Альтернативная энергетика

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Альтернативная энергетика - совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены, не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.[1]

Основным направлением альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии.

Источники энергии - встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию.

Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, вызывающий парниковый эффект и глобальное потепление. Причина поиска альтернативных источников энергии - потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.

Классификация источников[1]:

Ветряные - отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии.

Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

Солнечные - использует энергию электромагнитного излучения Солнца.

Гидроэнергетические - энергия движения воды в реках или морях.

Биотопливные - из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Грозовая энергетика - это способ получения энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть. Данный вид энергетики использует возобновляемый источник энергии и относится к альтернативным источникам энергии.

Управляемый термоядерный синтез - синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер.

Водородная энергетика - развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями.

Космическая энергетика - вид альтернативной энергетики, предусматривающий использование энергии Солнца для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на земной орбите или на Луне.

Энергия ветра

Энергия ветра - это преобразованная энергия солнечного излучения, и пока светит Солнце, будут дуть и ветры. Таким образом, ветер - это тоже возобновляемый источник энергии.

Люди используют энергию ветра с незапамятных времен - достаточно вспомнить парусный флот. В принципе, преобразовать энергию ветра в электрический ток, казалось бы, нетрудно - для этого достаточно заменить мельничный жернов электрогенератором. Ветры дуют везде, они могут дуть и летом, и зимой, и днем, и ночью - в этом их существенное преимущество перед самим солнечным излучением. Ветроэнергетика может развиваться практически повсеместно, просто потому, что ветер дует почти везде и развитие ветроэнергетики возможно даже «на бытовом уровне» без больших финансовых ресурсов.[2]

Первая в нашей стране ветряная электростанция мощностью 8 кВт была сооружена в 1929-1930 гг. под Курском по проекту инженеров А. Г. Уфимцева и В. П. Ветчинкина. Через год в Крыму была построена более крупная ВЭС мощностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Она успешно проработала до 1942 г., но во время войны была разрушена.

На данный момент в России реализуется лишь 3,5% от экономического потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которые включают ветряные турбины, солнечные батареи, малые ГЭС, геотермальные и приливные электростанции, станции на биомассе;

С использованием ВИЭ ежегодно вырабатывается не более 8,5 млрд. кВт в час , что составляет менее 1% от общего объёма производства электроэнергии в РФ. Это закономерно: в России с 60-х годов ХХ века приоритет был отдан традиционной энергетике, строительству мощных гидро- и атомных станций. Таким образом, стремительно набиравшая темпы в 1950-е годы ветроэнергетика страны (СССР считался одним из мировых лидеров по производству ветроэнергетических установок) приостановила своё развитие;

К настоящему моменту основные фонды объектов российской энергетики предельно изношены, в некоторых случаях их амортизация достигает 80%, на объектах используются технологии 30-летней давности;

В соответствии с распоряжением правительства Российской Федерации от 8 января 2009 года №1-p к 2020 г. доля ВИЭ в энергобалансе России должна составить 4%. Энергетическая политика Европейского сообщества предусматривает увеличение доли ВИЭ к тому же сроку с существующих 7% до 20%;

Рост оборотов мирового ветроэнергетического рынка в среднем превышает 25% в год (в 2003 году общий оборот рынка составил 4 млрд евро, а в 2008-м - уже 36 млрд евро). К началу 2009 года на этом рынке работают 400 тысяч квалифицированных специалистов;

Почти 80 миллионов человек в мире полностью обеспечены электроэнергией от ветра.

Минусы ветроэнергетики

Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лип малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит.

Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и малоэффективно.

Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5-4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны с V S: 6 м/с расположены, в основном на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии минимальны.

Казалось бы, раз ветер дует бесплатно, значит, и электроэнергия от него должна быть дешевой. Но это далеко не так. Дело в том, что строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, которые входят составной частью в цену производимой энергии. При сравнении различных источников, удобно сопоставлять удельные капиталовложения, т.е. затраты на получения 1 кВт установленной мощности. Для АЭС эти затраты равны примерно 1000 руб./кВт. В то же время, ветроустановка АВЭ-100/250 способна при скорости ветра 6 м/с развивать мощность 100 кВт. Стоит же она 600 тыс. руб. (в ценах 1989 г.), т.е. для нее затраты составляют 6000 руб./кВт. А если учесть, что ветер не всегда дует с такой скоростью, и что поэтому средняя мощность оказывается в 3-4 раза меньше максимальной, то реальные затраты составят порядка 20 тыс. руб./кВт, что в 20 раз выше, чем для АЭС.[2]

ВЭС с точки зрения экологии.

Совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, "отнимая ветер" один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты. Вот, и считайте сами, какую площадь придется отвести для ВЭС мощностью 4 млн. кВт.

При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо - генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке - могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Неудивительно, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густонаселенной Европы это означает - везде. Поэтому было выдвинуто предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разработан проект, согласно которому предполагается в Балтийском море недалеко от берега установить 300 ветряков. На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Стоимость строительства только первой сотни таких гигантов потребуется более 1 млрд. долл., а вся система, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2% электроэнергии от уровня потребления в Швеции в настоящее время. Но это - пока только проект. А тем временем в той же Швеции начато строительство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю по подводному кабелю. Аналогичные проекты были и у нас: предлагали устанавливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арбатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов, их реализация создала бы серьезные помехи судоходству, рыболовству, а также оказало бы все те же вредные экологические воздействия, о которых говорилось ранее. Поэтому и эти планы вызывают движения протеста.[2]

Геотермальная энергетика

В то время, как достигнутые успехи в создании ветровых, солнечных и ряда других типов нетрадиционных энергоустановок широко освещаются в журнальных публикациях, геотермальным энергоустановкам и, в частности, геотермальным электростанциям не уделяется того внимания, которого они по праву заслуживают. А между тем, перспективы использования энергии тепла Земли поистине безграничны, поскольку под поверхностью нашей планеты сосредоточены огромнейшие резервы тепла и энергии, основными источниками которых являются происходящие в земной коре и мантии радиоактивные превращения, вызываемые распадом радиоактивных изотопов. Энергия этих источников столь велика, что она ежегодно на несколько сантиметров сдвигает литосферные пласты Земли, вызывает дрейф материков, землетрясения и извержения вулканов.

Геотермальная энергия - это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий.

Несмотря на кажущуюся простоту получения перегретой геотермальной воды и образующегося из нее пара и последующего преобразования энергии этой воды и пара в электроэнергию с помощью турбин и подсоединенных к ним турбогенераторов, техническая реализация такого способа получения электроэнергии является достаточно сложной научно-технической проблемой. Об этом, в частности, свидетельствует хотя бы тот факт, что в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии и некоторых других странах в течение последних 20 лет затраты только на создание новых геотермальных технологий превысили 2 млрд. долларов США.

Главным достоинством геотермальной энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. При этом в вулканических регионах планеты высокотемпературное тепло, нагревающее геотермальную воду до значений температур, превышающих 140 - 150°С, экономически наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100°С, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей в соответствии с рекомендациями, приведенными в таблице

Основной недостаток геотермальной энергии - необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Однако в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. К тому же следует иметь ввиду: геотермальная энергетика в последнее время скакнула в развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80єС, что позволяет гораздо шире применять Гео ТЭС для выработки электроэнергии.



Солнечная энергетика

Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу.[4]

Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем.

Подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.[4]

Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того, надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и в пасмурные дни. Перечисленные трудности и затраты, необходимые для их преодоления, привели к мнению о непрактичности этого энергоресурса, по крайней мере сегодня. Однако во многих случаях проблема преувеличивается. Главное - использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и удорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения.[4]

Световое излучение можно улавливать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Кроме того, она обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха и накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к этим энергоресурсам, мы, по сути, занимаемся непрямым использованием солнечной энергии.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ столетия. [4]

На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно. Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами.[4]

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т.е. наличие электрического тока. [4]

Предложен метод использования солнечной энергии без использования системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию.

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 г. 1кВт.ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 г.-1 доллар, сейчас - 20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 40 МВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 1970-х гг. в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% - из двухслойных пластин из арсенида галлия и антипода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16% даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% стоимости современных солнечных батарей).[4]

Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.

