых видов топлива и загрязнению тем самым окружающей среды. Хотя использование НИЭ не всегда может способствовать осуществлению этих целей , но, поскольку работа над внедрением НИЭ объединяет специалистов самых разных отраслей народного хозяйства, оно (использование) может являться, как есть основания ожидать, показателем и залогом экономического благополучия страны. По прогнозам учёных, уже через 10 лет доля НИЭ в мировом пр-ве электроэнергии составит 5, 7%