Природные источники энергии и их использование

Введение 

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

      Если  в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия - электрическая - 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, потребности в ней растут еще быстрее.

      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. 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. 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? 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.

Виды энергии 

      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. 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. Однако самыми большими резервуарами накопленной энергии являются океаны - огромные пространства беспрерывно перемещающихся водных потоков, покрывающих около 71 % всей земной поверхности. Рассмотрим основные виды энергии, которые использует человек для своих нужд. На текущий момент это:

• Энергия солнца
• Ветровая энергия
• Энергия рек
• Энергия земли
• Энергия океана
• Атомная энергия

Рассмотрим их более подробно. 

1. Энергия солнца

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

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

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

      К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти  огромные потенциальные ресурсы  удастся реализовать в больших  масштабах. Одним из наиболее серьезных  препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях ( южные широты, чистое небо ) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км2 !

      Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический ( как правило, алюминиевый ) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2, требует примерно 10^4 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10^9 тонн.

      Из  написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае ? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики ( после 2100 года ) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1*10^6 до 3*10^6 км2. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13*10^6 км2.

 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. 
 

2. Ветровая  энергия.

      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. Почему же столь обильный, доступный, да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

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

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

3. Энергия рек

      Многие  тысячелетия верно 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.

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.

      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 кол-во энергии. 
 

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