Солнечное теплоснабжение получило развитие во многих зарубежных странах. Большинство установок солнечного теплоснабжения оборудовано солнечным коллектором.

Минусы солнечной энергетики[4]:

Высокие инвестиционные затраты - они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.

Изменчивость мощности во времени - производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.

Шум - исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.

Угроза для птиц - в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.

Возможность искажения приема сигнала телевидения - незначительна.

Изменения в ландшафте.

Гидроэнергетика

Чаще всего используется энергия падающей воды. До середины 19 в. для этого применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидравлические турбины. До конца 19 в. энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например для размола зерна или для приведения в действие кузнечных мехов и молота. В наши дни практически вся механическая энергия, создаваемая гидравлическими турбинами, преобразуется в электроэнергию.

Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят Соединенные Штаты, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия.

Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности строительства новых ГЭС. На Северную Америку, в распоряжении которой находится всего около 13% мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35% полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21% мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39%) вносят лишь 5 и 18% соответственно в мировую выработку гидроэлектроэнергии. Из остальных континентов Европа (21% ресурсов) дает 31% выработки, а Южная Америка и Австралия, вместе взятые, располагая примерно 15% ресурсов, дают только 11% производимой в мире гидроэлектроэнергии.[5]

Почти вся гидравлическая энергия представляет собой одну из форм солнечной энергии и поэтому относится к возобновляемым природным энергоресурсам. Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются облака, идет дождь, и вода в конце концов возвращается в водные бассейны, т.е. туда, откуда испарилась. С таким круговоротом воды в природе связаны колоссальные количества энергии. Географическая область умеренного климата высотой над уровнем моря около 2500 м и количеством осадков порядка 1000 мм/год теоретически могла бы непрерывно давать более 750 кВт с каждого квадратного километра площади. На самом деле можно использовать лишь малую долю всего количества осадков и лишь ничтожную долю высоты, с которой они стекают. Кроме того, обычно КПД современных гидротурбин и генераторов не превышает 86%. Тем не менее производительность гидроэлектростанций (ГЭС) в США составляет около 75 000 МВт, и по крайней мере еще 50 000 МВт можно получить дополнительно.

Минусы Гидроэнергетики[5]:

Привязанность к крупным рекам.

Затопление значительной части земель (лугов, населенных пунктов лесных массивов).

Происходит постепенное изменение микроклимата окружающих территорий.

Сокращаются стада ценных рыб.

Биотопливная энергетика

Биотопливная энергетика основана на получении жидкого, твердого или газообразного топлива из возобновляемого биологического сырья. Существует много способов получения биотоплива, к примеру, есть заводы по переработке стеблей сахарного тростника, семян рапса, кукурузы, сои, и других растений. Можно получать биогаз, перерабатывая отходы животноводческой промышленности и не только, получая побочный продукт в виде удобрений.

Производится жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), и твёрдое биотопливо (дрова, солома), газообразное биотопливо(метан). На ранней стадии разработки находятся технологии по получению топлива из целлюлозы, органических сельскохозяйственных, бытовых отходов, отходов лесной промышленности. Они являются наиболее перспективными и безопасными для окружающей среды. Считается, что биотопливо в большей степени соответствует экологическим стандартам, потому что при сгорании выделяет меньше парниковых газов, губительных для окружающей среды.

Биотопливо по назначению своему делится на два вида: для заправки автомобилей вместо бензина, либо для отопления помещений вместо газа. Правда, пока существуют единичные примеры устройств, позволяющих легковому транспорту работать на биотопливе. Пока эта технология находится в стадии становления. В тоже время отапливать жилье биотопливом можно прямо сейчас, потому что идея обогревать жилище дровами существует определенно не одну тысячу лет. Однако лучше дождаться массового производства топливных брикетов из отходов агропромышленного комплекса или лесоперерабатывающей отрасли. Такими брикетами можно будет отапливать не только частные жилые дома, но и использовать для поддержания системы центрального отопления и горячего водоснабжения больших городов.

Минусы биотоплива:

Сбор энергии с единицы площади.

Высокая себестоимость производства.

Низкий энергетический выход.

Грозовая энергетика

Грозовая энергетика - это способ получения энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть. Данный вид энергетики использует возобновляемый источник энергии и относится к альтернативным источникам энергии.

Компания Alternative Energy Holdings 11 октября 2006 года объявила об успешном развитии прототипа модели, которая может продемонстрировать возможности «захвата» молнии для дальнейшего её превращения в электроэнергию. Молния является чистой энергией, и её применение будет не только устранять многочисленные экологические опасности, но также будет значительно уменьшать дороговизну производства энергии. Также компания сообщила, что окупаться такая установка будет за 4 - 7 лет, молниевые фермы смогут производить и продавать электроэнергию по цене всего $ 0,005 за киловатт-час, что значительно дешевле производства энергии с помощью современных источников.[5]

В 2006 году специалисты, работающие со спутником NASA «Миссия измерения тропических штормов» , опубликовали данные по количеству гроз в разных регионах планеты. По данным исследования стало известно, что существуют районы, где в течение года происходит до 70 ударов молний в год на квадратный километр площади.

Молнии являются очень ненадёжным источником энергии, так как заранее нельзя предугадать, где и когда случится гроза.

Ещё одна проблема грозовой энергетики состоит в том, что разряд молнии длится доли секунд и, как следствие, его энергию нужно запасать очень быстро. Для этого потребуются мощные и дорогостоящие конденсаторы.

Молния является сложным электрическим процессом и делится на несколько разновидностей: отрицательные -- накапливающиеся в нижней части облака и положительные -- собирающиеся в верхней части облака. Это тоже надо учитывать при создании молниевой фермы.

По некоторым данным при одной мощной грозе высвобождается столько же энергии сколько все жители США потребляют за 20 минут.[2]



Управляемый термоядерный синтез

альтернативная энергетика ветряная солнечная

Управляемый термоядерный синтез - процесс слияния лёгких атомных ядер, проходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых управляемых условиях. УТС пока ещё не реализован. Для осуществления реакций синтеза реагирующие ядра должны быть сближены на расстояние порядка 10-11 см, после чего процесс их слияния происходит с заметной вероятностью за счёт туннельного эффекта.

Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся лёгким ядрам должна быть сообщена энергия ~10кэВ, что соответствует темп-ре ~ Ю8 К. С увеличением заряда ядер (порядкового номера Z) их кулоновское отталкивание усиливается, и величина необходимой для реакции энергии возрастает. Эффект сечения реакций, обусловленных слабыми взаимодействиями, очень малы. Реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием и тритием) обусловлены сильным взаимодействием и имеют сечение на 22-23 порядка выше. Различия в величинах энерговыделения в реакциях синтеза не превышают одного порядка.

При слиянии ядер дейтерия и трития оно составляет 17,6 МэВ. Большая скорость этих реакций и относительно высокое энерговыделение делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиб, перспективной для решения проблемы УТС. Тритий радиоактивен (период полураспада 12,5 лет), не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность его воспроизводства. С этой целью рабочая зона реактора может быть окружена слоем лёгкого изотопа лития, в к-ром будет идти реакция

Эффективное сечение термоядерных реакций быстро возрастает с темп-рой, но даже в оптимальных условиях остаётся несравненно меньше эффективного сечения атомных столкновений. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и дейтон-дейтонные или дейтон-тритонные столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.

Удвоенная мощность ядерного энерговыделения реактора равна произведению числа актов ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объёма рабочей зоны реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции.

Исследования в области УТС сталкиваются с большими трудностями как чисто физическими, так и технического характера. К первым относится уже упомянутая проблема устойчивости горячей плазмы, помещённой в магнитную ловушку. Применение сильных магнитных полей спец. конфигурации позволило подавить многие виды макроскопической неустойчивостей, но окончат. решение вопроса пока отсутствует.

В частности, остаётся. проблема "большого срыва", при которой плазменный токовый шнур сначала стягивается к оси камеры, затем ток прерывается за несколько микро-секунд и на стенки камеры сбрасывается большая энергия. Кроме теплового удара камера испытывает при этом и механический удар.

Серьёзную трудность представляет также образование пучков быстрых электронов, оторванных от основного ансамбля электронов плазмы. Эти пучки приводят к сильному возрастанию потоков тепла и частиц поперёк поля. В сверхбыстродействующих системах также наблюдается образование группы быстрых электронов в плазменной короне, окружающей мишень. Эти электроны успевают преждевременно нагреть центральные зоны мишени, препятствуя достижению необходимой степени сжатия и последующего запрограммированного протекания ядерных реакций. Основная трудность в этих системах-осуществление устойчивого сферически-симметричного сжатия мишеней.

Ещё одна трудность связана с проблемой примесей. Электро-магнитное излучение при используемых значениях для плазмы и возможных размерах реактора свободно покидает плазму, но для чисто водородной плазмы эти энергетические потери, определяемые в основном тормозным излучением электронов, в случае (d, 1)-реакций перекрываются ядерным энерговыделением уже при температурах выше 4-107 К. Однако даже малая добавка чужеродных атомов с большим Z, которые при рассматриваемых температурах находятся в сильно ионизованном состоянии, приводят к возрастанию энергетических потерь выше допустимого уровня. Требуются чрезвычайные усилия (непрерывное совершенствование вакуумных установок, использование тугоплавких и трудно распыляемых веществ, применение устройств, улавливающих атомы примесей и т. д.), чтобы содержание примесей в плазме оставалось ниже допустимого уровня (>0,1%). Для инерциальных систем - предотвращение перемешивания вещества сжимающей оболочки с термоядерным топливом на конечных стадиях сжатия.

Водородная энергетика

С водородной энергетикой связаны надежды на глобальное переустройство мировой экономики, к переходу от ископаемых углеводородных энергоносителей к водороду, что открывает возможность использования в качестве неограниченной сырьевой базы водные ресурсы, а продуктами сгорания водорода являются пары воды. В отдаленном будущем для получения электролитического водорода предполагается использовать в основном термоядерную, солнечную и другие возобновляемые источники энергии. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность промышленного производства водорода.

В широком смысле водородная энергетика основана на использовании в качестве топлива водорода. Водородная энергетика также включает: получение водорода из воды и др. природного сырья; хранение водорода в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных химических соединений, например гидридов интерметаллических соединений; а также транспортировку водорода к потребителю с небольшими потерями. Однако, водородная энергетика пока не получила широкого применения. Методы получения водорода, способы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как перспективные для водородной энергетики, находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований.

Выбор водорода в качестве энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из которых являются экологическая безопасность водорода, поскольку продуктом его сгорания является вода, исключительно высокая энтальпия, равная - 143,06 МДж/кг. Высокая теплопроводность водорода, а также его низкая вязкость очень важны при его транспортировании по трубопроводам.

Запасы водородного сырья для водородной энергетики неограниченны, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду (содержание воды в гидросфере 1,39*1018т).

Водород может быть использован в качестве топлива во многих химических и металлургических процессах, а также как топливо в авиации и автотранспорте, так и в виде добавок к моторным топливам.

Для получения и передачи энергии также перспективно получение и использование водорода химическими способами. По одному из них смесь водорода с монооксидом углерода (СО), полученная на первой ступени каталитической конверсии метана, передается к потребителю по трубопроводу и поступает в аппарат - метанатор, в котором осуществляется обратная экзотермическая реакция:



ЗН2 + СО -> СН4 + Н2О

Выделяемое при этом тепло может быть использовано для бытового и промышленного теплоснабжения, а парогазовая смесь возвращается обратно в цикл для конверсии метана.

Следует отметить, что традиционные способы получения водорода для водородной энергетики экономически не выгодны. Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и др.

Все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется высокопотенциальная энергия, на получение которой в свою очередь затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Такое производство водорода всегда будет оставаться неэкономичным и экологически опасным.

Минусы водородной энергетики.

Сложность хранения.

Водород взрывоопасен.

Сложность доставки.

Космическая энергетика.

По сравнению с солнечными энергетическими установками, расположенными на поверхности планеты, установки космического базирования имеют целый ряд несомненных преимуществ. Первое, и самое главное, преимущество заключается в непрерывности действия подобной установки, получаемой за счет постоянного облучения установки солнечными лучами. Дополнительными преимуществами является полная независимость от погодных условий на поверхности планеты и угла наклона оси планеты.

Конечно, при практической реализации этой системы в жизнь возникает целый ряд проблем. Первая проблема связана с габаритными размерами антенны, передающей энергию на поверхность земли. Исследователи просчитали, что при передаче энергии микроволнами с частотой 2.45 ГГц диаметр передающей антенны будут близок к одному километру. При этом диаметр принимающей энергию области на поверхности Земли должен составлять не менее 10 километров.[6]

Еще не до конца изучен вопрос о КПД, при передаче энергии из космоса на Землю, но это вопрос не вызывает у исследователей больших волнений. На Земле были уже успешно проведены эксперименты по беспроводной передачи энергии на большие расстояния. В ходе одного из таких экспериментов была достигнута передача энергии на расстояние около 150 километров, что является значением близким к расстоянию от энергетического спутника до поверхности Земли.

Главное препятствие для начала реализации системы SBSP в жизнь это сумма денежных затрат необходимых для ее построения и вывода в околоземное пространство. Но, в нынешнее время ведутся работы по разработке и внедрению ракет-носителей нового типа SpaceX's Falcon 9. Применение таких ракет-носителей позволит существенно снизить затраты на вывод в космос компонентов системы SBSP, и сделает этот проект ближе к реальности.[6]

Представители организаций, занятых в работах над этим проектом, полны оптимизма. Они утверждают, что в случае начала финансирования программы в 2009 году, первый результат можно будет получить уже в 2017 году. Этим результатом будет запуск одного экспериментального энергетического спутника мощностью 100 МВт. Следующим шагом будет запуск на орбиту комплекса из пяти спутников, общей мощностью более 20 ГВт. Этот этап, по планам, может быть реализован уже в 2020 - 2025 годах.[6]



Заключение

На возобновляемые (альтернативные) источники энергии приходится всего около 1 % мировой выработки электроэнергии. Речь идет прежде всего о геотермальных электростанциях (ГеоТЭС), которые вырабатывают немалую часть электроэнергии в странах Центральной Америки, на Филиппинах, в Исландии; Исландия также являет собой пример страны, где термальные воды широко используются для обогрева, отопления.

· Приливные электростанции (ПЭС) пока имеются лишь в нескольких странах -- Франции, Великобритании, Канаде, России, Индии, Китае.

· Солнечные электростанции (СЭС) работают более чем в 30 странах.

· В последнее время многие страны расширяют использование ветроэнергетических установок (ВЭУ). Больше всего их в странах Западной Европы (Дания, ФРГ, Великобритания, Нидерланды), в США, в Индии, Китае.

· В качестве топлива в Бразилии и других странах все чаще используют этиловый спирт.

Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и грядущим топливным дефицитом в традиционной энергетике.

По оценкам Европейской комиссии к 2020 году в странах Евросоюза в индустрии возобновляемой энергетики будет создано 2,8 миллионов рабочих мест. Индустрия возобновляемой энергетики будет создавать 1,1 % ВВП.

Альтернативная энергетика - это перспективная отрасль развития энергетики. Она не лишена своих минусов и, пока что находится только на стадии теорий, но при дальнейшем развитии и вложениях в разработки альтернативная энергетика вполне может составить конкуренцию традиционной.



Список использованной литературы

Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс]: статья ««Альтернативная энергетика». - Режим доступа к статье: http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%EB%FC%F2%E5%F0%ED%E0%F2%E8%E2%ED%E0%FF_%FD%ED%E5%F0%E3%E5%F2%E8%EA%E0

Кукольщикова С.Б. «Ветровая энергетика: состояние проблемы»: реф.; рук. работы Применко В.Н.- М. : Российский Университет Дружбы Народов, 2000.

Русское географическое общество [Электронный ресурс] : Всероссийская общественная организация - М. :. - Режим доступа к сайту: http://www.rgo.ru/2010/10/vetroenergetika-sostoyanie-i-perspektivy-v-rossii

Бушуев А.Н. «Солнечная энергетика»: реф.; рук. работы Саблин В.В..- М. : Оренбургский государственный университет, 2006.

Энциклопедия Кругосвет [Электронный ресурс] : Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия - М. :. - Режим доступа к статье: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/GIDROENERGETIKA.html

Размещено на Allbest.ru